JP3139547B2

JP3139547B2 - 電界放出型冷陰極及びその用途

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Publication number: JP3139547B2
Application number: JP26695098A
Authority: JP
Inventors: 久武村
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-09-21
Filing date: 1998-09-21
Publication date: 2001-03-05
Anticipated expiration: 2018-09-21
Also published as: US6351059B1; JP2000100314A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電界放出型冷陰極に
関し、特に電子を放出するエミッタの近傍にゲート電極
を有する電界放出型冷陰極に関する。また、本発明はこ
の電界放出型冷陰極の用途に関する。

【０００２】

【従来の技術】電界放出型冷陰極は、先鋭なコーン形状
のエミッタと、サブミクロンオーダの開口を有しエミッ
タに近接して形成されるゲート電極により、エミッタ先
端に高電界を集中し、真空中でエミッタ先端から電子を
放出させる素子で、別に設けられたアノード電極でその
電子を受ける。近年の微細加工技術の発展により小型化
が進み３極管型の超小型電子管や薄型表示装置の電子銃
の構成要素として広く使用されている。従来の１μｍ程
度のゲート径を有する電界放出型冷陰極は通常１００Ｖ
程度の電圧をエミッタとゲート電極の間にかけることに
より先鋭なエミッタの先端から電子が放出されていた。
しかしながら、１００Ｖ以上の動作電圧では消費電力や
制御回路の面から動作条件が制限を受けるため、低電圧
での動作が求められていた。その一つの方法として、ゲ
ート電極の開口径を微細化する方法がある。しかしなが
ら、単に微細化するだけでは同時にエミッタとゲート電
極間の絶縁膜の膜厚も薄くなり絶縁耐圧が劣化するの
で、絶縁耐圧の劣化を抑制できるゲート電極の径の微細
化手法が求められていた。

【０００３】さらに、近接してエミッタとゲート電極が
空間的に隔てられて配置されるためにエミッタとゲート
電極間で放電が発生することがある。これにより過剰な
電流がエミッタ或いはゲート電極に流れると電極材料が
溶融し、エミッタ・ゲート電極間が短絡破壊する不良が
発生することがある。これを防止するためには放電時に
過剰な電流が流れないようにエミッタ或いはゲート電極
に電流を抑制する素子を形成することが有効である。こ
れまで通常用いられる方法としては抵抗をエミッタに接
続して形成する方法がある。この方法では抵抗形成領域
の面積が必要で有るばかりでなく、放電時以外の通常動
作時にも電流が抑制され、動作電圧が上昇することがあ
った。そこで非線形な電流電圧特性を有する縦型の電流
制御素子が提案されてきている。

【０００４】縦型の電流制御素子を有する電界放出型冷
陰極は、例えば特開平１０−１２１２８号公報に開示さ
れている。

【０００５】図８は第１の従来例の工程順断面図であ
る。まず、図８（ａ）に示すように、シリコン基板１表
面に例えば酸化膜よりなるマスク膜１４を１μｍ厚に形
成する。次にレジストなどでマスク膜１４をパターニン
グし基板１を露出させる。次にマスク膜１４をマスクと
して露出した基板を異方性エッチングして１０μｍの深
さのトレンチ４を形成する。次に図８（ｂ）に示すよう
に、ＢＰＳＧ膜を２μｍ厚に減圧CVDにより成膜しトレ
ンチ４内にのみＢＰＳＧ膜５が埋設されるまでエッチバ
ックを行う。次に図８（ｃ）に示すように、酸化膜６を
CVD法により約４００ｎｍ厚に堆積しした後、ゲート電
極膜７をスパッタ法により２００ｎｍ厚に堆積し所望の
電極形状にパターニングする。次に図８（ｄ）に示すよ
うにエミッタ形成領域に０．５μｍ程度の径のゲート開
口８をゲート電極７及び酸化膜６を選択的にエッチング
して形成する。次にアルミナ膜などの犠牲層９を斜め方
向からの回転蒸着でゲート電極７及び酸化膜６の側壁に
堆積させる。次にモリブデンなどのエミッタ材料を垂直
方向からの蒸着で堆積させると基板上にエミッタ１０ａ
と犠牲層上に余剰なエミッタ材料１０ｂが形成される。
最後に図８（ｆ）に示すように、犠牲層９を燐酸などで
エッチングすることにより、エミッタ材料１０ｂはリフ
トオフされ電界放出型冷陰極が形成される。

【０００６】この従来例ではトレンチ４で囲まれた領域
が非線形な電流電圧特性を持つ放電電流抑制素子として
働き、装置の放電短絡破壊が防止できる。

【０００７】この従来例の特性改善構造の一例を図９に
示す。シリコン基板１上に開口を有する酸化膜６とゲー
ト電極膜７を有し、ゲート開口８内に先鋭な形状のエミ
ッタ１０ａを有し、エミッタ１０ａを囲むように基板１
に設けられＢＰＳＧ膜５で埋設されたトレンチ４を有
し、トレンチ４で囲まれた基板１の上面に基板よりも高
濃度のｎ型不純物を添加されたｎ型領域１２を有してい
る。

【０００８】この例は図８の従来例にｎ型拡散層１２を
加えた構造となっており、エミッタ下部の接触抵抗が低
下し、さらに電流経路がエミッタ下部に集中することを
防いでいる。これにより、ｎ型拡散層１２が無い場合、
局所的な領域に放電時に電流が集中し、エミッタと基板
の接触抵抗により局所的に電圧がかかりブレークダウン
し、トレンチで囲まれた領域の非線形な電流電圧特性の
放電電流抑制素子の実効長が短くなり、実効長が短くな
った素子間に高電界がかかり耐圧が劣化することを防止
している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来技術の第１の問題
点は、ゲート電極下の絶縁膜を絶縁性のよい熱酸化膜で
形成できないため、ゲート径の微細化を進めることによ
り絶縁膜厚が薄くなりエミッタ・ゲート電極間の耐圧が
低下していくことである。これはエミッタの高さがゲー
ト開口径に比例するためであり、例えばゲート開口径が
０．８μｍから０．４μｍになると酸化膜厚は０．４μ
ｍから０．２μｍになる。

【００１０】従来技術の第２の問題点は、ゲート径の微
細化によりエミッタ・ゲート電極間の酸化膜が薄膜化す
るに伴い酸化膜側壁の沿面距離が短くなることである。
一般に、エミッタゲート電極間の酸化膜の真空中に露出
した沿面は表面準位、付着物、沿面での放電の発生など
エミッタ・ゲート電極間のリーク電流の発生経路となる
と考えられている。従って、エミッタ・ゲート電極間の
酸化膜厚が微細化により薄くなり沿面距離が短くなると
エミッタ・ゲート電極間のリーク電流が発生するという
問題があった。

【００１１】次に第３の問題点はトレンチにより形成さ
れた放電電流抑制素子の耐圧が微細化に伴うエミッタ・
ゲート電極間の酸化膜の薄膜化により低下することであ
る。これはトレンチで形成された放電電流抑制素子の耐
圧が決まる要因であるトレンチ深さで決まる縦方向の耐
圧とトレンチの幅で決まる横方向の耐圧の内、横方向の
耐圧が劣化するためである。横方向の耐圧は実質的には
トレンチの幅とエミッタとトレンチ間に発生している電
位差にも影響されている。ここで正に印加されたゲート
電極の下の酸化膜が薄膜化すると酸化膜下の基板にｎ型
のチャネルが形成され耐圧はトレンチ幅のみに依存する
ことになる。従って、エミッタと基板の接触抵抗を下げ
るために図９に示したように基板上にｎ型拡散層１２を
形成した構造では顕著になる可能性がある。

【００１２】本発明の目的は微細化に伴うエミッタ・ゲ
ート電極間の耐圧の劣化・リーク電流の増加および放電
時の耐圧の劣化という課題を抑制した上で、ゲート電極
とエミッタ間の距離を短縮させエミッタ先端にかかる電
界を高め、動作電圧の低減を信頼性を高めると同時に実
現することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明は、電子を放出するエミッタが上表面に形成されエミ
ッタ電極となる基板と、基板上に絶縁膜を介して形成さ
れエミッタを間隔をおいて取り囲む開口を有するゲート
電極とにより構成された電界放出型冷陰極において、エ
ミッタ近傍ではゲート電極とエミッタ電極とを隔てる空
間を有し、絶縁膜と基板との前記空間に面接する境界は
エミッタの形成される基板表面より低い位置に有り、前
記エミッタを囲み前記境界よりも前記エミッタから離れ
た位置から絶縁膜で埋設されたトレンチが形成されてい
ることを特徴とする電界放出型冷陰極である。また、本
発明の電界放出型冷陰極は、前記境界と前記エミッタの
形成される基板表面との段差が前記絶縁膜とエミッタと
の間に形成されていること、ゲート電極を支える絶縁膜
の厚さは、エミッタとゲート電極間の距離よりも大きく
形成されていることを特徴としている。

【００１４】更に、ゲート電極のエミッタ電極と空間を
隔てて対向する面および該空間と接する基板の表面の少
なくともいずれかの一方に絶縁膜が形成されてもよい。

【００１５】また、境界面で囲まれたエミッタに接する
基板の表面が基板よりも高濃度のｎ型領域となっていて
もよい。

【００１６】本発明によれば、ゲート電極を支える絶縁
膜厚はエミッタ近傍のエミッタ・ゲート電極間距離より
も厚くなっているのでエミッタとゲート電極間の絶縁性
が高くなり、さらにトレンチで形成された放電電流抑制
素子の耐圧が高くなり、エミッタとゲート電極間距離を
短縮することにより動作電圧の低い電界放出型冷陰極を
提供できる。

【００１７】また、高耐圧で低電圧動作が可能な本発明
の電界放出型冷陰極を画像を表示する表示装置、例えば
フラットパネルディスプレイやディスプレイ用陰極管に
適応することにより、電流特性の安定した低電圧で動作
できる装置を提供できる。

【００１８】さらに高耐圧で低電圧動作が可能な本発明
の電界放出型冷陰極を進行波管を形成する増幅装置に適
用することにより、電流特性の安定した低電圧で動作で
きる装置を提供できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施
の形態の電界放出型冷陰極の模式的断面図、図２は本発
明の第１の実施の形態の電界放出型冷陰極の模式的上面
図、図３は本発明の第１の形態の電界放出型冷陰極の製
造工程の第１の実施例を示す模式的断面図である。図１
は図２のＡ−Ｂ断面を示す。図中符号１は基板、１ａは
基板に形成された凸形状の基板段差部、３、６は酸化
膜、３ａは酸化膜端、４は基板に形成されたトレンチ、
５はトレンチを埋設するＢＰＳＧ（ボロン・リン珪酸ガ
ラス）膜、７はゲート電極、１０ａはエミッタである。
図中１３はゲート電極７とエミッタ１０aに接続された
基板間の酸化膜の沿面距離を示す説明のための矢印であ
る。

【００２０】第１の実施の形態の電界放出型冷陰極は、
図１および図２に示すように、ＢＰＳＧ膜で埋設された
トレンチで分離され上表面に凸型の基板段差部１ａと先
鋭な先端を有するエミッタ１０ａとが形成されたｎ型の
基板１、エミッタ１０ａを取り囲むように形成されたゲ
ート電極７、酸化膜３および酸化膜６により構成されて
いる。基板段差部１ａの内側にエミッタ１０ａは形成さ
れ、酸化膜３および酸化膜６の境界３ａは段差部１ａの
外側に、即ち、ゲート電極７とエミッタ電極１０ａとを
隔てる空間に面した酸化膜３と基板１との境界はエミッ
タの形成される基板表面よりも低くなるように形成され
ている。これにより、ゲート電極７を支える酸化膜３お
よび酸化膜６を合わせた厚さはゲート電極７とエミッタ
１０ａ間の距離よりも大きく設定することができる。ま
た、境界３ａの外側にＢＰＳＧ膜５で埋設されたトレン
チ４が基板１の深さ方向に形成されている。これによ
り、エミッタ１０ａと、エミッタ１０aからみてトレン
チ４の外側の基板１とを隔てる絶縁膜の横方向の膜厚
は、トレンチ４で分離されている領域ではトレンチ４の
幅であり、これに加えて、トレンチ４の内側からエミッ
タ１０aの形成される凸部まで酸化膜３が基板上に形成
されていることで、境界３ａとトレンチ４までの距離だ
け実効的に絶縁膜の横方向膜厚を厚く形成する事ができ
ている。

【００２１】従って、ゲート電極７とエミッタ電極とな
る基板１の間の耐圧は、酸化膜３と酸化膜６の絶縁耐圧
とゲート電極７とエミッタ１０ａとの間のゲート開口部
の放電などによる耐圧で決まることになる。ゲート電極
７と基板間の絶縁耐圧はトータル絶縁膜厚（この実施の
形態では全酸化膜厚）できまるが、ゲート電極７とエミ
ッタ１０ａとの距離とは関係なく設定できるため、酸化
膜厚で決まる絶縁耐圧は酸化膜厚を酸化膜厚間の電界強
度が破壊電界未満となるような膜厚に設定することによ
り十分な耐圧を得ることができる。また、ゲート電極７
とエミッタ１０ａ間の耐圧は放電で流れる電流量で決ま
るが、これはトレンチ４で囲まれた基板１がピンチ抵抗
として働くことによりエミッタ１０ａを流れる電流量を
制御することができ、放電時にエミッタ１０ａやゲート
電極７の溶融破壊を防止することができる。トレンチ４
で囲まれたピンチ抵抗部の耐圧はトレンチ４の深さと幅
で決まるが、縦方向の耐圧はトレンチ深さを深くするこ
とにより向上させることができる。横方向の耐圧はトレ
ンチ４の幅を大きくとることにより向上させることが可
能である。電界放出型冷陰極の実施の形態の中には、エ
ミッタ１０ａ直下の領域の基板のｎ型領域濃度を接触抵
抗を小さくするために高く設定する場合がある。この場
合には、ピンチ抵抗の横方向の耐圧は放電時にトレンチ
側壁から広がる空乏層の幅がエミッタ直下の表面領域で
はｎ型領域で制限されるためにトレンチ４の上部の幅で
耐圧が決まる。その場合でもトレンチ４上部にはエミッ
タ１０ａとトレンチ４の間に酸化膜３を形成する構成と
なっているために、表面部のトレンチ４の実効幅が酸化
膜端３ａとトレンチ４間の距離だけ大きく設定でき、基
板表面での耐圧の劣化は生じず、十分な耐圧を得ること
が可能となる。また、放電の一部はエミッタ電極となる
基板１とゲート電極７との間の絶縁膜（この場合酸化膜
３と酸化膜６）とのゲート電極７の空洞内に露出した側
壁表面の沿面を流れる沿面放電がある。この発生を抑制
するためにゲート電極７と基板１間の図中１３で示す絶
縁膜沿面距離をエミッタ１０ａとゲート電極７間の距離
よりも大きくとり、沿面に関わる放電やリーク電流の発
生を抑制することが可能となる。さらにトレンチ４で囲
まれた領域は放電時にのみピンチ抵抗として働くために
通常動作時には空乏層の広がりはなく低抵抗素子として
動作しており、通常動作時に余剰な電圧上昇といった問
題は無いという利点がある。

【００２２】次に本発明の第１の実施の形態の電界放出
型冷陰極の製造工程の第１の実施例について図３を参照
して説明する。

【００２３】初めに、図３（ａ）に示すように、約１０
¹⁵ｃｍ^-3の濃度のｎ型シリコンよりなる基板１の表面
に、窒化膜２をＣＶＤ法などにより約１００ｎｍ厚に形
成した後、選択的にフォトリソグラフィ法を用いパター
ニングする。次に窒化膜２をマスクとして基板表面を熱
酸化し、約３００ｎｍ厚の酸化膜３を形成する。

【００２４】次に、図３（ｂ）に示すように、レジスト
（不図示）等をマスクとして酸化膜３の所定領域に例え
ば約２μｍの幅の開口を形成し、さらに露出した基板１
に異方性のドライエッチングを施し、約１０μｍの深さ
のトレンチ４を形成する。その後、減圧ＣＶＤ法でＢＰ
ＳＧ膜を約２μｍ厚に堆積した後、例えば１０００℃の
熱処理を施してＢＰＳＧ膜を平坦化した後、エッチバッ
クを行い、トレンチ内以外のＢＰＳＧ膜を除去し、トレ
ンチ４内にＢＰＳＧ膜５を埋設させるとともに窒化膜２
を除去する。

【００２５】次に、図３（ｃ）に示すように、約３００
ｎｍ厚の酸化膜６をＣＶＤ法で堆積し、更に約１００ｎ
ｍから２００ｎｍ厚の、例えばタングステンよりなるゲ
ート電極膜をスパッタ法により堆積し、図示はしていな
いが引き出し電極を形成するパターニングを行い、選択
的にゲート電極膜をエッチングしてゲート電極７を形成
する。フォトリソグラフィ法によりゲート電極７と酸化
膜６に約０．６μｍのゲート開口８を形成する。

【００２６】次に、図３（ｄ）に示すように、斜め方向
からの蒸着によりアルミナ膜などによる犠牲層９をゲー
ト開口８の側壁に露出した酸化膜６の側壁と露出してい
るゲート電極７上に堆積するように形成する。次に、垂
直方向から蒸着法により、例えばＭｏよりなるエミッタ
材料層を堆積する。堆積されたエミッタ材料層はゲート
電極７上に余剰なエミッタ材料層１０ｂとゲート開口８
内に露出した基板上に先鋭な形状のエミッタ１０ａを形
成する。

【００２７】次に、図３（ｅ）に示すように、犠牲層９
を燐酸によりエッチング除去すると、犠牲層９上に形成
されたエミッタ材料層１０ｂはリフトオフされエミッタ
１０ａが露出する。次に、弗酸により、ゲート開口８内
に露出した酸化膜６をサイドエッチングするとともに酸
化膜６のサイドエッチングにより露出した酸化膜３を同
様にサイドエッチングさせ、図のような電界放出型冷陰
極が完成する。

【００２８】この実施例ではトレンチ４内をＢＰＳＧ膜
５で埋設したが、これに限ったものではなく、不純物原
子の添加されていない酸化膜や窒化膜で埋設してもかま
わない。また、ゲート電極７と基板間の絶縁膜は酸化膜
３と酸化膜６で形成したが、これも他の絶縁膜でもサイ
ドエッチングが選択的に可能で有ればかまわない。更
に、この実施例では、酸化膜３を熱酸化により形成して
いるが、ＣＶＤ法などにより、あらかじめエミッタ１０
ａの形成される基板表面よりも低く形成した基板面に酸
化膜を堆積させてもよい。ここで、エミッタ１０ａの高
さはゲート開口８の幅でおおよそ決まる。従って、ゲー
ト開口８の幅を変える場合、エミッタ１０ａの高さをゲ
ート電極７とほぼ同じ高さに設定し、最も低いゲート電
圧でエミッションするようにするためには、酸化膜６の
膜厚を変える必要がある。この実施例ではゲート開口幅
を約０．６μｍとしたが、これは酸化膜６の厚さを約３
００ｎｍとした場合の一例であって、ゲート開口径を小
さくする場合には、酸化膜６の膜厚を薄く形成する必要
がある。ゲート電極７と基板１間の絶縁膜厚を保ったま
まゲート開口径を小さくするには、予め酸化膜３の膜厚
を厚く設定することにより容易に形成することができ
る。これにより沿面距離と絶縁耐圧の劣化を防止するこ
とができる。また、トレンチ４を形成することにより、
ゲート電極７とエミッタ１０ａ間で放電が発生しゲート
電極７とエミッタ１０ａが短絡状態になったとしても、
放電の発生したエミッタ直下の基板の電位がゲート電極
の電位まで高くなることにより、トレンチ４の外側の基
板１の電位との間にほぼゲート電圧に近い電位差が発生
しトレンチ４が電界効果トランジスタのゲート絶縁膜と
して働く。これによりトレンチ側壁から内側に空乏層が
広がり、トレンチ４で囲まれた領域がピンチ抵抗として
働き電流を抑制できる。その結果、エミッタ１０ａやゲ
ート電極７が過電流の発生により溶融するのを防止でき
る。

【００２９】次に、本発明の第２の実施例の形態の電界
放出型冷陰極の製造工程の実施例について図４を参照し
て説明する。図４は本発明の第２の実施の形態の製造工
程の実施例を示す模式的断面図である。

【００３０】まず、図４（ａ）は図３（ａ）と同様であ
り、ｎ型のシリコンよりなる基板１上に選択的に窒化膜
２を形成し、さらに熱酸化により酸化膜３を形成したと
ころである。

【００３１】次に、図４（ｂ）は図３（ｂ）と同様であ
り、酸化膜３および基板を貫通しトレンチ４を形成し、
ＢＰＳＧ膜５を埋設した後、窒化膜２を除去したところ
である。

【００３２】次に、図４（ｃ）に示すように、約２００
ｎｍ厚の酸化膜６をＣＶＤ法で堆積し、次いで、約１０
０ｎｍ厚の窒化膜１１をＣＶＤ法で堆積し、更に約１０
０ｎｍから２００ｎｍ厚の、例えばタングステンよりな
るゲート電極膜をスパッタ法により堆積し、図示はして
いないが引き出し電極を形成するパターニングを行い選
択的にゲート電極膜をエッチングしてゲート電極７を形
成する。次にフォトリソグラフィ法によりゲート電極７
と窒化膜１１と酸化膜６に約０．６μｍのゲート開口８
を形成する。

【００３３】次に、図４（ｄ）に示すように、斜め方向
からの蒸着によりアルミナ膜などによる犠牲層９をゲー
ト開口８の側壁に露出した窒化膜１１と酸化膜６の側壁
と露出しているゲート電極７上に堆積するように形成す
る。次に、垂直方向から蒸着法により、例えばＭｏより
なるエミッタ材料層を堆積する。堆積したエミッタ材料
層はゲート電極７上に余剰なエミッタ材料層１０ｂとゲ
ート開口８内に露出した基板上に先鋭な形状のエミッタ
１０ａを形成する。

【００３４】次に、図４（ｅ）に示すように、犠牲層９
を燐酸によりエッチング除去すると、犠牲層９上に形成
されたエミッタ材料層１０ｂはリフトオフされエミッタ
１０ａが露出する。次に、弗酸により、ゲート開口８内
に露出した酸化膜６をサイドエッチングするとともに酸
化膜６のサイドエッチングにより露出した酸化膜３を同
様にサイドエッチングさせ、図のように窒化膜１１がゲ
ート電極７の下に残った形状の電界放出型冷陰極が完成
する。

【００３５】なお、本発明ではゲート電極７の下に残る
絶縁膜を窒化膜１１で形成したが材料はこれに限ったも
のではなく、サイドエッチングする他の絶縁膜（この実
施例では酸化膜３、酸化膜６）をサイドエッチングする
際にエッチング速度の遅い材料であればかまわない。

【００３６】また、本実施例では窒化膜１１はゲート電
極７に接して形成しているが、これはこれに限ったもの
ではなく、酸化膜３と酸化膜６の膜中のいずれかの間に
形成してもかまわない。また、窒化膜を２層以上に分け
て酸化膜３および酸化膜６中に形成する多層膜としても
かまわない。

【００３７】第１の実施例では同一の材料によりゲート
電極７と基板１間の絶縁膜を形成していたが、第２の実
施例では窒化膜１１を挿入して形成してある。これによ
りゲート開口内に露出したゲート電極７と基板１間の絶
縁膜の沿面距離は、第１の実施例では酸化膜３と酸化膜
６の膜厚にほぼ等しかったのに対して、本実施例では酸
化膜６のサイドエッチング距離だけ沿面距離が長くなっ
ている。その結果、沿面距離に関わる耐圧の向上、放電
の発生やリーク電流の発生を抑制できる効果がある。

【００３８】次に本発明の第２の形態の電界放出型冷陰
極の第２の実施例について図５を参照して説明する。図
５は本発明の第２の実施の形態の電界放出型冷陰極の第
２の実施例の模式的断面図である。

【００３９】ＢＰＳＧ膜５で埋設された深さ約１０μｍ
のトレンチ４で分離され、上表面に凸形状の基板段差部
１ａと先鋭な先端を有するエミッタ１０ａとが形成され
たｎ型のシリコンよりなる基板１、エミッタ１０ａを取
り囲むように形成された約１００ｎｍから２００ｎｍ厚
のゲート電極７、３００ｎｍ厚の酸化膜３および２００
ｎｍ厚の酸化膜６、１００ｎｍ厚の窒化膜１１、基板１
の上表面の凸部に形成された約１０¹⁷ｃｍ^-3の濃度の不
純物が添加されたｎ型拡散層１２により構成されてい
る。

【００４０】ここで、基板段差部１ａの内側にエミッタ
１０ａは形成され、酸化膜３および酸化膜６の境界３ａ
は段差部１ａの外側に、即ち酸化膜３と基板１との境界
はエミッタの形成される基板表面よりも低くなるように
形成され、ｎ型拡散層１２とトレンチ４の間に酸化膜３
が形成されている。これにより、ｎ型拡散層１２は直接
トレンチ４と接する形状とならず実効的に酸化膜端３ａ
からトレンチまでの距離だけトレンチ幅が広がった構造
に近い特性となる。その結果、接触抵抗を下げるための
ｎ型拡散層を形成した素子においても、放電時の耐圧を
十分に高く設定することができる。この構成では横方向
の耐圧を確保するためにトレンチの幅を広くすることな
く耐圧を向上できるので、トレンチを広げた場合にトレ
ンチ内を埋設することが困難になるという工程上の不都
合を解消することができる。

【００４１】次に、本発明の第３の形態の電界放出型冷
陰極の実施例について図６を参照して説明する。図６は
本発明の第３の実施の形態の電界放出型冷陰極の実施例
の模式的断面図である。

【００４２】ＢＰＳＧ膜５で埋設された深さ約１０μｍ
のトレンチ４で分離され、上表面に凸型の段差部１ａと
先鋭な先端を有するエミッタ１０とが形成されたｎ型の
シリコンよりなる基板１、エミッタ１０を取り囲むよう
に形成された約１００ｎｍから２００ｎｍ厚のゲート電
極７、３００ｎｍ厚の酸化膜３および３００ｎｍ厚の酸
化膜６により構成されている。この電界放出型冷陰極は
公知の方法によりｎ型のシリコン基板１の一部を先鋭に
加工しエミッタ１０を形成した後、エミッタ１０の周り
を除き酸化膜３を形成した後、これまでの実施例で述べ
たようにＢＰＳＧ膜５を埋設したトレンチ４を形成し、
酸化膜６とゲート電極７を堆積した後、公知のエッチバ
ック手法によりエミッタ１０上のゲート電極７に開口を
設け、弗酸により酸化膜６と酸化膜３をサイドエッチす
ることにより形成することができる。

【００４３】これまでの実施例が基板１上にＭｏを堆積
して形成したエミッタを有する電界放出型冷陰極であっ
たのに対して、この実施例はエミッタとしてｎ型のシリ
コンよりなる基板１を加工して形成した実施例である。

【００４４】次に、本発明の第４の形態の電界放出型冷
陰極の実施例について図７を参照して説明する。図７は
本発明の第４の実施の形態の電界放出型冷陰極の実施例
の模式的断面図である。

【００４５】ＢＰＳＧ膜５で埋設された深さ約１０μｍ
のトレンチ４で分離され、上表面に凸型の段差部１ａと
先鋭な先端を有するエミッタ１０とが形成されたｎ型の
シリコンよりなる基板１、エミッタ１０を取り囲むよう
に形成された約１００ｎｍから２００ｎｍ厚のゲート電
極７、３００ｎｍ厚の酸化膜３および２００ｎｍ厚の酸
化膜６さらに約１００ｎｍの膜厚の窒化膜１１により構
成されている。この電界放出型冷陰極も、公知の方法に
よりｎ型のシリコン基板１の一部を先鋭に加工しエミッ
タ１０を形成した後、エミッタ１０の周りを除き酸化膜
３を形成した後、これまでの実施例で述べたようにＢＰ
ＳＧ膜５を埋設したトレンチ４を形成し、酸化膜６、窒
化膜１１、ゲート電極７を堆積した後、公知のエッチバ
ック手法によりエミッタ１０上のゲート電極７および窒
化膜１１に開口を設け、弗酸により酸化膜６と酸化膜３
をサイドエッチすることにより形成することができる。

【００４６】この方法ではシリコン基板１をエミッタと
して形成する方法においてもゲート電極７と基板１間の
絶縁膜の沿面距離を大きく形成することが可能である。

【００４７】なお、本発明の形態３および４においても
エミッタ１０および凸型の段差部１ａの内側の領域にｎ
型の不純物を添加したｎ型拡散層を形成した素子に適用
してもかまわない。

【００４８】これまでの実施の形態ではトレンチ４に囲
まれた領域に１個の凸型の領域を基板１に形成し、凸型
の内側の上部に１個のエミッタを堆積或いは基板１を加
工して形成した形状で説明したが、本発明の実施形態は
これに限ったものではなく、トレンチ４で囲まれた基板
１上に複数個の凸部が形成され、凸部の基板上に単数或
いは複数個のエミッタが形成された構成でも、トレンチ
で囲まれた基板１に１個の凸部が形成され複数個のエミ
ッタが凸部の基板上に形成された構成でもかまわない。
さらには、基板１内にトレンチ４で囲まれた領域はこれ
までの実施の形態では１個の領域で説明したが、その限
りではなく、同一の基板上に複数個のトレンチ４で囲ま
れた領域が形成され、それぞれに単数或いは複数個の凸
部の基板上に単数或いは複数個のエミッタが形成されて
いてもかまわない。

【００４９】表示装置に電子銃として本発明の電界放出
型冷陰極を組み込む場合には、このエミッタに対向して
蛍光体層を有する陽極電極が配置され、エミッタから放
出された電子を受けて蛍光体が発光する。

【００５０】この電界放出型冷陰極を電子銃として、表
示装置に組み込んだ場合、通常真空中での動作が要求さ
れるため、表示装置に組み込んだ後絶縁不良で交換する
ことは困難であった。また、表示装置の低消費電力動作
のために低電圧で動作する電子銃が求められていた。表
示装置の低消費電力化には電子銃を動作させるドライブ
回路での消費電力低減が有効である。そのためには、ド
ライブ電圧となるエミッタ・ゲート間電圧を低減するこ
とが有効であるが、本発明では放電や絶縁破壊の耐性が
劣化することなくゲート径を小さくでき、エミッタ・ゲ
ート間電圧を低減することができるため、容易にドライ
ブ回路の消費電力を低減できる。特に画素数の大きいフ
ラットパネルディスプレイに適用することにより、複数
の電子銃が低消費電力で高信頼性を維持しつつ動作させ
ることが可能となる。なお、この効果は他の表示素子に
おいても同様であり、ディスプレイ用陰極管（ＣＲＴ）
でも同様である。

【００５１】また、進行波管（ＴＷＴ）用の電子銃とし
て、この電界放出型冷陰極を適用する場合においても真
空中での動作であるために絶縁不良、放電破壊で電子銃
を交換することは困難である。また、大電力のＴＷＴの
場合には高電流の電子が必要とされるため消費電力の低
減のためには動作電圧の低減がなおいっそう重要であ
る。本発明の電界放出型冷陰極をＴＷＴに適用すること
により容易に高信頼性の低電圧動作の装置を実現するこ
とができる。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の電界放出型
冷陰極は、高耐圧で低電圧動作が可能であり、同時に放
電時の過電流を通常動作時の電圧上昇無く抑制できる効
果がある。

【００５３】これはエミッタとゲート電極とを隔てる空
間を有しており、また、ゲート電極を支える絶縁膜の厚
さをエミッタとゲート電極間距離よりも厚くすることが
できるので、エミッタとゲート電極間距離を短縮するこ
とによって微細化しても絶縁膜の膜厚減少による耐圧劣
化が無く、微細化により動作電圧を低くできるからであ
る。

【００５４】さらに、ゲート電極を支える絶縁膜の一部
にエッチング速度の異なる材料を用いることにより、エ
ミッタ近傍のゲート開口内の絶縁膜をサイドエッチした
場合にエッチング速度の遅い材料膜がゲート電極と同様
の長さに残り、実効的なエミッタ近傍の絶縁膜の沿面距
離が長くなり、沿面によるエミッタとゲート電極間の耐
圧やリーク電流の発生を抑制できるという効果がある。

【００５５】また、エミッタ近傍の空洞の外側の基板に
絶縁膜で埋設されたトレンチを囲むように形成すること
により、このトレンチで囲まれた領域がピンチ抵抗とし
て動作するため、通常動作時には動作電圧の上昇が無
く、エミッタとゲート電極間に放電が発生した場合に過
剰な電流の発生を抑制でき、エミッタ或いはゲート電極
の溶融破壊を防止できる効果がある。さらに、エミッタ
とトレンチ間に絶縁膜を介した構造となっているため
に、エミッタ直下に接触抵抗低減のためのｎ型拡散層を
形成してもトレンチとｎ型拡散層は接触しない構成とな
るばかりでなく、トレンチ上部の横方向の実効絶縁膜幅
が広くなり容易に放電時の電流を抑制できる効果があ
る。

【００５６】また、高耐圧で放電時の電流制御ができ、
低電圧動作が可能な本発明の電界放出型冷陰極を表示装
置、例えばフラットパネルディスプレイあるいはディス
プレイ用陰極に適用することにより、電流特性の安定し
た高信頼性の装置を提供することが可能となる。

【００５７】また、高耐圧で放電時の電流制御ができ低
電圧動作が可能な本発明の電界放出型冷陰極を進行波管
（ＴＷＴ）に適用することにより、高信頼性で低消費電
力の装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の電界放出型冷陰極
の模式的断面図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態の電界放出型冷陰極
の模式的上面図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態の電界放出型冷陰極
の製造工程の実施例を示す模式的断面図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態の電界放出型冷陰極
の製造工程の第１の実施例を示す模式的断面図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態の電界放出型冷陰極
の第２の実施例を示す模式的断面図である。

【図６】本発明の第３の実施の形態の電界放出型冷陰極
の実施例を示す模式的断面図である。

【図７】本発明の第４の実施の形態の電界放出型冷陰極
の実施例を示す模式的断面図である。

【図８】従来の電界放出型冷陰極の第１の実施例を示す
模式的断面図である。

【図９】従来の電界放出型冷陰極の第２の実施例を示す
模式的断面図である。

【符号の説明】

１シリコン基板２、１１窒化膜３、６酸化膜４トレンチ５ＢＰＳＧ膜７ゲート電極８ゲート開口９犠牲層１０、１０ａエミッタ１０ｂエミッタ材料層１２ｎ型拡散層１３絶縁膜の沿面距離１４マスク膜１ａ基板段差部３ａ境界

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電子を放出するエミッタが上表面に形成
されエミッタ電極となる基板と、前記基板上に絶縁膜を
介して形成され前記エミッタと間隔をおいて取り囲む開
口を有するゲート電極とにより構成された電界放出型冷
陰極において、前記エミッタ近傍では前記ゲート電極と
前記エミッタ電極とを隔てる空間を有し、前記絶縁膜と
前記基板との前記空間に面接する境界は前記エミッタの
形成される前記基板表面より低い位置に有り、前記エミ
ッタを囲み、前記境界よりも前記エミッタから離れた位
置から前記基板に絶縁膜で埋設されたトレンチが形成さ
れていることを特徴とする電界放出型冷陰極。
【請求項２】前記境界と前記エミッタの形成される前
記基板表面との段差が前記絶縁膜と前記エミッタとの間
に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電
界放出型冷陰極。
【請求項３】前記ゲート電極を支える前記絶縁膜の厚
さは、前記エミッタと前記ゲート電極間の距離よりも大
きく形成されていることを特徴とする請求項１又は２に
記載の電界放出型冷陰極。
【請求項４】前記ゲート電極の前記エミッタ電極と空
間を隔てて対向する面および該空間と接する前記基板の
表面の少なくともいずれかの一方に絶縁膜が形成されて
いる請求項１乃至３の何れか１項に記載の電界放出型冷
陰極。
【請求項５】前記境界面で囲まれた前記エミッタに接
する前記基板の表面が基板よりも高濃度のｎ型領域とな
っていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項
に記載の電界放出型冷陰極。
【請求項６】電子銃を用いて画像を表示する表示装置
において、前記電子銃が請求項１乃至５の何れか１項に
記載の電界放出型冷陰極を備えることを特徴とする表示
装置。
【請求項７】前記表示装置がフラットパネルディスプ
レイである請求項６記載の表示装置。
【請求項８】前記表示装置がディスプレイ用陰極管で
ある請求項６記載の表示装置。
【請求項９】電子銃を用いて進行波管を形成する増幅
装置において、前記電子銃が請求項１乃至５の何れか１
項に記載の電界放出型冷陰極を備えることを特徴とする
進行波管装置。