DE4304103C2 - Verfahren zum Bilden selbstausgerichteter Gatestrukturen - Google Patents
Verfahren zum Bilden selbstausgerichteter GatestrukturenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Feldemissionsvorrichtungen
und betrifft im spezielleren ein Verfahren zum Bilden einer selbstausge
richteten Gatestruktur um eine Kathodenemitterspitze herum.
Kathodenstrahlröhren-Anzeigen des Typs, wie sie bei Bildschirmen von
Arbeitsplatzcomputern allgemein verwendet werden, arbeiten auf der
Basis eines von einem Elektronenstrahler abgegebenen abtastenden Elek
tronenstrahls, der auf Leuchtstoffe auf einem relativ weit entfernten
Schirm auftrifft. Die Elektronen erhöhen das Energieniveau der Leucht
stoffe. Wenn die Leuchtstoffe auf ihr normales Energieniveau zurück
kehren, setzen sie die Energie von den Elektronen als Licht-Photon frei,
das durch die Glasscheibe des Bildschirms zu dem Betrachter übertragen
wird.
Flachschirmanzeigen finden immer größere Bedeutung bei Geräten, bei
denen leichte, tragbare Bildschirme erforderlich sind. Zur Zeit verwen
den solche Bildschirme die Elektroluminiszenz- oder die Flüssigkristall
technologie. Eine vielversprechende Technologie besteht in der Verwen
dung eines matrixmäßig ansteuerbaren Feldes aus Kaltkathodenemis
sionsvorrichtungen zum Erregen von Leuchtstoff auf einem Bildschirm.
Die Druckschrift US 3 875 442 mit dem Titel "Display Panel" von
Wasa et al. offenbart eine Anzeigetafel mit einer transparenten gasdich
ten Umhüllung, zwei planaren Hauptelektroden, die parallel zueinander
im Inneren der gasdichten Umhüllung angeordnet sind, sowie eine Ka
thodenluminiszenz-Tafel. Bei der einen der beiden Hauptelektroden
handelt es sich um eine kalte Kathode, während es sich bei der anderen
um eine Anode, ein Gate oder ein Gitter mit jeweils niedrigem Potential
handelt. Die Kathodenluminiszenz-Tafel kann aus einer transparenten
Glasplatte, einer auf der transparenten Glasplatte ausgebildeten trans
parenten Elektrode sowie einer auf der transparenten Elektrode aufge
brachten Leuchtstoffschicht bestehen. Die Leuchtstoffschicht besteht z. B.
aus Zinkoxid, das sich mit Elektronen niedriger Energie erregen läßt.
Feldemissionskathodenstrukturen sind in den Druckschriften US 3 665 241,
US 3 755 704, US 3 812 559 sowie US 4 874 981 von
Spindt et al. beschrieben. Zur Erzeugung der gewünschten Feldemission
wird eine Potentialquelle vorgesehen, deren positiver Anschluß mit dem
Gate oder Gitter und deren negativer Anschluß mit der
Emitterelektrode (Kathodenleitersubstrat) verbunden wird. Die Potential
quelle kann zum Zweck der Steuerung des Elektronenemissionsstroms
variabel ausgebildet sein. Bei Anlegung eines Potentials zwischen den
Elektroden wird ein elektrisches Feld zwischen den Emitterspitzen und
dem ein niedriges Potential aufweisenden Anodengitter hergestellt, wo
durch eine Emission der Elektronen von den Kathodenspitzen durch die
Löcher in der Gitterelektrode hindurch hervorgerufen wird.
Ein Feld aus Punkten in Ausrichtung mit Löchern in Anodengittern
niedrigen Potentials ist für die Herstellung von Kathoden adaptierbar,
die in eine oder mehrere Spitzen enthaltende Bereiche unterteilt sind, an
denen in separater Weise Emissionen durch das Anlegen geeigneter
Potentiale an diese ausgelöst werden können.
Die Auflösung einer Feldemissionsanzeige ist eine Funk
tion von mehreren Faktoren wie Emitterspitzenschärfe, Ausrichtung und
Beabstandung der Gates oder Gitteröffnungen, die die Spitzen umgeben,
Bildelement-(Pixel)-Größe sowie Kathoden-Gate-Spannung und Katho
den-Bildschirm-Spannung. Diese Faktoren stehen außerdem in wechsel
seitiger Beziehung zueinander. Z. B. ist die für eine Elektronenemission
von den Emitterspitzen erforderliche Spannung eine Funktion sowohl der
Kathoden-Gate-Beabstandung als auch der Spitzenschärfe. Ein Vorteil
des offenbarten Verfahrens besteht darin, daß eine sehr enge Kathoden-
Gate-Beabstandung möglich ist, wodurch sich Schwellenspannungen
verwenden lassen, die wenigstens eine Größenordnung niedriger als die
in früheren Berichten zu findenden Schwellenspannungen sind. Da der
emittierte Strom bei einer gegebenen Emitter-Gate-Spannung proportio
nal zu der Differenz aus der angelegten Emitter-Gate-Spannung und der
Emissionsschwellenspannung ist, führt eine niedrigere Schwellenspan
nung zu einem höheren Strom.
Die Gate-Ätzmasken früher Feldemissionsanzeigen wurden von Hand mit
den Emitterspitzen in Ausrichtung gebracht. Eine manuelle Ausrichtung
führt eine Veränderlichkeit in das Verfahren ein, die häufig zu geringe
ren als optimalen Elektronenemissionsmustern führt. Die Druckschrift
US 3 970 887 mit dem Titel "Micro-Structure Field Emission Elec
tron Source" lehrt eine Selbstausrichtung von Emitterspitzen. Die selbst
ausgerichtete, Ausbildung von Emitterspitzen und Gates führt zu einer
beträchtlichen Verringerung der Verfahrensveränderlichkeit, reduziert
die Herstellungskosten und führt außerdem zu einer Anzeige mit grö
ßerer Bildschärfe. Weitere Strukturen von Belang sind in Tech. Digest
IEDM, 1990, Seiten 7.4.1 bis 7.4.4, sowie in den Druckschriften US 4 943 343,
US 3 921 022 und US 5 057 047 offenbart.
Aus der Druckschrift: Sokolich, M. et al.: "Field Emission from Sub
micron Emitter Arrays", Proc. Int. Electron Devices, 1990, ist ein
Verfahren zum Bilden einer Gatestruktur um eine Elektronenemissions
spitze herum bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird die Ober
fläche eines mit mindestens je einer isolierenden und einer leitfähigen.
Schicht versehenen Substrates nicht unter Verwendung einer chemisch-
mechanischen Planarisierung eingeebnet, sondern es wird eine Photore
sist-Schicht als Ätzmaske aufgebracht, die hinterher entfernt wird. Ein
Plasmaätzvorgang dient dazu, diese Photoresist-Maske unter Verwen
dung von Sauerstoffelektronen herzustellen.
Aus der Druckschrift US 5 057 047 ist ein Verfahren zum Bilden
einer Gatestruktur um eine Elektronenemissionsspitze herum bekannt.
Bei diesem Verfahren wird eine Planarisierungsschicht abgeätzt, um
einen Teil einer leitfähigen Schicht freizulegen. Dies geschieht unter
Verwendung einer herkömmlichen Ätztechnik, wie beispielsweise Plas
maätzen, Naßätzen oder reaktivem Ionenätzen (vergl. ebda, Spalte 5,
Zeilen 35-47).
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines
verbesserten selbstausgerichteten Verfahrens zum Bilden einer selbstaus
gerichteten Gatestruktur um eine Kathodenemitterspitze herum, welches
zur Herstellung von Feldemissionsanzeigen einsetzbar ist und die ge
nannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das in Anspruch 1
angegebene Verfahren.
Gemäß einem Gesichtspunkt verwendet ein Verfahren mehrere selektiv
ätzbare dielektrische Schichten in Kombination mit einem chemisch-
mechanischen Planarisierungsvorgang zum Erzeugen einer extrem feinen
Gate-Spitzen-Beabstandung, die zu Emissionsschwellenspannungen führt,
die wenigstens eine Größenordnung niedriger als die zuvor in der Litera
tur beschriebenen Emissionsschwellenspannungen sind. Da bei einer
gegebenen Emitter-Gate-Spannung der emittierte Strom proportional zu
der Differenz aus der angelegten Emitter-Gate-Spannung und der Emis
sionsschwellenspannung ist, führt eine niedrigere Schwellenspannung zu
einem höhereren Strom.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unter
ansprüchen 2 bis 15.
Die Erfindung und Weiterbildungen werden im folgenden anhand der
zeichnerischen Darstellungen eines Ausführungsbeispiels unter Bezug
nahme auf die Begleitzeichnungen noch näher erläutert. In den Zeich
nungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht
eines Flachbildschirms unter Darstellung
einer Elektronenemissionsspitze oder
Feldemissionskathode, umgeben von den
selbstausgerichteten Gatestrukturen bei
Ausbildung gemäß dem Verfahren der vor
liegenden Erfindung;
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Elektronenemitter
spitze, auf der eine konforme Isolier
schicht und eine fließfähige Isolier
schicht aufgebracht sind;
Fig. 3 eine Darstellung der Elektronenemitter
spitze der Fig. 2 nach einer Wiederver
flüssigungs-Erwärmung der fließfähigen
Isolierschicht bei ca. 1000°C;
Fig. 4 eine Darstellung der Elektronenemitter
spitze der Fig. 3 nach dem Aufbringen der
leitfähigen Gateschicht auf diese;
Fig. 5 eine Darstellung der Elektronenemitter
spitze der Fig. 4 nach einem chemisch-
mechanischen Planarisierschritt;
Fig. 6A und 6B eine Darstellung der Elektronenemitter
spitze nach Fig. 5, nachdem die Isolier
schicht einem Naßätzvorgang zum Freilegen
der Emitterspitze unterzogen worden ist,
wobei Fig. 6A das Ergebnis zeigt, wenn es
sich bei der Isolierschicht um ein Oxid
handelt und Fig. 6B das Ergebnis zeigt,
wenn es sich bei der Isolierschicht um
ein Nitrid handelt;
Fig. 7 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der
Schritte, die bei dem erfindungsgemäßen
Gatebildungsverfahren verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist eine Feldemissions
anzeige dargestellt, die eine kalte Kathode verwen
det. Das Substrat 11 kann z. B. aus Glas oder ir
gendeinem anderen von vielen verschiedenen geeigne
ten Materialien bestehen. Bei dem bevorzugten Aus
führungsbeispiel dient eine einkristalline Sili
ziumschicht als Substrat 11, auf dem eine Schicht
12 aus leitfähigem Material, wie z. B. dotiertes
polykristallines Silizium aufgebracht ist. An einer
Feldemissionsstelle ist eine Mikrokathode 13 oben
auf dem Substrat 11 ausgebildet worden. Bei der
Mikrokathode 13 handelt es sich um eine Erhebung,
die viele verschiedene Formen, wie pyramidenförmig,
konisch oder eine andere Geometrie mit einer feinen
Mikrospitze für die Emission von Elektronen aufwei
sen kann. Die Mikrokathode 13 umgebend ist eine
Anoden-Gatestruktur 15 für niedriges Potential
vorgesehen. Wenn eine Spannungsdifferenz durch
eine Quelle 20 zwischen der Kathode 13 und dem Gate
15 angelegt wird, wird ein Elektronenfluß 17 in
Richtung auf einen mit Leuchtstoff beschichteten
Bildschirm 16 emittiert. Bei dem Bildschirm 16
handelt es sich um eine Anode. Die Elektronen
emissionsspitze 13 ist mit dem einkristallinen
Halbleitersubstrat 11 einstückig ausgebildet und
dient als Kathodenleiter. Das Gate 15 dient als
eine niedriges Potential aufweisende Anode oder
Gitterstruktur für ihre zugehörige Kathode 13. Eine
dielektrische Isolierschicht 14 ist auf der leit
fähigen Kathodenschicht 12 aufgebracht. Außerdem
besitzt der Isolator 14 eine Öffnung an der Feld
emissionsstelle.
Die Erfindung ist am besten unter Bezugnahme auf
die Fig. 2 bis 7 zu verstehen, in denen die
durch eine Reihe erfindungsgemäßer Herstellungs
schritte gebildeten anfänglichen, während der Herstellung gebildeten und
sich letztendlich ergebenen Strukturen dargestellt
sind.
Es gibt verschiedene Verfahrensweisen, durch die
sich die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ver
wendeten Elektronenemissionenspitzen bilden lassen.
Beispiele solcher Verfahrensweisen finden sich in
der US 3 970 887 mit dem Titel "Micro-structure
Field Emission Electron Source".
Vorzugsweise verwendet man einen einkristallinen p-
leitenden Siliziumwafer, in dem durch eine geeigne
te bekannte Dotiervorbehandlung eine Reihe läng
licher, parallel zueinander verlaufender und einan
der gegenüberliegender n-leitender Bereiche oder
Wannen gebildet sind. Jeder n-leitende Streifen
besitzt eine Breite von ca. 10 µm und eine Tiefe
von ca. 3 µm. Die Beabstandung der Streifen ist
beliebig wählbar und kann zur Unterbringung einer
gewünschten Anzahl von auf einem Siliziumwafersub
strat bestimmter Größe auszubildenden Feld
emissionskathodenstellen festgesetzt werden. Die
Bearbeitung des Substrats zur Schaffung der p-lei
tenden und der n-leitenden Bereiche kann durch
allgemein bekannte Halbleiterbearbeitungstechniken
erfolgen, wie z. B. durch Aufwachsen durch Diffusion
und/oder epitaktisches Aufwachsen. Falls gewünscht,
können die p-leitenden und n-leitenden Bereiche
selbstverständlich durch Verwendung eines geeigne
ten Ausgangssubstrats sowie entsprechender Dotier
stoffe hinsichtlich ihres Leitfähigkeitstyps um
gekehrt ausgebildet werden.
Die mit Ionen implantierten Wannen bilden die Stel
le der Emitterspitzen. Eine Feldemissionskathoden-
Mikrostruktur kann unter Verwendung eines darunter
liegenden Halbleitersubstrats hergestellt werden.
Das Halbleitersubstrat kann entweder p-leitend oder
n-leitend sein und wird auf einer seiner Oberflä
chen dort maskiert, wo Feldemissionskathodenstellen
gebildet werden sollen. Die Maskierung erfolgt
derart, daß die maskierten Bereiche Inseln auf der
Oberfläche des darunterliegenden Halbleitersub
strats bilden. Danach führt eine selektive seit
liche Entfernung der darunterliegenden, umgebenden
Randbereiche des Halbleitersubstrats unter den
Rändern der maskierten Inselbereiche zur Erzeugung
einer zentral angeordneten, erhöhten Halbleiter-
Feldemitterspitze in dem Bereich unmittelbar unter
jedem eine Feldemissionskathodenstelle bildenden
maskierten Inselbereich. Es ist bevorzugt, daß das
Entfernen der darunterliegenden umgebenden Randbe
reiche des Halbleitersubstrats durch Oxidation der
die maskierten Inselbereiche umgebenden Oberfläche
des Halbleitersubstrats eng gesteuert wird, wobei
die Oxidationphase ausreichend lang durchgeführt
wird, um ein seitliches Wachsen der resultierenden
Oxidschicht unter den Rändern der maskierten Be
reiche in einem Ausmaß zu erzeugen, wie es erfor
derlich ist, damit nur eine nicht-oxidierte Spitze
des darunterliegenden Substrats unter der Insel
maske verbleibt. Danach wird die Oxidschicht wenig
stens in den die maskierten Inselbereiche unmittel
bar umgebenden Regionen differenzmäßig weggeätzt,
so daß an jeder gewünschten Feldemissionskathoden
stelle eine einstückig mit dem darunterliegenden
Halbleitersubstrat ausgebildete, zentral angeord
nete, erhöhte Halbleiter-Feldemitterspitze ent
steht.
Vor Beginn des Gatebildungsverfahrens kann die
Spitze 13 des Elektronenemitters durch einen Oxi
dationsvorgang geschärft werden, wie dies in Fig. 7
angedeutet ist. Die Oberfläche des Siliziumwafers
(Si) 11 und die Emitterspitze 13 werden zur Bildung
einer nicht gezeigten Oxidschicht aus SiO2 oxi
diert, die dann zum Schärfen der Spitze 13 geätzt
wird. Zur Bildung der SiO2-Schicht sowie zum Ätzen
der Spitze 13 kann irgendein herkömmlicher, bekann
ter Oxidationsvorgang verwendet werden.
Bei dem nächsten Schritt wird gemäß Fig. 7 eine
Schicht 18 aus einem selektiv ätzbaren Material
aufgebracht. Bei dem Verfahren gemäß dem bevorzug
ten Ausführungsbeispiel wird eine konform nieder
geschlagene Siliziumnitridschicht 18 verwendet.
Obwohl auch andere Materialien verwendet werden
können (z. B. SiO2 und Silizium-Oxynitrid), die in
bezug auf die anderen Isolierschichten 14 selektiv
ätzbar sind, ist eine Nitridschicht 18 besonders
wirksam gegen eine Sauerstoffdiffusion und kann
somit für Schichten verwendet werden, die nur 100 nm
dünn sind, jedoch vorzugsweise stärker
als 100 nm sind. Dies ist besonders vorteilhaft, da
geringe Abstände vom Gate 15 zu der Kathode 13 zu
niedrigeren Emittertreiberspannungen führen. Die
Dicke der isolierenden dielektrischen Schicht 18
bestimmt den Abstand vom Gate 15 zu der Kathode 13.
Bei der in Fig. 2 gezeigten isolierenden Nitrid
schicht 18 handelt es sich vorzugsweise um eine
konforme Isolierschicht. Die Nitridschicht wird auf
der Emitterspitze 13 derart niedergeschlagen, daß
die Nitridschicht 18 der Form der Kathodenemitter
spitze 13 entspricht.
Als nächstes erfolgt die Aufbringung einer weiteren
Isolierschicht 14, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.
Bei dieser weiteren Isolierschicht handelt es sich
vorzugsweise um eine fließfähige Schicht 14, die
gebildet sein kann aus Aufschleuderglas, Borophos
phosilikatglas oder einem Polyimid oder einem an
deren geeigneten Material, wie z. B. anderen Auf
schleuder-Dielektrika oder fließfähigen Dielektrika,
wobei diese Materialien jedoch nicht als aus
schließlich verwendbare Materialien zu verstehen
sind. Unter bestimmten Bedingungen fließen solche
Materialien einfach über die Oberfläche des Wafers,
wodurch eine planar ausgebildete Schicht entsteht.
Die Dicke der Isolierschicht 14 zusammen mit der
Schicht 18 bestimmt den Abstand zwischen dem Gate
15 und dem Substrat 11; die konforme Schicht 18
alleine bestimmt im wesentlichen den Abstand zwi
schen dem Gate 15 und der Kathode 13. Die Tiefe der
Isolierschicht 14 ist somit abhängig von der Menge
des Raumes zwischen der Spitze 13 und dem Substrat
11. Wenn die Schicht 18 sehr dick ist, kann die
Isolierschicht 14 überflüssig sein. Bei dem bevor
zugten Ausführungsbeispiel sind jedoch beide
Schichten 14 und 18 vorhanden. Die Isolierschicht
14 wird vorzugsweise auf einem Niveau über der
Spitze 13 niedergeschlagen, doch sie kann auch auf
einem Niveau unter der Spitze niedergeschlagen
werden. In letzterem Fall würde der Fließschritt
wahlweise erfolgen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird Boro
phosphosilikatglas zur Bildung der Schicht 14 ver
wendet. Die Borophosphosilikatglasschicht 14 kann
zu Beginn durch eine Technik wie chemische Abschei
dung aus der Dampfphase bzw. Dampfphasenabscheidung
niedergeschlagen werden, bei der eine Phosphorquel
le, wie z. B. Phosphin-(PH3-)Gas verwendet wird. Die
Waferoberfläche kann auch einer Borquelle, wie z. B.
Diboran-(B2H6)Gas ausgesetzt werden. Die resultie
rende Borophosphosilikatglasschicht 14 überdeckt zu
Beginn im wesentlichen die Kathodenspitze 13 und
kann dann verflüssigt werden.
Im allgemeinen erfolgt die Borophosphosilikatglas-
Verflüssigung bei einer Temperatur im Bereich von
700°C bis 1100°C. In der Praxis wird die Obergrenze
der Wiederverflüssigungstemperatur durch die Effek
te der Wiederverflüssigung auf dem Substrat sowie
weiteren zugehörigen Strukturen gesteuert. Alterna
tiv hierzu kann die Wiederverflüssigung auch durch
schnelle thermische Bearbeitung erfolgen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die
Borophosphosilikatglasschicht 14 auf eine Tempera
tur von ca. 1000°C erwärmt, um eine Verflüssigung
des fließfähigen Isoliermaterials 14 hervorzurufen,
wobei dies vorzugsweise auf ein im wesentlichen
gleichmäßiges Niveau unterhalb der Emitterspitze 13
erfolgt, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.
Eine in der US 4 732 658 beschriebene Technik
erläutert die Verwendung eines chemischen Dampf
phasenabscheidungsverfahrens. Ein Silkatglas, wie
z. B. Borophosphosilikatglas, wird über einem Be
reich eines Halbleiterwafers als Schicht mit einer
ungefähr gleichmäßigen Dicke niedergeschlagen. Das
Glas wird dabei durch eine chemische Dampfphasenab
scheidung in einem atmosphärischen System niederge
schlagen. Eine Übersicht über atmosphärische chemi
sche Dampfphasenabscheidungssysteme findet sich in
der RCA-Review von W. Kern, G. L. Schnable, Band
43, Seiten 423 bis 457, vom September 1982.
Eine Variation der atmosphärischen chemischen
Dampfphasenabscheidungssysteme ist ebenfalls in der
Schrift von W. Kern angegeben, wobei diese Schrift
durch Bezugnahme zu einem Bestandteil der vorliege
nden Anmeldung gemacht wird. Zum Niederschlagen des
Silikatglases könnte auch eine plasmaverstärkte
chemische Dampfphasenabscheidung (PECVD) verwendet
werden. Die plasmaverstärkte chemische Dampfphasen
abscheidung ist ausführlicher beschrieben in:
"Process and Film Characterization of PECVD Borophosphosilicate Films for VLSI Applications" von J. E. Tong, K. Schertenleib und R. A. Carpio in Solid State Technology, Seiten 161-170 vom Januar 1984. Zum Niederschlagen des Silikatglases können auch andere Niederschlagverfahren, wie bei niedri gem Druck erfolgende chemische Dampfphasenabschei dung, verwendet werden.
"Process and Film Characterization of PECVD Borophosphosilicate Films for VLSI Applications" von J. E. Tong, K. Schertenleib und R. A. Carpio in Solid State Technology, Seiten 161-170 vom Januar 1984. Zum Niederschlagen des Silikatglases können auch andere Niederschlagverfahren, wie bei niedri gem Druck erfolgende chemische Dampfphasenabschei dung, verwendet werden.
Wie in Fig. 7 gezeigt ist, kann eine weitere
Schicht 18 aus isolierendem Nitridmaterial oben auf
dem fließfähigen Isoliermaterial 14 aufgebracht
werden, um den Abstand zwischen dem Gate 15 und der
Spitze 13 weiter einzustellen.
Bei einer alternativen Ausführungsform wird die
Aufbringung der konformen dielektrischen Schicht 18
bis zu diesem Stadium des Gatebildungsverfahrens
verzögert, d. h. sie erfolgt erst nach dem Aufbrin
gen und der Wiederverflüssigung der fließfähigen
Isolierschicht 14. Mit anderen Worten wird die
fließfähige Isolierschicht 14 zuerst niedergeschla
gen, wonach dann die konforme Isolierschicht 18
niedergeschlagen wird. Nach der Wiederverflüssigung
ist die Emitterspitze 13 freigelegt, wodurch sich
eine Gelegenheit ergibt, eine konforme Isolier
schicht 18 vor dem Niederschlagen der Schicht 15
aus leitfähigem Gatematerial niederzuschlagen.
Als nächster Schritt erfolgt gemäß Fig. 7 die Auf
bringung des leitfähigen Gatematerials 15. Das Gate
15 wird aus einer leitfähigen Schicht gebildet. Bei
der leitfähigen Schicht 15 kann es sich um ein
Metall, wie Chrom oder Molybdän, handeln, wobei
jedoch dotiertes Polysilizium als bevorzugtes
Material für dieses Verfahren betrachtet wird.
In diesem Stadium des Herstellungsvorgangs kann
gemäß Fig. 7 ein nicht gezeigtes Puffermaterial
aufgebracht werden, um die tiefer liegenden Berei
che der leitfähigen Gateschicht 15 während des
nachfolgenden chemisch-mechanischen Poliervorgangs
zu schützen. Es ist zu betonen, daß es sich bei der
Aufbringung einer Pufferschicht um einen wahlweise
erfolgenden Schritt handelt. Die Pufferschicht kann
anschließend verbleiben oder entfernt werden, je
nachdem, wie dies erwünscht ist.
Ein geeignetes Puffermaterial ist eine dünne
Schicht aus Si3N4. Diese Nitrid-Pufferschicht hat
den Effekt, die Spitze 13 zu schützen, und dies ist
ein bei der Ausführung dieses wahlweisen Schrittes
auftretender Vorteil. Die Pufferschicht verzögert
im wesentlichen das Eindringen des chemisch-mecha
nischen Planarisiervorgangs in die Schicht, auf der
das Puffermaterial niedergeschlagen ist, und dient
als künstliche Schicht. Alternativ hierzu kann auch
ein Fotoresist-Material als Pufferschicht verwendet
werden.
Bei dem nächsten Schritt in dem Gatebildungsverfah
ren handelt es sich gemäß Fig. 7 um die chemisch-
mechanische Planarisierung, die man auch als che
misch-mechanischen Poliervorgang bezeichnet. Durch
die Verwendung von chemischer Technik und Schleif
technik werden das Puffermaterial sowie jegliche
andere sich über der Emitterspitze 13 erstreckende
Schichten (z. B. die leitfähige Schicht 15, die
konforme Isolierschicht 18) "wegpoliert".
Im allgemeinen beinhaltet das chemisch-mechanische
Planarisieren oder Polieren das Halten oder Drehen
eines Wafers aus Halbleitermaterial gegen eine
benetzte Polierfläche unter kontrollierten Bedin
gungen hinsichtlich chemischer Aufschlämmung, Druck
und Temperatur. Eine chemische Aufschlämmung, die
ein Poliermittel, wie Aluminiumoxid oder Silizium
oxid, enthält, kann als Abriebmedium verwendet
werden. Außerdem kann die chemische Aufschlämmung
chemische Ätzmittel enthalten. Der bevorzugte pH-
Wert der Aufschlämmung liegt bei über 7,5, wobei das
bevorzugte Ausführungsbeispiel einen pH-Wert von 12
besitzt.
Dieses Verfahren kann zur Herstellung einer Ober
fläche mit einem gewünschten Endpunkt oder einer
gewünschten Dicke verwendet werden, wobei diese
Oberfläche poliert und planarisiert ist. Solche
Vorrichtungen zum Polieren sind in der US 4 193 226
sowie US 4 811 522 offenbart. Eine weitere sol
che Vorrichtung wird von der Firma Westech En
gineering unter der Bezeichnung Model 372 Polisher
hergestellt.
Die chemisch-mechanische Planarisierung wird im
wesentlichen über die gesamte Waferfläche und bei
einem hohen Druck durchgeführt. Zu Beginn erfolgt
die chemisch-mechanische Planarisierung beim Ent
fernen der Spitzen mit einer sehr hohen Geschwin
digkeit, und nachdem die Spitzen im wesentlichen
entfernt worden sind, wird die Geschwindigkeit
drastisch reduziert. Die Entfernungsgeschwindigkeit
der chemisch-mechanischen Planarisierung steht in
Proportion zu dem Druck und der Härte der planari
sierten Oberfläche.
Fig. 5 zeigt einen mittleren Schritt bei dem Gate
bildungsverfahren, und zwar nach der chemisch-me
chanischen Planarisierung. Es ist eine im wesent
lichen planare Oberfläche vorhanden, und die kon
forme Isolierschicht 18 ist somit freigelegt. Fig.
5 zeigt die Mittel, durch die die konforme Isolier
schicht 18 den Abstand zwischen dem Gate 15 und der
Kathode 13 definiert, sowie die Mittel, durch die
das Gate 15 selbstausgerichtet wird.
Bei dem nächsten Verfahrensschritt handelt es sich
gemäß Fig. 7 um einen Naßätzvorgang der Schicht 18
aus selektiv ätzbarem Material zum Freilegen der
Emitterspitze 13. Die Isolierschicht 18 ist in
bezug auf die Schicht 14 aus fließfähigem Material
selektiv ätzbar. Die Fig. 6A und 6B zeigen die
Feldemittervorrichtung nach dem auf diese Weise
erfolgten Ätzen des Isolierhohlraums. Fig. 6A zeigt
dabei die sich ergebende Struktur, wenn es sich bei
der Isolierschicht 18 um ein Oxid handelt, während
Fig. 6B die resultierende Struktur zeigt, die sich
bei Verwendung eines Nitrids als Isolierschicht 18
ergibt.
Falls gewünscht, kann die Kathodenspitze 13 wahl
weise mit einem Material mit geringer Austritts
arbeit beschichtet werden, wie dies in Fig. 7 ange
deutet ist. Materialien mit geringer Austritts
arbeit beinhalten Cermet (Cr3Si + SiO2), Cäsium,
Rubidium, Tantalnitrid, Barium, Chromsilizid,
Titancarbid, Molybdän und Niobium, wobei diese
Materialien jedoch nicht ausschließlich zu ver
stehen sind.
Eine Beschichtung der Emitterspitzen kann in vielen
verschiedenen Weisen erfolgen. Das eine geringe
Austrittsarbeit aufweisende Material oder dessen
Vorläufer kann durch Aufstäuben oder ein anderen
geeignetes Mittel auf die Spitzen 13 niedergeschla
gen werden, Bestimmte Metalle (z. B. Titan oder
Chrom) kann man zur Bildung von Silizid während
eines schnellen thermischen Bearbeitungsschrittes
mit dem Silizium der Spitzen reagieren lassen. Nach
der schnellen thermischen Bearbeitung wird jegli
ches unreagierte Metall von der Spitze 13 entfernt.
In einer Stickstoffumgebung kann aufgebrachtes
Tantal während einer raschen thermischen Bearbei
tung in Tantalnitrid, ein Material mit besonders
niedriger Austrittsarbeit, umgewandelt werden. Die
Beschichtungsprozess-Variationen sind nahezu end
los. Dies führt zu einer Emitterspitze 13, die
nicht nur schärfer als eine einfache Siliziumspitze
sein kann, sondern auch eine höhere Widerstands
fähigkeit gegen Erosion sowie eine geringere Aus
trittsarbeit besitzt. Das Silizid wird durch die
Reaktion des hitzebeständigen Metalls mit dem dar
unterliegenden Polysilizium in einem Wärmebehand
lungsschritt gebildet.
Alle vorstehend genannten US-Patente werden
hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme zu
einem Bestandteil der vorliegenden Anmeldung ge
macht.
Claims (15)
1. Verfahren zum Bilden einer selbstausgerichteten Gatestruktur (15)
um eine Kathodenemitterspitze (13) herum, mit folgenden Schritten:
- a) Bilden einer Kathodenemitterspitze (13) auf einem Substrat (11),
- b) Bilden von mindestens einer isolierenden Schicht (18, 14) mit mindestens einer leitfähigen Schicht (15) oben auf der Katho denemitterspitze (13),
- a) chemisch-mechanische Planarisierung des mit den Schichten versehenen Substrates (11), und
- b) Entfernen eines die Kathodenemitterspitze (13) umgebenden Teils der Isolierschichten (14, 18) zur Freilegung der Katho denemitterspitze (13).
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schrit
te:
- a) Bilden mindestens einer Gate-Kathoden-Abstandsschicht (18) über der Kathodenemitterspitze (13), und
- b) Niederschlagen einer Isolierschicht (14) oben auf der Abstands schicht (18).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch den fol
genden Schritt:
- - Wiederverflüssigung der Isolierschicht (14) unterhalb der Spitze (13).
4. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 3, gekennzeichnet
durch den folgenden Schritt.
- - Niederschlagen einer leitfähigen Gateschicht (15) oben auf der Isolierschicht (14).
5. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die chemisch-mechanische Planarisierung zum
Freilegen der Abstandsschicht (18) ausgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab
standsschicht (18) entfernt wird, wodurch die Spitze (13) freigelegt
wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch den folgenden Schritt:
- - Schärfen der Spitze (13) durch Oxidation.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch folgenden Schritt:
- - Beschichten der Spitze (13) mit einem Material mit einer gerin geren Austrittsarbeit als Silizium.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Abstandsschicht (18) in Bezug auf die Schicht (14)
selektiv ätzbar ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es sich
bei der Abstandsschicht (18) um wenigstens ein Element aus der
Gruppe bestehend aus Si3N4, SiO2 sowie Siliziumoxinitrid handelt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
leitfähige Schicht (15) Polysilizium enthält.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß der chemisch-mechanische Planarisierungsvorgang
unter Verwendung einer Polier-Aufschlämmung durchgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Pufferschicht auf der leitfähigen Schicht (15) niedergeschlagen wird,
bevor das beschichtete Substrat dem Planarisierungsschritt unter
zogen wird.
14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Schicht (14) ein fließfähiges Material auf
weist, wobei das fließfähige Material mindestens eine Substanz aus
der aus Borophosphorsilikatglas (BPSG), Aufschleuderglas (SOG),
Polyimid, Aufschleuder-Dielektrikum und fließfähigem Dielektrikum
bestehenden Gruppe aufweist.
15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Kathodenspitze (13) in ein eine Anzeige
bildendes Feld gleichartiger Kathoden integriert ist.
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