DE4315731B4

DE4315731B4 - Halbleiteranordnung mit Makrokorn-Substrat und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE4315731B4
Application number: DE4315731A
Authority: DE
Inventors: David A. Cathey; Tyler A. Lowrey; J. Brett Rolfson; Trung T. Doan
Original assignee: Micron Technology Inc
Current assignee: Micron Technology Inc
Priority date: 1992-05-13
Filing date: 1993-05-11
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2013-05-12
Also published as: US5329207A; US5438240A; JP2740444B2; JPH0660795A; DE4315731A1

Abstract

Basisplatte für eine flache plattenförmige Anzeigeeinrichtung, aufweisend:
a) ein Halbleitersubstrat (11) mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite,
b) eine über der ersten Seite des Substrates (11) angeordnete leitfähige Schicht (12),
c) mindestens eine über der leitfähigen Schicht (12) angeordnete Isolierschicht (14), wobei die Isolierschicht (14) eine Anzahl von darin angeordneten Zwischenräumen aufweist,
d) ein über der Isolierschicht (14) angeordnetes Extraktionsgitter (15), wobei das Extraktionsgitter (15) eine Anzahl von darin angeordneten Hohlräumen aufweist,
e) wobei die Hohlräume eine Gestalt derart aufweisen, so daß die Zwischenräume der Isolierschicht (14) mit den Hohlräumen in dem Extraktionsgitter (15) einstückig sind, wobei das Extraktionsgitter (15) über der Isolierschicht (14) angeordnet ist,
f) eine Anzahl über der leitfähigen Schicht angeordneter Kathodenspitzen (13),
g) wobei die Kathodenspitzen (13) sich durch die Zwischenräume in der Isolierschicht (14) bis zu einem Punkt in den Hohlräumen des Extraktionsgitters (15) derart erstrecken,...

Description

Die Erfindung betrifft ein Substrat für die Erzeugung von integrierten Schaltungen, z. B. in Form einer Elektronen emittierenden Anordnung, und Verfahren zu deren Herstellung.
Flache plattenförmige Anzeigevorrichtungen bekommen zunehmende Wichtigkeit bei Geräten, die leichtgewichtige tragbare Bildschirme erfordern. Derzeitig verwendet man für solche Bildschirme Elektrolumineszenz-, Plasma- oder Flüssigkristall-Technologien. Eine vielversprechende Technologie ist die Verwendung einer matrixförmigen adressierbaren Anordnung von Kaltkathodenemissionsvorrichtungen zum Anregen eines Leuchtstoffs auf einem Bildschirm.

Bei der Technologie der Feldemissionsanzeige (FED von Field Emission Display) sind Glassubstrate mit aufgedampften Molybdänspitzen erzeugt worden entsprechend dem "Spindt"-Verfahren, das in den US-Patenten US 3 665 241 A , US 3 755 704 A , US 3 812 559 A und US 5 064 396 A beschrieben worden ist. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die als Treiber fungierenden integrierten Schaltungen nicht auf dem selben Substrat wie die Spitzen angeordnet werden können.

Ein Verfahren zur Herstellung von Emitterspitzen (nachfolgend auch als Emitter oder Kathodenspitzen bezeichnet) aus Silizium ist in dem US-Patent US 5 358 908 A mit dem Titel "Verfahren zur Erzeugung scharfer Oberflächenunebenheiten und anderer Merkmale auf der Oberfläche eines Halblei tersubstrates" der Inhaberin auch der vorliegenden Anmeldung beschrieben. Diese Lösung hat zwar den Vorteil, daß sie die Erzeugung integrierter Schaltungen ermöglicht, was die Kosten der Treiber sowie deren Komplexität verringert. Allerdings entstehen für die derzeit verfügbaren Substrate relativ hohe Kosten.

Aus der US 5 083 958 A ist eine Feldemmissionsanzeigeeinrichtung mit einer Basisplatte aus polykristallinem Silizium bekannt.

Aus der WO 91/15875 A1 ist eine Basisplatte für eine flache plattenförmige Anzeigeeinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 bekannt.

Das US-Patent US 4 196 041 A offenbart ein Verfahren zur Umwandlung von für Solarzellen geeignetem streifenförmigem polykristallinem Halbleitermaterial in makrokörniges Halbleitermaterial.

Der Erfindung liegt die Aufgabe Zugrunde niedrige Kosten zu erreichen.

Die Erfindung schafft eine Basisplatte für eine flache plattenförmige Anzeigeeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, die den Ansprüchen 2 bis 4 entsprechend ausgebildet sein kann. Außerdem schafft die Erfindung Verfahren zur Herstellung einer Basisplatte, die in den Patentansprüchen 5 und 10 angegeben sind und gemäß den Patentansprüchen 6 bis 9 bzw. 11 bis 17 ausgebildet sein können.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird für die Basisplatte einer flachen plattenförmigen Anzeigeeinrichtung der zuvor erwähnten Art ein relativ dickes Substrat aus makrokörnigem polykristallinen Silizium verwendet. Dies führt zu einer guten Lösung hinsichtlich niedriger Kosten und Integrierbarkeit der Treiber.

Die Erfindung schafft makrokörnige Polysilizium-Substrate, die sowohl für eine kostengünstige Herstellung von Feldemissionsstrukturen als auch für integrierte Schaltungsvorrichtungen verwendbar sind.

Groß- oder makrokörniges Polysilizium läßt sich relativ leicht herstellen. Man läßt einfach geschmolzenes Silizium abkühlen. Die Größe der Körner hängt von der Abkühlgeschwindigkeit ab. Je schneller das Silizium abkühlt, um so kleiner sind die Körner. Der Herstellungsprozeß ist weniger empfindlich und weniger zeitaufwendig als die Herstellung monokristalliner Scheiben oder Wafer. Als Ergebnis sind größere Wafer bei geringeren Kosten erhältlich. Tatsächlich ist makrokörniges Polysilizium sogar billiger als die Verwendung einiger Glassubstrate. Dies liegt daran, daß Hochtemperaturglas das bevorzugte Glas für die Herstellung von Flachtafel-Anzeigevorrichtungen ist. Solches Glas kostet mehr als makrokörniges Polysilizium.

Es ist erheblicher Forschungsaufwand getrieben worden im Bereich von amorphen Siliziumschichten auf Glassubstraten, die relativ dünn sind (z. B. dünner als 1μm), und zwar zur Verwendung für Flüssigkristallan zeigevorrichtungen (LCDs). Das amorphe Silizium weist keine definierte Anordnung der Siliziumatome auf. In manchen Fällen wird kleinkörnig aufgebrachtes Polysilizium verwendet. In diesen Fällen läge eine repräsentative Korngröße im Bereich von 50 nm, obwohl die bei solchen Forschungsvorhaben verwendeten Korngrößen beträchtlich variieren.

Im Gegensatz dazu bezieht sich die vorliegende Erfindung auf makrokörnige Polysiliziumsubstrate, die relativ dick sind, d.h. mehr als 300μm. In einem solchen Fall sind die Atome in Einheitszellen angeordnet. Die Einheitszellen befinden sich jedoch nicht in einer regelmäßigen Anordnung zueinander, und die Zellen haben sehr große Korngrenzen. Als makrokör nig wird ein Sustrat definiert, in dem weniger als 1 % der Kristallkörner kleiner als 0,5 mm sind.

Die Korngrenzen stellen im wesentlichen Defekte in dem Substrat dar und die vorliegende Erfindung schafft Mittel zum Überwinden dieser Substratdefekte und zur wirksamen Verwendung des Substrates in einer Flachplattenanzeigeeinheit. Die Korngrenzen definieren die Grenzen zwischen zwei oder mehr kristallinen Zonen in dem Substrat. Halbleiterwafer aus hochgradigem Silizium haben eine Einkristall-(oder monokristalline) Orientierung und sind das gewünschte Substrat für die Herstellung integrierter Schaltungen.

Eines der Probleme, das aus dem Vorhandensein von Korngrenzen resultiert, ist die Nichtvoraussagbarkeit bei Ätzschritten. Wenn das Ätzmaterial eine Korngrenze trifft, kann sich die Ätzrate oder Ätzgeschwindigkeit gegenüber der innerhalb der Korngrenzen befindlichen Halbleitermasse ändern, und das Ergebnis des Ätzschrittes ist dann oft eine fehlerhafte Vorrichtung. Auf einem Wafer, der viele integrierte Halbleitervorrichtungen enthält, mag der Verlust eines einzelnen Chips keinen bedeutsamen wirtschaftlichen Verlust darstellen. Bei der Herstellung von Flachplatten-Anzeigevorrichtungen kann jedoch ein einziger Defekt zu dem Verlust des gesamten Wafers führen, da der Wafer insgesamt gewöhnlich für die Anzeigeeinheit verwendet wird. Ein Fehler in der Vor richtung erscheint als schwarzer Fleck oder als eine sich über den Bildschirm ziehende schwarze Linie und macht somit die gesamte Einheit unverkäuflich.

Ein Vorteil von makrokörnigen Polysiliziumsubstraten ist deren Verfügbarkeit in relativ großen Abmessungen bei vergleichsweise niedrigen Kosten. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß Makrokorn-Substrate für die Verarbeitung bei hohen Temperaturen einsetzbar sind. Ein weiterer Vorteil von Makrokorn-Polysiliziumsubstraten besteht darin, daß solche Substrate einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der zu dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der darauf hergestellten aktiven Siliziumvorrichtungen paßt.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß die Verwendung einer redundanten Schaltungsanordnung auf einem makrokörnigen Substrat in Richtung einer Verbesserung der Ausbeute geht, da eine solche redundante Schaltungsanordnung einen Ausgleich für die Möglichkeit darstellt, daß eine Vorrichtung unabsichtlich auf einer Hauptkorngrenze plaziert ist.

Eine zur Verwendung in einer Flachplatten-Anzeigevorrichtung gedachte Basisplatte oder Teile davon kann bzw. können geformt werden aus einem relativ dicken Halbleitersubstrat, wobei das Halbleitersubstrat ein makrokörniges polykristallines Material aufweist und auf dem Substrat eine redundante Schaltungsanordnung hergestellt wird, um die Produktausbeute weiter zu erhöhen.

Das Verfahren zur Herstellung von Emitterspitzen auf einem makrokörnigen polykristallinen Substrat umfaßt das Reformieren des Substrates durch eine Rekristallisation oder das Amorphmachen des Substrates durch eine Ionenimplantation, wodurch das Substrat in einem solchen Grad beschädigt wird, daß die Korngrenzen verschwinden, das Inmusterbringen des Substrates durch einen Maskierungsschritt und das Ätzen des Substrates, um die Emitterspitzen zu bilden, wonach die Emitterspitzen geschärft werden können, wenn das erwünscht ist.

Eine Basisplatte oder Teile davon, die auf einem relativ dicken makrokörnigen Substrat gebildet ist bzw. sind, und eine darauf befindliche redundante Schaltungsanordnung sind möglich, wenn das makrokörnige Polysili ziumsubstrat durch Rekristallisation oder Amorphmachen durch Ionenimplantation einmal zusammengewachsen ist.

Mit der Erfindung wird verfügbar gemacht:
Eine elektronenemittierende Anordnung, die in Anzeigevorrichtungen und anderen Vorrichtungen mit integrierten Schaltungen verwendbar ist, umfaßt ein relativ dickes Halbleitersubstrat, bei dem es sich um ein makrokörniges Substrat handelt, das mittels Ionenimplatation amorph gemacht oder durch Rekristallisation reformiert oder durch Hydrieren passiviert wird, um Korngrenzen verschwinden zu lassen. Danach kann eine redundante Schaltungsanordnung auf dem Substrat hergestellt werden, um die Produktausbeute weiter zu erhöhen.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsformen erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Pixels (Bildpunktes) einer Flachplatten-Anzeigevorrichtung, die auf einem makrokörnigen Polysiliziumsubstrat gemäß der Erfindung hergestellt worden ist;

2A eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgmäßen makrokörnigen polykristallinen Substrates, das zur Herstellung der Flachplatten-Anzeigevorrichtung der 1 verwendet wird;

2B eine schematische Querschnittsansicht des makrokörnigen polykristallinen Substrates der 2A, nachdem die oberen Schichten des Substrates amorph gemacht und mit einem Muster versehen worden sind;

2C eine schematische Querschnittsdarstellung des makrokörnigen polykristallinen Substrates der 2B, nachdem das Substrat geätzt worden ist, um die in 1 zu sehenden Emitterspitzen zu definieren;

2D eine schematische Querschnittsansicht des makrokörnigen polykristallinen Substrates mit Emitterspitzen gemäß 2C, nachdem das Muster entfernt worden ist;

3A eine schematische Querschnittsansicht des makrokörnigen polykristallinen Substrates der vorliegenden Erfindung, das für die Flachplatten-Anzeigevorrichtung nach 1 verwendet wird, wobei auf dem Substrat eine isolierende Schicht und eine Schicht aus amorphem Silizium oder polykristallinem Silizium nieder geschlagen ist;

3B eine schematische Querschnittsansicht des makrokörnigen polykristallinen Substrates der 3A nach einem Mustergebungsschritt zur Festlegung der Stellen der Emitterspitzen, wie sie in 1 zu sehen sind;

3B' eine schematische Querschnittsansicht des makrokörnigen polykristallinen Substrates der 3B nach einem Ätzschritt zum Freilegen der Emitterspitzen gemäß 1;

3C eine schematische Querschnittsansicht des makrokörnigen polykristallinen Substrates nach 3A, das diffundiert worden ist, um P/N-Übergänge an den Stellen der Emitterspitzen gemäß 1 zu bilden;

3D eine schematische Querschnittsansicht des makrokörnigen polykristallinen Substrates der 3A, wobei zusätzlich eine Rekristallisation mit einem Strahlenbündel hoher Energie dargestellt ist;

3E eine schematische Querschnittsansicht des makrokörnigen polykristallinen Substrates der 3D nach einem Mustergebungsschritt zum Definieren der Stellen der in 1 zu sehenden Emitterspitzen;

3F eine schematische Querschnittsansicht des makrokörnigen polykristallinen Substrates der 3D, das zur Bildung von P/N-Übergängen diffundiert worden ist, nachdem die Stellen der in 1 zu sehenden Emitterspitzen geätzt worden sind;

4A eine schematische Querschnittsansicht des makrokörnigen polykristallinen Substrates der vorliegenden Erfindung, das bei der Herstellung einer Flachplatten-Anzeigevorrichtung der 1 verwendet wird, nachdem das Substrat rekristallisiert worden ist;

4B eine schematische Querschnittsansicht des makrokörnigen polykristallinen Substrates der 4A, das in Musterform gebracht worden ist, um die Stellen der Emitterspitzen zu definieren;

5 eine schematische Querschnittsansicht des makrokörnigen polykristallinen Substrates der vorliegenden Erfindung, das für die Herstellung der Flachplatten-Anzeigevorrichtung der 1 verwendet wird, wobei die Emitterspitzen direkt darauf erzeugt worden sind;

6 eine schematische Darstellung des Anodengates und der Emitterspitze, hergestellt auf dem makrokörnigen polykristallinen Substrat, und die redundante Schaltungsanordnung, die zum Aktivieren der Spitze verwendet wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform beschreibt das erfindungsgemäße Ver dungsgemäße Verfahren ist unter anderen Umständen verwendbar, bei denen eine integrierte Schaltungsanordnung auf einem makrokörnigen polykristallinen Substrat angeordnet werden kann, das in einer Flachplatten-Anzeigevorrichtung verwendet wird, oder für eine andere elektrische Vorrichtung, die eine integrierte Schaltungsanordnung mit niedrigen Kosten oder mit einer großen Fläche erfordert, wie beispielsweise eine Basisplatte für eine elektrolumineszente Anzeigevorrichtung.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist speziell verwendbar bei Anzeige vorrichtungen und Druckvorrichtungen, bei denen es wichtig ist, eine kompakte Größe aufrechtzuerhalten. Und das erfindungsgemäße Verfahren ist in Fällen nützlich, in denen Produkte Substrate mit relativ großen Abmessungen bei niedrigen Kosten mit einer integrierten Schaltungsanordnung erfordern.
Das makrokörnige polykristalline Substrat der vorliegenden Erfindung wird hier mit Bezug auf Feldemitteranzeigevorrichtungen beschrieben. Für den Fachmann ist es aber leicht ersichtlich, daß es gleichermaßen anwendbar ist für jegliche andere Flachplatten-Anzeigevorrichtung, die ein Substrat verwendet, auf dem eine adressierbare Anordnung für dessen Betreiben verwendet wird. Nichtabschließende Beispiele hierfür sind: elektrochrome Anzeigevorrichtungen, reflektierende, aktive matrixförmige Flüssigkristallanzeigevorrichtungen, reflektierende Flüssigkristallanzeigevorrichtungen, elektrolumineszente Anzeigevorrichtungen, Plasmaanzeigevorrichtungen usw., oder jegliche andere elektrische Vorrichtung, insbesondere bei welcher der thermische Ausdehnungskoeffizient des Substrates oder die Eignung des Substrates zur Aufnahme integrierter Schaltungen oder die Eignung, während der Halbleiterverarbeitung manipuliert zu werden, ausgenützt wird.
Die breite Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung resultiert von der Eignung, die Adressierungsschaltungsanordnung und/oder den Emitter aus einem Substrat zu bilden, das mit großen Flächen bei niedrigen Kosten hergestellt werden kann, und aus dem ferner sowohl unter Vakuum arbeitende elektronische Vorrichtungen als auch elektronische Festkörpervorrichtungen hergestellt werden können.
1 zeigt eine Feldemissionsanzeigevorrichtung, die einen Bildpunkt oder ein Pixel 22 verwendet. Bei der bevorzugten Ausführungsform dient eine relativ dicke makrokörnige polykristalline Siliziumschicht als ein Substrat 11, auf dem eine Schicht 12 aus einem leitenden Material, wie dotiertem polykristallinen Silizium, aufgebracht sein kann, oder eine Schicht, in welcher die Schicht von dem Substrat 11 gebildet wird. An einer Feldemissionsstelle ist eine Mikrokathode 13 auf der Oberseite des Substrates 11 erzeugt worden. Alternativ kann die Kathode oder der Vorsprung 13 aus dem Substrat 11 selbst gebildet sein.
Die Mikrokathode 13 ist eine vorstehendes Teil, das eine Vielzahl von Formen haben kann, wie pyramidenförmig, konisch oder eine andere geometrische Gestalt, die eine feine Mikrospitze für die Emission von Elektronen aufweist.
Die Mikrokathode 13 wird von einem Extraktionsgitter oder einer Gatestruktur 15 umgeben. Wenn über eine Quelle 20 eine Potentialdifferenz zwischen der Kathode 13 und dem Gate 15 angelegt wird, wird ein Strom von Elektronen 17 in Richtung zu einem mit Leuchtstoff beschichteten Bildschirm 16 hin emittiert. Der Bildschirm 16 bildet eine Anode. Die Elektronenemissionspitze 13 ist mit dem makrokörnigen Halbleitersubstrat 11 einstückig ausbildet und dient als Kathodenleiter. Das Gate 15 dient als eine Extraktionsgitterstruktur für die jeweilige Kathode 13. Eine dielektrische isolierende Schicht 14 ist auf der leiten den Kathodenschicht 12 auf gebracht. Der Isolator 14 weist eine Öffnung am Platz der Feldemissionsstelle auf.
Zwischen der Frontplatte 16 und der Basisplatte 21 sind abstandshaltende Trägerstrukturen 18 angeordnet, die dazu dienen, dem atmosphärischen Druck standzuhalten, der an der Elektrodenfrontplatte 16 als Ergebnis des Vakuums auftritt, das zwischen der Basisplatte 21 und der Frontplatte 16 für das richtige Funktionieren der Emitterspitzen 13 erzeugt wird.
Die erfindungsgemäße Basisplatte 21 weist auf: eine matrixartige adressierbare Anordnung von Kaltkathodenemissionsstrukturen 13, das Substrat 11, auf dem die Emissionsstrukturen 13 erzeugt worden sind, die Schicht 12 aus leitendem Material, die isolierende Schicht 14 und das Anodengitter 15. Zusätzlich weist die Basisplatte auch die Treiberschaltungsanordnung und eine aktive Schalt-Schaltungsanordnung an dem Ort eines jeden Pixels 22 auf, eine Stromregulierschaltungsanordnung und anwendungsspezifische Schaltungen.
Um eine Elektrodenbasisplatte 21 herzustellen, welche das Kathodenfeld 13 auf einem makrokörnigen polykristallinen Substrat 11 enthält, sollten die Korngrenzen 1 in dem Substrat 11 wesentlich minimiert oder eliminiert werden. Die Korngrenzen 1 können verschiedene Formen in dem Substrat 11 bilden und können in jeglichen Orientierungen vorliegen. Die Korngrenzen 1 des bevorzugten Substrates 11 sind "säulenförmig", d. h., sie sind in etwa normal zu der Oberfläche des Substrates 11 orientiert. Überdies sind die Korngrenzen von ausreichend geringer Dichte, so daß eine Redundanz angewendet werden kann, und/oder die Korngrenzen 11 verleihen sich selbst eine Passivierung, so daß ein Lecken von Knoten zu Knoten wesentlich minimiert und die Kontinuität des selben Knotens konserviert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das makrokörnige Substrat 11 amorph gemacht (d. h. passiviert), um die Korngrenzen 1 verschwinden zu lassen. Eine Ionenimplantation oder ein Bombardement, beispielsweise unter Verwendung von Argon- oder Fluorionen, ist die bevorzugte Methode zum Amorphmachen oder Beschädigen des Substrates 11, wie es in 2A dargestellt ist.
Das Substrat 11 wird dann maskiert mittels einer geeigneten, bekannten Mustergebungstechnik, wie es in 2B zu sehen ist. Das Muster 23 definiert die Stellen der Emitterspitzen 13. Gleichermaßen kann unter Verwendung von in der Halbleitertechnik derzeit bekannten Methoden auch die redundante integrierte Schaltungsanordnung nach 6 herge stellt werden, und zwar auf dem selben Substrat 11 wie die Emitterspitzen 13, welche die aktive Schaltungsanordnung betreiben, wodurch externe elektronische Anordnungen und Schnittstellen minimal gemacht werden. Die Möglichkeit der Herstellung von Transistoren auf dem selben Substrat 11, auf dem sich auch die Kathoden 13 befinden, stellt einen der Vorteile der Verwendung des makrokörnigen polykristallinen Substrates 11 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren dar.
Alternativ kann die Schaltungsordnung zum Steuern der Emitter 13 auf einem anderen Substrat hergestellt werden, wenn dies erwünscht ist. Bei einer anderen alternativen Ausführungsform wird die Schaltungsanordnung auf dem selben Substrat 11 hergestellt, jedoch nicht in redundanter Form.
2C gibt eine weitere Darstellung der Herstellung der Emitterspitzen 13 auf dem makrokörnigen Substrat 11. Die Emitterspitzen 13 werden durch ein Ätzen oder einen anderen geeigneten Herstellungsschritt erzeugt. Wie zuvor erwähnt, sind es die Ätzschritte, die kritisch sind, wenn man Strukturen auf Substraten 11 mit Korngrenzen 1 herstellt. Wenn die Korngrenzen 1 durch den Ionenimplantationsprozeß genügend beschädigt worden sind, kann man eine vernünftige Ausbeute erwarten.
Wenn der Ätzschritt zu Ende gebracht worden ist, kann die Maske 23 entfernt werden, und dadurch werden die Emitterspitzen 13 freigelegt, wie es in 2D zu sehen ist. Zu diesem Zeitpunkt können die anderen Strukturen der Flachplatten-Anzeigevorrichtung (beispielsweise ein Gitter 15, Isolierschichten 14 usw.) auf die übliche Weise hergestellt werden. In diesem Zusammenhang sei beispielsweise hingewiesen auf: US 3 875 442 A , in der ein Anzeigepanel beschrieben wird; US 3,665,241 A , US 3,755,704 A und US 3,812,559 A , in denen Feldemissionskathodenstrukturen beschrieben werden; und US 4,923,421 A , in der eine Methode zur Erzeugung von Polyimid-Abstandselementen in einer Feldemissions-Plattenanzeigevorrichtung diskutiert werden.
Die bevorzugte Ausführungsform wird hergestellt mittels Methoden, die beschrieben sind in: der US 5 358 908 A mit dem Titel "Verfahren zur Erzeugung von Oberflächenunebenheiten und anderen Merkmalen auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrates"; der US 5,205,770 A mit dem Titel "Verfahren zum Erzeugen von Tragelementen (Abstandselementen) mit einem hohen Formverhältnis für Feldemissionsanzeigevorrichtungen unter Verwendung einer Mikrosägetechnik"; US 5,186,670 A mit dem Titel "Verfahren zum Bilden selbstausgerichteter Gate-Strukturen und Fokusringe"; und US 5 229 331 A mit dem Titel "Verfahren zum Bil den von selbstausgerichteten Gate-Strukturen um Kaltkathodenemitterspitzen herum unter Verwendung eines chemisch-mechanischen Polierverfahrens", die alle der Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung gehören.
Alternative Methoden zur Überwindung der Probleme, die den Korngrenzen 1 des makrokörnigen Substrates 11 innewohnen, sind in den 3A bis 5 dargestellt.
Die erste Gruppe von Alternativen, die in 3A dargestellt ist, umfaßt einen Herstellungsprozeß, bei dem eine isolierende Schicht 7 auf dem makrokörnigen polykristallinen Substrat 11 aufgebracht oder gezüchtet wird. Das isolierende Material 7 kann irgendein geeignetes Material sein. Vorzugsweise besteht es aus Siliziumdioxid (SiO₂). Über dem isolieren den Material 7 kann eine Schicht 8 aus amorphem Silizium oder Polysilizium aufgebracht werden.
An dieser Stelle besteht eine Option, wie sie in 3B dargestellt ist, darin, das makrokörnige Substrat 11 zum Erzeugen von in ein Muster gebrachtem Silizium zu verwenden. In diesem Fall können die Emitterspitzen 13 und die Dünnschichttransistoren (2 und 4 in 6) durch einen Ätzschritt hergestellt werden, wie es in 3B' gezeigt ist. In einem solchen Fall können die Korngrenzen 1 hydriert (d. h., passiviert) werden, um die Beweglichkeit der Elektronen innerhalb des Substrates 11 zu verbessern und ein Lecken zu verhindern.
Eine andere Option, wie sie in 3C gezeigt ist, besteht darin, eine Methode Silizium 8 auf Isolator 7 (abgekürzt SOI von Silicon On Insulator) anzuwenden und die Emitterspitzen 13 und die Dünnschichttransistoren (2 und 4 in 6) herzustellen unter Verwendung von diffundierten P/N-Übergängen, wobei die P/N-Übergänge mittels bekannter Verfahren in Musterform gebracht oder die P/N-Übergänge mittels ebenfalls bekannter Methoden selbst ausgerichtet werden können. In solchen Fällen können die Korngrenzen 1 hydriert werden, um die Beweglichkeit der Elektronen innerhalb des Substrates 11 zu verbessern und Lecken in der Schaltungsanordnung zu verhindern.
Wie in 3D gezeigt ist, besteht eine andere Option darin, die amorphe Schicht oder Polysiliziumschicht 8 zu rekristallisieren oder reformieren, um ein Substrat 11 mit größeren Körnern zu bilden, das Eigenschaften mehr denen von einkristallinem Silizium aufweist. Nach dem Rekristallisationsschritt wird die Siliziumschicht in Musterform 23 gebracht, wie es in 3E gezeigt ist. Es wird dann ein Ätzschritt durch geführt, wordurch die Emitterspitzen 13 definiert werden.
Eine weitere Option ist die Methode Silizium auf Isolator (SOI), die auch nach einem Rekristallisationsschritt angewendet werden kann, wie es in 3F zu sehen ist. Die Emitterspitzen 13 und die Dünnschichttransistoren (2 und 4 in 6) können hergestellt werden unter Verwendung von diffundierten P/N-Übergängen, wobei die P/N-Übergänge in Musterform gebracht werden können mittels bekannter Methoden oder mittels ebenfalls bekannter Methoden selbst ausgerichtet werden können.
Eine andere Alternative, wie sie in 4A gezeigt ist, besteht darin, das makrokörnige Substrat 11 zusammenwachsen zu lassen oder zu reformieren mittels einer Rekristallisation, um ein Substrat 11 mit größeren Körnern zu bilden, das Eigenschaften mehr denen von einkristallinem Silizium aufweist, und das makrokörnige Polysilizium 11 einfach direkt (d. h., ohne die Isolierschicht 7 und eine amorphe Schicht oder Polysiliziumschicht 8) für die Halbleiterherstellung zu verwenden und Feldemissionsvorrichtungen 13 durch Mustergebung 23 gemäß Darstellung in 4 und durch Ätzen herzustellen oder mittels einer anderen geeigneten Methode.
In den oben erwähnten Fällen kann die Rekristallisation durchgeführt werden, indem in dem Substrat 11 eine Keimbildung mit einem Kristall durchgeführt und dann eine Abtastung und Erwärmung des Substrates unter Verwendung einer intensiven Lichtquelle oder eines Lasers durch geführt wird, wodurch ein Substrat mit einer Einkristallorientierung gezüchtet wird.
Bedeutsame jüngere Arbeiten umfaßten die Verwendung einer Laserstrahlenrekristallisation zum Umwandeln von polykristallinen oder amorphen Siliziumbereichen in eine monokristalline Form, indem ein Schmelzen des polykristallinen Siliziums oder amorphen Siliziums an einem Keimbildungspunkt auf einem monokristallinen Substrat eingeleitet und dann diese Keimbildung auf einen dielektrischen Bereich ausgedehnt wurde.
Die Grundsätze dieses Konzeptes sind in der US 4,323,417 A beschrieben. Die Effekte des Variierens der Form der anfänglichen polykristallinen oder amorphen Siliziumstrukturen und der Strahlenbündel sind in der US 4,330,363 A betrachtet, und zwar in einem Zusammenhang, in dem keine Keimbildung während der Umwandlung in eine monokristalline Form verwendet wird. Weitere Verfeinerungen in der Rekristallisation von Keimbereichen monokristallinen Siliziums sind beschrieben in den US 4,592,799 A und US 4,599,133 A . Erstere betrifft die Orientierung von Keimbildungsstellen bezüglich der Abtastrichtung des Laserstrahlenbündels sowie die Form des Strahlenbündels, wobei eine zentrale Lehre darin besteht, daß die Richtung der Bewegung eines Strahlenbündels quer zur Richtung der längeren Ausdehnung des Strahlenbündels und zum Keimzonenmuster verläuft. Das letzterwähnte Patent erstreckt diese Konzepte auf eine Mehrzahl von Siliziumschichten, die durch das Vorhandensein von dielektrischen Schichten in Zonen ohne Keim einzeln getrennt sind. Hingewiesen sei auch auf US 4,997,780 A , die ein Verfahren zur Herstellung von integrierten CMOS-Vorrichtungen in Inseln mit Keimbildung beschreibt.
Eine weitere, in 5 gezeigte, Alternative besteht darin, das makrokörnige polykristalline Substrat 11 einfach so zu verwenden, wie es ist, und Emitter 13 und Transistoren (wie 2 und 4 in 6) einfach darauf zu erzeugen. Dabei können Transistoren 2 und 4 mittels P/N-Übergängen getrennt werden, wobei die P/N-Übergänge mittels bekannter Methoden in Musterform gebracht werden oder die P/N-Übergänge mittels ebenfalls bekannter Methoden selbst ausgerichtet werden können. In solchen Fällen können die Korngrenzenn 1 passiviert werden, wobei eine Passivierungsmethode darin besteht, die Korngrenzen 1 zu hydrieren, um die Beweglichkeit der Elektronen innerhalb des Substrates 11 zu verbessern und um Lecken in der Schaltungsanordnung zu verhindern. Bei dieser Ausführungsform hat ein Substrat 11 bevorzugtermaßen säulenförmige Korngrenzen 11 bezüglich der Oberfläche und geringe Kristalldefekte, freie Bindungen und eine Kontamination, so daß die Erfordernisse für eine Passivierung reduziert oder eliminiert sind.
6 zeigt die redundante integrierte Steuer- und aktive Treiberschaltungsanordnung, die auf dem makrokörnigen Substrat 11 gebildet werden kann, um die Emitterspitzen 13 und das Anodengitter 15 zu betreiben.
Die integrierte Schaltungsanordnung wird vorzugsweise parallel hergestellt und es handelt sich vorzugsweise um eine einfache Verdopplung der erforderlichen Transistoren 2 und 4, Kondensatoren usw., die zum Aktivieren der gewünschten Emitterspitzen 13 und der zugehörigen Gitter 15 verwendet werden. Im tatsächlichen praktischen Einsatz wird der Grad der mittels 6 erläuterten Redundanz nicht verwendet.
Bei der bevorzugten Methode kann das Anodengitter 15 zu allen Zeiten, in denen die Anzeigevorrichtung in Benutzung ist in die EIN-Position gebracht werden (und bedarf daher nicht der Redundanz auf dem Gitter niveau 15, wie es in 6 gezeigt ist), und die redundante Schaltungsanordnung wird verwendet, um die Spitzen 13 durch Reihen- und SpaltenAdressierung zu aktivieren.
Eine andere Alternative wäre die, die Spitzen zu im wesentlichen allen Zeiten, zu denen die Anzeigevorrichtung in Benutzung ist, EIN zu schalten und eine redundante Schaltungsanordnung nur für das Gate 15 vor zusehen. Eine solche Alternative ist nicht sehr praktisch, da es schwieriger ist, eine Schaltungsanordnung auf der Gitterschicht 15 herzustellen.
Es ist möglich, die Steuer- und Treiber-Schaltungsanordnung in größeren Vielfachen zu vervielfältigen, falls dies gewünscht ist, und zwar für entweder das Gitter 15 oder die Spitzen 13 (d. h., die Transistoren 2ⁿ und 4ⁿ in 6). Die Herstellung der Schaltungsanordnung auf dem Substrat 11 kann dazu verwendet werden, eine Vielfalt von integrierten Schaltungsfunktionen zu verwirklichen.
Wenn der Schaltungskonstrukteur die Wahl trifft, eine größere Vielzahl von Transistoren, Kondensatoren, Widerständen usw. zu verwirklichen, können solche Vorrichtungen unter Winkeln anders als 180° voneinander angeordnet werden, um die Möglichkeit weiter zu verringern, daß eine Vorrichtung auf einer Korngrenze 1 sitzt. Als Ergebnis wird eine erhöhte Ausbeute noch weiter sichergestellt, und dadurch wird die Möglichkeit von nicht-funktionierenden Pixeln 22 minimiert.
Es kann irgendeine der bekannten Methoden verwendet werden, um Sicherungen 3, 3', usw. oder 5, 5' usw. in der redundanten Schaltungsanordnung zu unterbrechen. Einige Beispiele des Unterbrechens von Sicherungen umfassen: Aufbringen von Laserenergie, hoher interner Strom oder ein Mechanismus zum automatischen Zerstören von Sieherungen. Siehe beispielsweise US 5,038,368 A mit dem Titel "Redundanzsteuerschaltung zur Verwendung bei verschiedenen digitalen Logiksystemen einschließlich Schieberegistern".
Wegen Zwischenverbindungsproblemen stellen Siliziumsubstrate mit einer NMOS- oder einer CMOS-Treiberschaltungsanordnung, die auf dem selben Sustrat wie die Emitterspitzen 13 hergestellt ist, einen enormen Vorteil dar. Da Siliziumwafer mit enorm großen Körnern hergestellt werden können, ist es möglich, redundante Sicherungen 3 und eine auswählbare MOS-Treiberschaltungsanordnung so herzustellen, daß in den Fällen, in denen Transistoren 2 oder 4 so hergestellt werden, daß eine Korngrenze 1 einen P/N-Übergang kreuzt (ein potentieller Leckdefekt), die Transistoren 2 oder 4 durch Unterbrechen von Sicherungen aus der Schaltung herausgenommen (oder auf andere Weise herausselektiert) oder in Reihenschaltung gebracht werden mit mehr als einer Zugriffsvorrichtung an verschiedenen Stellen, wobei die Gates von allen parallel geschaltet sind.
Das besondere makrokörnige polykristalline Substrat zur Verwendung in Flachplatten-Anzeigevorrichtungen, wie es hier beschrieben worden ist, stellt nur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Wenn z. B. die bevorzugte Ausführungsform auch im Hinblick auf Feldemitteranzeige vorrichtungen beschrieben worden ist, kann die vorliegende Erfindung auch bei anderen Flachplatten-Technologien angewendet werden, die Transistoren oder eine andere "bordeigene" Schaltungsanordnung erfordern, wie es zum Betreiben der Anzeigevorrichtung erforderlich sein mag, und nicht nur Kaltkathodenemitter. Ferner existiert ein weiter Spielraum hinsichtlich strukturellen Elementen, die in der Basisplatte der Anzeigevorrichtung verwendet werden können.

Claims

Basisplatte für eine flache plattenförmige Anzeigeeinrichtung, aufweisend: a) ein Halbleitersubstrat (11) mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, b) eine über der ersten Seite des Substrates (11) angeordnete leitfähige Schicht (12), c) mindestens eine über der leitfähigen Schicht (12) angeordnete Isolierschicht (14), wobei die Isolierschicht (14) eine Anzahl von darin angeordneten Zwischenräumen aufweist, d) ein über der Isolierschicht (14) angeordnetes Extraktionsgitter (15), wobei das Extraktionsgitter (15) eine Anzahl von darin angeordneten Hohlräumen aufweist, e) wobei die Hohlräume eine Gestalt derart aufweisen, so daß die Zwischenräume der Isolierschicht (14) mit den Hohlräumen in dem Extraktionsgitter (15) einstückig sind, wobei das Extraktionsgitter (15) über der Isolierschicht (14) angeordnet ist, f) eine Anzahl über der leitfähigen Schicht angeordneter Kathodenspitzen (13), g) wobei die Kathodenspitzen (13) sich durch die Zwischenräume in der Isolierschicht (14) bis zu einem Punkt in den Hohlräumen des Extraktionsgitters (15) derart erstrecken, so daß eine Spannungsdifferenz zwischen dem Extraktionsgitter (15) und einer der Kathodenspitzen (13) Elektronen veranlaßt, aus der Kathodenspitze (13) emittiert zu werden, wobei h) ein Anschluß für eine Spannungsversorgung vorgesehen ist, wobei die Spannungsversorgung die Spannungsdifferenz zwischen dem Extraktionsgitter (15) und den Kathodenspitzen (13) liefert, und i) das Halbleitersubstrat (11) ein makrokörniges polykristallines Substrat ist und eine Dicke größer als 300 μm aufweist.
Basisplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weniger als 1 % der Makrokörner kleiner als 0,5 mm im Durchmesser sind.
Basisplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über der leitfähigen Schicht redundante Treiberschaltungen angeordnet sind, wobei die redundanten Treiberschaltungen zum selektiven Aktivieren der Kathodenspitzen (13) vorgesehen sind.
Basisplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die redundanten Treiberschaltungen aus mindestens zwei Transistoren (2, 2'; 4, 4') bestehen, die aus mindestens einem der Typen CMOS-, PMOS- oder NMOS-Transistor ausgewählt sind.
Verfahren zum Herstellen einer Basisplatte mit einem makrokörnigen Polysiliziumsubstrat (11) mit einer Dicke größer als 300 μm für eine flache Anzeigeeinrichtung, mit folgenden Schritten: a) Re-Formieren des makrokörnigen Substrates (11), wobei das Substrat (11) Korngrenzen (1) aufweist, die mindestens 0,5 mm voneinander beabstandet sind, und wobei das Re-Formieren des Makrokorn-Substrates (11) die Korngrenzen (1) verwischt, b) Mustergebung des Substrates (11), wodurch mindestens eine Kathodenspitze (13) bestimmt wird, c) Ätzen des Substrates (11) und dadurch Freilegen der Kathodenspitze (13), d) Ablagern einer Isolierschicht (14) über dem Substrat (11) und eines Distanzhalters (18) um die Kathodenspitze (13) herum, und e) Ablagern einer leitfähigen Schicht in einem Muster über der Isolierschicht, wobei die leitfähige Schicht als ein Extraktionsgitter (15) wirkt.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch den Schritt des Bildens redundanter Schaltungen auf dem Substrat (11), wobei jede der Schaltungen mindestens zwei Transistoren (2, 2'; 4, 4') aufweist, wodurch die Kathodenspitze (13) oder das Extraktionsgitter (15) oder beide durch einen Satz von mindestens zwei Transistoren (2, 2'; 4, 4') gesteuert werden, wobei die mindestens zwei Transistoren (2, 2'; 4, 4') parallel geschaltet sind.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Transistoren (2, 2'; 4, 4') als CMOS-, NMOS- oder PMOS-Transistor ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Re-Formierungsschritt durch eine Ionenimplantation unter Verwendung von Fluoridionen bewerkstelligt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Re-Formierungsschritt durch Rekristallisation bewerkstelligt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Basisplatte mit einem makrokörnigen Polysiliziumsubstrat (11) mit einer Dicke größer als 300 μm für eine flache Anzeigeeinrichtung, mit folgenden Schritten: a) Aufbringen eines Isoliermaterials (7) über dem Substrat (11), b) Aufbringen einer Siliziumschicht (8) über dem Isoliermaterial (7), c) Mustergebung der Siliziumschicht (8), dadurch Bestimmen eines Ortes von mindestens einem Emitter (13), d) Ätzen des Substrates (11), dadurch Bilden des Emitters (13) an dem Ort, e) Ablagern einer Isolierschicht über dem Substrat (11) und an einer Umgebung des Emitters (13), und f) Ablagern einer leitfähigen Schicht (15) in einem Muster über der Isolierschicht, wobei die leitfähige Schicht als ein Extraktionsgitter (15) dient.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Bildens redundanter Schaltungen auf dem Substrat, wobei jede der Schaltungen mindestens zwei Transistoren (2, 2'; 4, 4') aufweist, wodurch der Emitter (13) oder das Extraktionsgitter (15) oder beide durch einen Satz von mindestens zwei Transistoren (2, 2'; 4, 4') steuerbar sind, wobei die zwei oder mehr Transistoren (2, 2'; 4, 4') parallel geschaltet sind, wodurch eine Kompensation eines möglicherweise in einem der Transistoren (2, 2'; 4, 4') auftretenden korngrenzenbedingten Leckstromes erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Transistoren (2, 2'; 4, 4') als CMOS-, NMOS oder PMOS-Transistor ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des zur Funktionsunfähigkeit führenden Deselektierens eines der mindestens zwei Transistoren (2, 2'; 4, 4').
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Deselektieren des einen der mindestens zwei Transistoren (2, 2'; 4, 4') durch einen Hochenergiestrahl bewirkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumschicht (8) amorphes Silizium oder Polysilizium aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Erzeugens diffundierter P/N-Übergänge in der Siliziumschicht (8) vor dem Mustergebungsschritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Rekristallisierens der Siliziumschicht (8) vor dem Mustergebungsschritt.