(57)【要約】  【解決手段】  アモルファス金属薄膜非線形抵抗器（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｍｅｔａｌ  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ  ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒ  ｒｅｓｉｓｔｏｒ：ＡＭＮＲ）を提供する。前記ＡＭＮＲは対称な非線形電流電圧（Ｉ−Ｖ）特性を有する電子素子であり、その例示的な構成は、下部アモルファス金属薄膜（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｍｅｔａｌ  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ：ＡＭＴＦ）相互接続体と、前記ＡＭＴＦ相互接続体の上に位置する薄膜絶縁体と、前記絶縁体の上に位置し、同一の物理的平面上に配置された２つの上部導電コンタクトとを含む、順番に堆積された３層を有することができる。  【選択図】      図１Ａ
2016502268.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対称な非線形電流電圧特性を有するアモルファス金属薄膜非線形抵抗器（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｍｅｔａｌ  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ  ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｒｅｓｉｓｔｏｒ：ＡＭＮＲ）であって、
アモルファス金属薄膜（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｍｅｔａｌ  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ：ＡＭＴＦ）相互接続体と、
前記相互接続体上に配置された絶縁体層と、
前記絶縁体層および相互接続体の選択された面上に配置された第１および第２の電気接点であって、各電気接点は、前記相互接続体の一部分と重なり合う少なくとも一部分をそれぞれ有し、前記第１の電気接点から前記絶縁体層および前記相互接続体を通って前記第２の電気接点まで電気通信を提供するものである、前記第１および第２の電気接点と
を有し、
前記第１および第２の電気接点間に印加された電圧は、印加された電圧に対して非線形かつその極性に対して対称に変化する電流を生じさせるものである、
アモルファス金属薄膜非線形抵抗器。
【請求項２】
請求項１記載のアモルファス金属薄膜非線形抵抗器において、前記アモルファス金属薄膜相互接続体は、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、銅、ニッケル、タンタル、タングステン、ホウ素、またはケイ素のうちの少なくとも２つの元素を含有するものであるアモルファス金属薄膜非線形抵抗器。
【請求項３】
請求項１〜２のいずれか一項に記載のアモルファス金属薄膜非線形抵抗器において、前記アモルファス金属薄膜相互接続体は、当該相互接続体の原子組成の５％未満を構成するレベルの酸素、窒素、および炭素を含むものであるアモルファス金属薄膜非線形抵抗器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のアモルファス金属薄膜非線形抵抗器において、前記絶縁体は、酸素、およびアルミニウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、またはケイ素のうちの１つの元素を含有する酸化物質を含むものであるアモルファス金属薄膜非線形抵抗器。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のアモルファス金属薄膜非線形抵抗器において、前記電気接点は、アルミニウム、クロム、モリブデン、チタン、銅、およびニッケルといった金属元素、インジウムスズ酸化物、ならびにこれらの組み合わせからなる導電性材料を含むものであるアモルファス金属薄膜非線形抵抗器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のアモルファス金属薄膜非線形抵抗器において、前記アモルファス金属薄膜相互接続体は、約２ｎｍ未満の二乗平均表面粗さを有するものであるアモルファス金属薄膜非線形抵抗器。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のアモルファス金属薄膜非線形抵抗器において、前記アモルファス金属薄膜相互接続体は、１２５μΩｃｍよりも大きく４００μΩｃｍよりも小さい抵抗率を有するものであるアモルファス金属薄膜非線形抵抗器。
【請求項８】
アモルファス金属薄膜非線形抵抗器を製造する方法であって、
基板上にアモルファス金属薄膜相互接続体を堆積する工程と、
前記相互接続体上に絶縁体層を堆積する工程と、
前記絶縁体層および相互接続体の選択された面上に第１および第２の電気接点を形成する工程であって、各電気接点は、前記相互接続体の一部分と重なり合う少なくとも一部分をそれぞれ有し、前記第１の電気接点から前記絶縁体層および前記相互接続体を通って前記第２の接点まで電気通信を提供するものである、前記第１および第２の電気接点を形成する工程と、
を有し、
前記第１および第２の電気接点間に印加された電圧は、印加された電圧に対して非線形かつその極性に対して対称に変化する電流を生じさせるものである、
方法。
【請求項９】
請求項８記載の方法において、前記アモルファス金属薄膜相互接続体層を堆積する工程は、直流マグネトロンスパッタリングおよび高周波マグネトロンスパッタリングのうちの１若しくはそれ以上を有するものである方法。
【請求項１０】
請求項８〜９のいずれか一項に記載の方法において、前記絶縁体層を堆積する工程は、原子層堆積、プラズマ促進化学蒸着、高周波マグネトロンスパッタリング、水溶液堆積、およびミスト堆積のうちの１若しくはそれ以上を有するものである方法。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれか一項に記載の方法において、前記第１および第２の電気接点を形成する工程は、加熱蒸着、直流マグネトロンスパッタリング、高周波マグネトロンスパッタリング、および電子ビーム蒸着のうちの１若しくはそれ以上を有するものである方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全米科学財団（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）により授与された第ＣＨＥ−１１０２６３７号の下に政府支援を得てなされたものである。本発明について、政府は一定の権利を有する。
【０００２】
本発明は、対称な非線形電流電圧（Ｉ−Ｖ）特性を有する電子素子であり、その例示的な構成は、下層のアモルファス金属薄膜（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｍｅｔａｌ  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ：ＡＭＴＦ）相互接続体（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ）と、前記ＡＭＴＦ相互接続体の上に位置する薄膜絶縁体と、前記絶縁体の上に位置し、同一の物理的平面上に配置された２つの上層の導電コンタクトとを含む、順番に堆積された３層を有することができる、アモルファス金属薄膜非線形抵抗器（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｍｅｔａｌ  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ  ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｒｅｓｉｓｔｏｒ：ＡＭＮＲ）に関する。
【背景技術】
【０００３】
抵抗器は、一般的に印加された電圧の極性に対して対称な電流電圧（Ｉ−Ｖ）特性を有する電子素子である。しかしながら、既存の薄膜非線形抵抗器は、前記印加電圧の極性に対するＩ−Ｖ対称性を欠くという問題を抱えている。この対称性の欠如により、このような非線形抵抗器の、例えば、液晶ディスプレイまたは有機発光ダイオードディスプレイのバックプレーンおよび電磁センサアレイに使用される信号制御を含む各種様々な用途での使用が著しく制限される。従って、印加電圧の極性に対してＩ−Ｖ対称性を呈する薄膜非線形抵抗器を提供することは、当該技術分野において重要な進歩となるであろう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、その一観点において、対称な非線形電流電圧特性を有するアモルファス金属薄膜非線形抵抗器（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｍｅｔａｌ  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ  ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  ｒｅｓｉｓｔｏｒ：ＡＭＮＲ）を提供し、このアモルファス金属薄膜非線形抵抗器は、アモルファス金属相互接続体と、前記相互接続体上に配置された絶縁体層と、前記絶縁体層および相互接続体上に配置された第１および第２の電気接点であって、各電気接点は、前記相互接続体の一部分と重なり合う少なくとも一部分をそれぞれの有し、前記第１の電気接点から前記絶縁体層および前記相互接続体を通って前記第２の電気接点まで電気通信を提供するものである、前記第１および第２の電気接点と、を有する。前記ＡＭＮＲは、前記第１および第２の電気接点間に印加された電圧が、前記印加された電圧に対して非線形かつその極性に対して対称に変化する電流を生じさせるように構成することができる。前記アモルファス金属薄膜（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｍｅｔａｌ  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ：ＡＭＴＦ）相互接続体は、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、銅、ニッケル、タンタル、タングステン、ホウ素、またはケイ素のうちの少なくとも２つの元素を含有することができ、前記ＡＭＴＦ相互接続体の原子組成の５％未満を構成するレベルの酸素、窒素、および炭素を有することができる。前記絶縁体は、酸素、およびアルミニウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、またはケイ素のうちの１つの元素を含有する酸化物質を含むことができ、一方、前記接点は、アルミニウム、クロム、モリブデン、チタン、銅、およびニッケルといった金属元素、インジウムスズ酸化物ならびにこれらの組み合わせからなる導電性材料を含むことができる。好ましくは、前記ＡＴＭＦ相互接続体は約２ｎｍ未満の二乗平均表面粗さを有することができ、１２５μΩｃｍよりも大きく４００μΩｃｍよりも小さい抵抗率を有することができる。
【０００５】
本発明は、追加の観点において、アモルファス金属薄膜非線形抵抗器を製造する方法を提供し、この方法は、基板上にＡＴＭＦ相互接続体を堆積する工程と、前記相互接続体上に絶縁体層を堆積する工程と、前記絶縁体層および相互接続体上に第１および第２の電気接点を形成する工程であって、各電気接点は、前記相互接続体の一部分と重なり合う少なくとも一部分をそれぞれ有し、前記第１の電気接点から前記絶縁体層および前記相互接続体を通って前記第２の接点まで電気通信を提供するものである、前記第１および第２の電気接点を形成する工程と、を有する。前記ＡＭＴＦ相互接続層を堆積する前記工程は直流マグネトロンスパッタリングおよび高周波マグネトロンスパッタリングのうちの１若しくはそれ以上を含むことができ、前記絶縁体層を堆積する工程は原子層堆積、プラズマ促進化学蒸着、高周波マグネトロンスパッタリング、水溶液堆積、およびミスト堆積のうちの１若しくはそれ以上を含むことができる。前記第１および第２の電気接点を形成する工程は、加熱蒸着、直流マグネトロンスパッタリング、高周波マグネトロンスパッタリング、および電子ビーム蒸着のうちの１若しくはそれ以上を含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
本発明の前述の概要および以下の好適な実施形態の詳細な説明は、添付の図面と併せて読むと、最も良く理解できるであろう。
【図１Ａ】図１Ａおよび１Ｂは、それぞれ、本発明に係るアモルファス金属薄膜非線形抵抗器（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｍｅｔａｌ  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ  ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒ  ｒｅｓｉｓｔｏｒ：ＡＭＮＲ）の例示的な構成を概略的に図示した、上面図およびＢ−Ｂに沿って切り取った断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａおよび１Ｂは、それぞれ、本発明に係るアモルファス金属薄膜非線形抵抗器（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｍｅｔａｌ  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ  ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒ  ｒｅｓｉｓｔｏｒ：ＡＭＮＲ）の例示的な構成を概略的に図示した、上面図およびＢ−Ｂに沿って切り取った断面図である。
【図２Ａ】図２Ａおよび２Ｂは、それぞれ、ＡＭＮＲの中を第１の接点から第２の接点まで移動する電子の伝導路、および両接点間を移動する伝導電子が受ける抵抗の変化の概略図である。
【図２Ｂ】図２Ａおよび２Ｂは、それぞれ、ＡＭＮＲの中を第１の接点から第２の接点まで移動する電子の伝導路、および両接点間を移動する伝導電子が受ける抵抗の変化の概略図である。
【図３Ａ】図３Ａは、結晶アルミニウム薄膜およびアモルファス金属薄膜の表面粗さの原子間力顕微鏡のデータの図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、表面粗さが結晶薄膜およびアモルファス薄膜の絶縁体の厚さおよび界面特性に対して有する効果を示す概略図である。
【図４Ａ】図４Ａは、アモルファス金属薄膜（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｍｅｔａｌ  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ：ＡＭＴＦ）下部電極、Ａｌ２Ｏ３絶縁体、およびアルミニウム上部電極で製造された金属−絶縁体−金属（ｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｍｅｔａｌ：ＭＩＭ）ダイオードの電流電圧特性の図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａに示すＭＩＭダイオードと同時に製造された、ＡＭＴＦ相互接続体と、Ａｌ２Ｏ３絶縁体と、アルミニウム上部接点とを有するＡＭＮＲの電流電圧特性の図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明は、その一態様おいて、内部を流れる電子電流の大きさが、２つの接点間に印加される電位差の増加と共に非線形的に（例えば指数関数的に）増加する電子素子である、アモルファス金属薄膜非線形抵抗器（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｍｅｔａｌ  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ  ｎｏｎ−ｌｉｎｅａｒ  ｒｅｓｉｓｔｏｒ：ＡＭＮＲ）を提供する。電流の大きさの特徴的な増加は、正および負の印加電位差（即ち、極性対称な電流電圧特性）の双方について類似している。このように、本発明のＡＭＮＲは、液晶ディスプレイ若しくは有機発光ダイオードディスプレイのバックプレーン、電磁センサアレイ、または過電圧回路保護方式などの信号制御に非線形抵抗素子がふさわしい広範な電子応用分野に有用性を見出すことができる。
【０００８】
図１Ａおよび１Ｂを参照すると、それぞれ上面図および側面断面図に示された、３層の薄膜層を有する例示的なＡＭＮＲ１００が図示されている。直流（ｄｉｒｅｃｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ：ＤＣ）マグネトロンスパッタリング、高周波（ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：ＲＦ）マグネトロンスパッタリング、またはその他の好適な加工処理によって基板４０上に堆積されるパターン層として、アモルファス金属薄膜（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｍｅｔａｌ  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ：ＡＭＴＦ）相互接続体１０を提供することができる。何ら特定の理論に制約されることを意図するものではないが、前記ＡＭＴＦ相互接続体１０の表面は非常に滑らかで、二乗平均（ｒｏｏｔ  ｍｅａｎ  ｓｑｕａｒｅ：ＲＭＳ）表面粗さが２ｎｍ未満であることが重要であると考えられる。前記ＡＴＭＦ相互接続体１０は導電性であり、例えば、１２５μΩｃｍよりも大きく４００μΩｃｍよりも小さい抵抗率および１ミクロン未満の厚さを有することができる。前記ＡＭＴＦ相互接続体１０の組成は、例えば、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、銅、ニッケル、タンタル、またはタングステンの金属元素群から選択された少なくとも２種類の金属成分を含有することができる。前記ＡＭＴＦ相互接続体１０はまた、ホウ素またはケイ素を含有することもできる。
【０００９】
例えば、原子層堆積（ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ）、プラズマ促進化学蒸着（ｐｌａｓｍａ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＥＣＶＤ）、ＲＦマグネトロンスパッタリング、水溶液堆積、またはその他の好適な加工処理によって、前記ＡＭＴＦ相互接続体１０上に２００ｎｍ未満の厚さの絶縁体２０を堆積することができる。前記絶縁体２０は、アルミニウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、チタン、ケイ素、またはホウ素などの金属成分または非金属成分を有する金属酸化物を含むことができる。
【００１０】
前記ＡＭＮＲ１００の上層は、図１Ａに示すように、２つの導電性薄膜接点３０および３２を有することができ、両者間には電流Ｉが流れる。上部接点３０および３２は、例えば、ＤＣもしくはＲＦマグネトロンスパッタリング、加熱蒸着、電子ビーム堆積、またはその他の好適な加工処理によって堆積することができ、前記上部接点３０および３２の組成は、金属アルミニウム、クロム、モリブデン、ニッケル、銅、チタン、またはインジウムスズ酸化物からなる導電性金属酸化物であってもよい。
【００１１】
前記接点３０および３２は、より下方のＡＭＴＦ相互接続体１０と交差し、図１Ａに示す破線によって制限された領域であるＡＭＮＲの活性領域ＡＡの大きさを制御するように構成することができる。前記ＡＭＴＦ相互接続体１０と、前記ＡＭＮＲの上部接点３０および３２の大きさとの組み合わせにより、前記ＡＭＮＲの活性領域ＡＡの大きさが決定される。具体的には、前記ＡＭＮＲ１００の前記活性領域ＡＡは、前記上部接点３０および３２が前記アモルファス金属相互接続体１０と重なり合う領域ならびに前記接点３０と３２との間の相互接続領域として定義することができる。何ら特定の理論に制約されることを意図するものではないが、前記ＡＭＮＲの活性領域の大きさは前記ＡＭＮＲ１００の電流電圧（Ｉ−Ｖ）特性に直接関連すると考えられ、前記上部接点３０および３２が前記アモルファス金属相互接続体１０と重なり合う界面が前記Ｉ−Ｖ特性に最も大きな影響を与えると考えられる。例えば、前記ＡＭＮＲの活性領域ＡＡを増加または減少させることにより、前記接点３０と３２との間に同一の電圧差を印加したとき前記上部接点３０と３２との間に実現される達成可能な電流の大きさをそれぞれ増加または減少させることができる。ＡＭＮＲの活性領域ＡＡの加減によってＡＭＮＲの電流電圧特性の加減が可能となり、これにより前記アモルファス金属相互接続体および上部接点のパターン化によって様々な種類のＡＭＮＲを同時に製造する機能が生じる。
【００１２】
前記ＡＭＮＲの活性領域ＡＡの大きさは、電子応用分野によって要求される最大電流の大きさに合わせて設計することができる。１．２５ｘ１０−９ｍ２の活性領域を有するＡＭＮＲによって５ｘ１０−６Ａ近い電流を容易に達成することができる。電流の大きさは、ＡＭＮＲの活性領域に線形比例する。したがって、１ｘ１０−３Ａの電流の大きさは、約１．２５ｘ１０−６ｍ２のＡＭＮＲの活性領域を必要とするかもしれない。前記ＡＭＮＲの活性領域の制御によって、１ｘ１０−９Ａ〜１ｘ１０−３Ａの大きさの最大電流を実現することができる。
【００１３】
前記ＡＭＮＲアモルファス金属薄膜相互接続体１０ならびに／または上部接点３０および３２のパターン化は、フォトリソグラフィーによるパターン化若しくは選択的堆積のいずれか、またはその他の好適な加工処理によって達成することができる。フォトリソグラフィーによるパターン化では、フォトレジストを使用しながらフォトレジストが存在しない領域内でフィルム材料を物理的に除去することにより、材料の前記ブランケットフィルム（即ち、アモルファス金属の薄膜）内にパターンが転写される。選択的堆積では、シャドウマスクを使用することによりパターン化された薄膜材料の堆積を可能とすることによってパターン化された薄膜が形成される。上部接点と下部アモルファス金属相互接続体とが重なり合う面積は、１ｘ１０−１２ｍ２〜１ｘ１０−６ｍ２であることができる。前記ＡＭＴＦ相互接続体１０と前記上部接点３０および３２との間の前記絶縁体２０の厚さによってもまた、前記ＡＭＮＲ１００のＩ−Ｖ特性を制御することができる。前記ＡＭＴＦ相互接続体１０ならびに上部接点３０および３２を所望の形状を有するように形成する（例えば、パターン化する）ことができる一方、前記絶縁体２０はパターン化してもよく、しなくてもよい。
【００１４】
図２Ａは、前記ＡＭＮＲ１００の中を通る接点３０から接点３２までの電子の経路を示している。２つの前記接点３０と３２との間の電子の経路は、前記接点３０および３２と前記絶縁体２０との間に形成された２つの界面（界面ＡおよびＤ）ならびに前記絶縁体２０と前記ＡＭＴＦ相互接続体１０との間に形成されている２つの前記界面（界面ＢおよびＣ）と交差する。界面ＡおよびＤは前記絶縁体２０上に前記上部接点３０および３２を堆積するときに同時に形成することができるので、電子伝導に対して同一の抵抗を有する。同様に、界面ＢおよびＣは前記ＡＭＴＦ相互接続体１０上に前記絶縁体２０を堆積するときに同時に形成することができ、電子伝導に対して同一の抵抗を呈する。
【００１５】
図２Ｂは、前記上部接点３０と３２との間を移動する電子が受ける伝導に対する抵抗を概略的に図示しており、前記ＡＭＮＲ１００の極性対称性を図示している。前記金属抵抗（即ち、前記上部接点３０および３２ならびに前記ＡＭＴＦ相互接続体１０の抵抗）は、前記絶縁体２０の抵抗よりも低くすることができる。前記前記絶縁体２０の抵抗は、前記金属層の抵抗（即ち、接点３０および３２）に対して高くすることができ、前記ＡＭＮＲ１００の総抵抗に対して支配的とすることができる。前記界面Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤにおける抵抗は、前記金属層（即ち、接点３０および３２）の抵抗よりも高くてもよい。図２Ｂは、伝導電子が被る前記抵抗の変化が、接点３０から接点３２までの経路および接点３２から接点３０までの経路において同一であることを示している。したがって、接点３０が接点３２よりも高い印加電圧を有するにせよ、または接点３２が接点３０よりも高い印加電圧を有するにせよ、前記ＡＭＮＲ抵抗は同じである。いずれの電圧印加のシナリオにおいても抵抗は同一なので、ＡＭＮＲのＩ−Ｖ特性は対称となる。前記界面Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤの抵抗は前記絶縁体２０の抵抗よりも高く示されているが、前記薄膜の堆積に使用される製造技術および使用される前記材料次第では低くなることもある点に注目すべきである。
【００１６】
図２Ｂによって説明されている方法でＩ−Ｖ対称性を達成するためには、前記ＡＭＴＦ相互接続体１０は非常に滑らかな表面を有するべきである。図２Ｂに示したように、ＡＭＮＲ内で伝導電子が受ける最大の抵抗は、前記上部接点３０および３２と前記ＡＭＴＦ相互接続体１０との間（即ち、前記界面Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤと前記絶縁体２０との間）に存在する。前記上部接点３０および３２ならびに前記ＡＭＴＦ相互接続体１０の抵抗は、著しく低い。したがって、前記ＡＭＮＲ１００のＩ−Ｖ特性は、前記界面Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤならびに前記絶縁体２０を含む、前記接点３０および３２と前記ＡＭＴＦ相互接続体１０との間の電子伝導によって左右される。表面粗さによって前記ＡＭＮＲの活性領域ＡＡ全域に亘って界面特性および絶縁体２０の均一性が劣化し、素子の非対称性が高まる。図３Ａは、結晶性金属およびＡＭＴＦの表面モフォロジーデータを示している。前記データは、原子間力顕微鏡法（ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＦＭ）を使用して同一領域上で測定されており、同一縮尺の座標軸で表示されている。前記ＡＭＴＦ表面は、二乗平均５ｎｍの前記結晶性金属表面よりも著しく滑らかな二乗平均０．２ｎｍである。
【００１７】
図３Ｂは、ＡＭＮＲのＩ−Ｖ特性に関して、非常に滑らかなＡＭＴＦ表面モフォロジーを有する相互接続体の、粗い結晶性金属相互接続体に対する優位性を概略的に図示している。Ｉ−Ｖ対称性を生じさせるためには、前記相互接続体１０と前記絶縁体２０との間の界面は、前記ＡＭＮＲの活性領域ＡＡに亘って均質であるべきである。表面粗さは、図３Ａに示すように、粗い薄膜の高い地点（例えば、ｂ点）上に堆積された絶縁体の厚さが前記堆積された絶縁体の低い地点（例えば、ｃ点）での厚さと異なるといったように、前記絶縁体の堆積に影響することがある。滑らかな薄膜上での堆積では、ｂ点およびｃ点が図３Ｂに示す堆積された絶縁体の厚さのような同一の界面特性を有するように、均質な界面が生じる。
【００１８】
表面粗さが絶縁体の厚さに対して有する影響はまた、粗い相互接続体で製造されたＡＭＮＲにおける対称性の劣化にも寄与する。ＡＭＮＲ１００の絶縁体２０の中を通る電子伝導のメカニズムは、前記絶縁体２０の全域に印加される電界に相関する。絶縁体２０の全域に印加される電界Ｅは、前記絶縁体の両端の電圧Ｖを前記絶縁体の厚さｓで除した値に等しい。図３Ｂに図示したように、粗い薄膜上に堆積された絶縁体２０の厚さがばらつく（即ち、ｓ１≠ｓ２）一方で、非常に滑らかな絶縁体２０上に堆積された絶縁体２０の厚さは均一（即ちｓ１＝ｓ２）である。粗い相互接続体で製造されたＡＭＮＲでは伝導電子は不均質な電界を受ける一方で、非常に滑らかなＡＭＴＦ相互接続体で製造されたＡＭＮＲでは伝導電子は均質な電界を受ける。したがって、ＡＭＴＦ相互接続体の非常に滑らかな表面は、ＡＭＮＲのＩ−Ｖ対称性を可能とすることができる。
【００１９】
前記ＡＭＮＲ１００の絶縁体２０の中を通る電子伝導は、前記素子のＩ−Ｖ特性を左右しかねない。したがって、絶縁体の材料の選択が、前記ＡＭＮＲ１００の電流伝導のメカニズムを決定する。前記ＡＭＮＲ１００のＩ−Ｖ特性は、前記アモルファス金属相互接続体１０、前記上部接点３０および３２、ならびに／または前記絶縁体２０の材料組成を変えることによって調節することができる。前記アモルファス金属相互接続体１０の組成が、前記アモルファス金属１０と絶縁体２０との界面における界面電気特性の決定に与る。同様に、前記上部接点の材料の組成が、前記絶縁体２０と接点３０および３２との界面の電気特性に影響を及ぼす。前記絶縁体２０の組成が、前記絶縁体２０自体の界面ならびに電気特性の双方に影響する。
【００２０】
前記ＡＭＮＲ１００のＩ−Ｖ特性は、印加電圧Ｖと結果として得られる電流Ｉとの間の指数関係として数学的に記述することができる。前記指数関数的なＩ−Ｖ特性には、下記の２つの指数形態がある。
【００２１】
【数１】
2016502268.tif 000003
および
【数２】
2016502268.tif 000004
【００２２】
ここで、Ｃ１は前記電子の有効質量、前記注入界面における障壁の高さ、および前記絶縁体の厚さに関連する定数であり、Ｃ２は前記絶縁体の誘電率の逆数の平方根、誘電体の厚さ、およびエネルギーギャップ内の電子トラップの深さに関連する定数である。前記ＡＭＮＲ材料の選択および製造技術を通じて、前記ＡＭＮＲのＩ−Ｖ特性を等式１、等式２、または等式１および等式２の組み合わせに近づけるように設計することができる。ＡＭＴＦの相互接続体／絶縁体間および絶縁体／上部接点間のきれいな界面ならびに絶縁体の均一な厚さを形成する非常に滑らかなＡＭＴＦ面によって、ＡＭＮＲのＩ−Ｖ特性の制御が可能となる。  
【実施例１】
【００２３】
ＡＭＴＦ下部電極で製造された金属−絶縁体−金属（ｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｍｅｔａｌ：ＭＩＭ）ダイオードと前記ＡＭＮＲ１００とのＩ−Ｖ特性の比較により、両素子間の対称性の違いが例証される。図４Ａは、ＴｉＡｌのＡＭＴＦ下部電極と、Ａｌ２Ｏ３の絶縁体と、アルミニウムの上部電極とを有するＭＩＭダイオードのＩ−Ｖ特性を示している。１μＡの電流の大きさを得たときの電圧の大きさは、負極性において５．１Ｖであり、正極性において６．３Ｖであった。
【００２４】
図４Ｂは、図４Ａに示すＭＩＭダイオードと同時に製造されたＡＭＮＲのＩ−Ｖ特性を示している。前記ＡＭＮＲ１００は、ＴｉＡｌのＡＭＴＦ相互接続体１０と、Ａｌ２Ｏ３の絶縁体２０と、アルミニウムの上部接点３０および３２とを有していた。１μＡの電流の大きさを得たときの電圧の大きさは、負極性において１１．８であり、正極性において１１．６であった。したがって、前記ＡＭＮＲ１００が対称なＩ−Ｖ特性を有し、新しい種類の薄膜電子素子を提示することが示された。絶縁体層の厚さは、両素子とも１０ｎｍであった。接点と相互接続体とが重なり合った面積は、両素子とも１ｘ１０−８ｍ２であった。前記ＡＭＮＲはこれらの領域を２箇所有していたので、前記電流を決定する総面積は２ｘ１０−８ｍ２であったことに留意されたい。例示的な両素子は、１）２００ｎｍ厚のＴｉＡｌの下部電極（ＭＩＭ）および２００ｎｍ厚の下部相互接続体（ＡＭＮＲ）のＤＣマグネトロンスパッタリングおよびシャドウマスクを用いたスパッタリング、２）前記Ａｌ２Ｏ３の絶縁体の原子層堆積（ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ）、ならびに３）前記５００ｎｍ厚のＡｌの上部電極（ＭＩＭ）および５００ｎｍ厚の上部接点（ＡＭＮＲ）の加熱蒸着およびシャドウマスクを用いたパターン化によって、同一の基板上で同時に加工処理された。前記ＴｉＡｌ層のＤＣマグネトロンスパッタリングは、Ａｌ対Ｔｉ比が３対１で、３インチの半径、および０．２５インチの厚さを有する円形のＴｉＡｌ標的に６０Ｗの電力を使用し、２０ｓｃｃｍの流量および３ｍＴｏｒｒの気圧のＡｒプラズマガスを使用して実行された。前記ＡＬＤ堆積では、トリメチルアルミニウムおよび温度３００℃の純水の交互パルスを用いた。前記上部接点の加熱蒸着では、固体のＡｌクリップ源（ｃｌｉｐ  ｓｏｕｒｃｅ）を使用し、３０ｍＴｏｒｒの減圧下で行った。
【００２５】
前述の明細書から、当業者には、これらおよびその他の本発明の利点が明らかとなるであろう。したがって、当業者であれば、本発明の広範な発明概念から逸脱することなく、上述の実施形態に変更または修正を加えることができることを認識するであろう。したがって、本発明は、本明細書内で述べた特定の実施形態に限定されるものではなく、請求項に明記した本発明の範囲および趣旨を逸脱しないすべての変更および修正を含むことが意図されることを理解すべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【国際調査報告】
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