非晶金屬薄膜非線性電阻器的制造方法
【專利說明】非晶金屬薄膜非線性電阻器 政府許可權利
[0001] 本發(fā)明是在國家科學基金會判決的CHE-1102637之下由政府支持而創(chuàng)造的。政府 具有本發(fā)明的權利。
技術領域
[0002] 本發(fā)明主要地涉及一種非晶金屬薄膜非線性晶體管（AMNR)，該AMNR是擁有對稱 非線性電流-電壓（I-V)特征曲線的電子器件，該電子器件可以包括三個依次沉積的層，這 些層包括下非晶金屬薄膜（AMTF)互連、位于AMTF互連上的薄膜絕緣體以及位于絕緣體上 面并且位于相同物理平面中的兩個上傳導接觸。
【背景技術】
[0003] 電阻器是相對于施加的電壓的極性而通常具有對稱電流-電壓（I-V)特征曲線的 電子器件。然而，現(xiàn)有薄膜非線性晶體管受困于缺乏相對于施加的電壓的極性而言的I-V 對稱性。這一對稱性的缺乏極大地限制在大量多種應用中使用這樣的非線性電阻器，這些 應用例如包括用于在液晶或者有機發(fā)光二極管顯示背板和電池傳感器陣列中使用的信號 控制。因此，提供相對于施加的電壓的極性而表現(xiàn)ι-ν對稱性的薄膜非線性電阻器在本領 域中將是重要發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 在本發(fā)明的一個方面中，本發(fā)明提供一種擁有對稱非線性電流-電壓特征曲線的 非晶金屬薄膜非線性電阻器（AMNR)，該AMNR包括非晶金屬互連、設置于互連之上的絕緣體 層以及設置于絕緣體層和互連之上的第一和第二電接觸，每個連接器至少讓其相應部分與 互連的相應部分重疊以提供從第一接觸經(jīng)過絕緣體層和非晶金屬互連到第二接觸的電連 通。AMNR可以被配置使得在第一和第二電接觸兩端施加的電壓產(chǎn)生隨著施加的電壓非線 性地并且與施加的電壓的極性對稱地變化的電流。非晶金屬薄膜（AMTF)互連可以包括元 素鋁、鈦、鋯、銅、鎳、鉭、鎢、硼或者硅中的至少兩個元素并且可以包括組成AMTF的互連的 原子組成的小于5%的氧、氮和鈦水平。絕緣體可以包括氧化物材料，該氧化物材料包含 氧和包含元素鋁、鈦、鋯、鉿、鉭或者硅之一，而接觸可以包括由金屬元素鋁、鉻、鉬、鈦、銅和 鎳、銦錫氧化物及其組合組成的傳導材料的傳導材料。希望的是，AMTF互連可以具有小于 約2nm的均方根表面厚度并且可以具有大于125 μ Ω-cm而小于400 μ Ω-cm的電阻率。
[0005] 在一個附加方面中，本發(fā)明提供一種制作非晶金屬薄膜非晶電阻器的方法，該方 法包括：在襯底上沉積AMTF，在互連之上沉積絕緣體層，以及在絕緣體層和互連之上形成 第一和第二電接觸，每個連接器至少讓其相應部分與互連的相應部分重疊以提供從第一接 觸經(jīng)過絕緣體層和非晶金屬互連到第二接觸的電連通。沉積AMTF互連的步驟可以包括直 流磁控管濺射和射頻磁控管濺射中的一個或者多個磁控管濺射，并且沉積絕緣層的步驟可 以包括原子層沉積、等離子體增強化學氣相沉積、射頻磁控管濺射、水合溶液沉積和薄霧沉 積中的一個或者多個沉積。形成第一和第二電接觸的步驟可以包括熱蒸發(fā)、直流磁控管濺 射、射頻磁控管派射和電子束沉積中的一個或者多個。
【附圖說明】
[0006] 將在結合附圖閱讀時最好地理解本發(fā)明的優(yōu)選實施例的前文
【發(fā)明內(nèi)容】
和以下具 體描述，在附圖中：
[0007] 圖1A、1B分別在沿著B-B取得的俯視圖和橫截面圖中示意地圖示根據(jù)本發(fā)明的非 晶金屬薄膜非線性晶體管（AMNR)的示例配置；
[0008] 圖2A、2B分別示意地圖示從第一接觸經(jīng)過AMNR向第二接觸行進的電子的傳導路 徑和在接觸之間行進的傳導電子經(jīng)歷的電阻改變；
[0009] 圖3A圖示用于晶態(tài)鋁薄膜和非晶金屬薄膜的表面粗糙度的原子力微觀數(shù)據(jù)；
[0010] 圖3B示意地表示表面粗糙度對用于晶態(tài)和非晶薄膜的絕緣體厚度和界面質量具 有的影響；
[0011] 圖4A圖示用非晶金屬薄膜（AMTF)下電極、A1203絕緣體和鋁上電極制作的金屬絕 緣體金屬（MIM)二極管的電流-電壓特征曲線；以及
[0012] 圖4B圖示與圖4A中所示Μ頂二極管并行地制作的AMNR的電流-電壓特性，AMNR 擁有AMTF互連、AL203絕緣體和鋁上接觸。
【具體實施方式】
[0013] 在本發(fā)明的一個方面中，本發(fā)明提供一種非晶金屬薄膜非線性電阻器（AMNR)，該 AMNR是如下電子器件，經(jīng)過該電子器件的電流量值隨著在兩個接觸之間施加的電勢電壓差 增加而非線性地（例如呈指數(shù)地）增加。電流量值的特征曲線增加對于正和負施加的電勢 電壓差二者是相似的（即極性對稱電流-電壓特征曲線）。這樣，本發(fā)明的AMNR可以在廣 范圍的電子應用中發(fā)現(xiàn)實用性，在這些電子應用中，非線性電阻器件適合用于信號控制、比 如液晶或者有機發(fā)光二極管顯示底板、電磁傳感器陣列或者過電壓電流保護方案。
[0014] 轉向圖1A-1B，圖示分別在俯視圖和橫截面?zhèn)纫晥D中示出的包括三個薄膜層的示 例AMNR 100。可以提供非晶金屬薄膜（AMTF)互連10作為經(jīng)由直流（DC)磁控管濺射、射 頻（RF)磁控管濺射或者其它適當工藝向襯底40上沉積的圖案化的層。無意于受任何特定 理論限制，認為AMTF互連10的表面超光滑而均方根（RMS)表面粗糙度小于2nm。AMTF互 連10有傳導性并且可以具有例如大于125 μ Ω-cm而小于400 μ Ω-cm的電阻率以及小于 1微米的度。AMTF互連10的組成可以包含從金屬元素鋁、鈦、鋯、銅、鎳、鉭或者鎢選擇的至 少兩個金屬成分。AMTF互連10也可以包含硼或者硅。
[0015] 厚度小于200nm的絕緣體20可以例如經(jīng)由原子層沉積（ALD)、等離子體增強化學 氣相沉積（PECVD)、RF磁控管濺射、水合溶液沉積或者其它適當工藝而被沉積到AMTF互連 10上。絕緣體20可以包括具有金屬或者非金屬成分、比如鋁、鋯、鉿、鉭、鈦、硅或者硼的金 屬氧化物。
[0016] AMNR 100的頂層可以包括電流I在其之間流動的兩個傳導薄膜接觸30、32,圖1A。 可以例如經(jīng)由DC或者RF磁控管濺射、熱蒸發(fā)、電子書沉積或者其它適當工藝沉積上接觸 30、32,并且上接觸30、32的組成可以是金屬鋁、鉻、鉬、鎳、銅、鈦或者是銦錫氧化物的傳導 金屬氧化物。
[0017] 接觸3032可以被配置為穿越下AMTF互連10并且控制AMNR有源面積AA的尺度， 該AMNR AA是如圖1A中所示由虛線界定的區(qū)域。AMTF互連10與AMNR上電極30、32的尺 度組合確定AMNR有源面積AA的尺度。具體而言，AMNR 100的有源面積AA可以被定義為上 接觸30、32與非晶金屬互連10重疊的區(qū)域以及在接觸30、32之間的互連區(qū)域。無意于受 任何特定理論限制，認為AMNR有源面積尺度直接地與AMNR 100的電流-電壓（I-V)特征 曲線有關而認為上接觸30、32與非晶金屬互連10重疊的界面具有對I-V特征曲線的最大 貢獻。例如通過增加或者減少AMNR有源面積A，可以分別增加或者減少在接觸30、32之間 的相同的施加的電壓差的在上接觸30、32之間實現(xiàn)的可達到電流量值。AMNR有源面積AA 的調(diào)制允許調(diào)制AMNR電流-電壓特征曲線，這產(chǎn)生有能力通過圖案化非晶金屬互連和上接 觸重合地制作廣泛多種AMNR。
[0018] 可以朝著電子應用需要的最大電流量值在工程上設計AMNR有源面積AA的尺寸。 通過具有1. 25x10 9m2的有源面積的AMNR容易地實現(xiàn)接近5x10 6A的電流。電流量值隨著 AMNR有源面積線性地縮放。因此，1x10 3A的電流量值可以需要1. 25x10 6m2級的AMNR有源 面積。通過控制AMNR有源面積，可以實現(xiàn)在1x10 9A與1x10 3A之間的最大電流量值。
[0019] 可以通過光刻圖案化或者選擇性沉積或者其它適當工藝實現(xiàn)圖案化AMNR非晶金 屬薄膜互連10和/或上接觸30、32。光刻圖案化通過與在缺乏光阻劑的區(qū)域中物理去除 模材料耦合使用光阻劑來向毯式材料膜（即非晶金屬薄膜）中傳送圖案。選擇性沉積通過 允許通過使用淺掩模對膜材料的圖案化沉積來產(chǎn)生圖案化的模。在上接觸與下非晶金屬互 連之間的面積重疊的尺度可以在1x10 12m2與1x10 6m2之間。在AMTF互連10與上接觸30、 32之間的絕緣體20的厚度也可以控制AMNR 100的I-V特征曲線。盡管可以形成AMTF互 連10和上接觸30、32以具有希望的形狀（例如圖案化），但是可以圖案化或者可以未圖案 化絕緣體20。
[0020] 圖2A呈現(xiàn)從接觸30經(jīng)過AMNR 100到接觸32的電子的路徑。在兩個接觸30、32 之間的電子的路徑穿越在接觸30、32與絕緣體20之間形成的兩個界面（界面A和D)和在 絕緣體20與AMTF互連10之間形成的兩個界面（界面B和C)。界面A、D可以在上電極30、 32被沉積到絕緣體20上時被重合地形成、因此具有與電子傳導相同的電阻。類似地，界面 B、C可以在絕緣體20被沉積到AMTF互連10上時被重合地形成并且呈現(xiàn)與電傳導相同的 電阻。
[0021] 圖2B示意地圖示對在上接觸30、32之間行進的電子經(jīng)歷的傳導的電阻并且用圖 形代表AMNR 100的極性對稱性。金屬電阻（即上接觸30、32和AMTF互連10的電阻）可 以低于絕緣體20的電阻。絕緣體20的電阻可以相對于金屬層、即接觸30、32的電阻而為 高。在界面A、B、C、D的電阻可以相對于金屬層、即接觸3