专利名称：二极管元件及其制作方法
技术领域：
本发明关于一种二极管元件及其制作技术，特别是关于一种以氧化物薄膜为基础的二极管元件结构及其制法。
背景技术：
传统PN形式的二极管因为高温掺杂工艺的必要性，难以适用于需要低工艺温度的立体堆栈式集成电路及软性电子等应用。另外，现有的氧化物薄膜二极管虽具有低温工艺的优势，但其电性特征如顺向电流密度及导通电压等，则受限于材料选择的限制，也尚无法满足产业所需。例如，对于金属/N型氧化物/P型氧化物/金属的MIIM(Metal/ Insultor/Insultor/Metal)结构，其中两层氧化物薄膜的组合有相当的特定性；对于金属 /氧化物/金属的MIMWetal/Insultor/Metal)结构，其中金属与氧化物的组合也要求相当特定的材料，方足以提供合理的整流特性。因此，现阶段的氧化物二极管仍未臻成熟，其工艺复杂且元件特性尚待提升等技术课题乃亟待发展，以期实现高性能的低温工艺的氧化物薄膜二极管。
发明内容
本发明的目的是提出一种二极管元件及其制作方法，以解决现有技术薄膜二极管电性特征受材料限制的缺陷。在本发明的一方面，第一实施例提供一种二极管元件，其包括一二极管薄膜，其具有一第一表面及一第二表面，且包括一第一导电区域，提供电流密度均勻的电流传导， 且该第一导电区域的成份包含一第一氧化物；及一第二导电区域，其包含多个电流通道，提供电流密度不均勻的电流传导，且该电流通道的成份包含一第二氧化物；其中，该第一氧化物不同于该第二氧化物；当一电流传导于该第一表面与该第二表面之间时，该第二导电区域所流过的直流电流密度大于该第一导电区域的10倍以上；一第一电极，其系形成于该第一表面上；及一第二电极，其形成于该第二表面上。其中，该第一及第二氧化物具有相同的化学组成元素，但不同的氧含量原子百分比。其中，更包括一氧化物薄膜，其形成于该第二表面与该第二电极之间。其中，该二极管薄膜的厚度介于Inm至1 μ m之间。其中，该第一及第二氧化物至少包含下列氧化物的其中一种氧化钛、氧化钽、氧化物、氧化铌、氧化钨、氧化锌、氧化镉、氧化铪、氧化锆、氧化镍、氧化铜、氧化锌铟及其类似物；其中X及y代表原子百分比。其中，该第一及第二电极的成份至少包含下列导体材料的其中一种钼、金、银、 铅、钌、铱、氧化钌、氧化铱、钇、镍、铜、钛、钽、锌、锆、铪、钨、铬、氧化铟锡、氧化铟锌、氧化铝锡、及氧化铝锌。在本发明的另一方面，第二实施例提供一种二极管元件的制作方法，其包含下列步骤提供一二极管结构，其包括一二极管薄膜，其由一第一氧化物所组成且具有一第一表面及一第二表面；一第一电极形成于该第一表面上；及一第二电极形成于该第二表面上；及通过该第一与第二电极，施加一电气应力于该二极管薄膜，以形成多个电流通道于该二极管薄膜中；其中，该电流通道的成份包含一第二氧化物，且该第二氧化物不同于该第一氧化物。其中，该第一及第二氧化物具有相同的化学组成元素，但不同的氧含量原子百分比。其中，该施加电气应力的方式选自直流定偏电压、直流电压扫描、直流定偏电流、 直流电流扫描、及交流电压脉冲。其中，该直流定偏电压介于0. 5V至50V之间，且施加的时间小于10秒。其中，受该电气应力的该二极管薄膜的顺向及逆向电流大于其未受该电气应力前的顺向及逆向电流。其中，该二极管薄膜厚度介于Inm至Ιμπι之间。其中，该第一及第二氧化物至少包含下列氧化物的其中一种氧化钛、氧化钽、氧化物、氧化铌、氧化钨、氧化锌、氧化镉、氧化铪、氧化锆、氧化镍、氧化铜、氧化锌铟、及其类似物；其中X及y代表原子百分比。其中，该第一及第二电极的成份至少包含下列导体材料的其中一种钼、金、银、 铅、钌、铱、氧化钌、氧化铱、钇、镍、铜、钛、钽、锌、锆、铪、钨、铬、氧化铟锡、氧化铟锌、氧化铝锡、及氧化铝锌。在本发明的又另一方面，第三实施例提供一种二极管元件的制作方法，其包含下列步骤提供一二极管薄膜，其为一第一氧化物形成于一第一电极上；施加一热退火工艺于该二极管薄膜，以形成多个电流通道于该二极管薄膜中；及形成一第二电极于该二极管薄膜上；其中，该电流通道的成份包含一第二氧化物，且该第二氧化物不同于该第一氧化物。其中，该第一及第二氧化物具有相同的化学组成元素，但不同的氧含量原子百分比。其中，该热退火工艺的温度低于800°C。其中，受该热退火工艺的该二极管薄膜的顺向及逆向电流大于其未受该热退火工艺前的顺向及逆向电流。其中，该二极管薄膜厚度介于Inm至1 μ m之间。其中，该第一及第二氧化物至少包含下列氧化物的其中一种氧化钛、氧化钽、氧化物、氧化铌、氧化钨、氧化锌、氧化镉、氧化铪、氧化锆、氧化镍、氧化铜、氧化锌铟及其类似物；其中X及y代表原子百分比。本发明的二极管元件及其制作方法，可解决现有技术薄膜二极管电性特征受材料限制的缺陷，实现了高性能的低温工艺的氧化物薄膜二极管。以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1为根据本发明第一实施例的二极管元件的结构示意5
图2为二极管薄膜横截面上的导电区域示意图；图3为电流通道结构的剖面示意图；图4为根据本发明第二实施例的制作方法的流程示意图；图5为根据本发明第三实施例的制作方法的流程示意图；图6为本实施例二极管元件样本的电流-电压曲线实验量测图；图7为本实施例二极管元件样本的表面导电性量测图。其中，附图标记100 二极管元件110:基板120:第一电极130 二极管薄膜131:第一导电区域132/133/134 第二导电区域137 第一表面139:第二表面140:第二电极160/161/162/163 电流通道200 制作方法210/220 步骤300 制作方法310/320/330 步骤610 经过电气应力或热退火后二极管薄膜的顺向电流曲线620 经过电气应力或热退火后二极管薄膜的逆向电流曲线630 未受电气应力或热退火前的二极管薄膜顺向电流曲线640 未受电气应力或热退火前的二极管薄膜逆向电流曲线
具体实施例方式以下将参照随附的附图详细描述及说明本发明的特征、目的、功能，及其达成所使用的技术手段；但所列举的实施例仅为辅助说明，以利对本发明有更进一步的认知与了解， 并不因此限制本发明的范围及技术手段。在该等实施例的说明中，各层(膜)、区域、图案或结构形成于基板、各层(膜)、区域、垫片或图案的“上(on)”或“下(under)”的描述，该 “上”及“下”包括所有直接(directly)或间接(indirectly)被形成物。另外，对于各层的上或下，将以附图为基准来进行说明。而为了说明上的便利和明确，附图中各层的厚度或尺寸，以概略的、夸张的、或简要的方式表示，且各构成要素的尺寸并未完全为其实际尺寸。请参照图1，为根据本发明第一实施例的二极管元件的结构示意图。本实施例的二极管元件100包含一基板110，一第一电极120，一第二电极140，及一二极管薄膜130 ； 其中，该二极管薄膜130主要是由氧化物所组成，其特征是该二极管薄膜130的横截面上所传导的电流面密度不均勻，其可以分成为不同的导电区域，或大致以所传导电流面密度的均勻与否归类为第一导电区域131，提供电流密度均勻的电流传导，及第二导电区域132/133/134提供电流密度不均勻的电流传导，如图2所示。该基板110通常为适用于半导体工艺的硅芯片，本实施例则选用沉积或磊晶氧化硅(SiO2)为绝缘层的硅芯片作为基板110，使得本实施例的二极管元件可通过硅制半导体工艺来制作；但不以此为限，该基板110也可以选用玻璃或软性基板，端视实际的需求或后续的元件工艺而定。该第一电极120及第二电极140形成于该二极管薄膜130的两侧，用以在本实施例的后续工艺借以提供电气应力(Stress)于该二极管薄膜130，或作为本二极管元件100 的电气信号外接点。本实施例的第一电极120的成份为钼(Pt)，第二电极140的成份为钛 (Ti)，以提供良好的导电及薄膜特性；但不以此为限，该第一及第二电极的成份也可以选用钼、金(Au)、银(Ag)、铅(Pd)、钌(Ru)、铱(Ir)、氧化钌(RuOx)、氧化铱(IrOx)、钇(Y)、镍 (Ni)、铜(Cu)、钛、钽(Ta)、锌(Zn)、锆(Zr)、铪(Hf)、钨(W)、铬(Cr)、氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、氧化铝锡(ΑΤΟ)、及氧化铝锌(AZO)，或其它导电材料，端视实际的状况而定。该二极管薄膜130由氧化物所组成，本实施例基本上选用二氧化钛(TiO2)制作该二极管薄膜130 ；就二极管电性上的考虑，该二极管薄膜130的较佳厚度介于Inm至Ιμπι 之间，而本实施例所实际制作的薄膜平均厚度介于IOnm至50nm之间。值得注意的是，该二极管薄膜120的成份并不限于二氧化钛，也可以是氧化钛(TiOx)、氧化钽(TaOx)、氧化物 (VOx)、氧化铌(NbOx)、氧化钨(WOx)、氧化锌(SiOx)、氧化镉(CdOx)、氧化铪(HfOx)、氧化锆 (&0Χ)、氧化镍(NiOx)、氧化铜(CuOx)、氧化锌铟an&ix0y)、及其它类似氧化物材料的至少一种，端视实际的状况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，该二极管薄膜130所传导的电流在整个横截面上是不均勻的，依此并参照图2而归类为第一导电区域131，提供电流密度均勻的低电流传导区，及第二导电区域132/133/134提供电流密度不均勻的高电流传导区。该二极管薄膜130具有一第一表面 137及一第二表面139，当施加一电压于该第一电极120及第二电极140，则传导于该第一表面137与该第二表面139之间的电流面密度，该第二导电区域所流过的直流电流密度大于该第一导电区域的10倍以上，同时也展现出二极管的元件电气特性。值得注意的是，该第二导电区域132/133/134可能包含多个成份不同于原先的二氧化钛或氧化物的电流通道， 而造成传导电流的密度不均勻。例如，该第一导电区域131的成份为原先形成该二极管薄膜130的二氧化钛或氧化物(称之为第一氧化物)，而该第二导电区域132/133/134所包含的电流通道的成份则为不同于该第一氧化物的氧化钛或氧化物(称之为第二氧化物)。 该第二氧化物也可能是在该二极管薄膜130的制作或加工过程中，所造成该第一氧化物中的氧含量逸失，而形成与该第一氧化物具有相同的化学组成元素，但不同氧含量原子百分比的类似材质。此外，该二极管薄膜并不限于单层薄膜的结构，其也可以是多层的氧化物薄膜，或是多加一层氧化物薄膜于该二极管薄膜130与该第二电极120之间。图3为该电流通道结构的剖面示意图。如图3所示，该电流通道的结构可能为基本上垂直于该第一或第二表面137/139的细长柱形通道，并具有不同的样态，例如电流通道160贯穿该二极管薄膜120、电流通道161/162/163则未完全贯穿该二极管薄膜120 ；但电流通道160/161/162/163内的氧化物成份可能不同于电流通道外的二极管薄膜120的成分。以下的实施例说明本发明二极管元件的制造方法。请参照图4，为根据本发明第二实施例的制作方法的流程示意图。请同时参照图1，本实施例的制作方法200包含下列步骤步骤210，提供一二极管结构包括一二极管薄膜130，其由一第一氧化物所组成且具有一第一表面137及一第二表面139 ；—第一电极120形成于该第一表面137上；及一第二电极140形成于该第二表面139上。步骤220，通过该第一与第二电极120/140，施加一电气应力(Stress)于该二极管薄膜130，以形成多个电流通道于该二极管薄膜130中。其中，该电流通道的成份包含一第二氧化物，且该第二氧化物不同于该第一氧化物；或该第一及第二氧化物具有相同的化学组成元素，但不同的氧含量原子百分比。有关该第一电极120，该第二电极140，该二极管薄膜130，及该电流通道的相关技术特征已于上文第一实施例的说明中描述，在此不再赘述。对于步骤220的施加电气应力，可选自直流定偏电压(Constant DC VoltageBias)、直流电压扫描(DC Voltage Sweep)、直流定偏电流(Constant DC CurrentBias)、直流电流扫描(DC Current Swe印)、及交流电压脉冲(AC Voltage Pulse) 等方式，都可达成本实施例二极管元件的制作。举一实际制作的实验做为例子，本第二实施例采用直流定偏电压的方式，施加3V的直流电压于该第一及第二电极120/140约5秒；但上述电压及施加时间的选用并不以此为限，也可以是介于0. 5V至50V之间的直流电压施加小于10秒的时间，端视该二极管薄膜130的材料及实际厚度而定。请参照图5，为根据本发明第三实施例的制作方法的流程示意图。请同时参照图 1，本实施例的制作方法300包含下列步骤步骤310，提供一二极管薄膜130，其为一第一氧化物形成于一第一电极120上；步骤320，施加一热退火(Thermal annealing)工艺于该二极管薄膜130，以形成多个电流通道于该二极管薄膜130中；及步骤330，形成一第二电极 140于该二极管薄膜130上；其中，该电流通道的成份包含一第二氧化物，且该第二氧化物不同于该第一氧化物；或该第一及第二氧化物具有相同的化学组成元素，但不同的氧含量原子百分比。对于步骤320的热退火工艺，可选自快速热退火或多阶段热退火等现有的工艺，都可达成本实施例二极管元件的制作。选用的热退火温度以低于800°C为佳，并不以此为限，热退火所需的温度、阶段、及施用时间视该二极管薄膜130的材料及实际厚度而定。 有关该第一电极120，该第二电极140，该二极管薄膜130，及该电流通道的相关技术特征已于上文第一实施例的说明中描述，在此不再赘述。该二极管薄膜130在经过电气应力或热退火工艺的前后，其电流-电压特性产生相当的差异，这可由图6的电流-电压曲线(I-V curve)实验量测图得知该二极管薄膜在经过电气应力或热退火工艺后的顺向电流610及逆向电流620大于其未受该电气应力或热退火工艺前的顺向电流630及逆向电流640，且该电流-电压曲线具有二极管的元件电气特性。另请再次参照图2及图3并请注意，第二导电区域132/133/134及其内部的电流通道161/162/163的形成由制作程序中的电气应力或热退火所造成，该第二导电区域 132/133/134及其内部的电流通道161/162/163的形成并没有特定且固定的数量、形状、或位置，视制作当时的实际情况而定，但实质上都能借此实现二极管元件的电气特性。另外， 通过导电式原子力显微镜(ConductiveAFM)量测二极管薄膜的表面导电性，有助于探知该第二导电区域132/133/134及其内部的电流通道161/162/163的形成状况；图7为根据本发明第二实施例所制作的二极管元件样本的表面导电性量测图，其中电流密度较高(或色度较浅)的区域可视为是第二导电区域，且也呈现不规则的分布样态。但以上所述者，包含特征、结构、及其它类似的效果，仅为本发明之较佳实施例， 当不能以的限制本发明的范围。此外，上述各实施例所展示的特征、结构、及其它类似的效果，也可为本领域技术人员在依本发明权利要求范围进行均等变化及修饰，仍将不失本发明的要义所在，也不脱离本发明的精神和范围，故都应视为本发明的进一步实施状况。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种二极管元件，其特征在于，包括一二极管薄膜，其具有一第一表面及一第二表面，且包括一第一导电区域，提供电流密度均勻的电流传导，且该第一导电区域的成份包含一第一氧化物；及一第二导电区域，其包含多个电流通道，提供电流密度不均勻的电流传导，且该电流通道的成份包含一第二氧化物；其中，该第一氧化物不同于该第二氧化物；当一电流传导于该第一表面与该第二表面之间时，该第二导电区域所流过的直流电流密度大于该第一导电区域的10倍以上；一第一电极，其形成于该第一表面上；及一第二电极，其形成于该第二表面上。
2.根据权利要求1所述的二极管元件，其特征在于，该第一及第二氧化物具有相同的化学组成元素，但不同的氧含量原子百分比。
3.根据权利要求1所述的二极管元件，其特征在于，更包括一氧化物薄膜，其形成于该第二表面与该第二电极之间。
4.根据权利要求1所述的二极管元件，其特征在于，该二极管薄膜的厚度介于Inm至 Iym之间。
5.根据权利要求1所述的二极管元件，其特征在于，该第一及第二氧化物至少包含下列氧化物的其中一种氧化钛、氧化钽、氧化物、氧化铌、氧化钨、氧化锌、氧化镉、氧化铪、氧化锆、氧化镍、氧化铜、氧化锌铟及其类似物；其中χ及y代表原子百分比。
6.根据权利要求1所述的二极管元件，其特征在于，该第一及第二电极的成份至少包含下列导体材料的其中一种钼、金、银、铅、钌、铱、氧化钌、氧化铱、钇、镍、铜、钛、钽、锌、 锆、铪、钨、铬、氧化铟锡、氧化铟锌、氧化铝锡、及氧化铝锌。
7.一种二极管元件的制作方法，其特征在于，包括提供一二极管结构，其包括一二极管薄膜，其由一第一氧化物所组成且具有一第一表面及一第二表面；一第一电极形成于该第一表面上；及一第二电极形成于该第二表面上； 及通过该第一与第二电极，施加一电气应力于该二极管薄膜，以形成多个电流通道于该二极管薄膜中；其中，该电流通道的成份包含一第二氧化物，且该第二氧化物不同于该第一氧化物。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，该第一及第二氧化物具有相同的化学组成元素，但不同的氧含量原子百分比。
9.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，该施加电气应力的方式选自直流定偏电压、直流电压扫描、直流定偏电流、直流电流扫描、及交流电压脉冲。
10.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，该直流定偏电压介于0.5V至50V之间，且施加的时间小于10秒。
11.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，受该电气应力的该二极管薄膜的顺向及逆向电流大于其未受该电气应力前的顺向及逆向电流。
12.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，该二极管薄膜厚度介于Inm至1μ m 之间。
13.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，该第一及第二氧化物至少包含下列氧化物的其中一种氧化钛、氧化钽、氧化物、氧化铌、氧化钨、氧化锌、氧化镉、氧化铪、氧化锆、氧化镍、氧化铜、氧化锌铟、及其类似物；其中χ及y代表原子百分比。
14.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，该第一及第二电极的成份至少包含下列导体材料的其中一种钼、金、银、铅、钌、铱、氧化钌、氧化铱、钇、镍、铜、钛、钽、锌、锆、 铪、钨、铬、氧化铟锡、氧化铟锌、氧化铝锡、及氧化铝锌。
15.一种制作二极管元件的方法，其特征在于，包括提供一二极管薄膜，其为一第一氧化物形成于一第一电极上；施加一热退火工艺于该二极管薄膜，以形成多个电流通道于该二极管薄膜中；及形成一第二电极于该二极管薄膜上；其中，该电流通道的成份包含一第二氧化物，且该第二氧化物不同于该第一氧化物。
16.根据权利要求15所述的制作方法，其特征在于，该第一及第二氧化物具有相同的化学组成元素，但不同的氧含量原子百分比。
17.根据权利要求15所述的制作方法，其特征在于，该热退火工艺的温度低于800°C。
18.根据权利要求15所述的制作方法，其特征在于，受该热退火工艺的该二极管薄膜的顺向及逆向电流大于其未受该热退火工艺前的顺向及逆向电流。
19.根据权利要求15所述的制作方法，其特征在于，该二极管薄膜厚度介于Inm至 Iym之间。
20.根据权利要求15所述的制作方法，其特征在于，该第一及第二氧化物至少包含下列氧化物的其中一种氧化钛、氧化钽、氧化物、氧化铌、氧化钨、氧化锌、氧化镉、氧化铪、氧化锆、氧化镍、氧化铜、氧化锌铟及其类似物；其中χ及y代表原子百分比。
全文摘要
一种二极管元件及其制作方法，该二极管元件包括一二极管薄膜，其具有一第一表面及一第二表面，且包括一第一导电区域，提供电流密度均匀的电流传导，且该第一导电区域的成份包含一第一氧化物；及一第二导电区域，其包含多个电流通道，提供电流密度不均匀的电流传导，且该电流通道的成份包含一第二氧化物；其中，该第一氧化物不同于该第二氧化物；当一电流传导于该第一表面与该第二表面之间时，该第二导电区域所流过的直流电流密度大于该第一导电区域的10倍以上；一第一电极，其形成于该第一表面上；及一第二电极，其形成于该第二表面上。本发明可解决现有技术薄膜二极管电性特征受材料限制的缺陷，实现高性能的低温工艺的氧化物薄膜二极管。
文档编号H01L29/06GK102479824SQ201010610280
公开日2012年5月30日 申请日期2010年12月16日 优先权日2010年11月26日
发明者侯拓宏, 黄俊嘉 申请人:财团法人交大思源基金会