鐵電隨機存取晶片的製作方法

2023-04-24 12:29:46 1

專利名稱：鐵電隨機存取晶片的製作方法
技術領域：
本發明是關於一種隨機存取晶片，特別是有關於一種可印刷全聚合物 鐵電隨機存取晶片。
背景技術：
傳統的信息存儲系統是將數據儲存於單晶矽和多種金屬、絕緣材料等 製成的電路中，電路在矽片上形成二維陣列。利用光刻技術，通過曝光和 選擇性刻蝕等諸多步驟，將掩膜版上設計好的圖形轉移到矽片上。步驟繁 多，工藝複雜，加工時間長。
隨著存儲系統技術的發展，基於溶液的沉積和直接列印技術在功能材 料的上應用，提供了一種新的製造電子器件的可能性，例如有機場效應晶
體管(FET)，可以應用於低成本，大面積的柔性電子器件。因此基於溶液 沉積的鐵電薄膜的隨機存取信息存儲器(FeRAM)受到越來越多的關注，因 為這類系統的記憶特性是即使電源斷開，記憶狀態並不消失或改變，只在 存儲或讀取數據時需要電源。早期的鐵電隨機存取技術主要是採用基於鐵 電陶瓷薄膜的鐵電隨機存儲技術，在矽基體上沉積鐵電陶瓷薄膜，矽作為 柵極，而鐵電陶瓷薄膜和金屬電極作為源極和漏極。但對鐵電陶瓷薄膜技 術的研究僅是一些基礎方面的研究，未能取得可大規模應用的突破。
後來出現有以PZT[Pb(Zr,Ti)03]為電介質的鐵電隨機存儲晶片，如日本 富士通以及韓國三星等公司的1T/1C架構的手機晶片，然後PZT電介質中的 鉛(Pb)的毒性和PZT必須在高溫(通常在1000。C以上)加工限制了它的進一 步發展。

發明內容
本發明的目的是提供一種鐵電隨機存取晶片，其可簡化組裝工藝，並 可以進行大規模連續生產，降低生產成本。
根據上述目的，本發明提出一種鐵電隨機存取晶片，其特徵在於其 包括一基體，形成於基體上的底電極、形成於底電極上的鐵電聚合物以及 形成於鐵電聚合物上的上電極。
本發明提出一種鐵電隨機存取晶片是由以下製造方法完成的，首先在 塑料基片上塗布導電高分子材料形成底電極；待乾燥後在底電極上塗布鐵 電聚合物；塗布完鐵電聚合物後先在室溫乾燥，然後在烘箱中退火；待鐵 電聚合物冷卻至室溫後，在鐵電聚合物上塗布上電極；然後在大氣中乾燥 形成成品元件。
根據本發明的鐵電隨機存取晶片的製造方法，其中在塑料基片上塗布 導電高分子材料形成底電極是通過調節導電高分子溶液配方在塑料基片 上印刷電極線。
根據本發明的鐵電隨機存取晶片的製造方法，其中在塑料基片上塗布 導電高分子材料形成底電極是在塑料基片上塗布導電高分子薄膜。
根據本發明的鐵電隨機存取晶片的製造方法，其中在底電極上塗布的 鐵電聚合物是在己塗布有底電極的塑料基片上印刷鐵電聚合物薄膜。
根據本發明的鐵電隨機存取晶片的製造方法，其中在底電極上塗布的 鐵電聚合物為聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)，其中偏氟乙烯與三氟乙烯的單體摩 爾比為90: 10 50: 50。
根據本發明的鐵電隨機存取晶片的製造方法，其中在底電極上塗布的 鐵電聚合物的步驟還包括在聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)溶解在溶劑中後過濾 溶液以除去機械雜質的步驟。 -
根據本發明的鐵電隨機存取晶片的製造方法，其中在烘箱中退火的步
驟中退火溫度為120 150 。C，退火時間為10 60分鐘。
根據本發明的鐵電隨機存取晶片的製造方法，其中上電極與底電極材 料相同，均由導電高分子製成。
根據本發明的鐵電隨機存取晶片的製造方法，其中上電極材料由聚苯
乙烯磺酸(PSSH， Aldrich公司生產)和銀粉(Aldrich公司生產)混合而成。
根據本發明的鐵電隨機存取晶片的製造方法，其中上電極材料為納米 導電銀漿。
根據本發明的鐵電隨機存取晶片的製造方法，其中上電極用印刷的方 法印製到鐵電聚合物上，上電極材料以商品導電聚苯胺(芬蘭Panipol公司 生產)配製。
為達成前述目的，本發明一種鐵電隨機存取晶片，其包括一基體，形 成於基體上的底電極、形成於底電極上的鐵電聚合物以及形成於鐵電聚合
物上的上電極。
本發明以導電高分子為電極和接點，組裝全部基於聚合物的信息存儲 器，其"電路"可以用導電材料直接"印刷"在聚合物薄層上，擺脫了傳統無 機電晶體製造中必須使用的真空過程和刻蝕技術，極大地簡化了組裝工 藝，可以進行大規模連續生產，降低了生產成本。


圖l是依據本發明的晶片的結構示意圖。
圖2是本發明另一實施例的晶片結構示意圖。
圖3是本發明的晶片的記憶單元結構示意圖。
圖4是本發明的晶片製造方法流程圖。
圖5a是本發明的晶片的鐵電性能的極化性能測試圖。
圖5b是本發明的晶片的鐵電性能的老化性能測試圖。
具體實施例方式
請參閱圖l所示，其為依據本發明的第一實施例具有單一記憶單元的 晶片10結構示意圖，其包括基體11及形成於基體11上的記憶單元12。在本 實施例中該晶片具有單一記憶單元，但並非用來限定本發明，如圖2所示， 在其他實施方式中本發明的晶片10'可以具有若干記憶單元12'。 請參閱圖3所示，本發明的晶片的記憶單元12其包括最底層的底電極 21、形成於底電極21上的鐵電聚合物22以及形成於鐵電聚合物22上的上電 極23。
請參閱圖4所示，其顯示本發明的晶片製造方法流程圖，該方法包括 如下步驟
步驟4h首先在光滑平整的塑料基片上塗布導電高分子材料以形成底 電極(BE)。其中塗布導電高分子材料，可以是使用水溶性聚苯胺，通過 調節溶液配方，在塑料基片上印刷電極線。線寬在50微米，間隔在50至100 微米。線的末端加寬。也可以用適合於印刷或列印的金屬或前體溶液。在 光滑平整的塑料基片上，如聚丙烯腈(PAN)，聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)， 塗布上導電高分子薄膜，如聚苯胺PANi，聚吡咯Ppy，聚乙撐二氧噻吩 (PEDOT)，等作為底電極。
步驟42:待已塗布有底電極的塑料基片乾燥後，在已塗布有底電極的 塑料基片上印刷鐵電聚合物。其中該鐵電聚合物為鐵電聚合物聚(偏氟乙 烯-三氟乙烯)(P(VDF/TrFE))。其中偏氟乙烯與三氟乙烯的單體摩爾比範 圍為90: 10 50: 50，在本實施例中採用摩爾比為70: 30的比例。其塗布
的方法為將鐵電聚合物聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)溶解於溶劑中，溶劑有二甲
基甲醯胺(DMF)，環己垸，二乙基碳酸酯等。在本實施例中的溶解濃度 為100ml溶劑溶解5g聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)。
在聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)完全溶解後還包括過濾溶液以除去機械雜 質的步驟，其中過濾器孔徑在0.1到0.45微米之間。
然後利用溶解有聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)的溶劑在已塗布有底電極的 塑料基片上塗布鐵電聚合物聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)，即印刷形成鐵電聚合 物薄膜。
步驟43:將塗布有鐵電聚合物聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)的塑料基片現在 室溫乾燥，然後在烘箱中退火。其中退火溫度為120 150 °C，退火時間為 10 60分鐘。
步驟44:待鐵電聚合物冷卻至室溫後，在鐵電聚合物上塗布上電極。
其中在本實施例中上電極的材料與底電極的材料相同。
步驟45:在50 8(TC大氣中乾燥2 30分鐘，形成成品元件。 這樣，本發明的上電極與底電極相互交錯， 一個"活性"信息存儲單 元即由上下交叉的電極"線"間自發生成。
請參閱圖5a與圖5b所示，其分別為依據本發明第一實施方式的方法制 造的元件在室溫經鐵電性能測試的極化性能以及老化性能的測試圖，其中 操作電壓由聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)的厚度決定,本例中為20V。通過極化 PUND測量，圖5a顯示了本發明的元件優良的快速極化反轉性能，為記憶 單元的快速存取提供了可能。圖5b表明本發明的晶片具有很好的老化性 能。
在本發明的第二實施例中基體，底電極和聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)的材 料和製備與第一實施例相同，與第一實施例不同的是第二實施例中上電極 材料由聚苯乙烯磺酸(PSSH， Aldrich公司生產)和銀粉(Aldrich公司生產) 混合而成。配方為重量比5%的聚苯乙烯磺酸水溶液10克、銀粉0.4克， 在室溫充分攪拌，每次使用前再攪拌。
在本發明的第三實施例中基體，底電極和聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)的材 料和製備與第一實施例相同，與第一實施例不同的是第三實施例中上電極 材料為納米導電銀漿。納米銀配方為0.34 g (2mmol)醋酸銀、4.82 g (20mmol)十六烷基胺、80 ml甲苯、0.22 g苯肼(PhNHNH2)，在60。C溫度 下反應1小時。
在本發明的第三實施例中基體，底電極和聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)的材 料和製備與第一實施例相同，與第一實施例不同的是在第四實施例中上電 極是用印刷的方法印製到聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)薄膜上.上電極材料以商 品導電聚苯胺(芬蘭Panipol公司生產)配製，配方為導電聚苯胺Panipol重 量百分比8%12克、聚苯乙烯磺酸PSSH(重量百分比5。/。水溶液)5克、表 面活性劑ZonylFS-300(美國杜邦公司生產，重量百分比30%水溶液)0.5 克、去離子水15克。
本發明以導電高分子為電極和接點，組裝全部基於聚合物的信息存儲
器，其"電路"可以用導電材料直接"印刷"在聚合物薄層上，擺脫了傳統無 機電晶體製造中必須使用的真空過程和刻蝕技術，極大地簡化了組裝工 藝，可以進行大規模連續生產，降低了生產成本。
權利要求
1.一種鐵電隨機存取晶片，其特徵在於其包括一基體，形成於基體上的底電極、形成於底電極上的鐵電聚合物以及形成於鐵電聚合物上的上電極。
2. 如權利要求l所述的鐵電隨機存取晶片，其特徵在於所述鐵電聚 合物為聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)，其中偏氟乙烯與三氟乙烯的單體摩爾比 為90: 10~50: 50。
3.如權利要求l所述的鐵電隨機存取晶片，其特徵在於上電極和下 電極材料相同均為導電高分子。
4. 如權利要求l所述的鐵電隨機存取晶片，其特徵在於上電極材料 由聚苯乙烯磺酸和銀粉混合而成。
5. 如權利要求4所述的鐵電隨機存取晶片，其特徵在於上電極材料的配方為重量比5%的聚苯乙烯磺酸水溶液8-12克、銀粉0.2-0.6克，在室溫充分攪拌，每次使用前再攪拌。
6. 如權利要求l所述的鐵電隨機存取晶片，其特徵在於上電極材料為納米導電銀漿。
7. 如權利要求6所述的鐵電隨機存取晶片，其特徵在於上電極材料 為納米導電銀漿，上電極材料納米銀的配方為0.3-0.4 g(2mmol)醋酸銀、 4-6g(20mmol)十六烷基胺、70-100ml甲苯、0.2-0.3 g苯肼，在60。C溫度下 反應1小時。
8. 如權利要求l所述的鐵電隨機存取晶片，其特徵在於上電極用印 刷的方法印製到鐵電聚合物上，上電極材料以商品導電聚苯胺配製。
9. 如權利要求8所述的鐵電隨機存取晶片，其特徵在於上電極的配 方為重量百分比8%的導電聚苯胺10-13克、重量百分比5%的聚苯乙烯 磺酸水溶液5克、重量百分比30%的表面活性劑Zonyl FS-300水溶液 0.25-0.75克、去離子水12-18克。
全文摘要
本發明提出一種可印刷全聚合物鐵電隨機存取晶片，其以導電高分子為電極和接點，組裝全部基於聚合物的信息存儲器，其「電路」可以用導電材料直接「印刷」在聚合物薄層上，擺脫了傳統無機電晶體製造中必須使用的真空過程和刻蝕技術，極大地簡化了組裝工藝，可以進行大規模連續生產，降低了生產成本。
文檔編號H01L27/115GK101359665SQ200710044330
公開日2009年2月4日 申請日期2007年7月30日 優先權日2007年7月30日
發明者徐海生 申請人:徐海生