JP3160547B2 - 電界放出型電子源の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子線励起のレー
ザ、平面型の固体表示素子、及び超高速の微小真空素子
等への応用が期待される冷陰極電子源等の電界放出型電
子源に関し、特に、集積化及び低電圧化が実現可能な半
導体応用の電界放出型電子源及びその製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体に対する微細加工技術の進展によ
り、微小な電界放出型電子源を製造することが可能にな
ったので、真空マイクロエレクトロニクス技術の開発が
盛んになりつつある。より低い駆動電圧で動作可能な高
性能な電界放出型電子源を実現するために、ＬＳＩ技術
を応用して微細化された引出し電極及び急峻な先端を有
する陰極の作成等のアプローチが行なわれている。

【０００３】以下、第１の従来例として、ヨーロッパ公
開公報：６３７０５０Ａ２に示されている、シリコン基
板を用いて形成された微小な電界放出型電子源及びその
製造方法について図１１〜図１３を参照しながら説明す
る。

【０００４】まず、図１１（ａ）に示すように、シリコ
ン結晶よりなるシリコン基板１０１の（１００）表面に
熱酸化法により酸化シリコン膜１０２を形成した後、該
酸化シリコン膜１０２の上にフォトレジスト膜１０３を
形成する。

【０００５】次に、図１１（ｂ）に示すように、フォト
リソグラフィ法によりフォトレジスト膜１０３を約１μ
ｍの径を有する円板状のエッチングマスク１０３Ａに加
工する。その後、ドライエッチング法によりエッチング
マスク１０３Ａを酸化シリコン膜１０２に転写して円盤
状体１０２Ａを形成した後、エッチングマスク１０３Ａ
を除去する。

【０００６】次に、円盤状体１０２Ａをマスクとしてシ
リコン基板１０１に対して異方性ドライエッチングを行
なうことにより、図１１（ｃ）に示すように、円盤状体
１０２Ａの下にシリコン基板１０１よりなる円柱状体１
０４Ａを形成した後、該円柱状体１０４Ａに結晶異方性
エッチングを行なうことにより、図１１（ｄ）に示すよ
うに、側面が（３３１）面を含む面で形成され且つ頂部
が互いに連続してなる一対の円錐体よりなる鼓状体１０
４Ｂを形成する。

【０００７】次に、図１２（ａ）に示すように、鼓状体
１０４Ｂ及びシリコン基板１０１の表面に薄い第１の熱
酸化膜１０５を形成した後、円盤状体１０２Ａをマスク
としてシリコン基板１０１に対して異方性ドライエッチ
ングを行なうことにより、図１２（ｂ）に示すように、
鼓状体１０４Ｂを鼓状の柱状体１０４Ｃに変形させる。

【０００８】次に、図１２（ｃ）に示すように、熱酸化
法により鼓状の柱状体１０４Ｃ及びシリコン基板１０１
の表面に第２の熱酸化膜１０６を形成することにより、
鼓状の柱状体１０４Ｃの内部に、微小な径を持ち且つ急
峻な先端部を有するタワー形状の陰極１０７を形成す
る。

【０００９】次に、図１２（ｄ）に示すように、蒸着法
により、円盤状体１０２Ａの上及び該円盤状体１０２Ａ
の周辺のシリコン基板１０１の上に、絶縁膜１０８及び
金属膜１０９を順次堆積する。

【００１０】次に、図１３に示すように、第２の熱酸化
膜１０６に対してウェットエッチングを行なうことによ
り、円盤状体１０２Ａ及び該円盤状体１０２Ａの上に堆
積されている絶縁膜１０８及び金属膜１０９を除去する
と、タワー形状の陰極１０７が露出すると共に、円盤状
体１０２Ａの径と同寸の内径を有する金属膜１０９より
なる引き出し電極１０９Ａが形成される。

【００１１】以下、第２の従来例としては、特開平６−
２３１６７５号公報に示されている低仕事関数材料を用
いた電界効果型電子源の製造方法について説明する。

【００１２】特開平６−２３１６７５号公報には、第１
の従来例で説明した陰極のサイズの縮小化や陰極構造の
改良によるアプローチだけでなく、低仕事関数材料を陰
極の先端部に選択的に形成して、陰極性能の向上を図る
試みが提案されている。この電界放出型電子源の製造方
法は、陰極を形成した後に、陰極の先端部の表面に低仕
事関数材料を斜め蒸着法により選択的に形成し、その
後、熱処理を施してシリサイド化を行なうものであっ
て、結果的に陰極の先端部の仕事関数を低下させること
により、電子放出効率を大きく向上させようとするもの
である。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、第１の従来
例に係る電界放出型電子源は、微小な径を持ち且つ急峻
な先端部を有するタワー形状の陰極を備えているため
に、低い電圧での動作は可能であるが、以下に説明する
ような問題を有している。

【００１４】電界放出型電子源を実用化する上で要求さ
れる重要な性能の１つに電子放出の安定性及び均一性が
ある。

【００１５】ところが、第１の従来例においては、陰極
の放出電流は、動作時の真空雰囲気や陰極先端部の表面
状態の影響を強く受け、電流放出中に電流放出部の表面
の物性的性質、例えば仕事関数等が変化してしまい、結
果的に動作電流が大幅に変化してしまう。このため、前
述した電子放出の安定性及び均一性の要求性能を満たし
ていなかった。これは、動作中に放出電子が陰極近傍の
残留ガスと衝突してイオンを発生させ、このイオンが陰
極先端部に衝突することによって、陰極先端部の表面状
態を変化させてしまうものと考えられる。

【００１６】そこで、これらの電流変動を抑制するため
に、陰極を大規模に集積して個々の電子放出変動を平均
化することにより放出電流を安定化させる方法や、陰極
の電極に電流抑制効果をもつＦＥＴ等の素子を付加する
ことにより電流変動を強制的に抑制する方法等が提案さ
れている。

【００１７】しかしながら、これらの方法は、素子設計
の自由度を低下させたり、新たな素子構造の追加を必要
とする等の理由により、製造コストの大幅な上昇を招く
ので実用上の大きな課題となっている。

【００１８】また、第２の従来例に示される、陰極の先
端部に選択的に低仕事関数材料よりなる表面被覆膜が形
成されてなるタワー形状の陰極においては、以下に説明
するような問題がある。すなわち、タワー形状の陰極
は、陰極から放出されるエミッション電流がタワーの根
本部分に集中するため、大電流動作を行なった場合、電
流が集中するタワーの根元部分において大きなジュール
熱が発生する。基板抵抗とタワーの断面積とによって決
まる許容値を越えて電流が流れる場合、発生したジュー
ル熱によって陰極の温度が上昇し、陰極を構成する材料
の融点を超える温度に達した場合には、陰極が溶解して
素子が破壊される恐れがある。

【００１９】以上説明したように、動作電流を低減する
べく陰極を微細化するに伴って、陰極に流すことができ
る最大電流値も低下してしまい、大電流動作を行なう上
で大きな障害になるのである。

【００２０】また、第２の従来例のように、斜め蒸着法
により陰極の先端部に低仕事関数材料を選択的に形成し
た後、熱処理を施こすことにより、陰極先端部にシリサ
イド膜を形成する方法は、前記の課題を解決しうる可能
性を有しているが、シリサイド膜が金属膜の蒸着プロセ
ス及びその後の熱処理による反応プロセスを用いている
ので、次のような問題がある。

【００２１】一般に、蒸着法による膜の形成は、蒸着源
がポイントソース（点源）であるためにウェハ内での膜
厚バラツキが発生しやすい。また、その後の熱処理によ
るシリサイド膜形成プロセスは、蒸着した金属と下地の
シリコン基板との界面における結晶反応を利用している
ため、膜厚バラツキや温度の不均一性によってシリサイ
ド反応の進行速度やシリサイド膜質にバラツキが生じや
すく、微小な形状が要求される陰極の先端部の形成に問
題を有している。

【００２２】陰極の先端部の微構造、特に先端部の曲率
半径は、電子放出の際の動作電圧特性に大きな影響を与
えるパラメータである。先端部の曲率半径以外の陰極構
造が同じであると仮定して電界集中係数を比較する計算
を行なった場合、先端部の曲率半径が１０ｎｍから２ｎ
ｍへ変化することによって、電界集中係数は２倍になっ
てしまう。前記の第２の従来例によると、シリサイドプ
ロセスのバラツキの影響により、１０ｎｍ程度の陰極の
先端部の曲率半径のバラツキが容易に発生してしまい、
結果として素子特性のバラツキが発生し、実用上の大き
な課題となっている。

【００２３】前記に鑑み、本発明は、タワー形状の陰極
を微細化しても、陰極に流すことができる最大電流値が
低下しないようにすることを第１の目的とし、陰極先端
部の形状に若干のバラツキがあっても、電子の放出が良
好に行なわれ電子放出の際の動作電圧特性のバラツキが
低減するようにすることを第２の目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】前記の第１の目的を達成
するため、第１の発明は、陰極の表面及び基板における
引き出し電極の開口部に露出した部分の表面に低仕事関
数材料よりなる表面被覆層を形成するものである。

【００２５】本発明に係る第１の電界放出型電子源は、
基板と、該基板上に絶縁膜を介して形成され陰極形成領
域に開口部を有する引き出し電極と、基板上における引
き出し電極の開口部内に形成されたタワー形状の陰極
と、該陰極の表面及び基板における引き出し電極の開口
部に露出した部分の表面に連続して形成された低仕事関
数材料よりなる表面被覆層とを備えている。

【００２６】第１の電界放出型電子源によると、陰極の
表面及び基板における引き出し電極の開口部に露出した
部分の表面には低仕事関数材料よりなる表面被覆層が連
続して形成されているため、基板抵抗とタワー形状の陰
極の断面積によって決まる電流許容値が大きくなるの
で、タワー形状の陰極を微細化しても陰極の根元部分に
電流が集中する事態を回避することができる。

【００２７】第１の電界放出型電子源において、低仕事
関数材料は、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ若しく
はＺｒよりなる高融点金属材料、又は該高融点金属材料
の炭化物、窒化物若しくは珪素化物を含むことが好まし
い。

【００２８】前記の第２の目的を達成するため、第２の
発明は、陰極の表面部に不純物が高濃度に含まれた高濃
度不純物層を形成するものである。

【００２９】本発明に係る第２の電界放出型電子源は、
基板と、該基板上に絶縁膜を介して形成され陰極形成領
域に開口部を有する引き出し電極と、基板上における引
き出し電極の開口部内に形成された陰極と、該陰極の表
面部に形成され基板の不純物濃度よりも高い不純物濃度
を有する高濃度不純物層とを備えている。

【００３０】第２の電界放出型電子源によると、陰極の
表面部に高濃度不純物層が形成されているため、陰極の
表面部から電子の放出が良好に行なわれる。

【００３１】第２の電界放出型電子源において、陰極は
タワー形状を有しており、高濃度不純物層は陰極の表面
部及び基板における引き出し電極の開口部に露出した部
分の表面部に連続して形成されていることが好ましい。

【００３２】第２の電界放出型電子源において、高濃度
不純物層は１０ｋΩ以下のシート抵抗を有していること
が好ましい。

【００３３】本発明に係る第１の電界放出型電子源の製
造方法は、基板上に形成されたエッチングマスクを用い
て基板に対してエッチングを行なって、基板上にタワー
形状の陰極を形成する陰極形成工程と、基板上に全面的
に絶縁膜及び導電膜を順次堆積した後、エッチングマス
ク上の絶縁膜及び導電膜をリフトオフすることにより、
陰極の周囲に開口部を有する引き出し電極を形成する工
程と、陰極の表面及び基板における引き出し電極の開口
部に露出した部分の表面に低仕事関数材料よりなる表面
被覆層を形成する表面被覆層形成工程とを備えている。

【００３４】第１の電界放出型電子源の製造方法による
と、タワー形状の陰極及び該陰極の周囲に開口部を有す
る引き出し電極を形成した後に低仕事関数材料よりなる
表面被覆層を形成するため、陰極の表面及び基板におけ
る引き出し電極の開口部に露出した部分の表面に連続し
て低仕事関数材料よりなる表面被覆層を確実に形成する
ことができる。

【００３５】第１の電界放出型電子源の製造方法におい
て、表面被覆層形成工程は、堆積方向指向性を有するコ
リメートスパッタ法により表面被覆層を形成する工程を
含むことが好ましい。

【００３６】本発明に係る第２の電界放出型電子源の製
造方法は、基板上に形成されたエッチングマスクを用い
て基板に対してエッチングを行なって基板上に陰極を形
成する陰極形成工程と、基板上に全面的に絶縁膜及び導
電膜を順次堆積した後、エッチングマスク上の絶縁膜及
び導電膜をリフトオフすることにより、陰極の周囲に開
口部を有する引き出し電極を形成する工程と、陰極の表
面部に基板の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する
高濃度不純物層を形成する高濃度不純物層形成工程とを
備えている。

【００３７】第２の電界放出型電子源の製造方法による
と、陰極及び該陰極の周囲に開口部を有する引き出し電
極を形成した後に高濃度不純物層を形成するため、陰極
の表面に選択的に高濃度不純物層を形成することができ
る。

【００３８】第２の電界放出型電子源の製造方法におい
て、高濃度不純物層形成工程は、陰極の表面に、不純物
元素を含む堆積膜を形成する工程と、瞬間熱処理法によ
り堆積膜に含まれる不純物元素を陰極の表面部に固相拡
散させて陰極の表面部に高濃度不純物層を形成する工程
と、堆積膜を除去する工程とを含むことが好ましい。

【００３９】第２の電界放出型電子源の製造方法におい
て、高濃度不純物層形成工程は、不純物元素を陰極の表
面部にイオン注入することにより、陰極の表面部に高濃
度不純物層を形成する工程を含むことが好ましい。

【００４０】

【発明の実施の形態】

（第１の実施形態）以下、本発明の第１実施形態に係る
電界放出型電子源の構造について図１を参照しながら説
明する。図１（ａ）は、図１（ｂ）におけるＩ−Ｉ線の
断面構造を示し、図１（ｂ）は平面構造を示している。

【００４１】図１（ａ），（ｂ）に示すように、シリコ
ンの結晶よりなるシリコン基板１１の上には、アレイ状
の陰極形成領域にそれぞれ円形状の開口部を有する下部
酸化シリコン膜１６Ａ及び上部酸化シリコン膜１８Ａよ
りなる絶縁膜を介して引き出し電極１９Ａが形成されて
いる。この場合、引き出し電極１９Ａの開口部の径は下
部酸化シリコン膜１６Ａ及び上部酸化シリコン膜１８Ａ
の開口部の径よりも小さく、下部酸化シリコン膜１６Ａ
及び上部酸化シリコン膜１８Ａの開口部周面は引き出し
電極１９Ａの開口部周面よりも後退している。

【００４２】下部酸化シリコン膜１６Ａ、上部酸化シリ
コン膜１８Ａ及び引き出し電極１９Ａの開口部の内部に
は、円形断面を持つタワー形状の陰極１７が形成されて
おり、該陰極１７の先端部は結晶異方性エッチングとシ
リコンの熱酸化プロセスとによって形成された半径２ｎ
ｍ以下の急峻な形状を有している。

【００４３】シリコン基板１１における下部酸化シリコ
ン膜１６Ａ及び上部酸化シリコン膜１８Ａの開口部に露
出した領域及び陰極１７の表面は、高融点金属材料又は
その化合物材料よりなる低仕事関数材料からなる薄い表
面被覆膜２０により覆われている。低仕事関数材料とし
ては、Ｃｒ、Ｎｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ若しくはＺｒ
等の高融点金属材料、又はこれらの高融点金属材料の炭
化物、窒化物若しくは珪化物等の化合物材料が１つ又は
２つ以上含まれているものを適宜用いることができ、こ
れにより、陰極１７表面の物理的及び化学的性質を向上
させることが可能となる。例えば、表面被覆膜２０とし
てＴｉＮ膜をスパッタ法により陰極１７の表面に１０ｎ
ｍ程度の厚さに形成すると、下地の陰極１７の先端部の
急峻な形状がほぼ残存し、急峻な形状を有するＴｉＮ膜
により被覆された陰極１７を実現することができる。シ
リコンの仕事関数が４．８ｅＶ程度であるのに対して、
ＴｉＮの仕事関数は２．９ｅＶ程度と見積もられ、陰極
１７の先端部表面の仕事関数を大幅に低減できる。この
結果、電子放出に必要な引き出し電圧を大幅に低下させ
ることが可能となる。また、表面被覆膜２０を構成する
前記の被覆材料は、シリコンに比べて化学的性質が安定
であると考えられるため、電子放出動作時の電流の安定
性向上にも効果があると考えられる。

【００４４】また、図１（ａ）に示すように、下部酸化
シリコン膜１６Ａ及び上部酸化シリコン膜１８Ａよりな
る絶縁膜を引き出し電極１９Ａよりも後退させておく
と、表面被覆膜２０が陰極１７の全表面に形成されてい
ても、陰極１７と引き出し電極１９Ａとの絶縁性が良好
に保たれ、短絡不良を引き起こすことはない。特に、大
規模の素子を集積したエミッタアレイ構造においては、
素子の歩留まりの向上及び素子動作の信頼性の向上を図
るために極めて有効な構造である。

【００４５】以下、第１実施形態に係る電界放出型電子
源の製造方法について図５〜図７を参照しながら説明す
る。

【００４６】まず、図５（ａ）に示すように、シリコン
結晶よりなるシリコン基板１１の（１００）面に熱酸化
法により第１の酸化シリコン膜１２を形成した後、該第
１の酸化シリコン膜１２の上にフォトレジスト膜１３を
堆積する。

【００４７】次に、図５（ｂ）に示すように、フォトレ
ジスト膜１３にフォトリソグラフィ法を行なって、約
０．５μｍの径を有するディスク形状のレジストマスク
１３Ａを形成した後、該レジストマスク１３Ａを用いて
第１の酸化シリコン膜１２に対して異方性のドライエッ
チングを行うことにより、第１の酸化シリコン膜１２に
レジストマスク１３Ａを転写して酸化シリコンマスク１
２Ａを形成する。

【００４８】次に、図５（ｃ）に示すように、レジスト
マスク１３Ａを除去した後、酸化シリコンマスク１２Ａ
を用いてシリコン基板１１に対して異方性ドライエッチ
ングを行なってシリコン基板１１の表面に円柱状体１４
Ａを形成する。

【００４９】次に、図５（ｄ）に示すように、結晶異方
性の性質を持つエッチング溶液、例えばエチレンジアミ
ンとピロカテコール水溶液とを用いて円柱状体１４Ａに
対してウェットエッチングを行なって、側面が（３３
１）面を含む面よりなり且つ中央部がくびれた形状の鼓
状体１４Ｂを形成する。この場合、予め、結晶の方位角
度から酸化シリコンマスク１２Ａの径及びくびれ部の深
さを最適に設計することにより、くびれ部の径が０．１
μｍ程度の微構造の鼓状体１４Ｂを均一に且つ再現性良
く形成することができる。

【００５０】次に、図６（ａ）に示すように、鼓状体１
４Ｂのくびれ部保護のために、熱酸化法により鼓状体１
４Ｂの側壁に例えば厚さ１０ｎｍ程度の薄い第２の酸化
シリコン膜１５を形成した後、再び酸化シリコンマスク
１２Ａを用いてシリコン基板１１に対して異方性のドラ
イエッチングを行なってシリコン基板１１を垂直にエッ
チングすることにより、図６（ｂ）に示すように、シリ
コン基板１１の表面に鼓状の柱状体１４Ｃを形成する。

【００５１】次に、図６（ｃ）に示すように、熱酸化法
により鼓状の柱状体１４Ｃ及びシリコン基板１１の表面
に例えば厚さ１００ｎｍ程度の第３の酸化シリコン膜１
６を形成することにより、鼓状の柱状体１４Ｃの内部に
陰極１７を形成する。このように、鼓状の柱状体１４Ｃ
の表面に第３の酸化シリコン膜１６を形成する理由は、
陰極１７の先端部を先鋭化するためと、後述する引き出
し電極下部の絶縁膜の絶縁性を強化するためである。こ
の場合、酸化シリコンの融点よりも低い温度、例えば９
５０℃程度の温度条件で熱酸化を行なうと、熱酸化時に
シリコンよりなる陰極１７と第３の酸化シリコン膜１６
との界面付近にストレスが発生するので、極めて急峻な
形状の先端部を持つ陰極１７を形成することができる。
また、熱酸化法により形成したシリコン酸化膜は、他の
方法例えば、蒸着法により形成したシリコン酸化膜より
も膜質に優れているため、高い絶縁抵抗を持っている。
この結果、後述の引き出し電極に電圧を印加する際の絶
縁性に優れ、高信頼性の素子を形成することができる。

【００５２】次に、図６（ｄ）に示すように、酸化シリ
コンマスク１２Ａを介して絶縁膜として用いる第４の酸
化シリコン膜１８及び引き出し電極として用いる導電性
膜１９を真空蒸着法により順次堆積する。第４の酸化シ
リコン膜１８を真空蒸着する際に、オゾンガスを導入す
ることによって、絶縁性に優れた良質なシリコン酸化膜
を形成することができる。また、導電性膜１９としてＮ
ｂ金属膜を用いれば、後述のリフトオフプロセスに際し
て、均一性に優れた引き出し電極を形成することができ
る。

【００５３】次に、図７（ａ）に示すように、バッファ
ード弗酸溶液を用いて超音波雰囲気中でウェットエッチ
ングを行なって、陰極１７の側壁部及び酸化シリコンマ
スク１２Ａを選択的に除去することにより、酸化シリコ
ンマスク１２Ａの上に堆積した導電性膜１９をリフトオ
フすると共に、微小な開口を持つ引き出し電極１９Ａ及
び陰極１７を露出させる。この場合、ウェットエッチン
グの時間を第３及び第４の酸化シリコン膜１６，１８が
オーバーエッチングされる程度に調整することにより、
下部酸化シリコン膜１６Ａ及び上部酸化シリコン膜１８
Ａの開口部周面を引き出し電極１９Ａの開口部周面より
も後退させることができる。

【００５４】次に、図７（ｂ）に示すように、全面にス
パッタ法を用いて低仕事関数を持つ金属材料又は該金属
材料の化合物材料からなる被覆材料により表面被覆膜２
０を形成すると、第１の実施形態に係る電界放出型電子
源が得られる。

【００５５】以上のように、スパッタ法を用いることに
より、高融点金属材料又は高融点金属材料の化合物材料
からなる被覆材料を用いても、陰極１７の上に被覆特性
に優れた表面被覆膜２０を形成することができる。

【００５６】また、表面被覆膜２０の厚さを１０ｎｍ程
度以下に制御することによって、下地の陰極１７の構造
を精密に反映した表面形状を得ることができる。この結
果、表面被覆膜２０が形成した後においても、先端部が
ｎｍオーダの微構造を有する陰極１７を得ることができ
る。

【００５７】また、表面被覆膜２０を形成する際に、堆
積方向の指向性が良好なコリメートスパッタ法を用いる
ことによって、引き出し電極１９Ａの開口部が微小であ
っても、表面被覆膜２０を、陰極１７の表面のみでな
く、シリコン基板１１における引き出し電極１９Ａの開
口部に露出した底部にも均一に形成することができる。
従って、より低い動作電圧が期待できる微小な素子構造
にも表面被覆プロセスを適用することが可能になり、素
子の高性能化を図る上で有利となる。

【００５８】また、前記の製造方法は、プロセスの均一
性及び再現性に優れており、微小寸法を有する電界放出
型電子源アレイを高精度且つ高密度に形成することが可
能になる。

【００５９】さらに、シリコンからなる陰極１７の表面
上に、低仕事関数をもつ高融点金属材料又は高融点金属
材料の化合物材料よりなる被覆材料を高精度に形成でき
るため、従来に比べて電子放出のための動作電圧を大き
く低減することができる。

【００６０】（第２の実施形態）以下、本発明の第２実
施形態に係る電界放出型電子源の構造について図２を参
照しながら説明する。図２（ａ）は、図２（ｂ）におけ
るII−II線の断面構造を示し、図２（ｂ）は平面構造を
示している。

【００６１】図２（ａ），（ｂ）に示すように、シリコ
ンの結晶よりなるシリコン基板１１の上には、アレイ状
の陰極形成領域にそれぞれ円形状の開口部を有する下部
酸化シリコン膜１６Ａ及び上部酸化シリコン膜１８Ａよ
りなる絶縁膜を介して引き出し電極１９Ａが形成されて
いる。この場合、引き出し電極１９Ａの開口部の径は下
部酸化シリコン膜１６Ａ及び上部酸化シリコン膜１８Ａ
の開口部の径よりも小さく、下部酸化シリコン膜１６Ａ
及び上部酸化シリコン膜１８Ａの開口部周面は引き出し
電極１９Ａの開口部周面よりも後退している。

【００６２】下部酸化シリコン膜１６Ａ、上部酸化シリ
コン膜１８Ａ及び引き出し電極１９Ａの開口部の内部に
は、円形断面を持つタワー形状の陰極１７が形成されて
おり、該陰極１７の先端部は結晶異方性エッチングとシ
リコンの熱酸化プロセスとによって形成された半径２ｎ
ｍ以下の急峻な形状を有している。

【００６３】シリコン基板１１における下部酸化シリコ
ン膜１６Ａ及び上部酸化シリコン膜１８Ａの開口部に露
出した領域の表面部及び陰極１７の表面部には、シリコ
ン基板１１と同じ導電型で且つシリコン基板１１よりも
不純物濃度が高い高濃度不純物層２２が薄く形成されて
いる。

【００６４】シリコン基板１１の導電型としてｎ型、高
濃度不純物層２２の不純物としてリンを用い且つ高濃度
不純物層２２のシート抵抗を１０ｋΩ以下にすることに
より、陰極１７の先端の電子放出効率を大幅に向上させ
ることができる。この結果、所定の電子放出量に必要な
引き出し電圧を大幅に低下させたり、又は所定の引き出
し電圧における電子放出量を大幅に増加させることが可
能となる。

【００６５】以下、第２実施形態に係る電界放出型電子
源の製造方法について図８〜図１０を参照しながら説明
する。

【００６６】まず、図８（ａ）に示すように、シリコン
結晶よりなるシリコン基板１１の（１００）面に熱酸化
法により第１の酸化シリコン膜１２を形成した後、該第
１の酸化シリコン膜１２の上にフォトレジスト膜１３を
堆積する。

【００６７】次に、図８（ｂ）に示すように、フォトレ
ジスト膜１３にフォトリソグラフィ法を行なって、約
０．５μｍの径を有するディスク形状のレジストマスク
１３Ａを形成した後、該レジストマスク１３Ａを用いて
第１の酸化シリコン膜１２に対して異方性のドライエッ
チングを行うことにより、第１の酸化シリコン膜１２に
レジストマスク１３Ａを転写して酸化シリコンマスク１
２Ａを形成する。

【００６８】次に、図８（ｃ）に示すように、レジスト
マスク１３Ａを除去した後、酸化シリコンマスク１２Ａ
を用いてシリコン基板１１に対して異方性ドライエッチ
ングを行なってシリコン基板１１の表面に円柱状体１４
Ａを形成する。

【００６９】次に、図８（ｄ）に示すように、結晶異方
性の性質を持つエッチング溶液、例えばエチレンジアミ
ンとピロカテコール水溶液とを用いて円柱状体１４Ａに
対してウェットエッチングを行なって、側面が（３３
１）面を含む面よりなり且つ中央部がくびれた形状の鼓
状体１４Ｂを形成する。この場合、予め、結晶の方位角
度から酸化シリコンマスク１２Ａの径及びくびれ部の深
さを最適に設計することにより、くびれ部の径が０．１
μｍ程度の微構造の鼓状体１４Ｂを均一に且つ再現性良
く形成することができる。

【００７０】次に、図９（ａ）に示すように、鼓状体１
４Ｂのくびれ部保護のために、熱酸化法により鼓状体１
４Ｂの側壁に例えば厚さ１０ｎｍ程度の薄い第２の酸化
シリコン膜１５を形成した後、再び酸化シリコンマスク
１２Ａを用いてシリコン基板１１に対して異方性のドラ
イエッチングを行なってシリコン基板１１を垂直にエッ
チングすることにより、図９（ｂ）に示すように、シリ
コン基板１１の表面に鼓状の柱状体１４Ｃを形成する。

【００７１】次に、図９（ｃ）に示すように、熱酸化法
により鼓状の柱状体１４Ｃ及びシリコン基板１１の表面
に例えば厚さ１００ｎｍ程度の第３の酸化シリコン膜１
６を形成することにより、鼓状の柱状体１４Ｃの内部に
陰極１７を形成する。このように、鼓状の柱状体１４Ｃ
の表面に第３の酸化シリコン膜１６を形成する理由は、
陰極１７の先端部を先鋭化するためと、後述する引き出
し電極下部の絶縁膜の絶縁性を強化するためである。こ
の場合、酸化シリコンの融点よりも低い温度、例えば９
５０℃程度の温度条件で熱酸化を行なうと、熱酸化時に
シリコンよりなる陰極１７と第３の酸化シリコン膜１６
との界面付近にストレスが発生するので、極めて急峻な
形状の先端部を持つ陰極１７を形成することができる。
また、熱酸化法により形成したシリコン酸化膜は、他の
方法例えば、蒸着法により形成したシリコン酸化膜より
も膜質に優れているため、高い絶縁抵抗を持っている。
この結果、後述の引き出し電極に電圧を印加する際の絶
縁性に優れ、高信頼性の素子を形成することができる。

【００７２】次に、図９（ｄ）に示すように、酸化シリ
コンマスク１２Ａを介して絶縁膜として用いる第４の酸
化シリコン膜１８及び引き出し電極として用いる導電性
膜１９を真空蒸着法により順次堆積する。第４の酸化シ
リコン膜１８を真空蒸着する際に、オゾンガスを導入す
ることによって、絶縁性に優れた良質なシリコン酸化膜
を形成することができる。また、導電性膜１９としてＮ
ｂ金属膜を用いれば、後述のリフトオフプロセスに際し
て、均一性に優れた引き出し電極を形成することができ
る。

【００７３】次に、図１０（ａ）に示すように、バッフ
ァード弗酸溶液を用いて超音波雰囲気中でウェットエッ
チングを行なって、陰極１７の側壁部及び酸化シリコン
マスク１２Ａを選択的に除去することにより、酸化シリ
コンマスク１２Ａの上に堆積した導電性膜１９をリフト
オフすると共に、微小な開口を持つ引き出し電極１９Ａ
及び陰極１７を露出させる。この場合、ウェットエッチ
ングの時間を第３及び第４の酸化シリコン膜１６，１８
がオーバーエッチングされる程度に調整することによ
り、下部酸化シリコン膜１６Ａ及び上部酸化シリコン膜
１８Ａの開口部周面を引き出し電極１９Ａの開口部周面
よりも後退させることができる。

【００７４】次に、図１０（ｂ）に示すように、陰極１
７を含むシリコン基板１１の全面に亘って高濃度不純物
元素を含有するガラス層、例えばリンガラス層２１を堆
積した後、瞬時熱加熱法（ＲＴＡ法）を用いてリンガラ
ス層２１に対して適度な熱処理を行なうことにより、リ
ンガラス層２１に含まれる不純物元素を陰極１７の表面
部に固層拡散させて、図１０（ｃ）に示すように、陰極
１７の表面に高濃度不純物層２２を形成する。これによ
り、陰極１７の表面に抵抗率が１０ｋΩ以下のシート抵
抗を有する高濃度不純物層２２を数十ｎｍ程度の深さに
均一に形成できる。その後、リンガラス層２１を除去す
ると第２の実施形態に係る電界放出型電子源が得られ
る。

【００７５】尚、前記の第２の実施形態の製造方法にお
いては、リンガラス層２１を用いた固層拡散法により高
濃度不純物層２２を形成したが、これに代えて、陰極１
７の表面に不純物元素を低エネルギーのイオン注入法を
用いて導入した後、熱処理を施して、不純物元素を活性
化させることにより、高濃度不純物層２２を形成しても
よい。この場合、例えば、イオン注入の際の加速エネル
ギーとして５ｋｅＶ程度の条件を用いて不純物元素であ
るリンをイオン注入することによって、陰極１７の表面
に数十ｎｍ程度の深さをもつ高濃度不純物層２２を均一
に形成することができる。

【００７６】以上のように、第２実施形態に係る電界放
出電子源の製造方法によると、陰極１７の表面に高濃度
不純物層２２を均一に且つ生産性良く形成することがで
きる。また、陰極１７の先端部の不純物濃度を高く設定
することができるため、電子放出効率が著しく向上し、
この結果、所定の電子放出量に必要な引き出し電圧を大
幅に低下させたり、又は所定の引き出し電圧における電
子放出量を大幅に増加させることが可能となる。

【００７７】尚、前記第１及び第２の実施形態に係る電
界放出型電子源の製造方法においては、陰極１７の急峻
な先端部を実現するため、結晶異方性エッチング及び熱
酸化プロセスを用いて、シリコン結晶よりなるシリコン
基板１１の（１００）面の上に陰極１７及び引き出し電
極１９Ａを形成したが、これに代えて、例えば、ガラス
基板上に低温でポリシリコン膜を形成した後、該ポリシ
リコン膜における電界放出電子源を形成する所定領域
に、例えばレーザアニール等の熱処理を施すことによ
り、所定領域のポリシリコン膜の結晶化を行なう方法を
採用することも可能である。このようにすると、安価な
ガラス基板の上に大面積を持つ電界放出電子源のアレイ
を形成することが可能になる。

【００７８】また、第１又は第２の実施形態におけるシ
リコン基板１１に代えて、他の半導体材料、例えばＧａ
Ａｓ等の化合物半導体よりなる基板を用いることも可能
である。

【００７９】さらに、第１及び第２の実施形態において
は、陰極１７はタワー形状であり、引き出し電極１９Ａ
の開口部も円形状であるが、陰極１７の形状及び引き出
し電極１９の開口部の形状は限定されるものではない。
以下、陰極１７の形状が第１の実施形態及び第２の実施
形態と異なる実施形態について説明する。

【００８０】（第３の実施形態）以下、本発明の第３実
施形態に係る電界放出型電子源の構造について図３を参
照しながら説明する。図３（ａ）は、図３（ｂ）におけ
るIII −III 線の断面構造を示し、図３（ｂ）は平面構
造を示している。

【００８１】図３（ａ），（ｂ）に示すように、シリコ
ンの結晶よりなるシリコン基板１１の上には、アレイ状
に配置された矩形状の陰極形成領域にそれぞれ開口部を
有する下部酸化シリコン膜１６Ａ及び上部酸化シリコン
膜１８Ａよりなる絶縁膜を介して引き出し電極１９Ａが
形成されている。この場合、引き出し電極１９Ａの開口
部の各辺の長さは下部酸化シリコン膜１６Ａ及び上部酸
化シリコン膜１８Ａの開口部の対応する各辺の長さより
も小さく、下部酸化シリコン膜１６Ａ及び上部酸化シリ
コン膜１８Ａの開口部周面は引き出し電極１９Ａの開口
部周面よりも後退している。

【００８２】下部酸化シリコン膜１６Ａ、上部酸化シリ
コン膜１８Ａ及び引き出し電極１９Ａの開口部の内部に
は、ウェッジ構造の陰極１７が形成されている。

【００８３】シリコン基板１１における下部酸化シリコ
ン膜１６Ａ及び上部酸化シリコン膜１８Ａの開口部に露
出した領域の表面部及び陰極１７の表面部には、シリコ
ン基板１１と同じ導電型で且つシリコン基板１１よりも
不純物濃度が高い高濃度不純物層２２が浅く形成されて
いる。

【００８４】（第４の実施形態）以下、本発明の第４実
施形態に係る電界放出型電子源の構造について図４を参
照しながら説明する。図４（ａ）は、図４（ｂ）におけ
るIII −III 線の断面構造を示し、図４（ｂ）は平面構
造を示している。

【００８５】図４（ａ），（ｂ）に示すように、シリコ
ンの結晶よりなるシリコン基板１１の上には、アレイ状
に配置された円形状の陰極形成領域にそれぞれ開口部を
有する下部酸化シリコン膜１６Ａ及び上部酸化シリコン
膜１８Ａよりなる絶縁膜を介して引き出し電極１９Ａが
形成されている。この場合、引き出し電極１９Ａの開口
部の径は下部酸化シリコン膜１６Ａ及び上部酸化シリコ
ン膜１８Ａの開口部の径よりも小さく、下部酸化シリコ
ン膜１６Ａ及び上部酸化シリコン膜１８Ａの開口部周面
は引き出し電極１９Ａの開口部周面よりも後退してい
る。

【００８６】下部酸化シリコン膜１６Ａ、上部酸化シリ
コン膜１８Ａ及び引き出し電極１９Ａの開口部の内部に
は円錐形状の陰極１７が形成されている。

【００８７】シリコン基板１１における下部酸化シリコ
ン膜１６Ａ及び上部酸化シリコン膜１８Ａの開口部に露
出した領域の表面部及び陰極１７の表面部には、シリコ
ン基板１１と同じ導電型で且つシリコン基板１１よりも
不純物濃度が高い高濃度不純物層２２が浅く形成されて
いる。

【００８８】

【発明の効果】第１の電界放出型電子源によると、基板
抵抗とタワー形状の陰極の断面積によって決まる電流許
容値が大きくなるため、タワー形状の陰極を微細化して
も陰極の根元部分に電流が集中する事態を回避できるの
で、陰極の根元部分にジュール熱が発生する事態を回避
でき、これにより、大電流で陰極を駆動しても、陰極が
溶融して素子が破壊する恐れがなくなる。

【００８９】第１の電界放出型電子源において、低仕事
関数材料を、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ若しく
はＺｒよりなる高融点金属材料又は該高融点金属材料の
炭化物、窒化物若しくは珪素化物を含むものに限定する
と、これらの低仕事関数材料は、シリコンよりなる半導
体装置のプロセスにおいて通常用いられ且つシリコン基
板との反応性に優れた材料であるため、表面被覆膜を均
一且つ生産性良く形成できるので素子を高性能化できる
と共に、通常のシリコンよりなる半導体装置のプロセス
において受け入れられやすいので、産業的に有用であ
る。

【００９０】第２の電界放出型電子源によると、陰極の
表面部から電子の放出が良好に行なわれるので、素子の
消費電力を低減することができる。

【００９１】第２の電界放出型電子源において、陰極が
タワー形状を有しており、高濃度不純物層が陰極の表面
及び基板における引き出し電極の開口部に露出した部分
の表面に形成されていると、第１の電界放出型電子源と
同様、基板抵抗とタワー形状の陰極の断面積によって決
まる電流許容値が大きくなり、タワー形状の陰極を微細
化しても陰極の根元部分にジュール熱が発生する事態を
回避できるので、大電流で陰極を駆動しても、陰極が溶
融して素子が破壊する恐れがなくなる。

【００９２】第２の電界放出型電子源において、高濃度
不純物層が１０ｋΩ以下のシート抵抗を有していると、
電子放出を著しく向上できるので、素子の消費電力を大
きく低下させることができる。

【００９３】第１の電界放出型電子源の製造方法による
と、陰極の表面及び基板における引き出し電極の開口部
に露出した部分の表面に連続して低仕事関数材料よりな
る表面被覆層を有する第１の電界放出型電子源を簡易且
つ再現性良く製造することができる。

【００９４】第１の電界放出型電子源の製造方法におい
て、表面被覆層形成工程が、堆積方向指向性を有するコ
リメートスパッタ法により表面被覆層を形成する工程を
含むと、コリメートスパッタ法は堆積性能に優れている
ため、素子が微細化して引き出し電極の開口部の径が小
さくなっても、表面被覆層を確実に堆積することができ
るので、素子の信頼性が向上する。

【００９５】第２の電界放出型電子源の製造方法による
と、陰極の表面に選択的に高濃度不純物層を形成するこ
とができるため、陰極の表面部に高濃度不純物層を有す
る第２の電界放出型電子源を簡易かつ再現性良く製造す
ることができる。

【００９６】第２の電界放出型電子源の製造方法におい
て、高濃度不純物形成工程が、陰極の表面に不純物元素
を含む堆積膜を形成した後、瞬間熱処理法により堆積膜
に含まれる不純物元素を陰極の表面部に固相拡散させる
工程を含むと、陰極の表面部に選択的に高濃度不純物層
を確実に形成することができる。

【００９７】第２の電界放出型電子源の製造方法におい
て、高濃度不純物形成工程が、不純物元素を陰極の表面
部にイオン注入することにより、陰極の表面部に高濃度
不純物層を形成する工程を含むと、陰極の表面部に選択
的に高濃度不純物層を確実に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る電界放出型電子
源を示し、（ａ）は（ｂ）におけるＩ−Ｉ線の断面図で
あり、（ｂ）は平面図である。

【図２】本発明の第２の実施形態に係る電界放出型電子
源を示し、（ａ）は（ｂ）におけるII−II線の断面図で
あり、（ｂ）は平面図である。

【図３】本発明の第３の実施形態に係る電界放出型電子
源を示し、（ａ）は（ｂ）におけるIII −III 線の断面
図であり、（ｂ）は平面図である。

【図４】本発明の第４の実施形態に係る電界放出型電子
源を示し、（ａ）は（ｂ）における IＶ− IＶ線の断面
図であり、（ｂ）は平面図である。

【図５】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係
る電界放出型電子源の製造方法の各工程を示す断面図で
ある。

【図６】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係
る電界放出型電子源の製造方法の各工程を示す断面図で
ある。

【図７】（ａ），（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係
る電界放出型電子源の製造方法の各工程を示す断面図で
ある。

【図８】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第２の実施形態に係
る電界放出型電子源の製造方法の各工程を示す断面図で
ある。

【図９】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第２の実施形態に係
る電界放出型電子源の製造方法の各工程を示す断面図で
ある。

【図１０】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施形態に
係る電界放出型電子源の製造方法の各工程を示す断面図
である。

【図１１】（ａ）〜（ｄ）は従来の電界放出型電子源の
製造方法の各工程を示す断面図である。

【図１２】（ａ）〜（ｄ）は従来の電界放出型電子源の
製造方法の各工程を示す断面図である。

【図１３】従来の電界放出型電子源の製造方法の各工程
を示す断面図である。

【符号の説明】 １１ シリコン基板 １２ 第１の酸化シリコン膜 １２Ａ 酸化シリコンマスク １３ フォトレジスト膜 １３Ａ レジストマスク １４Ａ 円柱状体 １４Ｂ 鼓状体 １４Ｃ 鼓状の柱状体 １５ 第２の酸化シリコン膜 １６ 第３の酸化シリコン膜 １７ 陰極 １８ 第４の酸化シリコン膜 １９ 導電性膜 １９Ａ 引き出し電極 ２０ 表面被覆膜 ２１ リンガラス層 ２２ 高濃度不純物層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 9/02 H01J 1/304

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に形成されたエッチングマスクを
   用いて前記基板に対してエッチングを行なって、前記基
   板上にタワー形状の陰極を形成する陰極形成工程と、 前記基板上に全面的に絶縁膜及び導電膜を順次堆積した
   後、前記エッチングマスク上の前記絶縁膜及び導電膜を
   リフトオフすることにより、前記陰極の周囲に開口部を
   有する引き出し電極を形成する工程と、 前記陰極の表面及び前記基板における前記引き出し電極
   の開口部に露出した部分の表面に、堆積方向指向性を有
   するコリメートスパッタ法により表面被覆層を形成する
   表面被覆層形成工程とを備え、 前記表面被覆層は、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ
   若しくはＺｒよりなる高融点金属材料の珪素化物を含む
   ことを特徴とする電界放出型電子源の製造方法。