TW201432735A - 非晶態金屬薄膜非線性電阻器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種非晶態金屬薄膜非線性電阻器(AMNR)。該AMNR為具有對稱非線性電流-電壓(I-V)特性之一電子裝置，該電子裝置之一例示性組態可包括三個依次沈積層，其等包含：一低非晶態金屬薄膜(AMTF)互連件；一薄膜絕緣體，其定位於該AMTF互連件之頂部上；及兩個上導電接點，其等定位於該絕緣體之頂部上且安置於相同實體平面中。

Description

非晶態金屬薄膜非線性電阻器 政府許可權利

藉助國家科學基金會授予之CHE-1102637之政府支援而創建本發明。政府在本發明中具有某些權利。

本發明大體上係關於一種非晶態金屬薄膜非線性電阻器(AMNR)，其為擁有對稱非線性電流-電壓(I-V)特性之一電子裝置，該電子裝置之一例示性組態可包括三個依次沈積層，其等包含：一低非晶態金屬薄膜(AMTF)互連件；一薄膜絕緣體，其定位於該AMTF互連件之頂部上；及兩個上導電接點，其等定位於該絕緣體之頂部上且定位於相同實體平面中。

電阻器係通常具有關於所施加電壓之極性之對稱電流-電壓(I-V)特性之一電子裝置。然而，現存薄膜非線性電阻器遭受關於所施加電壓之極性之缺乏I-V對稱性問題。此缺乏對稱性極大地限制該非線性電阻器在大量各種應用中之使用，例如包含用於液晶或有機發光二極體顯示器背板及電磁感測器陣列中之信號控制。因此，提供展現關於所施加電壓之極性之I-V對稱性之薄膜非線性電阻器將為領域內一重要進步。

本發明在其態樣之一項中提供擁有對稱非線性電流-電壓特性之一非晶態金屬薄膜非線性電阻器(AMNR)，其包括：一非晶態金屬互 連件；一絕緣體層，其安置於互連件上方；及第一電接點及第二電接點，其等安置於絕緣體層及互連件上方；各連接器具有與互連件之一相應部分重疊之至少一相應部分，以提供從第一接點穿過絕緣體層及非晶態金屬互連件至第二接點之電連通。AMNR可經組態使得跨第一電接點及第二電接點施加之一電壓導致隨所施加電壓非線性變動且與所施加電壓之極性相對稱變動之一電流。非晶態金屬薄膜(AMTF)互連件可含有鋁、鈦、鋯、銅、鎳、鉭、鎢、硼或矽等元素中之至少兩者且可包括組成低於5% AMTF互連件原子成分之氧、氮及碳之位準。絕緣體可包含含有氧及鋁、鈦、鋯、鉿、鉭或矽等元素中之一者之一氧化材料，同時接點可包括由鋁、鉻、鉬、鈦、銅、鎳、銦錫氧化物及其組合等金屬元素製成之一導電材料。(吾人)期望，AMTF互連件可具有小於約2nm之一均方根表面粗糙度且可具有大於125μΩ-cm且小於400μΩ-cm之一電阻率。

在一額外態樣中，本發明提供製作一非晶態金屬薄膜非線性電阻器之一方法，其包括：在一基板上沈積一AMTF互連件；在互連件上方沈積一絕緣體層；及在絕緣體層及互連件上方形成第一電接點及第二電接點；各連接器具有與互連件之一相應部分重疊之至少一相應部分，以提供從第一接點穿過絕緣體層及非晶態金屬互連件至第二接點之電連通。沈積AMTF互連件層之步驟可包含直流電磁控濺鍍及射頻磁控濺鍍之一或多者，而沈積絕緣體層之步驟可包含原子層沈積、電漿增強化學氣相沈積、射頻磁控濺鍍、水溶液沈積及霧狀沈積之一或多者。形成第一電接點及第二電接點之步驟可包含熱蒸發、直流電磁控濺鍍、射頻磁控濺鍍及電子束沈積之一或多者。

10‧‧‧非晶態金屬薄膜(AMTF)互連件/非晶態金屬互連件

20‧‧‧絕緣體

30‧‧‧導電薄膜接點/上接點/接點/鋁質上接點

32‧‧‧導電薄膜接點/上接點/接點/鋁質上接點

40‧‧‧基板

100‧‧‧非晶態金屬非線性電阻器(AMNR)

A‧‧‧介面

AA‧‧‧AMNR作用區域

B‧‧‧介面

b‧‧‧粗糙膜之高點

C‧‧‧介面

c‧‧‧粗糙膜之低點

D‧‧‧介面

I‧‧‧電流

s1‧‧‧絕緣體厚度

s2‧‧‧絕緣體厚度

當與隨附圖示結合閱讀時將最佳地理解本發明之較佳實施例之前述概要及如下詳細描述，其中： 圖1A、圖1B分別以俯視圖及沿B-B截取之橫截面圖示意性繪示根據本發明之一非晶態金屬薄膜非線性電阻器(AMNR)之一例示性組態；圖2A、圖2B分別示意性繪示一電子行進通過一AMNR從第一接點至第二接點之傳導路徑及由在接點之間行進的導電電子所經歷之電阻變化；圖3A繪示一晶態鋁薄膜及一非晶態金屬薄膜之表面粗糙度之原子力顯微鏡資料；圖3B示意性表示表面粗糙度對晶態及非晶態薄膜之絕緣體厚度及介面品質之影響；圖4A繪示以一非晶態金屬薄膜(AMTF)低電極、一Al₂O₃絕緣體及一鋁質上電極製造之一金屬-絕緣體-金屬(MIM)二極體之電流-電壓特性；及圖4B繪示與圖4A所展示之MIM二極體同時製造之一AMNR之電流-電壓特性，該AMNR具有一AMTF互連件、一Al₂O₃絕緣體及鋁質上接點。

本發明在其態樣之一項中提供一非晶態金屬薄膜非線性電阻器(AMNR)，該AMNR為一電子裝置，通過該電子裝置電流量值隨施加於兩個接點之間之電位電壓差之增加而非線性(例如指數地)增加。對於正及負施加之電位電壓差，電流量值特性之增加皆類似(即極性對稱電流-電壓特性)。如此，本發明之AMNR可在一廣範圍之電子應用中得到利用，其中非線性電阻裝置適用於信號控制，諸如液晶或有機發光二極體顯示器背板、電磁感測器陣列、或過電壓電路保護方案。

轉而參考圖1A至圖1B，其中繪示一例示性AMNR 100，其包括分別以俯視圖及側視橫截面圖展示之三個薄膜層。可提供非晶態金屬 薄膜(AMTF)互連件10作為經由直流電(DC)磁控濺鍍、射頻(RF)磁控濺鍍、或其他適宜製程沈積至一基板40上之一圖案化層。不欲受任何特定理論束縛，據信AMTF互連件10之表面極光滑且具有小於2nm之一均方根(RMS)表面粗糙度係重要的。AMTF互連件10具導電性且可具有例如大於125μΩ-cm且小於400μΩ-cm之電阻率，且厚度小於1微米。AMTF互連件10之成分可含有選自例如鋁、鈦、鋯、銅、鎳、鉭或鎢之金屬元素中之至少兩種金屬組分。AMTF互連件10亦可含有硼或矽。

可經由例如原子層沈積(ALD)、電漿增強化學氣相沈積(PECVD)、RF磁控濺鍍、水溶液沈積或其他適宜製程將厚度小於200nm之一絕緣體20沈積至AMTF互連件10上。絕緣體20可包含具有諸如鋁、鋯、鉿、鉭、鈦、矽或硼之金屬或非金屬組分之金屬氧化物。

AMNR 100之頂層可包括兩個導電薄膜接點30、32，電流I在該等接點之間流動(圖1A)。可經由例如DC或RF磁控濺鍍、熱蒸發、電子束沈積或其他適宜製程沈積上接點30、32，且上接點30、32之成分可為金屬鋁、鉻、鉬、鎳、銅、鈦或銦錫氧化物之一導電金屬氧化物。

接點30、32可經組態以穿過低AMTF互連件10且控制AMNR作用區域AA之尺寸，區域AA為由圖1A所展示之虛線限定之區域。AMTF互連件10與AMNR上接點30、32之尺寸結合決定了AMNR作用區域AA之尺寸。明確言之，AMNR 100之作用區域AA可被界定為上接點30、32與非晶態金屬互連件10重疊之區域，亦為介於接點30、32之間之互連區域。不欲受任何特定理論束縛，AMNR作用區域尺寸據信係與AMNR 100之電流-電壓(I-V)特性直接相關，而AMNR 100中上接點30、32與非晶態金屬互連件10重疊之介面處據信對I-V特性具有最大影響。例如，藉由增加或減少AMNR作用區域AA，可分別增加或減 少在接點30、32之間施加相同電壓差時實現於上接點30、32之間之可達到電流量值。AMNR作用區域AA之調整允許AMNR電流-電壓特性之調整，其產生透過非晶態金屬互連件及上接點之圖案化而一致地製造諸多各種AMNR之能力。

AMNR作用區域AA之大小可朝向一電子應用需要之最大電流量值加以設計。可通過具有1.25×10^-9m²作用區域之一AMNR容易地實現接近5×10^-6A之電流。電流量值與AMNR作用區域呈線性比例。因此，1×10^-3A之電流量值可能需要數量級為1.25×10^-6m²之一AMNR作用區域。通過控制AMNR作用區域，可實現介於1×10^-9A及1×10^-3A之間之最大電流量值。

可通過微影圖案化或選擇性沈積或其他適宜製程完成AMNR非晶態金屬薄膜互連件10及/或上接點30、32之圖案化。微影圖案化透過使用光阻外加在缺乏光阻之區域內物理移除膜材料而將一圖案轉換至一覆蓋材料膜中(即一非晶態金屬薄膜)。選擇性沈積藉由允許透過使用一影光罩而圖案化沈積一膜材料而產生一圖案化膜。一上接點與低非晶態金屬互連件之間之重疊區域尺寸可介於1×10^-12m²與1×10^-6m²之間。介於AMTF互連件10與上接點30、32之間之絕緣體20之厚度亦可控制AMNR 100之I-V特性。儘管AMTF互連件10及上接點30、32可經形成以具有所需形狀(例如經圖案化)，但絕緣體20可經圖案化或可不經圖案化。

圖2A呈現一電子之路徑，其穿過AMNR 100從接點30至接點32。兩個接點30、32之間之一電子之路徑穿過形成於接點30、32與絕緣體20之間之兩個介面(介面A及D)且穿過形成於絕緣體20與AMTF互連件10之間之兩個介面(介面B及C)。當沈積上接點30、32至絕緣體20上時可同時形成介面A、D，且因此介面A、D對電子傳導率具有同樣電阻率。類似地，當沈積絕緣體20至AMTF互連件10上時可同時形成對電 子傳導率呈現同樣電阻率之介面B、C。

圖2B示意性繪示由在上接點30、32之間行進之一電子所經歷之傳導電阻率，且圖形化表示AMNR 100之極性對稱。金屬電阻率(即上接點30、32及AMTF互連件10之電阻率)可比絕緣體20之電阻率低。絕緣體20之電阻率可相對於金屬層(即接點30、32)之電阻率而高，且可主導AMNR 100之總電阻率。介面A、B、C、D之電阻率可相對於金屬層(即接點30、32)之電阻率而高。圖2B展示在從接點30至接點32且從接點32至接點30之路徑中由導電電子所遭遇之電阻率變化係相同的。因此不論接點30具有比相對於施加至接點32更高之一電壓，或接點32具有比相對於施加至接點30更高之一電壓，AMNR電阻率皆相同。在任一電壓應用環境中之相同電阻率導致對稱AMNR I-V特性。(吾人)注意到所展示之介面A、B、C、D之電阻率比絕緣體20電阻率之電阻率高，但可取決於沈積膜及材料所使用於之製造技術而比絕緣體20之電阻率低。

為了以圖2B所描述之形式實現I-V對稱性，AMTF互連件10應擁有一極光滑表面。如圖2B所表示，由一AMNR中之一導電電子所經歷之最大電阻率位於介於上接點30、32與AMTF互連件10(即介面A、B、C、D及絕緣體20)之間。接點30、32及AMTF互連件10之電阻率顯著更低。因此，AMNR 100之I-V特性由介於接點30、32與AMTF互連件10(其包含介面A、B、C、D及絕緣體20)之間之電子傳導率主導。表面粗糙度會使介面品質及跨AMNR作用區域AA(其增加裝置對稱性)之絕緣體20均勻性降級。圖3A呈現一晶態金屬及一AMTF之表面形態資料。使用原子力顯微術(AFM)在相同區域上量測該資料並將其以相同比例軸呈現。AMTF表面顯著地比晶態金屬表面(5nm RMS)光滑(0.2nm RMS)。

圖3B示意性繪示一極光滑AMTF表面形態互連件較一粗糙晶態金 屬互連件關於AMNR I-V對稱性之優勢。為產生I-V對稱性，介於互連件10與絕緣體20之間之介面在AMNR作用區域AA上方應係均勻的。表面粗糙度可影響一絕緣體之沈積，使得在一粗糙膜之一高點(例如b點)上所沈積之絕緣體厚度與在一低點(例如c點)上所沈積之絕緣體厚度不同(圖3A)。在一光滑膜上之沈積產生一均勻介面，使得b點及c點具有相同介面特性，諸如所沈積之絕緣體厚度(圖3B)。

表面粗糙度對絕緣體厚度所具有之影響亦造成使用一粗糙互連製造之一AMNR中之對稱性降級。穿過一AMNR 100之絕緣體20之電子傳導機制與跨絕緣體20施加之電場相互關聯。跨一絕緣體20施加之電場E等於跨絕緣體之電壓V除以絕緣體厚度s。如圖3B所繪示，沈積至一粗糙膜上之一絕緣體20之厚度不同(即s1≠s2)，而沈積於一極光滑絕緣體20上之一絕緣體20之厚度係均勻的(即s1=s2)。導電電子在使用一粗糙互連件製造之一AMNR中經歷非均勻電場，而導電電子在使用一極光滑AMTF互連件製造之一AMNR中經歷均勻電場。一AMTF互連件之極光滑表面可藉此使AMNR I-V對稱性變得可能。

通過AMNR 100之絕緣體20之電子傳導可主導裝置之I-V特性。絕緣體材料之選擇因此決定AMNR 100之電流傳導機制。可藉由改變非晶態金屬互連件10、上接點30、32及/或絕緣體20之材料成分而調整AMNR 100之I-V特性。非晶態金屬互連件10之成分參與決定非晶態金屬10與絕緣體20之間之介面處之介面間電性質。類似地，上接點材料之成分影響絕緣體20與接點30、32之間之介面之電性質。絕緣體20之成分影響兩者介面，亦影響絕緣體20自身之電性質。

AMNR 100之I-V特性可數學地描述為一施加電壓V與一所得電流I之間之一指數關係。現有指數I-V特性之兩種指數形式， 及 其中C₁為關於電子有效質量、注射介面處之障壁高度及絕緣體厚度之一常數，而C₂為關於絕緣體介電常數之反數之平方根、介電厚度及帶隙中電子陷阱深度之一常數。透過選擇AMNR材料及製造技術，AMNR I-V特性可經設計以類似Eq.1、Eq.2，或Eq.1與Eq.2之一組合。透過產生質樸AMTF互連件/絕緣體及絕緣體/上接點介面及均勻絕緣體厚度之極光滑AMTF表面而使得对AMNR I-V特性之控制變得可能。

實例

使用一AMTF低電極與使用AMNR 100製造之一金屬-絕緣體-金屬(MIM)二極體之間I-V特性之一比較繪示該等兩個裝置之間對稱性之差異。圖4A呈現一MIM二極體之I-V特性，該MIM二極體具有一TiAl AMTF低電極、一Al₂O₃絕緣體及一鋁質上電極。達到1μA之一電流量值處之電壓量值在負極性中為5.1V而在正極性中為6.3V。

圖4B呈現與圖4A所展示之MIM二極體同時製造之一AMNR之I-V特性。AMNR 100具有一TiAl AMTF連接件10、一Al₂O₃絕緣體及鋁質上接點30、32。達到1μA之一電流量值處之電壓量值在負極性中為11.8V而在正極性中為11.6V。因此所展示之AMNR 100具有對稱I-V特性且代表一種新類別之薄膜電子裝置。在兩者裝置中之絕緣體層為10nm厚。介於兩者裝置之(若干)接點與互連件之間之重疊區域為1×10^-8m²。應注意AMNR具有兩個此等區域，因此決定電流之總區域為2×10^-8m²。兩者示例性裝置在相同基板上通過以下步驟同時加以處理：1)DC磁控濺鍍及影光罩圖案化200nm厚TiAl低電極(MIM)及200nm厚低互連件(AMNR)，2)原子層沈積(ALD)Al₂O₃絕緣體，及3)熱蒸 發及影光罩圖案化500nm厚Al上電極(MIM)及500nm厚上接點(AMNR)。使用20sccm之一流量之一Ar電漿氣體且使用具有一圓形TiAl靶材(其具有3比1之一Al比Ti比率、3英尺半徑及0.25英尺厚度)之60W之一功率之3mTorr之一壓力執行TiAl層之DC磁控濺鍍。ALD沈積採用三甲基鋁及一300℃溫度之去離子化水之交替脈衝。上接點之熱蒸發使用一固態Al clip源且係在30mTorr之一真空度下進行。

熟悉此項技術者可從前述說明明白本發明之此等及其他優勢。相應地，熟悉此項技術者將認識到可在不脫離本發明之寬泛發明概念之情況下對上文描述之實施例作出改變或修改。因此應瞭解此發明不限於本文所描述之特定實施例，但意欲包含在如申請專利範圍中所闡述之本發明之範疇及精神內之全部改變及修改。

10‧‧‧非晶態金屬薄膜(AMTF)互連件/非晶態金屬互連件

30‧‧‧導電薄膜接點/上接點/接點/鋁質上接點

32‧‧‧導電薄膜接點/上接點/接點/鋁質上接點

40‧‧‧基板

100‧‧‧非晶態金屬非線性電阻器(AMNR)

AA‧‧‧AMNR作用區域

I‧‧‧電流

Claims (11)

1. 一種非晶態金屬薄膜非線性電阻器，其具有對稱非線性電流-電壓特性，其包括：一非晶態金屬薄膜互連件；一絕緣體層，其安置於該互連件上方；及第一電接點及第二電接點，其等安置於該絕緣體層及該互連件之一所選表面上方，各連接器具有與該互連件之一相應部分重疊之至少一相應部分，以提供從該第一接點穿過該絕緣體層及非晶態金屬互連件至該第二接點之電連通，其中跨該第一電接點及該第二電接點施加之一電壓導致隨施加電壓線性變化且與施加電壓之極性對稱變化之一電流。
2. 如請求項1之非晶態金屬薄膜非線性電阻器，其中該非晶態金屬薄膜互連件含有鋁、鈦、鋯、銅、鎳、鉭、鎢、硼或矽等元素中之至少兩者。
3. 如請求項1之非晶態金屬薄膜非線性電阻器，其中該非晶態金屬薄膜互連件包括組成低於5%之該非晶態金屬互連件之原子成分之氧、氮及碳之位準。
4. 如請求項1之非晶態金屬薄膜非線性電阻器，其中該絕緣體包括一種氧化物材料，該氧化物材料含有氧及鋁、鈦、鋯、鉿、鉭或矽等元素中之一者。
5. 如請求項1之非晶態金屬薄膜非線性電阻器，其中該等接點包括由鋁、鉻、鉬、鈦、銅、鎳、銦錫氧化物及其組合等金屬元素製成之一導電材料。
6. 如請求項1之非晶態金屬薄膜非線性電阻器，其中非晶態金屬薄膜互連件具有小於約2nm之一均方根表面粗糙度。
7. 如請求項1之非晶態金屬薄膜非線性電阻器，其中非晶態金屬薄膜互連件具有大於125μΩ-cm且小於400μΩ-cm之一電阻率。
8. 一種製造一非晶態金屬薄膜非線性電阻器之方法，其包括：在一基板上沈積一非晶態金屬薄膜互連件；在該互連件上方沈積一絕緣體層；及在該絕緣體層及該互連件之一所選表面上方形成第一電接點及第二電接點，各連接器具有與該互連件之一相應部分重疊之至少一相應部分，以提供從該第一接點穿過該絕緣體層及非晶態金屬互連件至該第二接點之電連通，其中跨該第一電接點及該第二電接點施加之一電壓導致隨施加電壓線性變化且與施加電壓之極性對稱變化之一電流。
9. 如請求項8之方法，其中沈積該非晶態金屬薄膜互連件層之該步驟包括：直流電磁控濺鍍及射頻磁控濺鍍之一或多者。
10. 如請求項8之方法，其中沈積該絕緣體層之該步驟包括：原子層沈積、電漿增強化學氣相沈積、射頻磁控濺鍍、水溶液沈積及霧狀沈積之一或多者。
11. 如請求項8之方法，其中形成該第一電接點及該第二電接點之該步驟包括：熱蒸發、直流電磁控濺鍍、射頻磁控濺鍍及電子束沈積之一或多者。