專利名稱：用于內存組件陣列互連的聚合物電介質的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大致關于具有聚合物電介質的集成電路芯片。詳而言之，本發(fā)明為關于在有機內存裝置內作為內存組件互連的聚合物電介質。
背景技術：
計算機與內存裝置的基本功能包含信息處理與儲存。在典型計算機系統(tǒng)中，藉由能夠在常稱作″0″與″1″的兩態(tài)之間的可逆切換之裝置進行這些演算、邏輯與記憶操作。該切換裝置為從其進行這些不同的功能且可在兩態(tài)之間以高速切換的半導體裝置來制造。
例如供儲存或處理資料的電子尋址或邏輯裝置，特別是晶態(tài)硅裝置，其以無機固態(tài)技術制成。金屬氧半導體場效應晶體管(MOSFET)為其主要骨干之一。
在制造計算機與內存裝置更快、更小及更便宜的許多發(fā)展上涉及擠壓越多晶體管與其它電子結構至一郵票尺寸之硅塊上的整合積集度(integration)。一郵票尺寸硅塊可含有數(shù)千萬個晶體管，而各晶體管小至幾百奈米。然而，以硅為基礎的裝置正接近其基本物理尺寸的限制。
無機固態(tài)裝置通常被導致價格偏高及資料儲存密度損失之復雜結構所妨礙?；跓o機半導體材料的可變揮發(fā)性半導體內存(volatilesemiconductor device)的電路系統(tǒng)為了維持已儲存信息必須經(jīng)常地被提供電流而導致加熱與高電力消耗。非揮發(fā)性半導體裝置(nonvolatilesemiconductor device)具有一已降低的資料速率及相對高的電力消耗與高程度的復雜性。
此外，隨著無機固態(tài)裝置尺寸減小及積集度增加，對校準誤差(alignment tolerances)的敏感度將更顯著地增加制造之困難。形成最小尺寸的特征并非表示該最小尺寸可用以工作電路之制造。其必須具有比小的最小尺寸，例如，四分之一最小尺寸，還小很多的校準誤差。
縮放無機固態(tài)裝置會增加摻雜物擴散長度之問題。當范圍縮小時，在硅內之摻雜物擴散長度會在制程設計上產(chǎn)生困難。在此種關系下，許多調整為用以降低摻雜物的遷移與在降低在高溫下的時間。然而，不清楚能無限期地持續(xù)作此類調整。
施予穿過半導體連接(semiconductor junction)(在逆向偏壓方向上)的電壓會增加連接周圍的空乏區(qū)(depletion region)。空乏區(qū)的寬度取決于半導體的摻雜程度。若該空乏區(qū)延伸至接觸到另一空乏區(qū)，則可能發(fā)生沖穿(punch through)或不受控電流。
較高之摻雜程度將小化須要用來防止沖穿的間隔。然而，若每單位距離之電壓改變?yōu)榇髸r，則會進一步加深在每單位距離之大電壓改變其意味著電場強度為大時的困難。穿過該銳梯度的電子可能被增速至足以高于最小導電帶能量的能階。此電子被稱為熱電子，且可能足夠活躍以穿越絕緣體而導致半導體裝置不可逆的退化。
縮放與積集度使單石半導體襯底的絕緣(isolation)更有挑戰(zhàn)性。尤其，在某些狀態(tài)下裝置的互相橫向絕緣(lateral isolation)相當困難。另一困難為漏電流大小。尚有另一困難為在襯底內的載子擴散，因自由載子能擴散至數(shù)十微米而中和已儲存電荷。
對更小與更輕電子組件的持續(xù)需求已增加對先進材料與設計的需求。此因目前電子市場之趨勢，例如無線通訊與可攜式計算機的成長需求，為放置在加強更小/更輕的裝置特征與更快的操作速度的強調上。為了確保電子電路的可靠操作，必須執(zhí)行在鄰近導體間的合適電子絕緣。合適之電子隔離可減輕高電壓發(fā)弧(high voltage arcing)與漏電流，而高壓發(fā)弧與漏電流在高頻下可能惡化。當芯片上的裝置密度增加時，則在實行合適電子絕緣的難度亦增加。
當晶圓尺寸增加與/或當晶體管裝置尺寸減少時，關于整個層間電介質材料變得更加重要。目前層間電介質材料，例如無機氧化物與氮化物，具有有益的方面，同樣地也具有缺點。更重要的是當制造電路設計時產(chǎn)生某些物理特質，例如不良的擴散、串音(crosstalk)、適當絕緣(電與溫度)、熱膨脹系數(shù)、短信道效應、漏泄、關鍵尺寸控制、汲極偏壓導致信道能障降低效應(Drain Induced Barrier Lowering，DIBL)。因而想要減輕層間電介質材料的缺點。

發(fā)明內容
為了提供本發(fā)明某些觀點的基本了解，如下所述為本發(fā)明的概要。本概要并非打算確認本發(fā)明之重要/關鍵組件或打算描述本發(fā)明的范疇。其唯一的目的為以一簡化形式提出本發(fā)明之某些觀念當作之后所提出的更詳細說明的序言。
本發(fā)明在內存芯片與半導體芯片之處提供其熱膨脹系數(shù)大致相符之兩種或以上的塑料襯底、聚合物電介質、導電聚合物與有機半導體，藉此減輕溫度改變的不良效應。再者，由于兩種或以上的塑料襯底、聚合物電介質、導電聚合物與有機半導體，因此本發(fā)明提供相當輕量的與可撓性的(flexible)內存芯片與半導體芯片。
根據(jù)本發(fā)明所使用的聚合物電介質具有一個或以上的低介電常數(shù)、低耗散因子(low dissipation factor)、低吸水性(low moisture uptake)、熱穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性、高崩潰電壓(breakdown voltage)與高玻璃轉化溫度(glass transition temperature)。本發(fā)明之一觀點為關于含有聚合物電介質與至少含有有機半導體材料與無源層之有源裝置的半導體裝置。
本發(fā)明另一觀點為關于進一步含有導電聚合物的半導體裝置。
為了先前與相關于后所述的實現(xiàn)，本發(fā)明包括于其后全面描述其特征并在申請專利范圍內詳加指出。接下來的說明與附加圖標會提出某些本發(fā)明詳細圖標觀點與實現(xiàn)。然而，僅使用本發(fā)明眾多原理的部分方式表示。當想到與這些圖標結合時，從接下來之本發(fā)明的詳細描述，將使本發(fā)明之其它目標、優(yōu)點與新穎特征變得更為明顯。


圖1為根據(jù)本發(fā)明其中一觀點圖標之二維微電子裝置之透視圖，該裝置為聚合物電介質內部含有多個有機內存格；圖2為根據(jù)本發(fā)明另一觀點圖標之三維微電子裝置之透視圖，該裝置為在聚合物電介質內部多個有機內存格；以及圖3為根據(jù)本發(fā)明其中一觀點之集成電路裝置之橫截面說明圖標，該裝置含有多個有機半導體裝置與聚合物電介質。
具體實施例方式
聚合物電介質通常比無機材料具有較輕之重量與較高之熱膨脹系數(shù)，其通常用以當作例如硅與硅化氮之半導體襯底。熱膨脹系數(shù)通常定義為提升每單位溫度在長度上的微量增加(fructional increuse)。本發(fā)明涉及使用關于有機半導體或聚合物內存裝置之聚合物電介質。本發(fā)明亦可選擇涉及使用具導電聚合物之聚合物電介質。因此關系中，本發(fā)明提供重量輕、在構造上為半可撓彈性以及于兩種或以上之聚合物電介質、導電聚合物與有機半導體之熱膨脹系數(shù)之處為實質吻合之內存芯片與半導體芯片。
根據(jù)本發(fā)明所制造之集成電路芯片含有一聚合物電介質。該聚合物電介質具有相當輕量與大致吻合形成于包含有源裝置，特別是以有機半導體或聚合物內存格制造之有源裝置之襯底上之許多材料之熱膨脹系數(shù)。由于電介質為由聚合物電介質所制造，因此溫度變化不會有害影響效能、可靠性與/或含有有機半導體或聚合物內存裝置之集成電路芯片之機械完整性(mechanical integrity)。
聚合物電介質為絕緣材料，諸如低k材料(具有低介電常數(shù)之材料)。低k材料提供在不同層、裝置、結構與半導體襯底內之區(qū)域之間的電氣絕緣。為了本發(fā)明之目的，低k材料具有大約在3以下之介電常數(shù)。在另一實施例中，低k材料具有在約2.4以下之介電常數(shù)。而在另一實施例中，低k材料具有在約1.8以下之介電常數(shù)。更在另一實施例中，低k材料具有在約1.5以下之電介質常數(shù)。
該聚合物電介質可能為可自圖案化的(不需光刻膠)或不可自圖案化的(需使用光刻膠或屏蔽以圖案化)。在某些例子中，自圖案化的聚合物電介質之使用可以排除在制造集成電路裝置中之實行微影步驟(photolithographic step)之需要。
聚合物電介質之通常例子包含低k聚合物與低k氟聚合物。聚合物電介質之例子包含聚酰亞胺(polyimides)、氟化的聚酰亞胺(fluorinatedpolyimides)、諸如氫聚倍半硅氧烷(hydrogen polysilsequioxanes)、甲基聚倍半硅氧烷(methyl polysilsequioxanes)、丁基聚倍半硅氧烷(butylpolysilsequioxanes)與苯基聚倍半硅氧烷(phenyl polysilsequioxanes)的聚倍半硅氧烷(polysilsequioxanes)、苯并環(huán)丁烯(benzocyclobutenesBCB)、氟化的苯并環(huán)丁烯(fluorinated benzocyclobutene)、聚亞苯基(polphenylene)、聚硅氮烷(polysilazanes)、聚苯基喹喔啉(polyphenylquinoxaline)、2，2-雙三氟甲基-4，5-二氟-1，3-二氧雜環(huán)戊烯(2，2-bistrifluoromethyl-4，5-difluoro-1，3-dioxole)的共聚物、全氟烷氧基樹脂(perfluoroalkoxy resin)、氟化的乙烯丙烯(fluorinated ethylenepropylene)、氟甲基丙烯酸酯(fluoromethacrylate)、聚(芳基醚)(poly(arylene ether))、氟化的聚(芳基醚)(fluorinated poly(aryleneether))、氟化的派瑞林(fluorinated parylenes)、聚(對二甲苯)(poly(p-xylxylenes)、氟化的聚(對二甲苯)(fluoride poly(p-xylxylenes)、派瑞林F(parylene F)、派瑞林N(parylene N)、派瑞林C(parylene C)、派瑞林D(parylene D)、非晶的聚四氟乙烯(amorphouspolytetrafluoroethylene)、聚喹啉(polyquinoline)、聚苯基喹喔啉(polyphenylquinoxalines)、聚合物光刻膠材料等。
商業(yè)上可購得之聚合物電介質之具體例子包含，被認為是從全氟聯(lián)苯基(perfluorobiphenyl)與非晶的雙酚衍生出來的AlliedSignal公司的FLARETM；Applied Materials公司可購得的Black DiamondTM；AsahiChemical公司的CYTOP氟聚合物與ALCAP-S；Dow Chemical公司的SiLK與CYCLOTENERBCB；從DuPont公司可購得的KAPTON聚酰亞胺與IMIDEX聚酰亞胺；Shipley公司的ZIRKON；Dupont公司的TEFLON聚全氟乙烯；Dow Coming公司的XLK與3MS；HitachiChemical公司的HSG RZ25；Honeywell Electronic Materials公司的HOSPTM與NANOGLASSTM；JSR Microelectronics公司的LKD；Novellus公司的CORALTM與AF4；Clariant公司的SPINFILTM聚硅氮烷與PIMEL聚酰亞胺；以及Schumacher公司的VELOXTMPAE-2。
聚合物電介質一般不是使用旋轉式涂布沉積法就是使用化學氣相沉積法(chemical vapor deposition)技術來形成。在化學氣相沉積法中，于阻劑(resist)沉積期間沒有使用有機溶劑?；瘜W氣相沉積法包含脈沖電漿輔助化學氣相沉積法(plasma enhanced chemical vapor deposition)與熱分解化學氣相沉積法(pyrolytic CVD)以及連續(xù)式電漿輔助化學氣相沉積法。舉例來說，電漿聚合是一種常用來沉積氟碳化物聚合物電介質之方法。為了使膜沉積在輝光放電(glow discharge)區(qū)內部，該電漿輔助化學氣相沉積法使用連續(xù)式射頻功率(radio frequency)以激發(fā)先驅物氣體(precursor gas)。
本發(fā)明之集成電路裝置可能或可能不額外含有無機電介質材料。此無機電介質材料之例子包含硅、氮化硅、氮氧化硅(silicon oxynitride)、其它金屬氧化物等。在一特定實施例中，含有聚合物電介質之有機半導體裝置不含有硅。
該聚合物電介質可能為透明、半透明或不透明。該聚合物電介質具有一熔點或玻璃轉化溫度，其足夠以在其上或在其中促進加工與促進有源半導體裝置(例如在其上與/或在其中形成有機半導體裝置)之制造。在一實施例中，該聚合物電介質具有一熔點與/或玻璃轉化溫度約在125E C.或更高且在大約425E C.或更少。在另一實施例中，該聚合物電介質具有一熔點與/或玻璃轉化溫度約在135E C.或更高且在大約400E C.或更少。更在另一實施例中，該聚合物電介質具有一熔點與/或玻璃轉化溫度約在140E C.或更高且在大約300E C.或更少。
在某些例子中，某些聚合物電介質易受氧與/或水分滲透不良的影響。在這些例子中，在聚合物電介質表面上可沉積任意的水分與/或氧隔離層。該任意的隔離層當作預防至少一部份水分或/與氧穿透至該聚合物電介質用。隔離層之例子包含硅氧化物、氮化硅、非導電金屬氧化物，例如鋁氧化物、金屬/聚合物交替層，例如鋁/聚對二甲苯基或交替的無機電介質介質聚合物，例如硅/cyclotene以減低與/或排除通過聚合物電介質之氧與水分擴散。當利用該金屬/聚合物交替層，最上或最后層最好是用絕緣材料制造以預防任何可能的短路。
有機半導體裝置之有源裝置與有機內存裝置之例子包含非可變性有機內存格、有機半導體晶體管、聚合物半導體晶體管、非可變性聚合物內存格、可程序有機內存格等。通常這些有源裝置含有于兩電極間之有機半導體或含有藉由三電極所環(huán)繞之有機半導體。此處所描述之集成電路芯片可以利用成邏輯裝置，例如中央處理單元(CPUs)；例如可變性內存裝置，例如動態(tài)隨機存取內存(DRAM)裝置、靜態(tài)隨機存取內存(SRAM)裝置等；輸入/輸出裝置(I/O芯片)；以及例如非可變性內存裝置，例如電清除可程序化只讀存儲器(EEPROMs)、可清除可程序化只讀存儲器(EPROMs)、可程序只讀存儲器(PROMs)等。
該有機內存格最少含有兩電極，同時其一或更多電極可能沉積介于夾于可控導電介質之兩電極之間。該電極以導電材質制造，例如導電金屬、導電金屬合金、導電金屬氧化物、導電聚合物膜、半導體材料等。
特定電極用之材料之例子包含一種或更多種之鋁、鉻、銅、鍺、金、鎂、錳、銦、鐵、鎳、鈀、鉑、銀、鈦、鋅以及其合金；銦錫氧化物(ITO)；多晶硅；摻雜非晶質硅；金屬硅化物(metal silicide)等。合金電極具體包含Hastelloy、Kovar、Invar、Monel、Inconel、黃銅、不銹鋼、鎂銀合金以及其它不同合金。
在一實施例中，各電極之厚度獨自約為0.01Φm或更大且約為10Φm或更小。在另一實施例中，各電極之厚度獨自約為0.05Φm或更大且約為5Φm或更小。更在另一實施例中，各電極之厚度獨自約為0.1Φm或更大且約為1Φm或更小。
有機半導體裝置與聚合物內存裝置之有源裝置含有有機半導體與無源層，其可以構成一可控導電介質。在可控方法中使用外部刺激能使該可控導電介質成為可導電的與非導電的。通常在缺少外部刺激下，該可控導電介質為非導電或具有較高阻抗。再者，在某些實施例中，導電性/抵抗性之多重程度可能以可控方式建立可控導電介質。舉例來說，用于該可控導電介質之導電性/抵抗性之多重程度可能包含一非導電態(tài)、一高導電態(tài)、一半導電態(tài)以及其具有不同程度之電阻(換句話說，該可控導電介質可能具有多個導電態(tài))之電阻態(tài)。
藉由外在刺激(外在意指從可控導電介質之外引起)以可控方式能使該可控導電介質成為導電、非導電或任何介于兩者間之態(tài)(導電程度)。舉例來說，在一外在電場、輻射等之下，一給定非導電可控導電介質被轉變成一導電可控導電介質。
該可控導電介質含有一種或更多種有機半導體層與一種或更多種無源層。該無源層含有一導電性促進化合物。在一實施例中，該可控導電介質含有至少鄰近一無源層(介于有機半導體與無源層間不需任何中介層)之有機半導體層。
有機半導體因此具有以碳為基礎的結構，通常為以碳氫為基礎的結構，其不同于習知的MOSFETs。該有機半導體材料典型特征在于其具有重迭B軌域(orbitals)與/或在于其具有至少兩穩(wěn)定氧化態(tài)。該有機半導體材料亦具有其可能假設二種或更多種共振結構(resonantstructure)之特征。該重迭B軌域貢獻可控導電介質的可控導電特性。注入至有機半導體層內之電荷量亦影響該有機半導體層之導電程度。
由此關系中，該有機半導體層，例如一共軛有機聚合物，具有給予及接收電荷之能力(電子與/或電洞)。通常該有機半導體或聚合物內之原子/部分(moiety)具有至少兩相對穩(wěn)定態(tài)。該兩相對穩(wěn)定氧化態(tài)允許該有機半導體給予及接收電荷且與導電性促進化合物電性相互作用。該有機半導體給予及接收電荷以及與無源層電性相互作用之能力亦取決于該導電性促進化合物本身。
有機半導體通常包含具有多變導電性之聚合物。在一實施例中，該有機半導體含有共軛有機聚合物。在另一實施例中，該有機半導體含有具有芳香族為其內之重復單元(repeating unit)之共軛有機聚合物。
具有多變導電性之聚合物之例子包含聚乙炔(polyacetylene)；聚二苯基乙炔(polydiphenylacetylene)；聚(叔丁基)二苯基乙炔(poly(t-butyl)diphenylacetylene)；聚(三氟甲基)二苯基乙炔(poly(trifluoromethyl)diphenylacetylene)；聚雙(三氟甲基)乙炔(polybis(trifluoromethyl)acetylene)；聚雙(叔丁基聯(lián)苯基)乙炔(polybis(t-butyldiphenyl)acetylene)；聚(三甲基硅烷基)二苯基乙炔(poly(trimethylsilyl)diphenylacetylene)；聚(咔唑)二苯基乙炔(poly(carbazole)diphenylacetylene)；聚二乙炔(polydiacetylene)；聚苯基乙炔(polyphenylacetylene)；聚嘧啶乙炔(polypyridineacetylene)；聚甲氧基苯基乙炔(polymethoxyphenylacetylene)；聚甲基苯基乙炔(polymethylphenylacetylene)；聚(叔丁基)苯基乙炔(poly(t-butyl)phenylacetylene)；聚硝基苯基乙炔(polynitro-phenylacetylene)；聚(三氟甲基)苯基乙炔(poly(trifluoromethyl)phenylacetylene)；聚(三甲基硅烷基)苯基乙炔(poly(trimethylsilyl)phenylacetylene)；聚二吡咯基甲烷(polydipyrrylmethane)；聚吲哚醌(polyindoquinone)；聚二羥基吲哚(polydihydroxyindole)；聚三羥基吲哚(polytrihydroxyindole)；呋喃-聚二羥基吲哚(furane-polydihydroxyindole)；聚吲哚醌-2-羧基(polyindoquinone-2-carboxyl)；聚吲哚醌(polyindoquinone)；聚苯并雙噻唑(polybenzobisthiazole)；聚(對苯硫醚)(poly(p-phenylene sulfide))；聚苯胺(polyaniline)；聚噻吩(polythiophene)；聚吡咯(polypyrrole)；聚硅烷(polysilane)；聚苯乙烯(polystyrene)；聚呋喃(polyfuran)；聚吲哚(polyindole)；聚薁(polyazulene)；聚亞苯基(polyphenylene)；聚嘧啶(polypyridine)；聚聯(lián)嘧啶(polybipyridine)；聚酞菁染料(polyphthalocyanine)；聚六噻吩(polysexithiofene)；聚(硅酮半紫菜嗪)(poly(siliconoxohemiporphyrazine))；聚(鍺酮半紫菜嗪)(poly(germaniumoxohemiporphyrazine))；聚(伸乙二氧基噻吩)(poly(ethylenedioxythiophene))；聚金屬茂合物(polymetallocene)絡合物(鐵、釩、鉻、鈷、鎳等)；聚嘧啶(polypyridine)金屬絡合物(釕、鋨等)；等。
在一實施例中，該有機半導體層未以鹽類摻雜。在另一實施例中，該有機半導體層以鹽類摻雜。該鹽類為一具有陽離子與陰離子之離子化合物。通常可以用來摻雜有機半導體層之例子包含堿土金屬的鹵素、硫酸鹽類、過硫酸鹽類、硝酸鹽類、磷酸鹽類等。堿金屬的鹵素、硫酸鹽類、過硫酸鹽類、硝酸鹽類、磷酸鹽類等。過渡金屬的鹵素、硫酸鹽類、過硫酸鹽類、硝酸鹽類、磷酸鹽類以及諸如此類。銨的鹵素、硫酸鹽類、過硫酸鹽類、硝酸鹽類、磷酸鹽類等。四烷基銨的鹵化物、硫酸鹽類、過硫酸鹽類、硝酸鹽類、磷酸鹽類等。
在一實施例中，該有機半導體層具有厚度約為0.001Φm或更大且約為5Φm或更小。在另一實施例中，該有機半導體層具有厚度約為0.01Φm或更大且約為2.5Φm或更小。更在另一實施例中，該有機半導體層具有厚度約為0.05Φm或更大且約為1Φm或更小。
該有機半導體層可藉由旋轉涂布技術(spin-on technique)(沉積一聚合物/聚合物前驅物與一溶劑之混合物，之后再從襯底/電極移除溶劑)、任意包含氣體反應、氣相沉積等之化學氣相沉積法技術(CVD)來形成。化學氣相沉積法(CVD)包含低壓化學氣相沉積法(LPCVD)、電漿輔助化學氣相沉積法(PECVD)與高密度化學氣相沉積法(high density chemicalvaor deposition)。在形成或沉積期間，該有機半導體材料自組裝于電極之間。一般無須為了要使其黏附至電極/無源層上將有機聚合物之一個或多個末端官能化。
一共價鍵可能形成于該有機半導體材料與該無源層之間?；蛘?，為了要提供在該有機半導體層與無源層之間的良好電荷載子/電子交換使其緊密接觸為必要者。該有機半導體層與該無源層為在該二層之間發(fā)生電荷載子/電子交換之電偶合。
一無源層含有至少一種導電促進化合物，該化合物其提供可控導電介質之可控導電性質。該以植入法所形成之導電促進化合物具有給予及接收電荷(電子與/或電洞)與/或扮演銅離子來源之能力。該無源層因此可能傳輸電洞、電子與/或介于一電極與該有機聚合物層/無源層接口之離子、促進電荷/載子注入至該有機聚合物層與/或于該有機聚合物層增加電荷/載子(離子、電洞與/或電子)濃度。在某些例子中，該無源層可能儲存相反電荷是故整體上于該有機內存裝置內提供電荷平衡。儲存電荷/電荷載子為藉由兩相對穩(wěn)定氧化態(tài)于導電促進化合物存在時來促成。
該無源層之費米能階(fermi level)為接近該有機半導體層之價帶。若該充電的有機半導體之能帶未實質改變，結果，該已注入電荷載子(至該有機半導體層)可能與在無源層中電荷重組。定位能帶涉及在電荷注入之減輕與電荷(資料)滯留時間之長度之間的折衷。
施予外部電場可以降低于該無源層與依電場方向之有機層之間之能障。因此，在順向電場之程序化操作中可得到加強電荷注入并且在逆向電場之減低操作中亦可得到加強電荷重組。
當形成該有機半導體層時，特別當該有機半導體層含有一共軛有機聚合物時，該無源層在某些例子中可扮演觸媒的角色。由此關系，該共軛有機聚合物之聚合物主干可能一開始形成相鄰的無源層，并生長或組合開并大致垂直于無源層表面。因此，該有機聚合物之聚合物主干可能自動對準于一橫貫電極之方向或于一遠離無源層之方向。
可能構成無源層之導電促進化合物之例子包含一或更多銅硫化物(Cu2S、CuS)、富含銅的銅硫化物(Cu3S、CuS；Cu3S、Cu2S)、銅氧化物(CuO、Cu2O)、銅硒化物(Cu2Se、CuSe)、銅碲化物(Cu2Te、CuTe)、錳氧化物(MnO2)、二氧化鈦(TiO2)、銦氧化物(I3O4)、銀硫化物(Ag2S、AgS)、金硫化物(Au2S、AuS)、鐵氧化物(Fe3O4)、鉆砷化物(CoAs2)、鎳砷化物(NiAs)等。在電場強度下，該導電促進化合物并非必然解離成離子，雖然離子可能移動通過它們。該無源層可含有二或更多次無源層，各次層含有相同、不同或多重導電促進化合物。
該無源層使用，其透過氣相反應、植入技術或沉積于電極之上/之間來形成之氧化技術來生長。在某些例子中，為了提升長電荷滯留時間(在有機半導體層內)，無源層可能在其形成后以電漿處理。該電漿處理修正了無源層之能障。
在一實施例中，含有導電促進化合物之無源層具有厚度為2Δ或更多且大約0.1Φm或更少。在另一實施例中，該無源層具有厚度為10Δ或更多且大約0.01Φm或更少。更在另一實施例中，該無源層具有厚度為50Δ或更多且大約0.005Φm或更少。
使用一外在刺激來促進該有機內存裝置/格之操作以達成切換效果。該外在刺激包含外在電場與/或光輻射。在各種情況下，該有機內存格不是可導電性(低阻抗或”導通”狀態(tài))就是非導電性(高阻抗或”關閉”狀態(tài))。
該有機內存格可更具有多于一可導電性的或低阻抗之狀態(tài)，例如一極高導電態(tài)(極低阻抗態(tài))、一高導電態(tài)(低阻抗態(tài))、一導電態(tài)(中度阻抗態(tài))以及一非導電態(tài)(高阻抗態(tài))，因此于單一內存格內能儲存多重位之信息，例如二或更多位之信息或四或更多位之信息。
當一外在刺激(例如施予外部電場)超過臨限值(threshod value)時，則會該有機內存格從”關閉”狀態(tài)切換至”導通”狀態(tài)發(fā)生。當一外在刺激不超過臨限值或不存在時，則會該有機內存格從”導通”狀態(tài)切換至”關閉”狀態(tài)發(fā)生。該臨限值變化取決于許多因素，這些因素包含構成有機內存格與無源層之材料本身、不同層之厚度等。
一般說來，外在刺激(例如施予超過臨限值(“可程序化”狀態(tài))之外部電場)之存在允許施予電壓于/從該有機內存格寫入或抹除信息而且外在刺激(例如施予少于臨限值之外部電場)之存在允許一施予電壓從該有機內存格讀取信息；而不超過臨限值之外在刺激無法于/從該有機內存格中寫入或抹除信息。
為了寫入信息至該有機內存格，需施以超過臨限值之電壓或脈沖訊號。為了讀取該有機內存格之寫入信息，需施以電壓或任何極性之電場。測量阻抗以決定該有機內存格是在低阻抗態(tài)或是高阻抗態(tài)(即是”導通”或是”關閉”)。為了抹除該已寫入至有機內存格之寫入信息，需施以一超過臨限值之與寫入訊號極性相反之負電壓。
請參照圖1，顯示根據(jù)本發(fā)明之一觀點之微電子有機內存裝置100之簡要描述，該裝置含有位于或覆蓋在襯底101上之多個有機內存格，以及說明有機內存格104之展開圖102。該微電子有機內存裝置100含有以行數(shù)、列數(shù)與層數(shù)(三維定向稍后描述)決定之期望數(shù)量之有機內存格存在于襯底101上。該有機內存格形成在一聚合物電介質103之內。該第一電極106與第二電極108顯示在大致垂直之方向，盡管其它定向可能達成該展開圖102之結構。各有機內存格104含有第一電極106與第二電極108以及一可控導電介質110于其間。該可控導電介質110含有一有機半導體層112與無源層114。周邊電路圖與裝置未顯示以表簡明。
請參照圖2，其顯示根據(jù)本發(fā)明之一觀點之三維微電子有機內存裝置200，該裝置含有位于襯底201上或上方之多個有機記憶裝置。該三維微電子有機內存裝置200含有多個第一電極202、多個第二電極204以及形成在聚合物電介質203內之多個內存格層206。在各別的第一與第二電極間為可控導電介質(未顯示)。該多個第一電極202與多個第二電極204顯示在大致垂直之方向，盡管其它定向為可能的。歸因于聚合物電介質與有機內存裝置(代替相對較重的無機晶體管與無機電介質)該微電子有機內存裝置具有相對輕量且該聚合物電介質與有機內存裝置兩者為有機基底材料其具有相對吻合之熱膨脹系數(shù)。如圖2所示，周邊電路圖與裝置未顯示以表簡明。
結合圖3，可更加了解本發(fā)明且更能鑒別其優(yōu)點。一多功能半導體裝置300于其中顯示具有聚合物電介質之結構312、322、324與326(可選擇308為一聚合物電介質結構)。該多功能半導體裝置300具有以襯底302支持之n-摻雜區(qū)304與n+摻雜區(qū)306以及在其中形成之淺溝隔離(STI)區(qū)308。STI區(qū)308可以一聚合物電介質或一無機電介質，例如硅來形成。在STI區(qū)308下方形成信道阻絕植入(CSI)區(qū)310。第一聚合物電介質結構312位在n+摻雜區(qū)306上方。在第一聚合物電介質結構312內部為鎢插塞(tungsten plugs)314。在其它可利用的制造技術當中，可能使用一鑲嵌結構或雙鑲嵌結構制程以形成該鎢栓314。位于該鎢栓314之下為p+區(qū)313。
第二聚合物電介質結構或停止層電介質(SLD)322位在第一聚合物電介質結構312上方。該停止層電介質322可能含有與第一聚合物電介質結構312相同或不同之材料，而最好是不同材料。第三聚合物電介質結構324位在停止層電介質322上方。該第三聚合物電介質結構324可含有與第一聚合物電介質結構312與/或停止層電介質322相同或不同之材料，而最好是與停止層電介質322不同之材料而與第一聚合物電介質結構312相同之材料。在該第三聚合物電介質結構324內部形成導電聚合物連接結構316、導電聚合物位線(conductive polymerbitline)318以及銅墊320。或者，該導電聚合物連接結構316與該導電聚合物位線318其中之一或兩者都可能以金屬的導電材料來形成。
第四聚合物電介質結構或聚合物層間電介質(ILD)326位在第三聚合物電介質結構324上方。該聚合物層間電介質326可含有與第一聚合物電介質結構312、第三聚合物電介質結構324與/或停止層電介質322相同或不同之材料。在聚合物層間電介質326內部形成聚合物內存格327之一部份。特別地聚合物有機半導體材料328形成在銅墊320上方而且頂電極330形成在聚合物有機半導體材料328上方。在聚合物層間電介質326上方可形成額外的層，但圖中并未顯示以表簡明。
在多功能半導體裝置300內，第一聚合物電介質結構312、停止層電介質322、第三聚合物電介質結構324、導電聚合物連接結構316、導電聚合物位線318以及ILD326提供輕量與相當吻合之熱膨脹系數(shù)，因此改善該裝置300之可靠度與有用性。
該具有聚合物電介質之有機半導體裝置在任何需要內存之裝置是有用的。舉例來說，該有機半導體裝置有用于計算機、工業(yè)設備、手持式裝置、電信設備、醫(yī)療設備、研究與發(fā)展設備、運輸工具、雷達/衛(wèi)星裝置等。手持式裝置，特別指手持式電子裝置由于有機內存裝置與聚合物電介質之小尺寸與輕量而達成在可攜帶性方面之改善。手持式裝置之例子包含行動電話與其它雙向通信裝置、個人資料助理、呼叫器、筆記型計算機、遙控、紀錄器(影像與聲音)、收音機、小型電視與網(wǎng)絡瀏覽器、照相機等。
雖然本發(fā)明已經(jīng)顯示與描述相關特定較佳實施例或眾實施例，很明顯的，均等的代換與修正將發(fā)生于在所屬技術領域具有通常知識者在閱讀與了解本說明書與附加簡圖后。特別注意到藉由上面描述過之組件(組合、裝置、電路等)所執(zhí)行不同功能時，用以描述該組件之術語(包括任何相關之”意義”)除非另有所指，則被視為等同于任何執(zhí)行所描述組件(即功能上等同)之特定功能之組件，即使結構不等同于在此處本發(fā)明之圖標模范之實施例中執(zhí)行該功能所揭露之結構。此外，盡管本發(fā)明特別之特征可能已揭露僅相關之數(shù)實施例其中之一，該特征可能結合其它實施例之一或更多之其它特征可作為想要與優(yōu)點于任何給定或特別之應用。
工業(yè)上之應用本發(fā)明之方法與裝置有用于半導體內存與半導體制造領域。
權利要求
1.一種半導體裝置(100)，包括襯底(101)；在襯底(101)上方的聚合物電介質(103)；以及至少一個有源裝置(104)，其包括有機半導體材料(112)與無源層(114)。
2.如權利要求1所述的半導體裝置(100)，其中，該聚合物電介質(103)包括選自下列所組成的群組中的至少之一聚酰亞胺，氟化的聚酰亞胺，諸如氫聚倍半硅氧烷、甲基聚倍半硅氧烷、丁基聚倍半硅氧烷與苯基聚倍半硅氧烷的聚倍半硅氧烷，苯并環(huán)丁烯，氟化的苯并環(huán)丁烯，聚亞苯基，聚硅氮烷，聚苯基喹喔啉，2，2-雙三氟甲基-4，5-二氟-1，3-二氧雜環(huán)戊烯的共聚物，全氟烷氧基樹脂，氟化的乙烯丙烯，氟甲基丙烯酸酯，聚(芳基醚)，氟化的聚(芳基醚)，氟化的派瑞林，聚(對二甲苯)，氟化的聚(對二甲苯)，派瑞林F、派瑞林N，派瑞林C，派瑞林D，非晶的聚四氟乙烯，聚喹啉，聚苯基喹喔啉以及聚合物光刻膠材料。
3.如權利要求1所述的半導體裝置(100)，其中，該聚合物電介質(103)包括可自圖案化的材料。
4.如權利要求1所述的半導體裝置(100)，其中，該聚合物電介質(103)的玻璃轉化溫度或熔點約125E C.或以上以及約425E C.或以下，該聚合物電介質(103)的介電常數(shù)約3以下。
5.如權利要求1所述的半導體裝置(100)，還包括導電聚合物。
6.如權利要求1所述的半導體裝置(100)，其中，該有機半導體材料(112)包括選自下列所組成的群組中的至少之一聚乙炔；聚二苯基乙炔；聚(叔丁基)二苯基乙炔；聚(三氟甲基)二苯基乙炔；聚雙(三氟甲基)乙炔；聚雙(叔丁基聯(lián)苯基)乙炔；聚(三甲基硅烷基)二苯基乙炔；聚(咔唑)二苯基乙炔；聚二乙炔；聚苯基乙炔；聚嘧啶乙炔；聚甲氧基苯基乙炔；聚甲基苯基乙炔；聚(叔丁基)苯基乙炔；聚硝基-苯基乙炔；聚(三氟甲基)苯基乙炔；聚(三甲基硅烷基)苯基乙炔；聚二吡咯基甲烷；聚吲哚醌；聚二羥基吲哚；聚三羥基吲哚；呋喃-聚二羥基吲哚；聚吲哚醌-2-羧基；聚吲哚醌；聚苯并雙噻唑；聚(對苯硫醚)；聚苯胺；聚噻吩；聚吡咯；聚硅烷；聚苯乙烯；聚呋喃；聚吲哚；聚薁；聚亞苯基；聚嘧啶；聚聯(lián)嘧啶；聚酞菁染料；聚六噻吩；聚(硅酮半紫菜嗪)；聚(鍺酮半紫菜嗪)；聚(伸乙二氧基噻吩)；聚金屬茂合物絡合物以及聚嘧啶金屬絡合物；而無源層(114)包括選自下列所組成的群組中的至少之一銅硫化物、富含銅的銅硫化物、銅氧化物、銅硒化物、銅碲化物、錳氧化物、二氧化鈦、銦氧化物、銀硫化物、金硫化物、鐵氧化物、鈷砷化物以及鎳砷化物。
7.一種半導體裝置(100)，包括襯底(101)；在襯底(101)上方的聚合物電介質(103)；至少一個有源裝置(104)，其包括有機半導體材料(112)與無源層(114)；以及導電聚合物，其鄰近至少一個有源裝置。
8.如權利要求7所述的半導體裝置(100)，其中，該聚合物電介質(103)包括選自下列所組成的群組中的至少之一聚酰亞胺，氟化的聚酰亞胺，諸如氫聚倍半硅氧烷、甲基聚倍半硅氧烷、丁基聚倍半硅氧烷與苯基聚倍半硅氧烷的聚倍半硅氧烷，苯并環(huán)丁烯，氟化的苯并環(huán)丁烯，聚亞苯基，聚硅氮烷，聚苯基喹喔啉，2，2-雙三氟甲基-4，5-二氟-1，3-二氧雜環(huán)戊烯的共聚物，全氟烷氧基樹脂，氟化的乙烯丙烯，氟甲基丙烯酸酯，聚(芳基醚)，氟化的聚(芳基醚)，氟化的派瑞林，聚(對二甲苯)，氟化的聚(對二甲苯)，派瑞林F、派瑞林N，派瑞林C，派瑞林D，非晶的聚四氟乙烯，聚喹啉，聚苯基喹喔啉以及聚合物光刻膠材料。
9.如權利要求7所述的半導體裝置(100)，其中，該聚合物電介質(103)的玻璃轉化溫度或熔點約在135E C.或以上且在約400E C.或以下，該聚合物電介質(103)的介電常數(shù)約2.4以下。
10.如權利要求7所述的半導體裝置(100)，其中，該有源裝置(104)包括在兩電極(106、108)間包含有機半導體材料(112)與無源層(114)的聚合物存儲裝置，該有機半導體材料(112)包含共軛聚合物。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種半導體裝置(100)，其含有聚合物電介質(103)以及至少含有有機半導體材料(112)與無源層(114)的有源裝置(104)。該半導體裝置(100)亦可進一步含有導電性聚合物(106與/或108)。此裝置以重量輕和高可靠度為其特征。
文檔編號H01L21/31GK1998082SQ200580017617
公開日2007年7月11日 申請日期2005年2月11日 優(yōu)先權日2004年4月2日
發(fā)明者C·F·萊昂斯 申請人:斯班遜有限公司