DE4112436A1

DE4112436A1 - Feldemissionsdiode und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE4112436A1
Application number: DE19914112436
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dipl Ing Dr Stephani
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-04-16
Filing date: 1991-04-16
Publication date: 1992-11-26

Description

Die Erfindung betrifft eine Feldemissionsdiode gemäß dem Ober begriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu ihrer Herstel lung. Eine derartige Feldemissionsdiode ist bekannt aus der US-Patentschrift 45 13 308.

Als spannungsbegrenzende Bauelemente zum Schutz elektronischer Schaltungen werden bei hoher Betriebsspannung im allgemeinen Vakuumdioden oder Zenerdioden benutzt. Vakuumdioden arbeiten mit thermischer Elektronenemission (Glühemission) und benöti gen deshalb eine Heizspannung zum direkten oder indirekten Aufheizen des emittierenden Materials in der Kathode und somit eine Vorwärmzeit. Bei hohen Spannungen ist ein Steuergitter notwendig. Zenerdioden enthalten einen in Sperrichtung ge schalteten p-n-Übergang, in dem bei hoher Spannung durch den Zenereffekt ein Stromdurchbruch stattfindet. Sie sind anfällig gegenüber der Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung und hohen Temperaturen, da dadurch Ladungsträger generiert werden, die den Zenerdurchbruch zu höheren Spannungen verschieben. Hinzu kommt, daß die Kapazität der Sperrschicht verhältnis mäßig hoch und die Schaltzeiten entsprechend lang sind, so daß Zenerdioden zur Unterdrückung schneller transienter Störungen ungeeignet sind.

Die Entwicklung der Vakuum-Mikroelektronik bietet demgegenüber Möglichkeiten, diese Schwierigkeiten der bekannten Spannungs ableiter zu überwinden. Die Vakuum-Mikroelektronik verbindet die Anwendungen von Emission und Transport von Elektronen im Vakuum, die von der Elektronenröhre oder der Vakuumdiode be kannt sind, mit den Verfahren der Mikrostrukturtechnologie. Eine besondere Bedeutung hat dabei die Feldemission in Mikro strukturen. Zur Feldemission von Elektronen, auch kalte Emis sion genannt, sind bei Trioden hohe Betriebsspannungen erfor derlich, weil zum Auslösen der Elektronen aus der Festkörper oberfläche Feldstärken von mindestens etwa 10⁹ V/m notwendig sind. Durch die Verkleinerung der Feldemissionskathoden lassen sich die erforderlichen Spannungen auf Werte unter 100 V sen ken. Insbesondere an metallischen Spitzen und Schneiden ent stehen hohe Feldstärken; solche geometrischen Formen für Feld emissionskathoden sind deshalb besonders vorteilhaft. Bei der Herstellung der Feldemissionskathoden muß eine genaue Ferti gung und Reproduzierbarkeit der geometrischen Abmessungen und Form der Spitzen oder Schneiden gewährleistet sein.

Eine bekannte Möglichkeit der Herstellung von Feldemissionska thoden ist das Auftragen eines Metalls auf zuvor durch Ätzen aus Silizium geformte pyramidenförmige Ausnehmungen. Ein oft benutztes Ätzverfahren ist das anisotrope Ätzen von einkri stallinem Silizium, das sich die unterschiedlichen Ätzraten verschiedener Kristallflächen oder Orientierungen im Sili ziumkristall gegenüber bestimmten Ätzlösungen zunutze macht. Zum Herstellen einer Feldemitterspitze kann dabei entweder in ein Substrat aus einkristallinem Silizium an seiner Vorder seite mindestens eine pyramidenförmige Vertiefung anisotrop hineingeätzt werden. Anschließend wird die geätzte Vorderseite des Substrats zur Ätzstopschicht dotiert und danach die Rück seite des Substrats bis hinunter zur Ätzstopschicht weggeätzt. Schließlich wird eine Metallschicht gleichmäßig auf der Rück seite des Substrats aufgebracht. Oder man ätzt aus der Vorder seite des Substrats aus einkristallinem Silizium wenigstens eine pyramidenförmige Spitze heraus und trägt dann das Metall auf diese Vorderseite des Substrats auf (US-Patentschrift 46 85 996).

Solche Feldemissionskathoden können zwar zu Feldemitterarrays mit entsprechend höherer Emissionsstromdichte kombiniert wer den, jedoch ist dazu eine sehr genaue Fertigung und Reprodu zierbarkeit der Spitzen erforderlich. Verwendet man Arrays aus schneidenförmigen Feldemissionskathoden, so erhöht sich die effektive Emitterfläche beträchtlich. Man muß zugleich aber auch eine größere Zugspannung einsetzen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Diode anzu geben und herzustellen, in der durch Feldemission von Elektro nen im Vakuum oder in einer Gasatmosphäre niedrigen Druckes ab einer vorbestimmten Schwellspannung ein Stromfluß stattfindet, der insbesondere schnelle Überspannungen ableitet. Außerdem soll die Diode weitgehend temperaturunabhängig und unempfind lich gegen elektromagnetische Strahlung sein.

Eine bekannte, als Diode ausgebildete Anordnung enthält ein Halbleitersubstrat, das von einer als Anode dienenden Metall schicht durch eine Isolationsschicht getrennt ist. Die Anode ist mit runden Löchern versehen, unter denen die Isolations schicht jeweils mit einem Hohlraum versehen ist. In diesen Hohlraum ragt jeweils eine Feldemitterspitze, die auf dem Substrat angeordnet ist. Diese pyramidenförmigen Feldemitter spitzen bestehen aus n-dotiertem Silizium (US-Patentschrift 45 13 308). Es können auch kegelförmige, metallische Feldemit terspitzen vorgesehen sein (Applications of Surface Science, 16 (1983), 268 bis 276).

Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß für die Funk tion solcher Feldemissionsdioden nicht nur die Form der Katho de, sondern auch der Anode und ihr Abstand zur Kathode von Be deutung ist und sie besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. In dieser Ausführungsform ragt die Feldemis sionskathode in die Ausnehmung der Anode hinein und hat von der Anode nur einen geringen Abstand.

Ein Ausführungsbeispiel einer Feldemissionsdiode gemäß der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch veranschaulicht. Fig. 1 zeigt eine Feldemissionsdiode im Querschnitt und Fig. 2 eine perspektivische Darstellung. Die Anordnung der Brücke auf ihren Abstandhaltern ist in einer Draufsicht gemäß Fig. 3 veranschaulicht. In Fig. 4 ist die Ausbildung der Feldemis sionskathode und ihre räumliche Zuordnung zur Anode in ver größertem Maßstab dargestellt. In den Fig. 5 bis 8 ist jeweils ein Verfahrensschritt eines besonders vorteilhaften Verfahrens zur Herstellung der Feldemissionsdiode veranschau licht.

In der Darstellung einer Feldemissionsdiode gemäß Fig. 1 sind ein Substrat mit 2, eine Ausnehmung mit 4, eine Feldemissions kathode mit 6, zwei Abstandhalter mit 10 und ein Fortsatz mit 12 bezeichnet. Das als Anode dienende Substrat 2 kann vorzugs weise aus einkristallinem Silizium bestehen und ist an seiner oberen Flachseite mit der Ausnehmung 4 versehen, in welche der Fortsatz 12 derart hineinragt, daß die von den Schnittkanten seines Querschnitts gebildete Spitze 13 von dem tiefsten Ober flächenbereich der Ausnehmung 4 nur einen geringen Abstand hat. Dieser tiefste Oberflächenbereich der Ausnehmung 4 kann in einer besonders vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Feldemissionsdiode mit einer Abrundung 5 versehen sein. Die Enden der Feldemissionskathode 6 ruhen auf den Abstandhaltern 10, die als Brückenpfeiler dienen und aus elektrisch isolie rendem Material, vorzugsweise Siliziumdioxid, bestehen. Die Feldemissionskathode 6 kann beispielsweise aus Metall, vor zugsweise Tantal oder Molybdän bestehen.

In der Ausführungsform der Feldemissionsdiode gemäß Fig. 2 ist die Feldemissionskathode 6 mit einem keilförmigen Fortsatz 12 versehen, dessen Schneidkante 14 in die ebenfalls keilför mige Ausnehmung 4 des Substrats 2 hineinragt. Der in der Figur nicht näher bezeichnete Abstand der Feldemissionskathode 6 von den Seitenflächen der keilförmigen Ausnehmung 4 wird bestimmt durch die Dicke der Abstandhalter 10. Abweichend von der dar gestellten Ausführungsform gemäß Fig. 2 kann jedoch die Feld emissionskathode 6 auch mit einem pyramidenförmigen Fortsatz versehen sein, dessen Spitze in eine keilförmige oder eben falls pyramidenförmige Ausnehmung des Substrats 2 hineinragt.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist der mittlere Teil der Feldemissionskathode 6, der die freitragende Brücke 8 bildet und mit dem Fortsatz 12 versehen ist, in seiner Ausdehnung vermindert. Dieser Teil ist mit dem keilförmigen Fortsatz 12 versehen, dessen Schneidkante 14 in die ebenfalls keilförmige Ausnehmung 4 des Substrats 2 hineinragt.

In der vergrößerten Darstellung der Form des Fortsatzes 12 ge mäß Fig. 4 ist der Neigungswinkel der Seitenflächen des keil förmigen Fortsatzes 12 mit α₁ bezeichnet. In der besonders vorteilhaften Ausführungsform der Feldemissionsdiode gemäß der Erfindung wird die Feldemissionskathode 6 so gestaltet, daß die Schnittkanten der Seitenflächen in der Nähe der Schneid kante 14 eine konkave Krümmung 16 erhalten, so daß ihr Öff nungswinkel α₂ in der Nähe der Schneidkante 14 wesentlich geringer ist als der Öffnungswinkel α₁. Der Krümmungsradius an der Schneidkante 14 ist sehr gering und wird im allgemeinen 100 nm nicht wesentlich überschreiten und vorzugsweise höch stens 50 nm betragen. Damit erhält man eine Feldstärke an der Schneidkante 14 von wenigstens 10⁹ V/m. Dagegen erhält der Oberflächenbereich in der Tiefe der Ausnehmung 4 im Substrat 2 die vorteilhafte Abrundung 5, die eine Homogenisierung des elektrischen Feldes an der Schneidkante 14 und damit eine ent sprechend verbesserte Emissionsstromausbeute ergibt. Der Ab stand a zwischen dem Fortsatz 12 der Feldemissionskathode 6 und dem als Anode dienenden Substrat 2 kann vorzugsweise weniger als 1 µm betragen, damit Ioneneffekte an der Schneid kante 14 begrenzt werden.

Zum Herstellen der Feldemissionsdiode wird gemäß Fig. 5 ein Substrat aus einkristallinem Silizium, dessen obere Flachseite in einer (100)-Fläche des Siliziumkristalls orientiert ist, mit einer Maske 18 versehen, die vorzugsweise aus Silizium dioxid bestehen kann und in der anschließend beispielsweise durch Photolithographie ein Fenster 19 geöffnet wird. Die Kanten dieses Fensters 19 werden parallel zu den Spuren der (110)-Flächen des Siliziumkristalls auf seiner (100)-Oberflä che ausgerichtet.

Durch kristallanisotopes Ätzen wird dann im Fenster 19 das Substrat 2 mit einer Ausnehmung 4 in der Form eines keilför migen Grabens versehen, dessen Begrenzungsflächen durch die (111)-Flächen des Siliziumkristalls bestimmt sind. Dann wird die Maske 18 entfernt und man erhält eine Form des Substrats 2 gemäß Fig. 6.

Die obere Flachseite mit der Ausnehmung 4 wird dann mit einer Isolationsschicht 20 versehen, die vorzugsweise aus Silizium dioxid bestehen kann. Bei dieser Oxidation der Siliziumober fläche im Bereich der keilförmigen Ausnehmung 4 erhält diese Ausnehmung 4 in ihrem unteren Oberflächenbereich durch die Volumenvergrößerung beim Übergang von Silizium zu Silizium dioxid ihre Abrundung 5 und die Seitenflächen im Bereich der Schneidkante 14 ihre konkave Krümmung und somit eine entspre chende Schärfung der Schneidkante 14. Die Isolationsschicht 20 wird dann mit einer Kathodenschicht 22 versehen, die bei spielsweise aus polykristallinem Silizium, vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Tantal oder Molybdän bestehen kann und beispielsweise auf die Isolationsschicht 20 aufgedampft oder aufgesputtert werden kann.

Durch Entfernen der Isolationsschicht 20 im Bereich des Fort satzes entsteht die Feldemissionskathode 6 als freitragende Brücke 8 über der Ausnehmung 4, in welche der Fortsatz 12 hineinragt. Die nicht entfernten Teile der Isolationsschicht 20 bilden Abstandhalter 10, auf denen die Enden der Brücke 8 abgestützt werden. Bei diesem Unterätzen wird durch das Ätzmittel lediglich das Material der Isolationsschicht 20 angegriffen und der Ätzvorgang unterbrochen, sobald unterhalb der Brücke 8 das Material der Isolationsschicht 20 beim Ätzen in Richtung der Pfeile A gemäß Fig. 3 abgetragen ist und zugleich beim Ätzen in Richtung der Pfeile B die als Abstand halter 10 dienenden Teile der Isolationsschicht 20 durch das Ätzmittel noch nicht gelöst sind. Für dieses Unterätzen ist in Verbindung mit Siliziumdioxid als Isolationsschicht als Ätz mittel vorzugsweise gepufferte Flußsäure geeignet.

Die in Fig. 3 dargestellte Form kann die Feldemissionskathode 6 beispielsweise in einem Zwischenschritt durch Strukturierung vor der Unterätzung erhalten. Die Strukturierung erfolgt bei spielsweise durch Plasmaätzen oder auch durch reaktives Ionen ätzen mit Schwefelhexafluorid SF₆ oder Tetrafluorkohlenstoff CF₄. Durch die Breite der Brücke 8 zwischen den Pfeilen A gemäß Fig. 3 läßt sich die Ausdehnung der Abstandhalter 10 einstellen.

Eine besonders vorteilhafte, weitere Ausführungsform der Feld emissionsdiode gemäß der Erfindung besteht darin, daß gemäß Fig. 5 ein quadratisches Fenster in der Maske 18 geöffnet wird. Dann entsteht durch die weiteren Verfahrensschritte eine Feldemissionsdiode mit einem pyramidenförmigen Fortsatz 12, der als Feldemitterspitze dient und in eine ebenfalls pyrami denförmige Ausnehmung 4 hineinragt. Dadurch erhält man höhere lokale Feldstärken und die Schwellspannung für einen Stromfluß durch Feldemission wird entsprechend verändert.

Eine weitere Ausführungsform besteht in der gemeinsamen Anord nung einer Vielzahl von Feldemissionsdioden gemäß der Erfin dung zu einem Array, mit dem man eine entsprechend hohe Emis sionsstromdichte erhält und somit größere Ströme abgeleitet werden können.

Claims

1. Feldemissionsdiode, mit einem Substrat aus einkristallinem Silizium, das von einer Feldemissionskathode elektrisch iso liert ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) das Substrat (2) ist als Anode vorgesehen und mit einer Ausnehmung (4) versehen,
b) die Feldemissionskathode (6) ist als freitragende Brücke (8) ausgebildet, die auf Abstandhaltern (10) gelagert ist und an ihrer dem Substrat (2) zugewandten Oberfläche mit einem Fortsatz (12) versehen ist, der in die Ausnehmung (4) des Substrats (2) hineinragt.

2. Feldemissionsdiode nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Öffnungswinkel (α₂) der Seitenkanten des Querschnitts des Fortsatzes (12) in der Nähe der Spitze (13) vermindert ist gegenüber dem Öffnungswinkel (α₁) der Seitenkanten in dem von der Spitze (13) entfernten Bereich.

3. Feldemissionsdiode nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ausnehmung (4) in ihrem unteren Oberflächenbereich mit einer Abrundung (5) versehen ist.

4. Feldemissionsdiode nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ausnehmung (4) die Form eines Grabens mit keilförmigem Querschnitt hat und die Feld emissionskathode (6) an ihrer in die Ausnehmung (4) hineinra gende Unterseite mit einer Schneidkante (14) versehen ist.

5. Feldemissionsdiode nach Anspruch 1, gekenn zeichnet durch einen wenigstens annähernd pyramiden förmigen Fortsatz (12), der in eine ebenfalls pyramidenförmige Ausnehmung (4) hineinragt.

6. Feldemissionsdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ge kennzeichnet durch eine gemeinsame Brücke (8) mit einer Vielzahl von Feldemissionskathoden, die in ent sprechende Ausnehmungen des Substrats (2) hineinragen.

7. Verfahren zum Herstellen einer Feldemissionsdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit folgenden Verfahrensschritten:

a) ein Substrat (2) aus einkristallinem Silizium wird an einer seiner Oberflächen mit (100)-Kristallorientierung mit einer Maske (18) aus einer Oxidschicht versehen;
b) in der Maske (18) wird wenigstens ein Fenster (19) geöff net, dessen Seitenkanten parallel zu den Spuren der (110)-Flächen des Siliziumkristalls auf seiner (100)-Oberfläche ausgerichtet sind;
c) durch kristallanisotropes Ätzen innerhalb des Fensters (19) wird in dem Substrat (2) eine Ausnehmung (4) erzeugt, deren Begrenzungsflächen durch die (111)-Flächen des Siliziumkri stalls bestimmt sind;
d) die Maske (18) wird entfernt und die Oberfläche des Sub strats (2) mit der Ausnehmung (4) mit einer Isolations schicht (20) versehen;
e) auf die Isolationsschicht (20) wird eine Kathodenschicht (22) aufgetragen und anschließend im Bereich der Ausnehmung (4) strukturiert;
f) die Isolationsschicht (20) wird unter der Kathodenschicht (22) durch Unterätzen soweit entfernt, bis der Bereich der Kathodenschicht (22) eine freitragende Brücke (8) über der Ausnehmung (4) des Substrats (2) bildet.

8. Verfahren zum Herstellen einer Feldemissionsdiode nach An spruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein quadratisches Fenster in der Maske (18) geöffnet wird, dessen Seitenkanten parallel zu den Spuren der (110)-Flächen des Siliziumkristalls auf einer (100)-Oberfläche ausgerichtet sind.

9. Verfahren zum Herstellen einer Feldemissionsdiode nach An spruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittkanten des Querschnitts des Fortsatzes (12) in der Nähe der Spitze derart konkav gekrümmt sind, daß ihr Öff nungswinkel (α₂) vermindert ist.

10. Verfahren zum Herstellen einer Feldemissionsdiode nach An spruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenbereich im tiefsten Teil der Ausnehmung (4) mit einer Abrundung (5) versehen ist.

11. Verfahren zum Herstellen eines Arrays aus Feldemissionsdi oden nach Anspruch 7, bei dem eine Vielzahl von Feldemissions dioden erzeugt werden, indem eine Vielzahl von Fenstern (19) gleichzeitig geöffnet werden.