專利名稱：二極管元件及其制作方法
技術領域：
本發明關于一種二極管元件及其制作技術，特別是關于一種以氧化物薄膜為基礎的二極管元件結構及其制法。
背景技術：
傳統PN形式的二極管因為高溫摻雜工藝的必要性，難以適用于需要低工藝溫度的立體堆棧式集成電路及軟性電子等應用。另外，現有的氧化物薄膜二極管雖具有低溫工藝的優勢，但其電性特征如順向電流密度及導通電壓等，則受限于材料選擇的限制，也尚無法滿足產業所需。例如，對于金屬/N型氧化物/P型氧化物/金屬的MIIM(Metal/ Insultor/Insultor/Metal)結構，其中兩層氧化物薄膜的組合有相當的特定性；對于金屬 /氧化物/金屬的MIMWetal/Insultor/Metal)結構，其中金屬與氧化物的組合也要求相當特定的材料，方足以提供合理的整流特性。因此，現階段的氧化物二極管仍未臻成熟，其工藝復雜且元件特性尚待提升等技術課題乃亟待發展，以期實現高性能的低溫工藝的氧化物薄膜二極管。
發明內容
本發明的目的是提出一種二極管元件及其制作方法，以解決現有技術薄膜二極管電性特征受材料限制的缺陷。在本發明的一方面，第一實施例提供一種二極管元件，其包括一二極管薄膜，其具有一第一表面及一第二表面，且包括一第一導電區域，提供電流密度均勻的電流傳導， 且該第一導電區域的成份包含一第一氧化物；及一第二導電區域，其包含多個電流通道，提供電流密度不均勻的電流傳導，且該電流通道的成份包含一第二氧化物；其中，該第一氧化物不同于該第二氧化物；當一電流傳導于該第一表面與該第二表面之間時，該第二導電區域所流過的直流電流密度大于該第一導電區域的10倍以上；一第一電極，其系形成于該第一表面上；及一第二電極，其形成于該第二表面上。其中，該第一及第二氧化物具有相同的化學組成元素，但不同的氧含量原子百分比。其中，更包括一氧化物薄膜，其形成于該第二表面與該第二電極之間。其中，該二極管薄膜的厚度介于Inm至1 μ m之間。其中，該第一及第二氧化物至少包含下列氧化物的其中一種氧化鈦、氧化鉭、氧化物、氧化鈮、氧化鎢、氧化鋅、氧化鎘、氧化鉿、氧化鋯、氧化鎳、氧化銅、氧化鋅銦及其類似物；其中X及y代表原子百分比。其中，該第一及第二電極的成份至少包含下列導體材料的其中一種鉬、金、銀、 鉛、釕、銥、氧化釕、氧化銥、釔、鎳、銅、鈦、鉭、鋅、鋯、鉿、鎢、鉻、氧化銦錫、氧化銦鋅、氧化鋁錫、及氧化鋁鋅。在本發明的另一方面，第二實施例提供一種二極管元件的制作方法，其包含下列步驟提供一二極管結構，其包括一二極管薄膜，其由一第一氧化物所組成且具有一第一表面及一第二表面；一第一電極形成于該第一表面上；及一第二電極形成于該第二表面上；及通過該第一與第二電極，施加一電氣應力于該二極管薄膜，以形成多個電流通道于該二極管薄膜中；其中，該電流通道的成份包含一第二氧化物，且該第二氧化物不同于該第一氧化物。其中，該第一及第二氧化物具有相同的化學組成元素，但不同的氧含量原子百分比。其中，該施加電氣應力的方式選自直流定偏電壓、直流電壓掃描、直流定偏電流、 直流電流掃描、及交流電壓脈沖。其中，該直流定偏電壓介于0. 5V至50V之間，且施加的時間小于10秒。其中，受該電氣應力的該二極管薄膜的順向及逆向電流大于其未受該電氣應力前的順向及逆向電流。其中，該二極管薄膜厚度介于Inm至Ιμπι之間。其中，該第一及第二氧化物至少包含下列氧化物的其中一種氧化鈦、氧化鉭、氧化物、氧化鈮、氧化鎢、氧化鋅、氧化鎘、氧化鉿、氧化鋯、氧化鎳、氧化銅、氧化鋅銦、及其類似物；其中X及y代表原子百分比。其中，該第一及第二電極的成份至少包含下列導體材料的其中一種鉬、金、銀、 鉛、釕、銥、氧化釕、氧化銥、釔、鎳、銅、鈦、鉭、鋅、鋯、鉿、鎢、鉻、氧化銦錫、氧化銦鋅、氧化鋁錫、及氧化鋁鋅。在本發明的又另一方面，第三實施例提供一種二極管元件的制作方法，其包含下列步驟提供一二極管薄膜，其為一第一氧化物形成于一第一電極上；施加一熱退火工藝于該二極管薄膜，以形成多個電流通道于該二極管薄膜中；及形成一第二電極于該二極管薄膜上；其中，該電流通道的成份包含一第二氧化物，且該第二氧化物不同于該第一氧化物。其中，該第一及第二氧化物具有相同的化學組成元素，但不同的氧含量原子百分比。其中，該熱退火工藝的溫度低于800°C。其中，受該熱退火工藝的該二極管薄膜的順向及逆向電流大于其未受該熱退火工藝前的順向及逆向電流。其中，該二極管薄膜厚度介于Inm至1 μ m之間。其中，該第一及第二氧化物至少包含下列氧化物的其中一種氧化鈦、氧化鉭、氧化物、氧化鈮、氧化鎢、氧化鋅、氧化鎘、氧化鉿、氧化鋯、氧化鎳、氧化銅、氧化鋅銦及其類似物；其中X及y代表原子百分比。本發明的二極管元件及其制作方法，可解決現有技術薄膜二極管電性特征受材料限制的缺陷，實現了高性能的低溫工藝的氧化物薄膜二極管。以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。
圖1為根據本發明第一實施例的二極管元件的結構示意5
圖2為二極管薄膜橫截面上的導電區域示意圖；圖3為電流通道結構的剖面示意圖；圖4為根據本發明第二實施例的制作方法的流程示意圖；圖5為根據本發明第三實施例的制作方法的流程示意圖；圖6為本實施例二極管元件樣本的電流-電壓曲線實驗量測圖；圖7為本實施例二極管元件樣本的表面導電性量測圖。其中，附圖標記100 二極管元件110:基板120:第一電極130 二極管薄膜131:第一導電區域132/133/134 第二導電區域137 第一表面139:第二表面140:第二電極160/161/162/163 電流通道200 制作方法210/220 步驟300 制作方法310/320/330 步驟610 經過電氣應力或熱退火后二極管薄膜的順向電流曲線620 經過電氣應力或熱退火后二極管薄膜的逆向電流曲線630 未受電氣應力或熱退火前的二極管薄膜順向電流曲線640 未受電氣應力或熱退火前的二極管薄膜逆向電流曲線
具體實施例方式以下將參照隨附的附圖詳細描述及說明本發明的特征、目的、功能，及其達成所使用的技術手段；但所列舉的實施例僅為輔助說明，以利對本發明有更進一步的認知與了解， 并不因此限制本發明的范圍及技術手段。在該等實施例的說明中，各層(膜)、區域、圖案或結構形成于基板、各層(膜)、區域、墊片或圖案的“上(on)”或“下(under)”的描述，該 “上”及“下”包括所有直接(directly)或間接(indirectly)被形成物。另外，對于各層的上或下，將以附圖為基準來進行說明。而為了說明上的便利和明確，附圖中各層的厚度或尺寸，以概略的、夸張的、或簡要的方式表示，且各構成要素的尺寸并未完全為其實際尺寸。請參照圖1，為根據本發明第一實施例的二極管元件的結構示意圖。本實施例的二極管元件100包含一基板110，一第一電極120，一第二電極140，及一二極管薄膜130 ； 其中，該二極管薄膜130主要是由氧化物所組成，其特征是該二極管薄膜130的橫截面上所傳導的電流面密度不均勻，其可以分成為不同的導電區域，或大致以所傳導電流面密度的均勻與否歸類為第一導電區域131，提供電流密度均勻的電流傳導，及第二導電區域132/133/134提供電流密度不均勻的電流傳導，如圖2所示。該基板110通常為適用于半導體工藝的硅芯片，本實施例則選用沉積或磊晶氧化硅(SiO2)為絕緣層的硅芯片作為基板110，使得本實施例的二極管元件可通過硅制半導體工藝來制作；但不以此為限，該基板110也可以選用玻璃或軟性基板，端視實際的需求或后續的元件工藝而定。該第一電極120及第二電極140形成于該二極管薄膜130的兩側，用以在本實施例的后續工藝借以提供電氣應力(Stress)于該二極管薄膜130，或作為本二極管元件100 的電氣信號外接點。本實施例的第一電極120的成份為鉬(Pt)，第二電極140的成份為鈦 (Ti)，以提供良好的導電及薄膜特性；但不以此為限，該第一及第二電極的成份也可以選用鉬、金(Au)、銀(Ag)、鉛(Pd)、釕(Ru)、銥(Ir)、氧化釕(RuOx)、氧化銥(IrOx)、釔(Y)、鎳 (Ni)、銅(Cu)、鈦、鉭(Ta)、鋅(Zn)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鎢(W)、鉻(Cr)、氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化鋁錫(ΑΤΟ)、及氧化鋁鋅(AZO)，或其它導電材料，端視實際的狀況而定。該二極管薄膜130由氧化物所組成，本實施例基本上選用二氧化鈦(TiO2)制作該二極管薄膜130 ；就二極管電性上的考慮，該二極管薄膜130的較佳厚度介于Inm至Ιμπι 之間，而本實施例所實際制作的薄膜平均厚度介于IOnm至50nm之間。值得注意的是，該二極管薄膜120的成份并不限于二氧化鈦，也可以是氧化鈦(TiOx)、氧化鉭(TaOx)、氧化物 (VOx)、氧化鈮(NbOx)、氧化鎢(WOx)、氧化鋅(SiOx)、氧化鎘(CdOx)、氧化鉿(HfOx)、氧化鋯 (&0Χ)、氧化鎳(NiOx)、氧化銅(CuOx)、氧化鋅銦an&ix0y)、及其它類似氧化物材料的至少一種，端視實際的狀況或元件特性的需求而定，其中χ及y代表原子百分比。如上所述，該二極管薄膜130所傳導的電流在整個橫截面上是不均勻的，依此并參照圖2而歸類為第一導電區域131，提供電流密度均勻的低電流傳導區，及第二導電區域132/133/134提供電流密度不均勻的高電流傳導區。該二極管薄膜130具有一第一表面 137及一第二表面139，當施加一電壓于該第一電極120及第二電極140，則傳導于該第一表面137與該第二表面139之間的電流面密度，該第二導電區域所流過的直流電流密度大于該第一導電區域的10倍以上，同時也展現出二極管的元件電氣特性。值得注意的是，該第二導電區域132/133/134可能包含多個成份不同于原先的二氧化鈦或氧化物的電流通道， 而造成傳導電流的密度不均勻。例如，該第一導電區域131的成份為原先形成該二極管薄膜130的二氧化鈦或氧化物(稱之為第一氧化物)，而該第二導電區域132/133/134所包含的電流通道的成份則為不同于該第一氧化物的氧化鈦或氧化物(稱之為第二氧化物)。 該第二氧化物也可能是在該二極管薄膜130的制作或加工過程中，所造成該第一氧化物中的氧含量逸失，而形成與該第一氧化物具有相同的化學組成元素，但不同氧含量原子百分比的類似材質。此外，該二極管薄膜并不限于單層薄膜的結構，其也可以是多層的氧化物薄膜，或是多加一層氧化物薄膜于該二極管薄膜130與該第二電極120之間。圖3為該電流通道結構的剖面示意圖。如圖3所示，該電流通道的結構可能為基本上垂直于該第一或第二表面137/139的細長柱形通道，并具有不同的樣態，例如電流通道160貫穿該二極管薄膜120、電流通道161/162/163則未完全貫穿該二極管薄膜120 ；但電流通道160/161/162/163內的氧化物成份可能不同于電流通道外的二極管薄膜120的成分。以下的實施例說明本發明二極管元件的制造方法。請參照圖4，為根據本發明第二實施例的制作方法的流程示意圖。請同時參照圖1，本實施例的制作方法200包含下列步驟步驟210，提供一二極管結構包括一二極管薄膜130，其由一第一氧化物所組成且具有一第一表面137及一第二表面139 ；—第一電極120形成于該第一表面137上；及一第二電極140形成于該第二表面139上。步驟220，通過該第一與第二電極120/140，施加一電氣應力(Stress)于該二極管薄膜130，以形成多個電流通道于該二極管薄膜130中。其中，該電流通道的成份包含一第二氧化物，且該第二氧化物不同于該第一氧化物；或該第一及第二氧化物具有相同的化學組成元素，但不同的氧含量原子百分比。有關該第一電極120，該第二電極140，該二極管薄膜130，及該電流通道的相關技術特征已于上文第一實施例的說明中描述，在此不再贅述。對于步驟220的施加電氣應力，可選自直流定偏電壓(Constant DC VoltageBias)、直流電壓掃描(DC Voltage Sweep)、直流定偏電流(Constant DC CurrentBias)、直流電流掃描(DC Current Swe印)、及交流電壓脈沖(AC Voltage Pulse) 等方式，都可達成本實施例二極管元件的制作。舉一實際制作的實驗做為例子，本第二實施例采用直流定偏電壓的方式，施加3V的直流電壓于該第一及第二電極120/140約5秒；但上述電壓及施加時間的選用并不以此為限，也可以是介于0. 5V至50V之間的直流電壓施加小于10秒的時間，端視該二極管薄膜130的材料及實際厚度而定。請參照圖5，為根據本發明第三實施例的制作方法的流程示意圖。請同時參照圖 1，本實施例的制作方法300包含下列步驟步驟310，提供一二極管薄膜130，其為一第一氧化物形成于一第一電極120上；步驟320，施加一熱退火(Thermal annealing)工藝于該二極管薄膜130，以形成多個電流通道于該二極管薄膜130中；及步驟330，形成一第二電極 140于該二極管薄膜130上；其中，該電流通道的成份包含一第二氧化物，且該第二氧化物不同于該第一氧化物；或該第一及第二氧化物具有相同的化學組成元素，但不同的氧含量原子百分比。對于步驟320的熱退火工藝，可選自快速熱退火或多階段熱退火等現有的工藝，都可達成本實施例二極管元件的制作。選用的熱退火溫度以低于800°C為佳，并不以此為限，熱退火所需的溫度、階段、及施用時間視該二極管薄膜130的材料及實際厚度而定。 有關該第一電極120，該第二電極140，該二極管薄膜130，及該電流通道的相關技術特征已于上文第一實施例的說明中描述，在此不再贅述。該二極管薄膜130在經過電氣應力或熱退火工藝的前后，其電流-電壓特性產生相當的差異，這可由圖6的電流-電壓曲線(I-V curve)實驗量測圖得知該二極管薄膜在經過電氣應力或熱退火工藝后的順向電流610及逆向電流620大于其未受該電氣應力或熱退火工藝前的順向電流630及逆向電流640，且該電流-電壓曲線具有二極管的元件電氣特性。另請再次參照圖2及圖3并請注意，第二導電區域132/133/134及其內部的電流通道161/162/163的形成由制作程序中的電氣應力或熱退火所造成，該第二導電區域 132/133/134及其內部的電流通道161/162/163的形成并沒有特定且固定的數量、形狀、或位置，視制作當時的實際情況而定，但實質上都能借此實現二極管元件的電氣特性。另外， 通過導電式原子力顯微鏡(ConductiveAFM)量測二極管薄膜的表面導電性，有助于探知該第二導電區域132/133/134及其內部的電流通道161/162/163的形成狀況；圖7為根據本發明第二實施例所制作的二極管元件樣本的表面導電性量測圖，其中電流密度較高(或色度較淺)的區域可視為是第二導電區域，且也呈現不規則的分布樣態。但以上所述者，包含特征、結構、及其它類似的效果，僅為本發明之較佳實施例， 當不能以的限制本發明的范圍。此外，上述各實施例所展示的特征、結構、及其它類似的效果，也可為本領域技術人員在依本發明權利要求范圍進行均等變化及修飾，仍將不失本發明的要義所在，也不脫離本發明的精神和范圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發明權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種二極管元件，其特征在于，包括一二極管薄膜，其具有一第一表面及一第二表面，且包括一第一導電區域，提供電流密度均勻的電流傳導，且該第一導電區域的成份包含一第一氧化物；及一第二導電區域，其包含多個電流通道，提供電流密度不均勻的電流傳導，且該電流通道的成份包含一第二氧化物；其中，該第一氧化物不同于該第二氧化物；當一電流傳導于該第一表面與該第二表面之間時，該第二導電區域所流過的直流電流密度大于該第一導電區域的10倍以上；一第一電極，其形成于該第一表面上；及一第二電極，其形成于該第二表面上。
2.根據權利要求1所述的二極管元件，其特征在于，該第一及第二氧化物具有相同的化學組成元素，但不同的氧含量原子百分比。
3.根據權利要求1所述的二極管元件，其特征在于，更包括一氧化物薄膜，其形成于該第二表面與該第二電極之間。
4.根據權利要求1所述的二極管元件，其特征在于，該二極管薄膜的厚度介于Inm至 Iym之間。
5.根據權利要求1所述的二極管元件，其特征在于，該第一及第二氧化物至少包含下列氧化物的其中一種氧化鈦、氧化鉭、氧化物、氧化鈮、氧化鎢、氧化鋅、氧化鎘、氧化鉿、氧化鋯、氧化鎳、氧化銅、氧化鋅銦及其類似物；其中χ及y代表原子百分比。
6.根據權利要求1所述的二極管元件，其特征在于，該第一及第二電極的成份至少包含下列導體材料的其中一種鉬、金、銀、鉛、釕、銥、氧化釕、氧化銥、釔、鎳、銅、鈦、鉭、鋅、 鋯、鉿、鎢、鉻、氧化銦錫、氧化銦鋅、氧化鋁錫、及氧化鋁鋅。
7.一種二極管元件的制作方法，其特征在于，包括提供一二極管結構，其包括一二極管薄膜，其由一第一氧化物所組成且具有一第一表面及一第二表面；一第一電極形成于該第一表面上；及一第二電極形成于該第二表面上； 及通過該第一與第二電極，施加一電氣應力于該二極管薄膜，以形成多個電流通道于該二極管薄膜中；其中，該電流通道的成份包含一第二氧化物，且該第二氧化物不同于該第一氧化物。
8.根據權利要求7所述的制作方法，其特征在于，該第一及第二氧化物具有相同的化學組成元素，但不同的氧含量原子百分比。
9.根據權利要求7所述的制作方法，其特征在于，該施加電氣應力的方式選自直流定偏電壓、直流電壓掃描、直流定偏電流、直流電流掃描、及交流電壓脈沖。
10.根據權利要求8所述的制作方法，其特征在于，該直流定偏電壓介于0.5V至50V之間，且施加的時間小于10秒。
11.根據權利要求7所述的制作方法，其特征在于，受該電氣應力的該二極管薄膜的順向及逆向電流大于其未受該電氣應力前的順向及逆向電流。
12.根據權利要求7所述的制作方法，其特征在于，該二極管薄膜厚度介于Inm至1μ m 之間。
13.根據權利要求7所述的制作方法，其特征在于，該第一及第二氧化物至少包含下列氧化物的其中一種氧化鈦、氧化鉭、氧化物、氧化鈮、氧化鎢、氧化鋅、氧化鎘、氧化鉿、氧化鋯、氧化鎳、氧化銅、氧化鋅銦、及其類似物；其中χ及y代表原子百分比。
14.根據權利要求7所述的制作方法，其特征在于，該第一及第二電極的成份至少包含下列導體材料的其中一種鉬、金、銀、鉛、釕、銥、氧化釕、氧化銥、釔、鎳、銅、鈦、鉭、鋅、鋯、 鉿、鎢、鉻、氧化銦錫、氧化銦鋅、氧化鋁錫、及氧化鋁鋅。
15.一種制作二極管元件的方法，其特征在于，包括提供一二極管薄膜，其為一第一氧化物形成于一第一電極上；施加一熱退火工藝于該二極管薄膜，以形成多個電流通道于該二極管薄膜中；及形成一第二電極于該二極管薄膜上；其中，該電流通道的成份包含一第二氧化物，且該第二氧化物不同于該第一氧化物。
16.根據權利要求15所述的制作方法，其特征在于，該第一及第二氧化物具有相同的化學組成元素，但不同的氧含量原子百分比。
17.根據權利要求15所述的制作方法，其特征在于，該熱退火工藝的溫度低于800°C。
18.根據權利要求15所述的制作方法，其特征在于，受該熱退火工藝的該二極管薄膜的順向及逆向電流大于其未受該熱退火工藝前的順向及逆向電流。
19.根據權利要求15所述的制作方法，其特征在于，該二極管薄膜厚度介于Inm至 Iym之間。
20.根據權利要求15所述的制作方法，其特征在于，該第一及第二氧化物至少包含下列氧化物的其中一種氧化鈦、氧化鉭、氧化物、氧化鈮、氧化鎢、氧化鋅、氧化鎘、氧化鉿、氧化鋯、氧化鎳、氧化銅、氧化鋅銦及其類似物；其中χ及y代表原子百分比。
全文摘要
一種二極管元件及其制作方法，該二極管元件包括一二極管薄膜，其具有一第一表面及一第二表面，且包括一第一導電區域，提供電流密度均勻的電流傳導，且該第一導電區域的成份包含一第一氧化物；及一第二導電區域，其包含多個電流通道，提供電流密度不均勻的電流傳導，且該電流通道的成份包含一第二氧化物；其中，該第一氧化物不同于該第二氧化物；當一電流傳導于該第一表面與該第二表面之間時，該第二導電區域所流過的直流電流密度大于該第一導電區域的10倍以上；一第一電極，其形成于該第一表面上；及一第二電極，其形成于該第二表面上。本發明可解決現有技術薄膜二極管電性特征受材料限制的缺陷，實現高性能的低溫工藝的氧化物薄膜二極管。
文檔編號H01L29/06GK102479824SQ201010610280
公開日2012年5月30日 申請日期2010年12月16日 優先權日2010年11月26日
發明者侯拓宏, 黃俊嘉 申請人:財團法人交大思源基金會