DE2351254B2 - Verfahren zum Herstellen einer Multidioden-Speicherplatte für eine Bildaufnahmeröhre - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Multidioden-Speicherplatte aus einem Halbleitermaterial für eine Bildaufnahmeröhre, auf deren dem Elektronenstrahl zugewandten Seite eine Isolierschicht und auf dieser Isolierschicht eine Widerstandsschicht aus Hafniumnitrid und Tantalnitrid aufgebracht wird und durch energiereiche Strahlungin der Widerstandsschicht eine Strahlungsschädigung herbeigeführt wird, wobei anschließend die Speicherplatte bei 350 bis 500° C getempert wird.

Bekanntlich enthält eine aus Silicium bestehende Speicherplatte für eine Vidikon-Aufnahmeröhre eine Siliciumscheibe mit einer Vielzahl einzelner Dioden, die darin durch Silicium verschiedenen Leitungstyps, d. h, vom P- und vom N-Leitungstyp, gebildet werden. Zwischen den Dioden wird die Siliciumschicht mit einer Oxidschicht überzogen, die Ladung ansammeln kann, wenn die Oberfläche der Schicht in einer Aufnahmeröhre abgetastet wird. Um Ladung, die sich normalerweise auf dem Oxid zwischen den Dioden anhäuft, zu entfernen, wird eine Elektronenentladungsschicht oder Widerstandsschicht aus geeignetem Material mit einem Flächenwiderstand von ΙΟ¹²- ΙΟ¹⁵ Ω niedergeschlagen.

Aus der US-PS 3574143 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem eine Schicht aus Hafnium- und Tantalnitriden mit einer zwischen dem Mononitrid und dem Dinitrid liegenden Zusammensetzung verwendet wird. Die Widerstandsschicht wird dadurch gebildet, daß sie auf einem oxidierten Siliciumsubstrat durch hochfrequente reaktive Zerstäubung von Hafniummononitrid und Tantalmononitrid in einer Argonatmosphäre, die Stickstoff mit einem Partialdruck von 6,7 — 13 · 10~³ mbar enthält, niedergeschlagen wird. Die so hergestellten Muiiidioden-Speicherplatten mit der besonderen Schicht weisen große Vorteile auf, u. a. einen niedrigen Leckstrom, (d. h. einen niedrigen Dunkelstrom) und Strahlungshärtung.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren so weiterzubilden, daß eine Speicherplatte geschaffen werden kann, die außer einem niedrigen Dunkelstrom eine geringere Bildträgheit aufweist und bei Spannungen oberhalb der Rachbandspannung verwendbar ist.

Die Flachbandspannung ist dabei die angelegte äußere Spannung, bei der die, z. B. durch eine Isolierschicht verursachte Bandkrümmung an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers aufgehoben wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß diese auf die Isolierschicht aufgebrachte Widerstandsschicht nur als vorläufige Schicht dient und nach der Temperung wiedev entfernt wird und schließlich auf die Isolierschicht eine endgültige Widerstandsschicht aus einem anderen Material als Hafniumnitrid und Tantalnitrid aufgebracht wird.

Ein solches Verfahren hat den Vorteil, daß die weitere Widerstandsschicht so gewählt werden kann, daß sich hinsichtlich der Betriebsspannung und der Bildträgheit optimale Werte ergeben und trotzdem die oben erläuterten Vorteile einer aufgebrachten Hafniumnitridund Tantalnitridschicht, d. h. niedriger Leckstrom und Strahlungshärtung erhalten bleiben.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Bildaufnahmeröhre mit einer Multidioden-Speicherplatte aus Silicium,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Speicherplatte in vergrößertem Maßstab, und

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Dunkelstrom und der Glühtemperatur.

Die in Fig. 1 gezeigte Bildaufnahmeröhre, die im allgemeinen die Bauart bekannter Vidikon-Aufnahmeröhren aufweist, enthält eine langgestreckte zylindrische Umhüllung 1 mit einem Glaszylinder 2, der einen evakuierten Raum 6 einschließt, eine Endfläche 3 mit verschiedenen Verbindungen 4 und eine zweite Endfläche 5, die als Eingangsfenster für das

Bildinformationslicht dient. Dieser Raum enthält ein Elektronenstrahlerzeugungssystem 7, eine Kathode 8, ein Steuergitter 9 und eine Anode 10. Die Röhre enthält weiter eine zylindrische Elektrode 11, die elektrisch mit der Anode 10 verbunden ist und an dem von der Kathode abgekehrten Ende eine Gitterelektrode 12 trägt. Die photoempfindliche Multidioden-Speicherplatte 14, die auf die nachstehend noch zu beschreibende Weise hergestellt wird, wird von dem Elektronenstrahl 13 abgetastet, der von dem Elektrodensystem mit Hilfe bekannter Fokussier- und Ablenkspulen (nicht dargestellt) erzeugt wird, die die Röhre umgeben und die für elektrostatische Fokussierung und Ablenkung durch (nicht dargestellte) Elektroden innerhalb der Röhre ersetzt werden können. Die Multidioden-Speicherplatte 14, die nachstehend im Detail an Hand der Fig. 2 beschrieben werden wird, ist dadurch in der Umhüllung montiert, daß ihr Rand zwischen einem nachgiebigen Montagering 16, der mit sowohl dem Eingangsfenster 5 als auch dem Zylinder 2 in Verbindung steht, und einem zweiten nachgiebigen Ring 17 festgeklemmt ist, der mit dem Zylinder und dem einen Ende 18 der Elektrode 11 in Verbindung steht.

Die Multidioden-Speicherplatte 14 (Fig. 2) enthält eine Halbleiterscheibe aus z. B. Silicium, deren größter Teil ein η-leitendes Substrat ist, wobei eine Anzahl getrennter p-leitender Gebiete 22 in einer regelmäßigen Reihe 15 an der Oberfläche dieser Platte angeordnet ist, die dem Elektronenstrahlerzcugungssystetn 7 zugekehrt ist. Auf der dem Fenster 5 zugekehrten Seite ist die Scheibe vertieft, so daß ihr mittlerer Teil eine Platte 30 mit einer Dicke von z. B. etwa 10 μπι bildet. Ein Metallring 19 als elektrischer Anschluß ist zwischen dem dickeren ringförmigen Umfangsteil 31 der Scheibe 14 und dem Ring 17 festgeklemmt, der aus einem elektrisch isolierenden Material, z. B. Aluminiumoxid, besteht oder mit einem solchen Material überzogen ist. Der Ring 19 ist mit einem elektrischen Leiter 20 verbunden, der durch die Wana 2 geführt ist. Die getrennten Gebiete 22 können kreisförmig oder quadratisch sein und können einen Durchmeser oder eine Seite von etwa 6 bis 15 μαι haben, wobei der Miitelabstand zwischen den Gebieten etwa 12 bis 20 μπι beträgt. Jedes der getrennten Gebiete bildet einen gleichrichtenden Übergang 23 in einer geringen Tiefe im Substrat, welche Übergänge beim Betrieb in der Sperrichtung vorgespannt sind. Wenn daher die getrennten Gebiete 22 von langsamen Elektronen abgetastet werden, sind diese Gebiete p-leitend und ist das Substrat n-leitend.

Die Seite der Multidioden-Speicherplatte 14, die mit der Reihe 15 versehen ist, besitzt eine elektrisch isolierende Schicht 24, die den Teil des verdickten Ringes 31, der mit dem Ring 19 in Verbindung steht, und die ganzen Oberflächen der getrennten p-leitenden Gebiete 22 nicht bedeckt. Die Isolierschicht 24 weist eine Dicke von etwa 0,5 bis 1 μπι auf und besteht vorzugsweise aus einem Oxid eines Halbleitermaterials der Speicherplatte, wobei das Oxid im vorliegenden Falle aus Siliciumdioxid besteht, das durch Oxidation der Siliciumscheibe 30 erhalten ist. In der Praxis wird diese Isolierschicht als Maske zur Bildung der p-leitenden getrennten Gebiete 22 verwendet. Das von der gelochten Schicht 24 bedeckte Siliciumsubstrat wird zu diesem Zweck der Einwirkung eines Dotierungsmittels, z. B. Bor, ausgesetzt, so daß die sich in den Offnungen ii, der Oxidschicht befindenden

Teile des Substrats bis zu einer Tiefe von etwa 2 μΐη p-leitend werden, wobei die pn-Übergänge 23 mit dem Substrat dann gebildet werden.

Eine Widerstandsschicht 25 bedeckt die Isolierschicht 24 und die getrennten Gebiete 22. Diese Schicht weist z. B. einen Flächenwiderstand von etwa 10¹² - 10¹⁵ und insbesondere 1 · 10'⁴ Ω auf und besteht vorzugsweise im wesentlichen aus Cadmiumtellurid, das vorzugsweise bis zu einer Dicke von etwa 600 nm oder weniger, z. B. etwa 120 oder 150 nm, niedergeschlagen wird. Außer Cadmiumtellurid kann die Widerstandsschicht z. B. Antimontrisulfid, Siliciummonoxid oder Wismuttrioxid enthalten.

Bei der Herstellung der Multidioden-Speicherplatte 14 wird eine (nicht dargestellte) vorläufige Widerstandsschicht aus Hafniumnitrid und Tantalnitrid durch hochfrequente reaktive Zerstäubung aus einer Quelle niedergeschlagen, die z. B. aus 50 Gew.-% Hafniummononitrid (HfN) und 50 Gew.-% Tantalmononi'xid (TaN) zusammengesetzt ist. Die Zerstäubungsatmosphäre enthält argor-':<altigen unverdünnten trockenen Stickstoff hoher Reinheit bei einem Partialdruck von etwa 1,3 · 10"³ bis etwa 1,3 · 10~^: und vorzugsweise etwa 6,7 · 10"^J mbar. Statt Argon können andere inerte Gase in der stickstoffhaltigen für 6\e Zerstäubung verwendeten Atmosphäre Anwendung finden. Die Metallmononitride werden gewählt, um die metallurgischen Schwierigkeiten bei der Herstellung einer homogenen metallenen Speicherplatte zu vermeiden und um Reaktionen zwischen Stickstoff und Metall an der Oberfläche der Metallquelle während der Zerstäubung zu verhindern. Hochfrequenzzerstäubung ist wegen der schlechten Leitfähigkeit der HfN/TaN-Zerstäubungsquelle erwünscht. Durch reaktive Zerstäubung kann der Stickstoffgehalt des niedergeschlagenen Films geregelt werden. Nach dem Niederschlagen wird das auf diese Weise hergestellte Gebilde aus Scheibe und vorläufiger Widerstandsschicht bei einer erhöhten Temperatür von etwa 350-500" C während etwa 3 bis 20 Minuten oder möglicherweise während einer noch Lngeren Zeit, vorzugsweise während etwa 10 Minuten, in einer Argonatmosphäre bei etwa 400° C ausgeglüht.

Während des Niederschiagens der vorläufigen Widerstandsschicht aus Hafniumnitrid und Tantalnitrid wird die aus Silicium bestehende Multidioden-Speicherplatte einem Beschüß mit im wesentlichen negativ geladenen Teilchen, wie energiereichen Elektronen und negativen Ionen, neutralen Atomen und elektromagnetischer kurzwelliger Strahlung, wie Röntgenstrahlung und Ultraviolettstrahlung, unterworfen. Dies ergibt Beschädigung durch Strahlung, z. B. eine Zunahme der Anzahl schneller Oberflächenzustände an der Grenzfläche zwischen Silicium und Siliciumdioxid, und eine Zunahme der Leckströme (Dunkelstrom der Röhre) der Dioden. Niedrige Leckströme in der fertiggestellten Speicherplatte können durch die erwähnten Ausglühbehandlungen nach dem Niedcrschlagen erhalten werden. Es hat sich herausgestellt, daß der niedrigere Dunkelstrom (sowie die Strahlungshärtung) beibehalten wird, wenn die vorläufige Schicht aus Hafniumnitrid und Tcntalnitrid z. B. durch Ätzen entfernt und dann eine endgültige Widerstandsschicht (z. B. 25 in Fig. 2) aus z. B. Cadmiumtellurid auf des nicht überzogenen Oberfläche der Halbleiterscheibe niedergeschlagen wird, wobei dieser niedrigere Leckstrom (und die Strahlungshärtung)

neben der. bereits beschriebenen Vorteilen noch einen zusätzlichen Vorteil bietet. Es sei angenommen, daß durch die Ausglühbearbeitung diese schnellen Oberfläche nzustände beseitigt werden. Fig. 3, die den Effekt der Ausglühtemperatur auf den Dunkelstrom bei Anwendung einer Argonatmosphäre und einer Ausglühzeit von 10 Minuten darstellt, gibt befriedigende Pegel des Dunkelstroms an, die über den Ausglühtemperaturbereich von etwa 400-500° C erreicht werden können.

Die durch Zerstäubung angebrachte vorläufige Widerstandsschicht aus Hafniumnitrid und Tantalnitrid wird danach von der Scheibe z. B. durch Ätzen in einem geeigneten Reagens (z. B. auf 180° C erhitzte Phosphorsäure) entfernt, wobei das Reagens derart gewählt und der Entfernungsvorgang derart durchgeführt wird, daß auf die Scheibe keinen ungünstigen Einfluß ausgeübt wird. Dann wird eine endgültige Widerstandsschicht 25 auf der unüberzogenen Oberfläche der Scheibe, d. h. auf der Isolierschicht 24 dadurch angebracht, daß darauf ein geeignetes Material niedergeschlagen wird. Ein vorzugsweise für die endgültige Widerstandsschicht verwendetes Material ist Cadmiumtellurid, obwohl auch andere Materialien, die geeignete spezifische Widerstände aufweisen und mit der Scheibe kompatibel sind, Anwendung finden können. Das Aufdampfen von Cadmiumtellurid wird z. B. dadurch durchgeführt, daß Cadmiumtelluridkristalle technischer Qualität in einem Tantalschiffchen auf eine Temperatur von etwa 700° C bis etwa 800° C unter Verwendung einer Atmosphäre von 1,3 · K)"¹ mbar Sauerstoff erhitzt werden, wobei die Scheibe praktisch Zimmertemperatur aufweist. Andere Niederschlagverfahren als Aufdampfen, z. B. galvanische Verfahren, können ebenfalls zur Herstellung der endgültigen Widerstandsschicht angewendet werden.

Eine auf die oben beschriebene Weise hergestellte Multidioden-Speicherplatte mit einer endgültigen Widerstandsschicht aus aufgedampftem Cadmiumtellurid weist neben einem niedrigen Leckstrom und Beständigkeit gegen Bestrahlungsbeschädigung den weiteren Vorteil einer erhöhten Signalverarbeitungskapazität auf. Mit Cadmiumtelluridschichten, die eine bestimmte gewünschte Dicke aufweisen und bei denen bestimmte Werte des Abstandes zwischen den getrennten Gebieten 22 eingehalten werden, kann eine optimale Modulationsübertragungsfunktion aus dem Strahl und der Widerstandsschicht zusammen erzielt werden. Eine derartige optimale Modulationsübertragungsfunktion kann z. B. mit einer 150 nm dicken, aus Cadmiumt'llurid bestehenden Widerstandsschicht mit einem Hexogonal-Dichtstpackungsabstand von 1,9 μπι zwischen getrennten Gebieten und mit einer 120 nm dicken ähnlichen Schicht mit einem Hexagonal-Dichtstpackungsabstand von 15 μπι erzielt werden. Falls der Schichtwiderstand der aus Cadmiumtellurid bestehenden Widerstandsschicht etwa 1 - K)¹⁴ Ω beträgt, kann die Speicherplatte bei einer Spannung betrieben werden, die die Flachbandspannung um bis etwa 5-7 V überschreitet, ohne daß die unerwünschte Erscheinung auftritt, die oft als »MOS blooming« bezeichnet wird, d. h. Oberflächeninversion, die durch hohe Lichtpegel oder Fehler im Halbleiter herbeigeführt wird, welche Erscheinung zu Kurzschluß verschiedener getrennter P-leitender Gebiete und der sich daraus ergebenden Streuung (blooming) des Bildes führt.

Dadurch, daß die Spannung die Flachbandspannung bei gemäß der Erfindung hergestellten Auftreffplattenstrukturen überschreiten kann, werden Bildverzögerungen von weniger als 10% im ersten, nach 20 ms abgetasteten Feld und 0% im dritten, nach 60 ms abgetasteten Feld der Bildfläche erreicht, während außerdem die unerwünschten sogenannten »Swiris« auf ein Mindestmaß beschränkt oder sogar vermieden werden. Diese »Swirls« sind spiralförmige Muster, die unter Umständen durch örtlich erhöhten Dunkelstrom im Bild sichtbar sind. Sie sind grundsätzlich durch die Kristallisationsverhältnisse des Halbleitersubstrats bedingt.

Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte Multidioden-Speicherplatten mit N-Ieitendem Halbleitersubstrat mit darin P-lcitenden Gebieten und darauf finer unterbrochenen isolierenden Siliciumoxidschicht und darauf einer aus Cadmiumtellurid bestehenden, aufgedampften endgültigen Widerstandsschicht wurden 250 Stunden lawg mit einer erhöhten Geschwindigkeit von 25 Stunden/Stunde gealtert, um einer normalen Alterungszeit von etwa 6000 Stunden nachzuahmen. Eine derartige beschleunigte Alterung wurde mit einem Strahlstrom von 13 mA, einer Fokussierungselektrodenspannung von 450 V und mit sog. »Underscanning« mit einem sog. »Underscanto-Normal«-Verhältnis 10:1 durchgeführt. Die auf diese Weise gealterten Speicherplatten wiesen nur eine unbedeutende Zunahme des Dunkelslroms von den Anfangswerten an auf, sogar wenn die: Aufnahmeröhrengitterspannung 600 V betrug; z. B. mit einer Gitterspannung von 600 V betrug der anfängliche Dunkelstrom 12 nA bei einer Speicherplattenspannung von 8 V und einer Temperatur von 33° C, während der endgültige Dunkelstrom nach etwa 250 Stunden 16 nA bei 8 V und 34° C betrug. Im Gegensatz dazu wiesen Multidioden-Speicherplatten, die lediglich durch Aufdampfen einer Cadmiumtellurid-Widerstandsschicht auf ein vergleichbares Substrat mit ähnlichen P-leitenden Gebieten und ähnlicher Isolierschicht hergestellt wurden, eine Zunahme des Leckstromes (d. h. des Dunkelstromes) von 50 nA nach nur 80stündiger beschleunigter Alterung unter den gleichen Bedingungen mit einer vergleichbaren Gitterspannung auf.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen efiner Multidioiien-Speicherplatte aus einem Halbleitermaterial für eine Bildaufnahmeröhre, auf deren dem Elektronenstrahl zugewandten Seite eine Isolierschicht und auf dieser Isolierschicht eine Widerstandsschicht aus Hafniumnitrid und Tantalnitrid aufgebracht wird und durch energiereiche Strahlung in der Widerstandsschicht eine Straltilungsschädigung herbeigeführt wird, wobei anschließend die Speicherplatte bei 350 bis 500° C getempert wird, dadurch gekennzeichnet, daß diese auf die Isolierschicht (24) aufgebrachte Widerstandsschicht nur als vorläufige Schicht dient und nach der Temperung wieder entfernt wird und schließlich auf die Isolierschicht eine endgültige Widerstandsschicht (25) aus einem anderen Material als Hafniumnitrid und Tantalnitrid aufgebracht wird.

2. Veifahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorläufige Widerstandsschicht durch Ätzen entfernt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,, daß die endgültige Widerstandsschicht durch Aufdampfen aufgebracht wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als endgültige Widerstandsschicht eine Schicht aus Cadmiumtellurid, Antimontrioxid, Siliriummonoxid oder Wis^iUttrioxid angebracht wird.

5. Verfahren nach Anpruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als endgültige Widerstandsschicht eine im wesentliche;· ius Cadmiumtellurid bestehende Schicht mit einer Dicke zwischen 120 und 1 SO nm angebracht wird und daß der Hexagonatdichtestpackungsabstand zwischen zwei benachbarten Dioden der Multidioden-Speicherplatte für die Schichtdicke von 150 nm 19 μπι und für die Schichtdicke von 120 nm IS μπι beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die endgültige Widerstandsschicht ein Flächenwiderstand von etwa 10¹² bis etwa 10" Ohm gewählt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die endgültige Widerstandsschicht im wesentlichen aus Cadmiumtellurid hergestellt wird und einen Flächenwiderstand von etwa 1 · 10^l4Ohm aufweist.