FR2759491A1 - Cathode froide a emission de champ et son procede de fabrication - Google Patents

Abstract

Cathode froide à émission de champ comportant des émetteurs (9) formés sur un substrat de silicium (1) et un film d'électrode de grille (7) formé sur un film isolant (6) et comportant des ouvertures au-dessus des émetteurs (9) , la cathode comprenant, de plus, des tranchées (3) formées dans le substrat (1) , une pluralité d'émetteurs (9) formés sur des régions entourées par les tranchées (3) et des régions de type n (5) formées sur le substrat (1) directement au-dessous des émetteurs (9) . Des claquages provoqués par les concentrations de champ peuvent ainsi être évités et, donc, le pas entre les émetteurs (9) peut être déterminé à volonté. Lorsqu'une tension élevée est appliquée du fait d'une décharge, la résistance reliée aux émetteurs (9) empêche la circulation de courants importants vers les émetteurs (9) et l'apparition de dommages par court-circuit.

Description

CATHODE FROIDE A EMISSION DE CHAMP ET SON PROCEDE DE
FABRICATION
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne une cathode froide à émission de champ et son procédé de fabrication et, plus particulièrement, une cathode froide à émission de champ comportant un élément de contrôle de courant relié à des émetteurs et un procédé de fabrication d'une telle cathode froide à émission de champ.

DESCRIPTION DE L'ART CONNEXE
Une cathode froide à émission de champ est un élément comportant des émetteurs en forme de cônes effilés et une électrode de grille formée à proximité des émetteurs et pourvue d'ouvertures de l'ordre du sous-micron (sub-microniques), de telle manière que la cathode froide à émission de champ focalise un champ électrique intense aux bouts des émetteurs et émette des électrons à partir des bouts des émetteurs dans le vide. Cependant, parce que les émetteurs et la grille dans un tel élément sont très proches, une décharge peut se produire sous l'influence, par exemple, d'un gaz résiduel pendant le fonctionnement. En conséquence, un courant important peut circuler vers un émetteur, entraînant la fusion de l'émetteur et un court-circuit entre l'émetteur et la grille et, en conséquence, le claquage de l'élément.

Pour pallier ces problèmes, des éléments de cathode froide ont été développés, dans lesquels une couche de résistance est formée en série avec les émetteurs, de manière à empêcher la fusion des émetteurs et qu'ils soient endommagés, en contrôlant le courant pendant une décharge. En tant que procédé de formation d'une telle couche de résistance, un procédé simple a été proposé dans lequel une région de résistance élevée est formée dans une partie de l'émetteur en forme de cône.

Cependant, parce qu'une différence de potentiel, par exemple, de 100 V ou supérieure est appliquée entre l'émetteur et la grille, cette construction aboutit au développement d'une tension de 100 V, ou plus, aux bornes de la couche de résistance élevée lorsqu'une décharge provoque un court-circuit entre l'émetteur et la grille. Dans un tel cas, un champ électrique intense produit dans la région de résistance élevée provoque le claquage de champ du film de silicium qui forme la région de résistance élevée, ou provoque un effet d'avalanche dans la région de résistance élevée, produisant de ce fait la circulation d'un courant important et donnant ainsi naissance à un claquage par fusion de l'émetteur ou de la grille. Des constructions ont donc été présentées, dans lesquelles la longueur de la résistance est allongée de sorte qu'un champ intense ne puisse pas se développer dans la résistance. En tant qu'exemple, le Brevet US NO 5475280 présente un procédé d'allongement des cônes d'émetteurs.

La construction d'une telle cathode froide à émission de champ est montrée sur la figure 1. Avec référence à la figure 1, un émetteur effilé 9 est formé en forme de stylo sur un substrat de silicium 1, avec une couche de résistance 11 interposée, une couche isolante 61 et un film d'électrode de grille 7 étant formés de manière à entourer l'émetteur 9 et la couche de résistance 11. La formation de la région inférieure sous l'émetteur en forme de cône 9, sous la forme d'un long stylo et la formation de la couche de résistance 11 dans cette région permettent de déterminer la longueur efficace de la résistance sensiblement à une valeur souhaitée. Ainsi, la longueur de la résistance peut être fixée de sorte que la tension appliquée aux bornes de la couche de résistance ne puisse pas dépasser l'intensité du champ de claquage ou l'intensité du champ d'avalanche du silicium même dans le cas où une tension élevée se développe au bout de l'émetteur et qu'une élévation résultante d'une tension ait lieu entre les deux extrémités de la couche de résistance lorsqu'une décharge ou similaire se produit.

L'exemple de l'art antérieur consiste en un procédé pour former une résistance dans la partie inférieure d'un émetteur, mais d'autres procédés existent dans lesquels une couche de résistance est formée de façon séparée de l'émetteur. La figure 2 montre un exemple de la technologie précédente (la technologie précédant la présente invention) dans lequel des émetteurs 9 sont formés sur un substrat de silicium 1, un film isolant 6 et un film d'électrode de grille 7 entourant les émetteurs 9. Des tranchées 3 sont formées entre les émetteurs 9 pour séparer le substrat de silicium 1 en des régions directement sous-jacentes à chaque émetteur. Les tranchées 3 sont enterrées par un film enterré isolant 4. La figure 3 montre une vue en plan de l'élément de cathode froide de la figure 2. Comme montré sur la figure, par la séparation du substrat de silicium 1 en régions directement sous-jacentes aux émetteurs 9 en utilisant les tranchées 3, les régions du substrat de silicium 1 entourées par les tranchées 3 agissent comme des couches de résistance reliées aux émetteurs 9 correspondants. En raccourcissant la distance entre les émetteurs 9 et les tranchées 3 pour former les tranchées à des positions telles que le courant circulant à partir des émetteurs 9 ne puisse pas se disperser, la valeur de résistance des régions de résistance entourées par les tranchées peut être rendue uniforme dans le sens de l'épaisseur (profondeur).

Ceci permet d'empêcher la concentration d'un champ local et, de ce fait, permet de réaliser un élément avec une résistance élevée aux tensions de maintien.

Comme expliqué ci-dessus, la formation de couches de résistance d'une largeur telle que le courant ne se disperse pas, en série avec chaque émetteur, et le réglage de la longueur de la résistance de sorte qu'un claquage par champ ou un claquage par avalanche ne se produise pas, permettent de limiter la valeur du courant qui va circuler à travers les émetteurs ainsi que d'empêcher le claquage de l'émetteur provoqué par une décharge. En tant qu'exemple, lorsqu'une tension de grille est de 100 V, la profondeur des tranchées (longueur de la résistance) doit être d'au moins 10 Um s pour limiter l'intensité du champ à 105 V/cm, ou moins, afin d'empêcher un claquage par avalanche.

Un premier inconvénient de la cathode froide à émission de champ de l'art antérieur décrite ci-dessus consiste en ce que la formation d'une longue couche de résistance dans la partie inférieure de chaque émetteur 9, comme décrit dans le premier exemple de l'art antérieur, résulte en un rapport d'allongement plus élevé des émetteurs et ceci rend la diminution de la taille de l'élément difficile. Autrement dit, réduire la taille des émetteurs tout en maintenant un rapport d'allongement fixe signifie réduire le diamètre des émetteurs. D'autre part, maintenir le diamètre des émetteurs constant tout en augmentant la longueur de la résistance à 10 Um, ou plus, pour augmenter la tension de maintien augmente inévitablement le rapport d'allongement des émetteurs. L'un ou l'autre cas entraîne une réduction du rendement de production du fait, par exemple, des émetteurs cassés lors de la formation des émetteurs et impose une limite à la miniaturisation de l'élément. Le même inconvénient s'applique également à la technologie précédente décrite ci-dessus lorsque la marge de distance entre les tranchées et chaque émetteur est réduite de manière à entraîner une miniaturisation. De plus, étant donné que la largeur des régions de résistance sous-jacentes aux émetteurs (parties de substrat délimitées par les tranchées 3) est diminuée, une augmentation de la résistance ainsi qu'un développement de tension pendant le fonctionnement normal sont provoqués.

En tant que second inconvénient, dans un procédé dans lequel des émetteurs sont formés sur un substrat entouré par des tranchées comme dans l'exemple de la technologie précédente ci-dessus, l'augmentation de la distance entre les émetteurs et les tranchées résulte en ce que toutes les tensions effectivement appliquées entre la base et l'émetteur sont placées localement dans la région de contact entre l'émetteur et le substrat qui est directement sous-jacente aux émetteurs lorsqu'une décharge se produit. Ceci entraîne un claquage par champ ou un claquage par avalanche. La raison de cette application locale de tension est qu'une grande distance entre les émetteurs et les tranchées entraîne le courant qui circule à partir d'un émetteur à se disperser radialement vers l'extérieur depuis la partie de contact. La résistance pour ce courant qui se disperse radialement est extrêmement élevée directement au-dessous d'un émetteur (à proximité de la partie de contact) et diminue brusquement lorsque la distance par rapport à la partie de contact augmente. En conséquence, sensiblement toute la tension appliquée entre la base et l'émetteur est appliquée à la région directement sous-jacente à cet émetteur lorsqu'une décharge se produit entre la base et l'émetteur. Dans la description qui suit, le courant qui se disperse à l'extérieur depuis l'émetteur est appelé courant de dispersion et la résistance qui agit contre ce courant de dispersion est appelée résistance de dispersion.

Ici, si la résistance spécifique du substrat de silicium 1 est p et si, afin de simplifier la discussion, la surface de contact entre l'émetteur et le substrat est supposée être un point p, alors, le courant se disperse de manière sphérique dans le substrat 1 avec le point p comme source de courant, pourvu que p soit constant. Par conséquent, la résistance de la coquille hémisphérique délimitée par les sphères concentriques de rayon r et le rayon (r + br) qui ont le point p comme centre, c'est-à-dire la résistance de dispersion bR(r) au rayon r est
2
bR(r) = p.6r/(2xr2) (1)
En conséquence, la résistance de dispersion totale du courant circulant à partir d'un émetteur est obtenue en intégrant l'équation (1) par rapport à r sur la position de la tranchée 3 prise comme une condition limite. Comme on peut le voir à partir de l'équation (1), la résistance de dispersion est inversement proportionnelle au carré du rayon r et la résistance de dispersion est donc extrêmement élevée comparée aux autres régions dans le cas où le rayon r est petit, c'est-à-dire directement au-dessous d'un émetteur. En conséquence, la résistance de dispersion directement au-dessous d'un émetteur représente effectivement toute la résistance de dispersion.

Si la distance entre les émetteurs et les tranchées est augmentée afin d'éviter une décharge, la surface d'une région de substrat entourée par des tranchées s'agrandit inévitablement au-delà de la surface de base de l'émetteur. Dans un tel cas, le courant qui circule à partir de l'émetteur se disperse radialement jusqu'aux tranchées. Le courant, une fois arrivé aux tranchées, circule dans la direction de la profondeur du substrat 1 comme un flux linéaire.

Par conséquent, le courant subit deux types de résistances, c'est-à-dire une résistance de dispersion et une résistance linéaire.

Parmi celles-ci, la résistance de dispersion qui s'associe à la région de substrat directement audessous des émetteurs n'est pas longue, bien que la majeure partie de la tension appliquée entre l'émetteur et la grille soit placée dans la résistance de dispersion lorsqu'une décharge a lieu. Par conséquent, le champ électrique de la région à travers laquelle le courant se disperse est relativement intense. En conséquence, la résistance de dispersion directement au-dessous des émetteurs devient effectivement responsable de la principale cause de claquage par champ, augmentant de ce fait la possibilité de problèmes de fiabilité, tels que la détérioration de la tension de maintien.

L'équation (1) est basée sur l'approximation très grossière que la surface de contact entre un émetteur et le substrat de silicium 1 est considérée comme un point et une déduction quantitative ne peut donc être tirée sur la base de cette équation. Cependant, les valeurs réellement mesurées sont les suivantes
Dans un cas dans lequel un émetteur est formé avec une marge de distance de 1 Um par rapport aux tranchées sur un substrat de silicium ayant une résistance spécifique, par exemple, de 5 Qcm, la résistance d'une région de courant de dispersion présente une tendance à la saturation après dispersion sur une distance d'environ 0,2 Um à 0,5 Um, la résistance étant ici de l'ordre de 50 kQ. . Lorsqu'une tension de 100 V est appliquée entre la grille et l'émetteur dans un cas dans lequel la résistance d'une région de substrat entourée par des tranchées de 10 Um de profondeur est de 50 kQ, la tension appliquée à la résistance à l'intérieur des tranchées (cette résistance fait référence à la résistance de la région du substrat entourée par les tranchées. Après s'être dispersé à partir d'un émetteur jusqu'aux tranchées, le courant circule à l'intérieur du substrat dans la direction de la profondeur des tranchées. La résistance à l'intérieur des tranchées n'est donc pas une résistance de dispersion, mais une résistance au courant linéaire normal) est de 50 V et la tension appliquée aux bornes de la région à travers laquelle le courant se disperse est également de 50 V. L'intensité du champ à cet instant est de 5 x 104 V/cm parce qu'une tension de 50
V est appliquée sur une distance de 10 ssm dans la résistance à l'intérieur des tranchées. Cependant, l'intensité du champ dans la région de résistance de dispersion devient de 5 x 105 V/cm parce qu'une tension de 50 V est appliquée sur une distance d'environ 1 Hm dans une direction radiale dans cette région. En conséquence, un claquage par champ est susceptible d'être produit dans la région de résistance de dispersion. La possibilité d'un claquage par champ dans la région de dispersion de courant, c'est-à-dire dans la région de résistance de dispersion, augmente donc dans les cas dans lesquels la marge de distance entre les tranchées et les émetteurs est rendue supérieure à la longueur de 0,2 ym à 0,5 Um.

De plus, un troisième inconvénient consiste en ce qu'un procédé dans lequel des tranchées sont formées pour chaque émetteur individuel impose une limite à la réduction de l'espace entre les émetteurs, c'est-à-dire des limites à la miniaturisation. Autrement dit, dans les cas dans lesquels une profondeur de tranchée de 10 Um ou plus est nécessaire, tenter de réaliser un pas d'émetteurs de l'ordre de 2 ttm, ou moins, entraîne la diminution de la largeur des tranchées au-dessous de 1 Hm et amène le rapport d'allongement des tranchées à dépasser 10. Ceci entraîne des difficultés lors de l'enterrement des tranchées par une couche enterrée.

Ici, un procédé est envisagé dans lequel la distance entre les émetteurs est réduite en formant une pluralité d'émetteurs dans une zone entourée par des tranchées. Cependant, former simplement une pluralité d'émetteurs dans une zone entourée par des tranchées résulte en un courant dispersé à partir de chaque émetteur individuel plus important que dans un cas dans lequel chaque émetteur individuel est séparé par des tranchées. Ceci aboutit au problème qu'une tension de maintien élevée ne peut pas être obtenue parce que, comme expliqué ci-dessus, la tension de maintien est essentiellement déterminée par les conditions dans la région directement au-dessous d'un émetteur.

RESUME DE L'INVENTION
Un objet de la présente invention est de prévoir un procédé pour former une résistance destinée à empêcher un claquage par décharge malgré la miniaturisation des émetteurs de la cathode froide à émission de champ, malgré la réduction de la distance entre les émetteurs, ou la réduction de la distance entre les émetteurs et les tranchées.

Un autre objet de la présente invention est de prévoir une cathode froide à émission de champ dans laquelle la valeur de la résistance destinée à empêcher un claquage par décharge est hautement contrôlable et, de plus, dans laquelle l'application d'une tension élevée aux bornes de cette résistance pendant un fonctionnement normal peut être supprimée.

La cathode froide à émission de champ de la présente invention est pourvue d'émetteurs qui présentent des bouts effilés et qui sont formés sur un substrat conducteur et d'une électrode de grille qui comporte des ouvertures au-dessus des émetteurs, et comprend des tranchées formées à l'intérieur du substrat à partir de la surface supérieure du substrat conducteur et des régions de type n formées sur le substrat conducteur, entourées par les tranchées et présentant une plus faible résistivité que le substrat conducteur, les émetteurs étant formés sur les régions de type n.

En formant ainsi des régions de type n présentant une résistivité plus faible que le substrat sur la surface des régions de substrat entourées par des tranchées, la tension appliquée entre une grille et un émetteur lorsqu'une décharge se produit, est appliquée à travers tout le substrat qui comprend la région de type n, permettant de ce fait d'empêcher que la majeure partie de la tension appliquée soit développée localement uniquement au niveau des parties de contact directement au-dessous des émetteurs.

Il est efficace de former les régions de type n dans les régions de dispersion de courant dans lesquelles le courant se disperse dans le substrat à partir des émetteurs lorsqu'une décharge se produit entre la grille et les émetteurs.

La résistance de dispersion d'une région de dispersion de courant peut être mise au même niveau, ou à un niveau inférieur, à la résistance des autres régions de résistance en formant une région de type n de faible résistance sur la surface supérieure d'une région de résistance directement au-dessous d'un émetteur où le courant se disperse à partir de l'émetteur. En conséquence, une distribution d'intensité de champ sensiblement uniforme peut être obtenue dans une région de résistance entourée par des tranchées, indépendamment de la distance entre l'émetteur et les tranchées. Un élément de cathode froide peut ainsi être formé, dans lequel il n'y a pas de différences entre les tensions de maintien résultant des différences de distance entre un émetteur et les tranchées.

Dans le cas d'une résistance de la longueur de la résistance de 20 Hm d'une région de résistance entourée par des tranchées, la résistance dans une région de dispersion de courant, qui était de 50 kQ/émetteur dans la technologie précédente, peut être sévèrement réduite à 3 kQ/émetteur en formant des régions de résistance comme décrit ci-dessus. De cette manière, la centralisation du champ dans une région de dispersion de courant peut être relâchée. Cet effet n'est pas dû simplement à la réduction de la résistance de contact en implantant des atomes d'impureté dans la partie de contact, mais à la réduction de la résistance de toute une région de dispersion.

Dans la cathode froide à émission de champ de la présente invention, une région de type n peut être formée sur toute la surface du substrat conducteur entourée par les tranchées. En variante, une pluralité d'émetteurs peuvent être formés sur une région de type n formée sur chacune des régions entourées par des tranchées.

S'il n'existe pas de région de type n, comme dans un élément de cathode froide de l'art antérieur, la formation d'une pluralité d'émetteurs sur une région de substrat entourée par des tranchées donne naissance à un champ électrique intense dans les régions de dispersion de courant directement au-dessous des émetteurs, comme décrit ci-dessus. A son tour, cette condition donne naissance à un claquage par champ ou à un claquage par avalanche. Dans un élément de cathode froide de la présente invention, par contraste, la formation d'une région de type n de faible résistance dans la région de dispersion de courant de la pluralité d'émetteurs permet d'éviter la génération d'une tension élevée dans une courte longueur directement au-dessous des émetteurs, même là où une pluralité d'émetteurs sont formés dans une région de substrat entourée par des tranchées. Par conséquent, il n'y a pas de réduction de la tension de maintien dans l'élément selon la présente invention.

Dans la cathode froide à émission de champ de la présente invention, des régions de type p peuvent être formées à la base des tranchées dans le substrat conducteur. Ces régions de type p agissent comme régions de limitation de courant qui permettent un allongement efficace de la longueur de la résistance des régions de substrat entourées par des tranchées audelà de la profondeur réelle des tranchées.

Dans la cathode froide à émission de champ de la présente invention, la résistivité de la région entre la surface supérieure du substrat conducteur et la profondeur à laquelle les tranchées sont formées peut être déterminée différente de la résistivité des autres régions du substrat.

En dopant la région s'étendant entre la surface supérieure du substrat et la profondeur à laquelle les tranchées sont formées avec une impureté de type n à une concentration plus élevée que dans les autres régions du substrat de silicium, il est possible de former une région de résistance ayant une résistance plus faible qui laisse passer un courant de saturation important pendant un fonctionnement à résistance de pincement. Inversement, si une couche de résistance de type n est formée présentant une concentration d'impureté plus faible que la concentration dans les autres régions du substrat, une valeur de résistance souhaitée peut être obtenue en augmentant la zone de la région de substrat entourée par des tranchées. Dans ce cas, une augmentation du nombre d'émetteurs est possible.

Le procédé pour réaliser une cathode froide à émission de champ de la présente invention concerne une cathode froide à émission de champ comportant des émetteurs formés sur un substrat conducteur et une électrode de grille formée de manière à comporter des ouvertures au-dessus des émetteurs et comprend les étapes consistant à : former un premier film isolant sur la surface supérieure d'un substrat de silicium de type n, former un masque comportant des ouvertures dans une région de formation de tranchée entourant une région de formation d'émetteurs sur le premier film isolant et dessiner le premier film isolant, former des tranchées dans le substrat de silicium en utilisant le premier film isolant comme masque, enterrer un film enterré composé d'un film isolant à l'intérieur des tranchées, enlever le film enterré et le premier film isolant jusqu'à ce que la surface du substrat de silicium soit exposée, doper le substrat de silicium exposé avec des atomes d'impureté de type n d'une concentration souhaitée à une profondeur correspondant à la région de dispersion du courant circulant dans le substrat à partir d'un émetteur, formant de ce fait une région de type n présentant une plus grande conductivité que le substrat de silicium, former un second film isolant et un film d'électrode de grille sur la région de type n, former des ouvertures dans la région de formation d'émetteurs du film d'électrode de grille et du second film isolant et former des émetteurs sur la région de type n des ouvertures.

De cette manière, des régions de type n de faible résistance peuvent être formées dans les régions de dispersion de courant dans les régions entourées par des tranchées.

Les objets, caractéristiques et avantages cidessus, et les autres, de la présente invention deviendront plus clairs à partir de la lecture de la description qui suit avec référence aux dessins joints qui illustrent des exemples de la présente invention.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 est une vue en coupe d'un exemple de l'art antérieur
la figure 2 est une vue en coupe d'un exemple de la technologie précédente
la figure 3 est une vue en plan de l'exemple montré sur la figure 2
la figure 4 est une vue en coupe du premier mode de réalisation de la présente invention
la figure 5 est une vue en plan du premier mode de réalisation de la présente invention
la figure 6 montre des vues en coupe des opérations de fabrication d'un premier mode de réalisation de la présente invention
la figure 7 montre une vue en coupe des opérations de fabrication du premier mode de réalisation de la présente invention
la figure 8 est une vue en coupe montrant un second mode de réalisation de la présente invention
la figure 9 est une vue en coupe montrant un troisième mode de réalisation de la présente invention
la figure 10 est une vue en coupe montrant un quatrième mode de réalisation de la présente invention
la figure 11 est une vue en coupe montrant un cinquième mode de réalisation de la présente invention
la figure 12 montre des vues en coupe des opérations de fabrication un sixième mode de réalisation de la présente invention
la figure 13 montre des vues en coupe des opérations de fabrication du sixième mode de réalisation de la présente invention
la figure 14 montre la caractéristique de résistivité des modes de réalisation de la présente invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DES MODES DE REALISATION PREFERES
Des modes de réalisation de la présente invention sont expliqués ci-après avec référence aux dessins joints. La figure 4 est une vue en coupe montrant un mode de réalisation de la présente invention. La cathode froide à émission de champ de ce mode de réalisation est pourvue d'un substrat 1 de silicium de type n, de tranchées 3 formées, de manière sélective, dans la direction de la profondeur à partir de la surface supérieure du substrat de silicium 1, d'un film enterré 4 enterré dans les tranchées 3, d'une région 5 de type n formée sur la surface supérieure du substrat de silicium 1, d'émetteurs 9 formés sur la région 5 de type n et d'un film isolant 6 et d'un film d'électrode de grille 7 formés de manière à entourer les émetteurs 9.

La figure 5 est une vue en plan montrant le mode de réalisation de la figure 4, la figure 4 étant une coupe prise le long de la ligne A-B de la figure 5. Avec référence à la figure 5, le film d'électrode de grille 7 est constitué d'une partie d'électrode de sortie 7a et d'une partie de réseau d'émetteurs 7b. Des ouvertures sont formées dans la région de formation d'émetteurs de la partie de réseau d'émetteurs 7b et les émetteurs 9 sont formés dans ces ouvertures. Les émetteurs 9 sont configurés de manière à être des blocs d'une pluralité d'émetteurs (4 émetteurs sur cette figure) et les blocs d'émetteurs sont séparés les uns des autres par les tranchées 3.

Dans ce mode de réalisation, les régions du substrat de silicium 1 qui sont entourées par des tranchées 3 agissent comme des régions de résistance et le mode de réalisation est donc réalisé de sorte qu'une pluralité d'émetteurs 9 entourés par des tranchées soient reliés en parallèle à une région de résistance.

Le pas entre les émetteurs dans les tranchées (dans la région entourée par les tranchées) peut être fixé indépendamment de la largeur des tranchées et, par conséquent, ce mode de réalisation peut être appliqué dans la miniaturisation au niveau du sous-micron ou plus. De plus, la formation de la région 5 de type n sur la surface supérieure de la région de résistance et la formation des émetteurs 9 au-dessus de la région 5 de type n peuvent empêcher le développement local de la résistance de la région directement au-dessous des émetteurs dans la région de dispersion de courant. De cette manière, une réduction de la résistance dans les régions de dispersion de courant peut être atteinte. La largeur et la profondeur des régions de type n de 0,2 Um à 0,5 Um, ou plus, sont efficaces pour contrôler la valeur de résistance des régions de dispersion de courant. On peut ainsi éviter des concentrations de champ dans les régions de dispersion de courant directement au-dessous des émetteurs. Par conséquent, le champ électrique pendant une décharge agit sur toute la région de résistance entourée par des tranchées.

Ceci empêche une augmentation du courant due à la concentration du champ, permettant de ce fait la réalisation d'un élément exempt de claquage.

Si une décharge se produit au niveau d'un certain émetteur, le potentiel de la partie supérieure de la région de résistance à laquelle appartient l'émetteur peut approcher le potentiel de grille et le potentiel des autres régions de résistance restera bas à plusieurs volts ou moins. Le potentiel au-delà des tranchées de la région de résistance sous-jacente à l'émetteur où la décharge se produit peut donc être fixé à un potentiel bas, de telle manière qu'unie couche d'appauvrissement (déplétion) s'étend soudainement à partir de l'intérieur des tranchées. La caractéristique de résistance présente, ainsi, une caractéristique de résistance de pincement pendant les décharges. Les résultats obtenus à travers l'expérimentation montrent que cette caractéristique de résistance de pincement dépend de la largeur des tranchées. La figure 14 montre la caractéristique courant/tension de la résistance, avec la valeur du courant circulant dans la région de résistance tracée par rapport à la tension entre l'émetteur et le substrat de silicium dans des cas où (a) la région 5 de type n est absente et la largeur de tranchée est de 2 clam, (b) la région 5 de type n est présente et l d'appauvrissement (déplétion) est graduelle et uniforme avec des tranchées plus larges. Par conséquent, la tension de maintien est plus élevée avec des tranchées larges dans le cas (c) que dans le cas (b). Dans la présente invention, la caractéristique de résistance peut ainsi être modifiée en tenant compte de la construction des tranchées.

Les figures 6 (a) - (d) et les figures 7 (a) - (d) sont des vues en coupe montrant les opérations de fabrication du premier mode de réalisation de la présente invention. D'abord, comme montré sur la figure 6(a), un film d'oxyde présentant une épaisseur de film d'environ 500 nm est formé comme film isolant 2 par un procédé d'oxydation thermique ou par un procédé chimique de dépôt en phase gazeuse sur la surface du substrat de silicium 1 de type n présentant une -3 concentration d'impureté d'environ 1015 cm ou plus.

Ensuite, une résine photosensible est mise en forme (non montré sur la figure) pour former un masque comportant des ouvertures d'une largeur de l'ordre d'environ 0,5 Hm - 2 Um, sur le film isolant 2 dans les régions de formation de tranchées entourant les régions de formation d'émetteurs, à la suite de quoi le film isolant 2 est mis en forme par un procédé de gravure anisotrope. Après un enlèvement supplémentaire de la résine photosensible, des tranchées 3 sont formées à une profondeur prescrite, par exemple de 10 Um, par gravure anisotrope du substrat de silicium 1 en utilisant le film isolant 2 comme masque et, comme montré sur la figure 6(b), un film enterré 4 constitué d'un film isolant est formé pour enterrer les tranchées 3. Ce film enterré est formé, après avoir développé un film susceptible d'être fondu, par exemple un film de verre boro-phospho-silicate (BPSG), en une épaisseur de film supérieure à la largeur des tranchées 3 par un procédé chimique de dépôt en phase gazeuse à basse pression, en exécutant un traitement thermique à environ 1000 OC pour niveler le film enterre.

De plus, les parois latérales des tranchées 3 sont, de préférence, traitées par oxydation thermique pour former un film d'oxyde avant de développer le film de verre BPSG pour supprimer la diffusion des atomes d'impureté hors du film de verre BPSG. Un procédé de dépôt d'un film isolant, tel qu'un film de nitrure, est également efficace.

Comme montré sur la figure 6(c), une région 5 de type n est formée en enlevant par gravure le film enterré 4 et le film isolant 2 déposés en dehors des tranchées 3 par un procédé de gravure au plasma en utilisant un gaz, tel que du CHF3, et par dopage avec des atomes d'impureté de type n, tels que des atomes de phosphore, par un procédé d'implantation d'ions à une concentration de 1017 cl 3, ou plus, à une profondeur de 0,5 ssm. Ensuite, un film isolant 6, par exemple un film d'oxyde, est déposé en une épaisseur de 500 nm, par exemple, par un procédé chimique de dépôt en phase gazeuse. Ensuite, comme montré sur la figure 6(d), un film d'électrode de grille constitué d'un film métallique, par exemple, de tungstène ou de molybdène, est formé par un procédé de pulvérisation cathodique en une épaisseur d'environ 200 nm, à la suite de quoi un film d'électrode de grille 7 est mis en forme en utilisant une résine photosensible comme masque par un procédé de gravure au plasma en utilisant un gaz tel que le SF6.

Ensuite, comme montré sur la figure 7(a), le film d'électrode de grille 7 et le film isolant 6 dans les régions de formation d'émetteurs sont gravés successivement dans un gaz de gravure en utilisant une résine photosensible comme masque, dans lequel le film d'électrode de grille 7 est gravé par du SF6 et le film isolant 6 est gravé, par exemple, par du CHF3. De cette manière, des ouvertures qui exposent la région 5 de type n sont formées.

Comme montré sur la figure 7 (b) , une couche sacrificielle 8 constituée d'aluminium est déposée en une épaisseur d'environ 100 nm par un procédé de vaporisation par faisceau électronique selon une direction oblique inclinée selon un angle prescrit par rapport à une direction perpendiculaire. Du fait du dépôt selon une direction oblique dans ce procédé, la couche sacrificielle ne se forme pas sur la région de type n exposée qui est la région de formation d'émetteurs, mais se forme plutôt sur les parois latérales du film isolant 6 et sur la paroi latérale et sur la surface supérieure du film d'électrode de grille 7.

Ensuite, comme montré sur la figure 7(c), une couche de matériau d'émetteur 9a, par exemple, de molybdène, est déposée par un procédé de vaporisation par faisceau électronique selon une direction perpendiculaire. Dans ce procédé, la couche de matériau d'émetteur 9a est développée sur la couche sacrificielle 8 et sur la région 5 de type n, la forme sur la région 5 de type n étant des cônes, formant de ce fait les émetteurs 9. La couche sacrificielle 8 est ensuite enlevée par gravure dans une solution, par exemple, d'acide phosphorique. La couche de matériau d'émetteur 9a sur la couche sacrificielle 8 est ainsi enlevée de manière à former la cathode froide à émission de champ montrée sur la figure 7(d). De cette manière, des régions 5 de type n sont formées dans les régions de dispersion de courant sur un substrat de silicium divisé par des tranchées 3 qui sont enterrées par un isolant. Une pluralité d'émetteurs 9 sont formés dans les régions 5 de type n de faible résistance.

Etant donné que cette construction de l'élément à émission de champ n'entraîne pas de détérioration de la tension de maintien, les marges entre les émetteurs peuvent ainsi être réduites. Etant donné que cette réduction des marges peut être réalisée sans tenir compte de la largeur des tranchées, le contrôle de la caractéristique de la résistance de pincement, qui dépend de la largeur des tranchées, comme décrit dans l'explication précédente, peut être atteint sans entraver la réduction des marges.

Bien que cet exemple soit destiné à former une pluralité d'émetteurs 9 sur une région de résistance entourée par des tranchées (région de substrat entourée par des tranchées) et à réduire le pas des émetteurs, cette construction est également efficace lorsqu'on forme des émetteurs selon un grand pas. Par exemple, dans une construction dans laquelle un seul émetteur est formé sur une région de résistance entourée de tranchées avec une grande marge par rapport aux tranchées, former une région de type n est de nouveau efficace pour former une cathode froide à émission de champ sans dégrader la tension de maintien.

Bien qu'un film de verre BPSG ait été utilisé comme film isolant pour enterrer les tranchées dans le procédé décrit ci-dessus, l'invention n'a pas besoin d'être limitée à un film de verre BPSG. Par exemple, les tranchées peuvent également être enterrées par un film d'oxyde non dopé formé par croissance à basse pression, ou les tranchées peuvent être fermées par oxydation thermique. En variante, on peut obtenir de bons résultats en enterrant les tranchées en formant, d'abord, un film isolant sur les parois latérales des tranchées, en enterrant les tranchées par un film de silicium polycristallin et en formant, ensuite, un film isolant sur la surface du film de silicium polycristallin.

L'explication du second mode de réalisation de la présente invention est présentée ci-après. La figure 8 est une vue en coupe montrant le second mode de réalisation de la présente invention. Comme dans le premier mode de réalisation, les éléments constituants de cet élément de cathode froide comprennent : des tranchées 3 formées, de manière sélective, dans la direction de la profondeur à partir de la surface supérieure d'un substrat de silicium 1 de type n et remplies d'un film enterré 4, une région 5 de type n formée sur la surface supérieure du substrat de silicium 1, des émetteurs 9 formés sur la région 5 de type n et un film isolant 6 et un film d'électrode de grille formés de manière à entourer les émetteurs 9.

Dans ce mode de réalisation, les régions 5 de type n sont formées directement au-dessous des émetteurs et, bien que la résistance des régions de dispersion de courant soit réduite, la construction est telle que les régions de type n ne sont pas en contact avec les tranchées. Ce mode de réalisation peut donc relâcher l'intensité des champs à proximité de la surface de contact entre cette région 5 de type n et les tranchées 3, lorsqu'une décharge se produit entre les émetteurs et l'électrode de grille, et une couche d'appauvrissement (déplétion) s'étend à partir des parois latérales des tranchées. De cette manière, ce mode de réalisation peut améliorer la fiabilité de maintien de la tension de maintien.

La figure 9 est une vue en coupe montrant le troisième mode de réalisation de la présente invention.

Par contraste avec le second mode de réalisation, qui est une construction dans laquelle les émetteurs 9 formés dans une région entourée par des tranchées sont tous reliés par la région 5 de type n, dans le troisième mode de réalisation, une région 5 de type n de plus grande surface que la surface de base d'un émetteur est formée pour chaque émetteur individuel.

Contrairement au procédé à semi-conducteurs de l'art antérieur dans lequel une région de faible résistance de type n était formée uniquement dans la zone de contact entre un émetteur et le substrat, une région de type n est formée dans la région de courant de dispersion. La résistance de la région de type n est réalisée de sorte que la résistance de la région de type n au courant de dispersion provenant de l'émetteur est plus faible que la résistance de la région de résistance entourée par les tranchées, au courant de dispersion concerné, lorsqu'une décharge se produit. Du fait de cette construction de l'élément de cathode, on peut éviter qu'une majeure partie de la tension appliquée entre la grille et l'émetteur soit appliquée de manière concentrée à la partie de contact entre l'émetteur et le substrat lorsqu'une décharge se produit. La tension de maintien peut donc être garantie sans former de région 5 de type n sur toute la région entourée par des tranchées.

Ce procédé présente l'avantage que les étapes de traitement peuvent être simplifiées parce que les régions de type n peuvent être formées par alignement automatique en injectant des atomes d'impureté de type n à partir des ouvertures de la région de formation d'émetteurs dans le film isolant 6.

La figure 10 est une vue en coupe montrant le quatrième mode de réalisation de la présente invention.

Dans ce mode de réalisation, une couche 10 de type p présentant une concentration d'impureté, par exemple, de 1017 cm 3, est formée au fond des tranchées 3 de la cathode froide du premier mode de réalisation. Cette couche 10 de type p peut être formée par dopage, de manière sélective, de bore, par exemple, par implantation d'ions, à la suite de la formation des tranchées 3. Cette couche 10 de type p agit comme une région de limitation de courant et peut augmenter la longueur efficace de la résistance de la région de substrat (région de résistance) entourée par des tranchées au-delà de la profondeur réelle des tranchées. De plus, il est possible de contrôler la distribution de champ dans les régions de substrat entourées par des tranchées en effectuant une diffusion thermique pour rendre la largeur de la couche de type p 10 supérieure à celle des tranchées. De plus, bien que la forme de la région 5 de type n puisse être réalisée comme dans le premier mode de réalisation, ce mode de réalisation n'est pas limité à la forme du premier mode de réalisation et les régions de type n employées dans le second ou dans le troisième mode de réalisation peuvent également être appliquées pour obtenir les mêmes effets, sans problème.

Le cinquième mode de réalisation de la présente invention est expliqué ci-après. La figure 11 est une vue en coupe montrant le cinquième mode de réalisation de la présente invention. La cathode froide de ce mode de réalisation est fabriquée par les opérations suivantes. D'abord, une couche de résistance de type n 16 11 présentant une concentration, par exemple, de 1016
-3 cm , est formée par croissance épitaxiale sur un substrat de silicium 1 de type n présentant une -3 concentration de 1015 cm a à la suite de quoi des tranchées 3, qui divisent la couche de résistance 11, sont formées. Ensuite, une couche 10 de type p est formée et les tranchées 3 sont ensuite enterrées par un film enterré 4. Des régions 5 de type n sont ensuite formées sur la surface supérieure de la couche de résistance 11, à la suite de quoi des émetteurs 9 sont formés sur les régions 5 de type n dans les ouvertures du film d'électrode de grille 7 et du film isolant 6 formés de manière sélective.

Le dopage avec une impureté de type n à une concentration supérieure à celle du substrat de silicium, de cette manière, permet la formation d'une couche de résistance de plus faible résistance présentant un courant de saturation important lors du fonctionnement à résistance de pincement. Inversement, lorsqu'on forme une région de résistance de type n de plus faible concentration que la concentration du substrat, une résistance souhaitée peut être obtenue et le nombre d'émetteurs peut être augmenté, en augmentant la surface d'une région de substrat entourée par des tranchées. Dans ce cas également, la valeur de la résistance, la tension de maintien et le nombre d'émetteurs dans une région de substrat entourée par des tranchées peuvent tous être contrôlés en formant une région 5 de type n dans la région de dispersion de courant. Ce mode de réalisation est un procédé consistant à introduire une couche de résistance 11, développée par un procédé de croissance épitaxiale, dans la cathode froide du quatrième mode de réalisation. Cependant, ce mode de réalisation peut également être appliqué à d'autres modes de réalisation pour obtenir les mêmes résultats.

Le sixième mode de réalisation est présenté ciaprès. Les figures 12 (a) - (d) et les figures 13 (a) (c) sont des vues en coupe montrant les opérations de fabrication du sixième mode de réalisation de la présente invention. Sur la figure 12(a), une région 51 17 de type n présentant une concentration d'environ 1O17 cm 3, ou plus, est formée sur un substrat de silicium 1 de type n présentant une concentration d'impureté d'environ 1015 cm 31 par un procédé de croissance épitaxiale, en une épaisseur de 2 ym, à la suite de quoi un film isolant 21 constitué, par exemple, d'un film d'oxyde d'une épaisseur d'environ 500 nm, est formé par un procédé chimique de dépôt en phase gazeuse. Ensuite, comme montré sur la figure 12(b), en utilisant une résine photosensible (non montrée) comme masque, des zones du film isolant 21, autres que la région de formation d'émetteurs, sont enlevées par gravure anisotrope en utilisant, par exemple, du CHF3, à la suite de quoi, en utilisant le film isolant 21 comme masque, la région de type n exposée 51 est encore traitée par gravure anisotrope en utilisant, par exemple, du SF6, pour conférer ainsi à la région 51 de type n une forme saillante. Ensuite, comme montré sur la figure 12(c), en utilisant une résine photosensible comme masque, des tranchées 3 sont formées à une profondeur d'environ 10 Hm dans la région 51 de type n et dans le substrat de silicium 1. Sur la figure 12(d), l'intérieur de ces tranchées est rempli d'un film enterré 4, par exemple, un film de verre BPSG, et la surface de la région 51 de type n est soumise à une oxydation thermique à une profondeur d'environ 200 nm pour former un film isolant 22. Dans ce procédé, la région de type n saillante 51 est également oxydée pour former des émetteurs 9 présentant des bouts effilés.

Ensuite, comme montré sur la figure 13 (a) , un film isolant 23 constitué, par exemple, d'un film d'oxyde, est déposé en une épaisseur d'environ 300 nm par un procédé de vaporisation par faisceau électronique selon une direction perpendiculaire par rapport au substrat, à la suite de quoi un film d'électrode de grille 7 constitué, par exemple, de tungstène ou de molybdène, est déposé en une épaisseur de film d'environ 200 nm.

Ensuite, comme montré sur la figure 13 (b) , un film isolant 21, constitué d'un film d'oxyde, et un film isolant 22, qui recouvre les émetteurs 9, sont enlevés par gravure en utilisant de l'acide fluorhydrique. Un film isolant 23, déposé par-dessus le film isolant 21, est également enlevé par gravure dans ce procédé et, de plus, un film d'électrode de grille 7 est enlevé pour exposer les émetteurs 9. Comme montré sur la figure 13(c), en utilisant une résine photosensible comme masque, un film d'électrode de grille 7 est mis en forme en utilisant, par exemple, du SF6, de telle manière que la cathode froide à émission de champ soit formée. Ici, les émetteurs 9 peuvent être réalisés avec une résistance encore plus faible en exécutant, par exemple, une implantation d'ions ou, en variante, les parties de cônes peuvent être revêtues d'un film métallique pour produire une plus faible résistance, ou une réduction du travail d'extraction du matériau de surface peut être forcée. Les modes de réalisation précédents étaient des exemples d'émetteurs formés à partir d'un film métallique, mais ce mode de réalisation fournit un exemple d'émetteurs formés par traitement du substrat de silicium. Avec ce type d'émetteur au silicium également, la région 5 de type n qui comprend les émetteurs 9 sur une région entourée par des tranchées est formée sur une surface supérieure entre les tranchées et, en conséquence, la région de courant de dispersion peut être modifiée pour avoir une résistance plus faible et une pluralité d'émetteurs peuvent être formés.

La formation d'une région de type n dans la région de dispersion de courant sur une région de substrat entourée par des tranchées et la réalisation de la région de dispersion de courant d'une résistance plus faible pour supprimer la concentration des champs au niveau des parties de contact entre un émetteur et le substrat fournit les effets suivants
1) Une résistance peut être formée présentant une tension de maintien stable et élevée dans laquelle la variation de la tension de maintien résultant des différences de distances entre les émetteurs et les tranchées est éliminée. En conséquence, des microémetteurs présentant des diamètres de grille du niveau du sous-micron peuvent être formés, permettant de ce fait la miniaturisation d'un élément de cathode froide, la profondeur des tranchées adéquate pour la longueur de résistance nécessaire pour une tension de maintien élevée n'a pas besoin d'être augmentée à de grandes dimensions telles que 5 à 10 Hm et le problème de claquage provoqué par le rapport d'allongement élevé des émetteurs ou de la résistance peut être éliminé. De plus, l'invention présente une valeur technique pour la miniaturisation des émetteurs.

2) Une pluralité d'émetteurs peuvent être formés dans une région de résistance entourée par des tranchées et, en conséquence, il n'est pas nécessaire que des tranchées soient formées dans tous les espaces entre les émetteurs et l'espacement entre la pluralité d'émetteurs formés dans chacune des régions entourées par des tranchées peut être réduit, permettant de ce fait une miniaturisation supplémentaire d'un élément de cathode froide.

3) L'invention apporte une amélioration du contrôle à la fois de la tension de maintien d'un élément de cathode froide ainsi que de la valeur de résistance des régions de dispersion de courant. En conséquence, le contrôle de la tension de maintien et de la valeur de résistance correspondant aux réglages de tension de l'élément de cathode froide peut être réalisé en utilisant des degrés de liberté autres que la profondeur des tranchées, indépendamment de la taille des émetteurs et du pas des émetteurs, permettant de ce fait un degré accru de liberté dans la conception d'un élément de cathode froide.

4) Enfin, parce que la miniaturisation est permise comme décrit ci-dessus, une augmentation de la capacitance flottante peut être supprimée, de telle manière que le fonctionnement à grande vitesse d'une cathode froide peut être amélioré. De plus, parce que les émetteurs peuvent être protégés lorsqu'ils fonctionnent à une tension élevée, l'invention permet également une amélioration de la fiabilité.

Cependant, on doit comprendre que, bien que les caractéristiques et les avantages de la présente invention aient été présentés dans la description précédente, la présentation est uniquement illustrative et des modifications peuvent être apportées à la forme, à la taille et à l'agencement des parties dans le cadre des revendications jointes.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Cathode froide à émission de champ pourvue d'émetteurs (9) présentant des bouts effilés et formés sur un substrat conducteur (1) et d'une électrode de grille comportant des ouvertures au-dessus desdits émetteurs (9), caractérisée par

des tranchées (3) formées à l'intérieur dudit substrat conducteur (1) à partir de la surface supérieure dudit substrat conducteur (1) ; et

des régions de type n (5) de plus faible résistivité que ledit substrat conducteur (1) qui sont formées sur ledit substrat conducteur (1), entourées par lesdites tranchées (3) ; lesdits émetteurs (9) étant formés sur lesdites régions de type n (5).

2. Cathode froide à émission de champ selon la revendication 1, dans laquelle lesdites régions de type n (5) sont formées dans les régions de dispersion de courant dans lesquelles le courant se disperse à l'intérieur dudit substrat (1) à partir des émetteurs (9) lorsqu'une décharge se produit entre ladite grille et lesdits émetteurs (9).

3. Cathode froide à émission de champ selon la revendication 2, dans laquelle lesdites régions de type n (5) sont formées sur toute la surface dudit substrat conducteur (1), qui est entourée par lesdites tranchées (3)

4. Cathode froide à émission de champ selon la revendication 2, dans laquelle lesdites régions de type n (5) sont formées sur la surface dudit substrat conducteur (1) qui est entourée par lesdites tranchées (3), de sorte que ladite région de type n (5) ne soit pas en contact avec ladite tranchée (3) et que la surface de ladite région de type n (5) soit au moins plus grande qu'une surface de base d'un émetteur (9).

5. Cathode froide à émission de champ selon la revendication 2 ou la revendication 3, dans laquelle une pluralité desdits émetteurs (9) sont formés sur des régions de type n (5) formées dans chacune des régions entourées par lesdites tranchées (3).

6. Cathode froide à émission de champ selon la revendication 4, dans laquelle une région de type p est formée sur une partie de base desdites tranchées (3) dans ledit substrat conducteur (1).

7. procédé de fabrication d'une cathode froide à émission de champ pourvue d'émetteurs (9) formés sur un substrat conducteur (1) et d'une électrode de grille comportant des ouvertures au-dessus desdits émetteurs (9), le procédé comprenant les étapes consistant à

former un premier film isolant sur une surface d'un substrat de silicium de type n (1)

former un masque comportant des ouvertures dans une région de formation de tranchées entourant une région de formation d'émetteurs sur ledit premier film isolant et mettre en forme ledit premier film isolant

former des tranchées (3) dans ledit substrat de silicium (1) en utilisant ledit premier film isolant comme masque

enterrer un film enterré constitué d'un film isolant à l'intérieur desdites tranchées (3)

enlever ledit film enterré et ledit premier film isolant jusqu'à ce que la surface dudit substrat de silicium (1) soit exposée

doper le substrat de silicium (1) exposé avec des atomes d'impureté de type n avec une concentration prescrite à une profondeur correspondant à une région de courant de dispersion qui circule dans le substrat (1) à partir d'un émetteur (9), afin de former une région de type n (5) présentant une conductivité supérieure à celle dudit substrat de silicium (1)

former un second film isolant et un film d'électrode de grille (7) sur ladite région de type n (5)

former des ouvertures dans la région de formation d'émetteurs dudit film d'électrode de grille (7) et du second film isolant ; et

former des émetteurs (9) sur la région de type n des ouvertures.