专利名称:具有混合氧化物绝缘体的二极管的制作方法
本发明涉及一种金属-绝缘体-金属(MIM)二极管、更具体地涉及作为象素〔它是高分辨率液晶显示(LCD)的要素〕开关元件的MIM二极管。
在所谓“显示矩阵”LCD中、诸如各MIM二极管的各开关二极管是与各象素串联连接的、以便改善各种多路显示的反差比。当激励电压使开关元件接通(导通)时，电流流过该开关元件、从而电荷贮存在象素中。当该开关元件截止(不导通)时，该电荷必须保持存贮在该象素中的状态。
在多路显示的高电平期间，开关元件仅导通很短一段时间。因为所需存贮的电荷是一定的，所以开关元件导通时必须流通相对地大的电流;因此，开关元件必须具有低的导通电阻。相反，当开关元件截止时，其漏电流必须是低的、以便象素保存所存贮的电荷。因此，截止电阻必须是高的。因此，电流随着电压非线性增加的速率是衡量开关元件质量的一种量度。另外，该开关元件必须工作在由象素的各种特性和外部驱动电路所设定的各种电压极限值之间。即，必须在任何确定的电压下确定电流幅度的比例、以便与该象素相配。
先有技术的MIM二极管通过采用一种薄的绝缘体(例如40至60毫微米)的方法来满足高的截止电阻对导通电阻比值(开关比值)的要求。通过制作非常小面积的开关元件，就可部分地补偿现有的低截止电阻。尽管如此，这些元件的工作电压范围仍然低于最佳显示质量所需要的值;例如，反差比随着温度的升高和各二极管的制作易变性而快速地降低。另一方面，通过采用厚的绝缘体来增加截止电阻会降低各开关元件的开关质量(非线性)。
因此，需要一种在各种低电压下具有较高电阻、并且有足够的非线性的MIM二极管，从而提供一种大的工作电压范围以及较大的公差范围、以克服由于各种温度变化和制作的易变性而引起LCD图象质量的降低。
根据本发明的二极管包括第一和第二对置电极以及设置在这些电极之间的绝缘体，该绝缘体包括由氧化钽和另一种氧化物构成的混合物，该绝缘体的最大厚度是大约80毫微米。
在各附图中图1表示根据本发明的一种MIM二极管。
图2至图4表示图1的二极管的各顺序的制作步骤，以及图5和图6对于由不同的绝缘体混合物制成的各MIM二极管示出在一定的电流下的电压值。
图1中示出一种在基片11上的MIM二极管10。敷在基片11上的是大约200至500毫微米厚度的第一电极12，它在垂直于图平面的方向上延伸而与LCD的地址线(未示出)接触。敷在第一电极12上的是厚度在大约35至80毫微米之间的绝缘体14。如果此厚度小于大约35毫微米，那么会出现一些使二极管短路的针孔;对于大于大约80毫微米的厚度，则不存在充分非线性的MIM二极管导电性。第二电极16是与电极12对置的，其厚度在大约100至200毫微米之间，它被敷在绝缘体14上、并且在图平面内延伸、以便接触象素电极(未示出)。
基片11可以包括一种例如玻璃的绝缘材料。第一电极12可以包括一种导体、例如由钽和大约10至50原子百分数的硅或者大约40至70原子百分数的铝组成的混合物。绝缘体14包括由Ta2O5的另一种氧化物(其平均摩尔百分数一般在大约10至70之间)组成的混合物。所述另一种氧化物可以包括大约40至70平均摩尔百分数的Al2O3或者大约10至50平均摩尔百分数的SiO2所组成。与纯Ta2O5相比，这些范围说明了出现电阻率的一些有益的变化的范围。所谓“平均摩尔百分数”指的是整个绝缘体14的摩尔百分数，虽然在某些位置、例如电极12和16附近所述摩尔百分数可以不同。
在图2中，薄层12a是在一个具体的实施例中通过钽和硅或者钽和铝的射频互溅射而形成的。使用大约2.3瓦/平方厘米的功率密度和大约15毫乇的氩气压力。然后，借助使用诸如CF4和O2的等离子体的活性离子蚀刻的方法、对薄层12a划界线、把它变成第一电极12，如图3中所示。此后，用阳极方法(使用按重量计的0.01%的柠檬酸溶液、用第一电极12作为阳极(在其上加正电压)〕形成绝缘体14。然后，用诸如蒸发或者喷射的真空沉积法形成第二电极16，从而形成图1的二极管10。此后，将二极管10在约250℃温度下进行约20分钟的热处理、以便使它具有稳定而可重复的各种特性。
一个精密接近MIM二极管电流(i)-电压(v)特性的方程是i =i oeβV]]>其中i0和β是常数。β是衡量该器件的非线性的量度;较高的β值表示二极管具有较好的开关特性。β是绝缘体14的高频介电常数的平方根的反函数。对于某一给定的β值，i0就可决定该LCD的激励电压和工作电压的比例。另一个有用的参数是V(j)，它是产生以微安/平方毫米为单位的选定的电流密度j所必须的电压值。图5和图6中对硅混合物和铝混合物的情况分别给出各种氧化物混合物的有效电阻率的一般趋势，其中画出了在10微安/平方毫米的电流密度下的电压V(10)对第一电极12的成份(以原子百分数为单位)的函数关系曲线。这些曲线图是从用各反对称靶的互溅射的方法而获得的第一电极12的一些样品得到的，这些样品是具有横坐标上不同等级的成份的。硅氧化物或铝氧化物与Ta2O5相加的主要作用是要把工作电压范围移向更高值。在各种LCD中，高达约10伏的各V(10)值是最有用的。下面给出各样品的V(j＝1)或V(1)。对于电容值为大约1微微法和器件面积为30至100平方微米的典型的象素来说，V(1)约是相当于高反差和高分辨率显示的最大可能存贮电压的1至1.5倍。因为MIM二极管的导电性是不对称的，所以，所有β、i0和V(1)值都是对两个导电方向取平均的值。
实施例1所述第一电极包括钽和大约29原子百分数的硅的混合物，该电极在稀柠檬酸中、用30伏固定电压进行3小时阳极化、以形成大约50毫微米厚度的绝缘体14。然后用蒸发方法形成第二电极16，产生的MIM二极管的β＝4.7，i0＝9.0×10-12安/平方毫米(A/mm2)以及V(1)＝6.1伏。
实施例2第一电极12包括钽和大约34原子百分数的硅的混合物，该电极在24伏固定电压下进行3小时阳极化、以形成大约40毫微米厚度的绝缘体14。在该情况下，β＝4.8，i0＝2.4×10-10A/mm2以及V(1)＝3.0伏。
实施例3第一电极12包括钽和大约58原子百分数的铝的混合物，该电极在24伏固定电压下进行3小时阳极化、以形成厚度约40毫微米的绝缘体14。在该情况下，β＝4.1，i0＝2.8×10-10A/mm2以及V(1)＝4伏。
反面实施例第一电极12包括几乎纯的钽，该电极在30伏固定电压下进行3小时阳极化、以形成厚度约50毫微米的绝缘体14。在该情况下，β＝3.68，i0＝9.3×10-9A/mm2以及V(1)＝1.6伏。
由此可知，与先有技术相比，本发明提供了一种具有较大的β和V(1)以及较低的i0的二极，从而产生了一种可更好地适合于驱动LCD的二极管。更具体地说，较大的β提供了较好的开关特性，此外，还可获得足够低的i0，以便在较高电压下可得到充分的电荷贮存。实验还证明，和先有技术的各MIM二极管相比，本发明的各MIM二极管的介电常数是较低的，这就减小了寄生旁路电容，从而也有助于二极管可更好地适合于驱动LCD。
权利要求
1.一种包括第一和第二电极以及设置在所述电极之间的绝缘体的二极管，其特征在于所述绝缘体(14)包括氧化钽和另一种氧化物的混合物，并且其最大厚度是大约80毫微米。
2.权利要求
1的二极管，其特征在于所述另一种氧化物是从由SiO2和Al2O3构成的一组氧化物中选择的一种氧化物。
3.权利要求
2的二极管，其特征在于所述另一种氧化物包括Al2O3。
4.权利要求
3的二极管，其特征在于所述Al2O3具有大约在40至70之间的所述绝缘体(14)的平均摩尔百分数。
5.权利要求
2的二极管，其特征在于所述另一种氧化物包括SiO2。
6.权利要求
5的二极管，其特征在于所述SiO2具有大约在10至50之间的所述绝缘体(14)的平均摩尔百分数。
7.权利要求
1的二极管，其特征在于所述另一种氧化物具有大约在10至70之间的所述绝缘体(14)的平均摩尔百分数。
8.权利要求
7的二极管，其特征在于所述另一种氧化物具有大约在10至50之间的所述绝缘体(14)的平均摩尔百分数。
9.权利要求
7的二极管，其特征在于所述另一种氧化物具有大约在40至70之间的所述绝缘体(14)的平均摩尔百分数。
10.权利要求
1的二极管，其特征在于所述绝缘体(14)的最小厚度是大约35毫微米。
11.权利要求
1的二极管，其特征在于所述第一电极(12)包括钽和硅的混合物。
12.权利要求
1的二极管，其特征在于所述第一电极(12)包括钽和铝的混合物。
13.权利要求
1的二极管，其特征在于所述第二电极(16)包括Al。
14.权利要求
1的二极管，其特征在于所述第二电极(16)包括Cr。
15.一种用于液晶显示的开关二极管，包括第一和第二电极以及设置在所述各电极之间的绝缘体，其特征在于所述绝缘体(14)包括氧化钽和另一件氧化物的混合物，所述绝缘体的厚度是大约35毫微米至80毫微米。
16.权利要求
15的二极管，其特征在于所述另一种氧化物是从由SiO2和Al2O3组成的一组氧化物中选出的一种氧化物。
17.权利要求
16的二极管，其特征在于所述另一种氧化物包括Al2O3。
18.权利要求
16的二极管，其特征在于所述另一种氧化物包括SiO2。
19.权利要求
15的二极管，其特征在于所述第一电极(12)包括一种钽和硅的混合物。
20.权利要求
15的二极管，其特征在于所述第一电极(12)包括一种钽和铝的混合物。
21.权利要求
15的二极管，其特征在于所述第二电极(16)包括一种良导体。
22.权利要求
15的二极管，其特征在于所述第二电极(16)包括Al。
23.权利要求
15的二极管，其特征在于所述第二电极(16)包括Cr。
专利摘要
一种MIM二极管(10)的绝缘体(14)具有80毫微米的最大厚度、并且包括氧化钽和另一种氧化物(例如氧化铝或氧化硅)的混合物。和包括纯氧化钽的绝缘体相比，该混合物具有较低的漏电流和较高的非线性。所述另一种氧化物可以具有该绝缘体的、大约在10至70之间的平均摩尔百分数。该绝缘体的最大厚度可以是大约35毫微米、以避免出现针孔。
文档编号H01L45/00GK87107422SQ87107422
公开日1988年7月20日 申请日期1987年12月8日
发明者戴维·阿瑟·弗斯特, 利昂·约瑟夫·维兰 申请人:美国无线电公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan