CN100414624C - 用于数据存储应用的改进的电子发射器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

用于超高密度存储系统中的场发射器件。发射器件包括发射电极，提取电极，利用肖特基金属-半导体结或势垒的场控制固态发射器。势垒形成在发射电极上，和该提取电极电气相连，在发射电极和提取电极之间施加电位时，从半导体层的暴露表面产生电子场发射。肖特基金属从铂、金、银的层或者导电的半导体层中选择，这些层在势垒处能够提供大的电子池。置于肖特基金属上的半导体层是具有非常弱的导电性的n型，具有宽带隙，在施加电子发射所需的电场时产生有助于感生负的电子亲和性的状态。一种类型的宽带隙材料从二氧化钛或氮化钛或者其它相当的材料中选择。

Description

用于数据存储应用的改进的电子发射器件及其制造方法
技术领域
本发明一般涉及一种利用场发射电子发射器技术的超高密度存储器件，更具体地说，本发明涉及一种改进的场发射发射器，其利用肖特基金属-半导体势垒提供用于存储器件内的固态发射。
背景技术
这些年来，从首先使用磁带到使用硬磁盘驱动器和现在的光盘驱动器以及改进的快速存储器例如S-RAM和D-RAM，许多存储系统取得了惊人的进展。一种最近的发展在超高密度存储器件内利用场发射电子发射器。场发射发射器一般制成具有尖端的几何形状，其从该尖端的端部的锐点发射电子束。利用电子束读写位于场发射器附近的存储介质。一个场发射器阵列可以和存储介质内的一个存储区域的阵列匹配，或者可以使一个较小的场发射器阵列相对于存储介质移动，以便在存储介质的存储位置上进行存取。
利用场发射器技术的超高密度存储器件的例子在美国专利5557596中披露了。每个场发射器一般产生投射到一个存储区域上的电子束，从而产生一个信号电流或电压。每个存储区域可以处于几个不同的状态中的一个状态，最一般的是由高位或者低位表示的或者是1或者是0的二进制状态。由投射到存储区域上的束电流产生的信号电流的幅值取决于存储区域的状态。因而，通过测量信号电流的幅值便可以读出在存储区域内存储的信息。
也可以利用电子束在存储区域内写入信息。可以增加每个电子束的功率，以便改变电子束投射到的存储区域的状态。通过改变存储区域的状态，根据电子束的强度，便可以在存储区域内存储或擦除一个信息位。
信息存储、恢复、和存取的速度和精度极大地依赖于场发射器的效率。此外，用于生产和制造场尖端发射器所需的制造步骤是极其复杂的。另外，因为存储介质是和用于从中读写信息的场发射器分开的，需要把这些元件置于高真空度下的保护壳体内，真空度一般为10-7托或更低，以便保护发射器尖端和存储阵列的精密的表面不受环境的影响。高真空度是昂贵的，并且难于实现。
在场发射发射器技术领域中需要一种具有比现有技术较高的效率的场发射电子发射器，其可以更一贯地用比现有技术较低的费用制造，并且更不易受环境的影响，而且不需要现有技术所需的高真空环境。
发明内容
根据本发明，提供了一种电子发射器件，包括：发射电极；提取电极；通过提取电极一部分以暴露发射电极一部分的孔；以及场控制的固态发射器，其具有肖特基金属-半导体结，该肖特基金属-半导体结被制造在该发射电极上并和该提取电极电气相连，使得在发射电极和提取电极之间设置的电位引起从肖特基金属-半导体结的半导体层的暴露的表面产生电子的场发射；以及和该场控制的固态发射器电气相连的聚集电极。
按照本发明所披露的一种场发射器件，特别是，该场发射器件可以用于超高密度存储系统中。该发射器件包括发射电极，提取电极以及利用肖特基金属-半导体结或势垒的场控制的固态发射器。该肖特基金属-半导体势垒被形成在该发射电极上，并和该提取电极电气相连，使得当在发射电极和提取电极之间施加一个电位时，从半导体层的暴露的表面产生电子的场发射。此外，肖特基金属可以从一般的导电层例如铂、金、银的层或者导电的半导体层中选择，这些层在势垒处能够提供大的电子池。置于该肖特基金属上的半导体层是具有非常弱的导电性的n型层，并具有宽带隙，以便在施加提供电子发射所需的电场时产生有助于形成感生的负的电子亲和性的状态。一种类型的宽带隙材料可以从二氧化钛或氮化钛或者其它相当的材料中选择。
场发射器件还包括聚集电极，其和该场控制固态发射器电气相连，并和该提取电极联合操作，用于把发射的电子束在存储介质表面上聚集成范围为10-50纳米的小点。介电绝缘层被置于提取电极和发射电极之间以及提取电极和聚集电极之间。使用肖特基金属-半导体势垒能够增加平面发射器结构在场发射器件中操作的能力，并且能够优化基于尖端的发射器的操作能力。
根据本发明，还提供了一种用于制造电子发射器件的方法，包括：形成发射电极层；形成提取电极层；通过提取电极层的一部分形成孔，以便暴露该发射电极层的一部分；通过该孔在发射电极层上形成肖特基金属-半导体结的肖特基金属层并使该肖特基金属层与提取电极电气相连，使得在发射电极和提取电极之间设置的电位引起从肖特基金属-半导体结的半导体层的暴露的表面产生电子的场发射；通过该孔在该肖特基金属层上形成导电的半导体层，借以形成场控制的固态发射器；以及将聚集电极电气连接到该场控制的固态发射器上。
按照本发明所披露的一种用于制造上述的场发射器件的方法，第一步包括在衬底表面上形成发射电极层。然后，在该发射电极层上形成肖特基金属层。该发射电极层和肖特基金属层可以是一个并且相同的层。接着，在肖特基金属上方形成半导体层，从而形成场控制的固态发射器并提供肖特基金属-半导体结。接着，在导电的半导体层附近形成提取电极层。在另一个实施例中，通过在各个电极层和半导体层之间设置所需的介电层，在提取电极层附近形成聚集电极层。此外，在提取和聚集结构被形成之后，形成肖特基结的半导体层。
本发明的一个优选的实施例是要在超高密度存储装置内利用该场发射器件。这种存储装置包括存储介质和至少一个场发射器件。该存储介质一般包括存储区域，其可以处于多个状态中的一个状态，从而表示在该存储区域中存储的信息。该场发射器件提供用于读写在该存储区域存储的该信息的电子束流。该存储区域一般具有一个由存储阵列构成的大的阵列，其被致密地封装着，并由场发射器件的另一个阵列存取。在该实施例中，场发射器件可以按照阵列尺寸和存储介质的阵列匹配，而在其它实施例中，场发射器件可被置于一个较小的阵列内，并被相对于存储区域移动，以便执行读写功能。此外，可以使存储介质相对于电子束运动，或者使用电场或磁场或者使用电场和磁场操纵一个或多个电子束。
在操作时，电子跨过肖特基结从金属注入半导体的导带，然后进入真空，最后在介质表面上聚集。一般地说，该结的势垒高度范围为0.2eV-2.0eV。在合适的条件下，由于注入的使得操作所需的电场大大降低的电荷分布，在半导体中产生负的电子亲和性。
根据本发明，还提供了一种存储装置，包括：具有至少一个存储区域的存储介质，该存储区域处于多个状态中的一个状态，从而表示在该存储区域中存储的信息；至少一个电子发射器件，用于产生用来读写在该存储区域存储的信息的电子束流，该电子发射器件包括：发射电极；提取电极；通过提取电极层一部分以暴露发射电极层一部分的孔；场控制的固态发射器，其具有肖特基金属-半导体结，该肖特基金属-半导体结被制造在该发射电极上并和该提取电极电气相连，使得在发射电极和提取电极之间设置的电位引起从肖特基金属-半导体结的半导体层的暴露的表面产生电子的场发射；以及和该场控制的固态发射器电气相连的聚集电极。
附图说明
由下面结合附图进行的说明，本领域技术人员可以清楚地看出本发明的特征和优点，其中：
图1是场发射器件的衬底的截面图，其上涂覆有电极层；
图2是按照图1的场发射器件截面图，在电极层上沉积有金属层；
图3是按照图2的场发射器件的截面图，其中在金属层上方形成有绝缘半导体层，从而形成肖特基金属-半导体结；
图4是按照图3的场发射器件的截面图，其中按照本发明形成有附加的绝缘层和金属层；
图5是按照本发明的制成后的场发射器件的截面图，其中具有形成的开口，用于暴露半导体层的表面；以及
图6是按照本发明的锥形的尖端发射器的截面侧视图，其中使用肖特基金属-半导体势垒作为发射器源。
具体实施方式
在图1-6中示出了一种改进的场发射发射器结构，其一般用于超高密度存储装置内。发射器100利用固态机构增强和改善电子发射以便用于一些结构中，例如用于超高密度存储装置中，这种存储装置在以前的美国专利5557596中披露了，该专利在此引为参考；并用于基于场发射的显示系统中，例如在美国专利5587628中披露的那种显示系统，该专利在此引为参考。这种结构还基于2000年11月23日公开的专利WO 00/70638和法国专利FR 9906254说明和示出的结构。
该固态机构利用置于场发射电子发射器件的发射电极上的薄的金属层。接着，在金属层上设置一薄层宽带隙半导体材料，其形成肖特基金属-半导体结，用于增强电子束形成和发射。因为电子束的形成及其发射在被保护免受环境影响的界面上发生，该发射器结构对环境因素例如污染不太敏感。因此，在现有技术的发射器结构中，由于没有肖特基金属-半导体结而通常发现分子解吸附作用和吸附作用，这些作用导致的发射的电子束在时间和空间上的不稳定性被减到最小。此外，固态机构降低了发射电子所需的场，借以减少一直成为使用平面发射器几何结构的限制的驱动电压要求，并且还可以使得不需要现有技术中需要的本征低材料功函数材料。
该势垒还提供高的抗扰性，防止在和发射器尖端结构有关的强电场梯度下迁移的杂质。该电场梯度沿发射区域的方向被减小，借以减少材料的杂质的运动。此外，在平面发射器几何结构中的噪声也由于在一个比尖端几何结构中另外提供的发射区域更大的发射区域上平均的电流而减到最小。通过利用肖特基金属-半导体结和降低发射电子所需的电场，也使得这种平面发射器几何结构成为可能。保护势垒也减少了在最后的制造阶段期间对于高真空的需要，这是因为一直困扰着现有技术的杂质现在只有很小的影响。这进一步降低了制造成本，并改善了采用本发明的技术制造的器件的寿命。
每个场发射电子发射器结构还包括用于从场发射发射器的表面进行电子提取的附加电极。提取电极和聚集电极一般相互结合操作，从而提供用于首先提取电子束，然后使电子束聚集或者用于以其他方式控制发射的电子束所需的合适的电场。一般地说，平面发射器几何结构提供基本上准直的电子束，而尖端发射器几何结构提供发散的电子束。
改进的场发射发射器结构利用熟知的半导体制造技术制造，例如由本领域技术人员实施的那些技术。一般地说，例如，所述的方法和结构在硅衬底上实施，但是也可以容易地利用其它半导体材料代替，例如使用镓的砷化物或锗代替硅，或者该衬底可以是非导体的例如玻璃或者蓝宝石。现在结合图1-5说明一种制造方法，其中说明在场发射电子发射器的制造过程的各个阶段以及在完成阶段得到的结构。
图1表示发射器100的截面图，从衬底110开始，在衬底上按照本领域技术人员熟知的技术和工序用各种半导体材料层、金属材料层或氧化物层制造发射器。首先，在第一衬底110上用导电材料制造导电层112。衬底的顶面可以利用通常采用的方法例如化学-机械抛光(CMP)被平面化。导电层112一般由金属或者掺杂的多晶硅构成，作为在按照本发明的场发射电子发射器100中使用的发射电极的第一部分。导电层112在一些实施例中是可以选择的。
接着，如图2所示，利用本领域技术人员熟知的常规的金属沉积技术在导电层112的表面上沉积金属层114。金属层114可以由高导电率的抗腐蚀的金属构成(铂，钨，钼，钛，铜，金，银，钽等，以及它们的任何合金或其多层膜)，这些材料可以和半导体结合而形成肖特基金属-半导体势垒。导电层112的厚度范围为0.1-0.5微米，金属层114的厚度范围为10-300纳米(nm)，最好是20纳米。此外，导电层112和金属层114可被组合而由构成金属层114的材料制成，其厚度使得具有合适的导电性。
接着，如图3所示，在金属层114上沉积第二半导体层116。半导体层116一般由宽带隙半导体材料构成，例如二氧化钛(TiO2)。其它类型的宽带隙半导体材料也是合适的，其中包括碳化硅(SiC)，金刚石例如碳，SiO2，Al2O3，钽的五氧化物等。
金属-半导体边界提供固态的肖特基金属-半导体势垒。当施加电场时，电子被注入薄的半导体层116内的一个电场控制的低的或者负的电子亲和性区域。
发射器100利用金属层作为电子容器，并且包括覆盖该金属层的超薄的半导体材料层。该半导体材料被这样制造，使得其用于提供当对该结构施加电场时而引起的负的电子亲和性表面区域。例如半导体层116可以由下述材料构成：硅，铝，钛，钽，钨，铪，锆，钒，铌，钼，铬，钇，钪的氧化物、氮化物和氮氧化物，以及它们的组合物，但不限于此。来自金属层114的电子穿过该金属层表面附近的薄的半导体层116，并从半导体层116的顶部发射。
选择绝缘的半导体层116的厚度，使得在施加电场时实现负的电子亲和性状态。厚度的下边界由产生这种区域所需的最小厚度确定。半导体层116的厚度的上边界由使电子在半导体层116内迁移所需的电位确定。半导体层116越厚，则所需的电位越高。因而，半导体层116的厚度范围为2-8纳米，最好是5纳米。
在形成肖特基金属-半导体势垒之后，按照本发明进行如图4所示的附加的常规处理步骤。这些步骤包括在发射器100的表面上提供接近场发射发射器表面的电极。还形成介电层，用于提供和发射器表面以及在附加的电极层之间的隔离和绝缘。此外，在其它结构形成之后，形成肖特基金属-半导体势垒。
使用本领域技术人员熟知的常规制造技术，在发射器100的表面上生成另一个绝缘的介电层118。例如，介电层118可以由下述的材料构成，但不限于此，这些材料是硅，铝，钛，钽，钨，铪，锆，钒，铌，钼，钇，钪的氧化物、氮化物和氮氧化物，以及它们的组合物。介电层118可被这样形成，使得该绝缘层和导电层112是共形的。该介电层118的厚度范围为0.5-5微米。
接着，使用本领域技术人员熟知的常规处理技术在介电层118上沉积导电层120。该导电层120可以由金属(铝，钨，钼，钛，铜，金，银，钽等，以及它们的任何合金或其多层膜)、掺杂的多晶硅、石墨等，或者金属和非金属例如C的组合物膜构成。导电层120一般在发射器100中用作提取电极。
接着，在介电层122内涂覆介电材料构成的绝缘层。介电层122可以和介电层118相同，并且用相同的方式制造，或者用类似的物质制造，以便提供在导电层120和随后的导电层124之间的介电绝缘。
使用和用于形成金属层114以及导电层120的技术类似的熟知的制造技术，在介电层122的表面上制造导电层124。层124也可以利用和金属层114以及导电层120相同的金属制造，但是也可以利用本领域技术人员一般使用的不同的导电金属制造。此外，导电层124作为聚集电极，例如用于把在操作期间从发射器的表面发射的电子聚集到其附近的存储介质上。
进行最后的图案化和刻蚀，以便在半导体层116上开孔，以便暴露出发射器表面。这些技术是本领域技术人员熟知的，并用于形成通过导电层120和124的开孔，并用于以这种方式刻蚀后面的绝缘介电层118和122，使得当被用于它们的功能结构中时提供使电子通过的开孔。这些孔一般具有大约为0.1-10微米的直径。
介电层122的厚度一般大约是孔的直径的一半，其范围为0.05-5微米。金属层120一般具有大约0.05-0.3微米的厚度。同样，导电层124的厚度范围一般为0.05-0.3微米。此外，虽然已经说明，导电层120用作提取电极，并且导电层124用作聚集电极，但是它们的操作可以组合，使得一前一后地提取和聚集电子。
在另一个实施例中，直到导电层120和124以及相关的介电层118和122被沉积并且形成孔之后，才形成宽带隙半导体层116以及可能的金属层114。此时，通过这些孔在导电层112上直接沉积金属层114和半导体层116。
还可以设想，不是一次制造一个发射器100，而是通常制造这种发射器100的一个阵列。例如，可以制造100×100个发射器100的阵列，用于在前述的超高密度存储系统内进行读写操作。此外，也可以在场发射显示屏中利用这种发射器件的大的阵列。
虽然已经说明发射器100具有导电层112，但是这种层是选择的，使得半导体衬底110正确地、充分地被掺杂，使得作为发射电极，其上沉积有金属层114。此外，关于制造技术和图1-5所示的所得的结构已经说明，按照本发明所述发射器是一种平面发射器，但是也可以具有利用肖特基金属-半导体势垒方法的其它的几何结构。
具体地说，具有尖端底部的几何结构也是可能的，如图6所示。在这种结构中，各个元件和图5所示的相同，只是在如图2和图3所示提供本发明的第一金属层114和半导体层116的步骤之前制造底部尖端130。底部尖端130由金属或半导体材料层制成。其利用本领域公知的用于制造显示目的的Spindt发射器的技术制造(C.A.Spindtet.al.，J.Appl.Phys.47(1976)5248)，或者利用各向同性的干刻蚀技术(K.Betsui Tech.Digest，Int.Vacuum Microelectronics Conf.，Nagahama，Japan 1991，p.26，S.E.Huq et al，MicroelectronicEngineering 27(1995)p.95)，和通过利用硅衬底制造微型尖端的差值湿化学刻蚀技术制造(D.F.Howell et al，IEDM 89 digest p.525)。
如图6所示，金属层114完全覆盖住发射电极的锥形尖端，并且例如也由二氧化钛(TiO2)构成的半导体材料完全覆盖住金属材料和尖端结构。
使用肖特基金属-半导体势垒还使得能够形成关于聚集发射电极以及提取电极的较小的几何结构。图5所示的平面发射器具有直径基本上为2微米的聚集电极和提取电极，其范围为1-10微米。图6的电极的直径可以更小，最好为0.5微米，范围为0.1-2.0微米。在两种情况下，它们实现了大约10-50纳米的电子束宽度。聚集电极提供在阳极上的一个小点内收集电子的能力。不使用聚集电极，对于尖端发射器，发射角大约为±40°，而对于场平面发射器，发射角大约为±10°。
按照本说明的讨论或者按照其中披露的本发明的实施方法，本领域技术人员显然可以作出其它的实施例。其中说明的这些例子只能认为是例子而已，本发明的真正的范围由下面的权利要求限定。
应当理解，上述的结构只用于说明本发明的原理的应用。不脱离本发明的范围和构思，本领域技术人员可以作出许多改变和改型，所附的权利要求旨在覆盖这些改变和改型。因而，虽然上面以目前认为是优选的实施例说明了本发明的细节并在附图中示出了这些细节，但是显然，对于本领域普通技术人员，不脱离权利要求中提出的本发明的范围和构思，可以作出许多改变和改型，其中包括但不限于在尺寸、材料、形状、形式、功能以及操作、装配和使用方式方面的改变。

Claims (9)

1. 一种电子发射器件，包括：
发射电极；
提取电极；
通过提取电极一部分以暴露发射电极一部分的孔；以及
场控制的固态发射器，其具有肖特基金属-半导体结，该肖特基金属-半导体结被制造在该发射电极上并和该提取电极电气相连，使得在发射电极和提取电极之间设置的电位引起从肖特基金属-半导体结的半导体层的暴露的表面产生电子的场发射；以及
和该场控制的固态发射器电气相连的聚集电极。
2. 如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于，该场控制的固态发射器利用Pt作为肖特基金属。
3. 如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于，该场控制的固态发射器利用TiO2作为半导体。
4. 如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于，还包括设置在发射电极和提取电极之间的电介质。
5. 如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于，还包括设置在提取电极和聚集电极之间的第二电介质。
6. 如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于，该场控制的固态发射器是平面发射器。
7. 如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于，该场控制的固态发射器适应于基于尖端的几何结构。
8. 一种用于制造电子发射器件的方法，包括：
形成发射电极层；
形成提取电极层；
通过提取电极层的一部分形成孔，以便暴露该发射电极层的一部分；
通过该孔在发射电极层上形成肖特基金属-半导体结的肖特基金属层并使该肖特基金属层与提取电极电气相连，使得在发射电极和提取电极之间设置的电位引起从肖特基金属-半导体结的半导体层的暴露的表面产生电子的场发射；
通过该孔在该肖特基金属层上形成导电的半导体层，借以形成场控制的固态发射器；以及
将聚集电极电气连接到该场控制的固态发射器上。
9. 一种存储装置，包括：
具有至少一个存储区域的存储介质，该存储区域处于多个状态中的一个状态，从而表示在该存储区域中存储的信息；
至少一个电子发射器件，用于产生用来读写在该存储区域存储的信息的电子束流，该电子发射器件包括：
发射电极；
提取电极；
通过提取电极层一部分以暴露发射电极层一部分的孔；
场控制的固态发射器，其具有肖特基金属-半导体结，该肖特基金属-半导体结被制造在该发射电极上并和该提取电极电气相连，使得在发射电极和提取电极之间设置的电位引起从肖特基金属-半导体结的半导体层的暴露的表面产生电子的场发射；以及
和该场控制的固态发射器电气相连的聚集电极。
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