JP3826539B2 - Method for manufacturing cold electron-emitting device - Google Patents

Method for manufacturing cold electron-emitting device Download PDF

Info

Publication number
JP3826539B2
JP3826539B2 JP02583898A JP2583898A JP3826539B2 JP 3826539 B2 JP3826539 B2 JP 3826539B2 JP 02583898 A JP02583898 A JP 02583898A JP 2583898 A JP2583898 A JP 2583898A JP 3826539 B2 JP3826539 B2 JP 3826539B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
emitter
gate electrode
type silicon
cold electron
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP02583898A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH11224594A (en
Inventor
秀典 蒲生
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toppan Inc
Original Assignee
Toppan Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toppan Inc filed Critical Toppan Inc
Priority to JP02583898A priority Critical patent/JP3826539B2/en
Publication of JPH11224594A publication Critical patent/JPH11224594A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3826539B2 publication Critical patent/JP3826539B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Devices For Indicating Variable Information By Combining Individual Elements (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強電界によって電子を放出する電界放射型の冷電子放出素子及びその製造方法に関する。より詳しくは、光プリンタ、電子顕微鏡、電子ビーム露光装置などの電子発生源や電子銃として、あるいは照明ランプの超小型照明源として、特に、平面ディスプレイを構成するアレイ状のFEA(いわゆる、Field Emitter Array)の電子発生源として有用な冷電子放出素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、電子ディスプレイデバイスとして陰極線管が広く用いられているが、陰極線管は、電子銃のカソードから熱電子を放出させるためにエネルギー消費量が大きく、また構造的に大きな容積を必要とするなどの問題があった。
【0003】
このため、熱電子ではなく冷電子を利用できるようにして、全体としてエネルギー消費量を低減させ、しかも、デバイス自体を小形化した平面型のディスプレイが求められ、更に、近年では、そのような平面型ディスプレイに高速応答性と高解像度とを実現することも強く求められている。
【0004】
このような冷電子を利用する平面型ディスプレイの構造としては、高真空の平板セル中に、微小な冷電子放出素子をアレイ状に配したものが有望視されている。そして、そのために使用する冷電子放出素子として、電界放射現象を利用した電界放射型の冷電子放出素子が注目されている。この電界放射型の冷電子放出素子は、物質に印加する電界の強度を上げると、その強度に応じて物質表面のエネルギー障壁の幅が次第に狭まり、電界強度が107 V/cm以上の強電界となると、物質中の電子がトンネル効果によりそのエネルギー障壁を突破できるようになり、そのため物質から電子が放出されるという現象を利用している。この場合、電場がポアッソンの方程式に従うために、電子を放出する部材(エミッタ)に電界が集中する部分を形成すると、比較的低い引き出し電圧で効率的に冷電子の放出を行うことができる。
【0005】
このような電界放射型の冷電子放出素子の一般的なものとしては、図5に示すように、先端が尖った円錐形の冷電子放出素子を例示することができる。この素子においては、絶縁性基板51上に導電層52、絶縁層53及びゲート電極54が順次積層されており、その絶縁層53及びゲート電極54には、導電層52に達する開口部Aが形成されている。そして、その開口部A内の導電層52上には、少なくともゲート電極54に接触しないように、点状突起Poを有する円錐形状のエミッタ55が形成されている。
【0006】
このような円錐形エミッタでは、スピント型エミッタが広く知られている。
【0007】
スピント型エミッタを備えた冷電子放出素子の製造例を、図6(a)〜(d)を参照しながら説明する。
【0008】
まず、図6(a)に示すように、予め導電層62が形成された絶縁性基板61上に、絶縁層63及びゲート電極64をスパッタ法又は真空蒸着法等により順次成膜する。続いて、フォトリソグラフィー法と反応性イオンエッチング法(RIE)とを利用して絶縁層63及びゲート電極64の一部を、導電層62が露出するまで円形の孔(ゲート孔)が開口するようにエッチングする。
【0009】
次に、図6(b)に示すように、斜方蒸着によりリフトオフ材65をゲート電極64上面と側面にのみ形成する。リフトオフ材65の材料としては、Al、MgO等が多く使用されている。
【0010】
続いて、図6(c)に示すように、導電層62上に、その垂直な方向から通常の異方性蒸着により、エミッタ66用の金属材料を蒸着する。このとき、蒸着の進行につれて、ゲート孔の開口径が狭まると同時に導電層62上に円錐形のエミッタ66が自己整合的に形成される。蒸着は、最終的にゲート孔が閉じるまで行なう。エミッタの材料としては、Mo、Ni等を使用している。
【0011】
最後に、図6(d)に示すように、リフトオフ材65をエッチングにより剥離し、必要に応じてゲート電極64をパターニングする。これによりスピント型エミッタを備えた冷電子放出素子が得られる。
【0012】
このようなスピント型エミッタを備えた冷電子放出素子では、異方性蒸着法により自己整合的に円錐形状のエミッタが簡便に形成でき、さらにエミッタ材料が広範囲に選定できるという利点を有している。また、エミッタ配線後に
【0013】
スピント型エミッタに代表される、微細加工技術を利用した冷電子放出素子を特に平面ディスプレイ等に適用する場合、エミッタからのエミッション電流の変動が小さいことが、高品位の画質を得るには必要不可欠である。
【0014】
エミッション電流の変動は、エミッタを集積化することで、ある程度低減することが可能である。これは、集積化により個々のエミッタにおけるエミッション特性のばらつきの影響が低減されるためである。しかしながら、この方法では各エミッタからのエミッション電流を見かけ上平均化するにすぎないため、局所的に現れる異常に大きなエミッション電流を抑制することは不可能である。
【0015】
このようなエミッション電流の変動を低減する手段として、米国特許3789471では、スピント型エミッタにおいて、導電層とエミッタの間に抵抗層を設ける技
術が示されている。
【0016】
このような抵抗層を具備した冷電子放出素子の構成例を、図7を参照しながら説明する。
【0017】
絶縁性基板71上に導電層72、抵抗層73、絶縁層74及びゲート電極75が順次積層されており、その絶縁層74及びゲート電極75には、抵抗層73に達する開口部Aが形成されている。そして、その開口部A内の抵抗層73上には、少なくともゲート電極75に接触しないように、円錐形状のエミッタ76が形成されている。
【0018】
この場合、抵抗層73は導電層72とエミッタ76間に電気的に直列に挿入されている。この抵抗層73により、素子間の電流を均一化する作用が得られ、さらに素子破壊につながる大電流を低減するとともに、エミッション電流の変動も抵抗層73の抵抗値に比例して減少させることが可能となる。抵抗層73の比抵抗は一般に102 〜106 Ω・cm程度が適当とされている。
【0019】
一方、半導体集積回路製造技術を応用したシリコンエミッタもまた広く知られている。
(Tech.Dig.IVMC.,(1991) p26)
【0020】
シリコンエミッタを備えた冷電子放出素子の製造例を、図8(a)〜(e)を参照しながら説明する。
【0021】
まず、図8(a)に示すように、単結晶シリコン基板81を熱酸化して表面に酸化シリコン層を形成し、その酸化シリコン層をフォトリソグラフィー法を利用して円形にパターニングすることにより、円形のエッチングマスク用酸化シリコン層82を形成する。この酸化シリコン層82は後述するようにリフトオフ材としても機能する。なお、酸化シリコン層82の径はほぼゲート径に相当する。
【0022】
次に、図8(b)に示すように、サイドエッチレートの高い条件の反応性イオンエッチング法(RIE)によりシリコン基板81をエッチングし、エミッタ83を形成する。
【0023】
続いて、図8(c)に示すように、熱酸化によりシリコン基板81及びエミッタ83の表面にエミッタ先端先鋭化用酸化シリコン層84を形成する。この酸化シリコン層84の形成時に発生する応力により、酸化シリコン層84の内側のエミッタ83の先端が容易に尖鋭化される。
【0024】
そして、図8(d)に示すように、異方性蒸着法により絶縁層85、ゲート電極86を積層する。
最後に、図8(e)に示すように、リフトオフ材としても機能するエッチングマスク用酸化シリコン層82をエッチングによりリフトオフし、更に、エミッタ83の表面の酸化シリコン層84をエッチング除去する。そして必要に応じてゲート電極86をパターニングする。これによりシリコンエミッタを備えた冷電子放出素子が得られる。
【0025】
さらに最近、シリコンエミッタにおいて、シリコンの半導体としての性質を利用して高度な電流制御が可能であることが示されている。(Jpn.J.Appl.Phys.vol.35 (1996) p6637) 。このような電流制御機能を搭載したシリコンエミッタはMOSFET構造エミッタと称される。このMOSFET構造エミッタを備えた冷電子放出素子の構成を図9を参照しながら説明する。
【0026】
p型シリコン基板91の同一平面上に、n型シリコンからなる円錐形のエミッタ92とn型シリコン層93を介してエミッタ配線層94が設けられ、エミッタ92とエミッタ配線層94の間に絶縁層95を介してゲート電極96が設置されている。即ち、このエミッタではMOSFET(いわゆる metal oxide semic−onductor field effect transistor) 構造を冷電子放出素子に内蔵した構造をもち、冷電子放出素子のエミッタ配線層94がMOSFETのソース、エミッタ92がドレイン、ゲート電極96がゲート、絶縁層95がゲート絶縁膜としてそれぞれ機能する。
【0027】
MOSFET構造エミッタを備えた冷電子放出素子の製造例を、図10(a)〜(g)を参照しながら説明する。
【0028】
まず、図10(a)に示すように、単結晶のp型シリコン基板101を熱酸化して表面に酸化シリコン層102を形成し、その酸化シリコン層102をフォトリソグラフィー法を利用して円形にパターニングすることにより、円形のエッチングマスク用酸化シリコン層102を形成する。この酸化シリコン層102は後述するようにリフトオフ材としても機能する。なお、酸化シリコン層102の径はほぼゲート径に相当する。
【0029】
次に、図10(b)に示すように、サイドエッチレートの高い条件の反応性イオンエッチング法(RIE)によりp型シリコン基板101をエッチングし、エミッタ103を形成する。
【0030】
続いて、図10(c)に示すように、熱酸化によりp型シリコン基板101及びエミッタ103の表面にエミッタ先端先鋭化用ならびに絶縁層用酸化シリコン層104を形成する。この酸化シリコン層104の形成時に発生する応力により、酸化シリコン層104の内側のエミッタ103の先端が容易に尖鋭化される。
【0031】
そして、図10(d)に示すように、ゲート電極105材料を成膜し、そのゲート電極106材料をフォトリソグラフィー法を利用して、エミッタ配線用の円形孔パターンを形成する。
【0032】
次に、図10(e)に示すように、リフトオフ材としても機能するエッチングマスク用酸化シリコン層102をエッチングによりリフトオフし、更に、エミッタ103の表面の酸化シリコン層104をエッチング除去するとともにエミッタ配線孔を形成する。
【0033】
続いて、図10(f)に示すように、リンをイオン注入した後拡散アニールを施し、エミッタ103をn型化するとともに、エミッタ配線孔表面にn型シリコン層106を生成する。
【0034】
最後に、図10(g)に示すように、エミッタ配線用及びゲート配線用電極材料としてアルミニウム等の金属薄膜107を成膜した後、必要に応じてゲート電極105をパターニングする。これによりMOSFET構造エミッタを備えた冷電子放出素子が得られる。
【0035】
このようなMOSFET構造を有したシリコンエミッタからなる冷電子放出素子では、従来のシリコンエミッタとほぼ同様の作製工程で容易に作製できるにも関わらず、MOSトランジスタを素子に内蔵することにより、トランジスタ制御された非常に安定したエミッション電流が得られ、かつ局所的な大電流の発生をなくすることができるため素子破壊も原理的に起こり得ないという、大きな特徴を有する。
【0036】
しかしながら、電流安定化のために抵抗層を施した冷電子放出素子においては、局所的な大電流に対して十分な電流低減特性を得るためには、より大きな抵抗を与える必要が生じるとともに、電流変動も個々の素子の特性に対して相対的に低減できるに止まること、さらには原理的に動作電圧の上昇が避けられないという問題があった。
【0037】
一方、電流制御機能を搭載したMOSFET構造を有したシリコンエミッタでは、トランジスタ制御による非常に高いレベルでの安定な電流が得られるが、エミッタとエミッタ配線が同一平面上に位置する電極の構成が必要とされることから、マトリクス配線を得ることが困難であるという問題があった。
【0038】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記のような従来の技術の課題を解決しようとするものであり、素子自体に電流制御機能を搭載させることで、動作電圧を上昇させることなく局所的な大電流を抑えるとともに、電流変動を最小限に低減することができ、かつ、マトリクスアレイ配線を容易に形成することができる電界放射型の冷電子放出素子の製造方法を提供することを目的とする。
【0039】
【0040】
【0041】
【0042】
【0043】
【課題を解決するための手段】
本発明が前記課題を解決する為のものであり、まず請求項1に示す発明は、
導電性基板上に絶縁層及びゲート電極が順次積層され、該ゲート電極と絶縁層とには導電性基板に達する開口部が設けられ、その開口部内の該導電性基板上にエミッタが該ゲート電極に接触しないように形成されてなる電界放射型の冷電子放出素子において、
導電性基板がp型シリコン基板であって、該p型シリコン基板上の同一平面上にそれぞれ設けられたn型シリコン層を介して、エミッタとエミッタ配線層がそれぞれ配され、且つ該エミッタ配線層上には絶縁層及びゲート電極が形成されている冷電子放出素子を製造する製造方法であって、
(a)p型シリコン基板表面に熱酸化により酸化シリコン層を生成し、次いで該酸化シリコン層をパターニングすることによってエミッタ用孔とエミッタ配線用孔とを形成し、該エミッタ用孔と該エミッタ配線用孔とにイオン注入法によりn型シリコン層を生成する工程;
(b)該エミッタ配線用孔に生成されたn型シリコン層上にエミッタ配線層材料を成膜し、該エミッタ配線層材料をパターニングすることによって、エミッタ配線層を形成する工程;
(c)該酸化シリコン層及びエミッタ配線層の上に、絶縁材料層とゲート電極材料層とを順次成膜することにより積層し、ゲート形成用の開口を持つ孔のパターンをフォトリソグラフィー法により形成し、ゲート電極材料層及び絶縁材料層をn型シリコン層が露出するまで反応性イオンエッチングによりエッチングすることによりゲート孔、並びにゲート電極と絶縁層とを形成する工程;
(d)斜方蒸着法によりゲート電極上面及び側面にのみリフトオフ材料を蒸着し、リフトオフ層を形成した後、基板に対して垂直方向の異方性蒸着法により、ゲート孔内にエミッタ材料を成膜し、自己整合的にエミッタを形成する工程;
(e)リフトオフ層を剥離しゲート電極上のエミッタ材料を剥落させる工程;
以上(a)〜(e)の工程を全て具備することを特徴とする冷電子放出素子製造方法である。
【0044】
請求項に示す発明は請求項の構成を基本とし、特に、前記工程(b)において、エミッタ配線層を形成後、エッチングにより酸化シリコン層を除去することを特徴とする。
【0045】
請求項に示す発明は請求項の構成を基本とし、特に、前記工程(a)において、熱酸化により設ける酸化シリコン層の代わりに、薄膜成膜法により設ける金属薄膜層またはセラミックス薄膜層を使用し、かつ、
工程(b)においては、エミッタ配線層を形成した後に、エッチングによって該金属薄膜層またはセラミック薄膜層を除去することを特徴とする。
【0046】
請求項に示す発明は請求項乃至のいずれかの構成を基本とし、特に、前記工程(c)において、絶縁層材料が、アモルファスシリコンナイトライドであり、反応ガスとして、シランまたはジシランのいずれかとアンモニアから成る混合ガスを用いたPECVD法により形成することを特徴とする。
【0047】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に従って詳細に説明する。
【0048】
図1は、本発明の冷電子放出素子の断面図である。同図に示すように、この冷電子放出素子は、p型シリコン基板1、絶縁層2及びゲート電極3が順次積層された構造を有する。そして、p型シリコン基板1上にはゲート電極3と絶縁層2とにはエミッタ配線層2に達する開口部Aが設けらており、その開口部A内のp型シリコン基板1表面にはn型シリコン層4が形成され、そのn型シリコン層4上には円錐形または円錐台形のエミッタ5がゲート電極3に接触しないように形成されている。さらに、エミッタ5に隣接した同一表面上で、かつ、絶縁層2及びゲート電極3の下層部分のp型シリコン基板1表面形成されたn型シリコン層6上には、エミッタ配線層7が形成されている。
【0049】
本発明においてp型シリコン基板1は、冷電子放出素子の支持基板として用いられているほかに、MOSFETのチャネルとして機能する。このようなp型シリコン基板としては、MOSFETの特性の面から抵抗値が数十Ω・cm以下であることが望ましい。
【0050】
絶縁層2は、エミッタ5及びエミッタ配線層7とゲート電極3とを電気的に絶縁するための層である。さらに、p型シリコン基板1とゲート電極3とを電気的に絶縁するためにも同時に使用され。すなわち、MOSFETのゲート絶縁膜としても機能する。このような絶縁層2としては、冷電子放出素子の絶縁層として用いられている公知の材料から形成することができるが、特に良好な絶縁性を示し、ピンホールフリーの膜が得られるPECVD法(いわゆる Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition法)による酸化シリコン、窒化シリコン膜を挙げることができる。
【0051】
絶縁層2の厚みとしては、エミッタ5、エミッタ配線層7及びp型シリコン基板1とゲート電極3との間に十分な絶縁性が保たれればよく、例えば、0.2〜2μm、好ましくは0.3〜0.7μmとする。
【0052】
ゲート電極3は、エミッタ5に強電界を集中させるための電極である。ゲート電極3の材料としては、耐電流性の点から高融点金属であって、エミッタ形成時に使用するエッチング液に耐性を有する材料を使用することができ、好ましくはCr、W、Ta又はNbを挙げることができる。中でも、下地との密着性の面からNbを使用することが好ましい。
【0053】
ゲート電極3の厚みは、必要に応じて適宜決定することができるが、0.1〜0.5μmとする。
【0054】
n型シリコン層4は、p型シリコン基板1とpn接合を形成し、エミッタ5とオーミック接触しMOSFETのドレインとして機能する層である。
【0055】
n型シリコン層6は、p型シリコン基板1とpn接合を形成し、エミッタ配線層7とオーミック接触しMOSFETのドレインとして機能する層である。
【0056】
これらのn型シリコン層は、MOSFETを形成するためにp型シリコン基板1と良好なpn接合を形成し、エミッタ5及びエミッタ配線層7と良好なオーミック接触が得られることが必要で、このようなn型シリコン層として、リンイオン注入法よる層をあげることができる。
【0057】
エミッタ5は、その表面から電子を直接的に放出する部材であり、本発明においては、p型シリコン基板1のn型シリコン層4上の金属薄膜もしくは非単結晶シリコン薄膜を使用する。ここで、エミッタを非単結晶シリコン薄膜、例えばポリシリコン薄膜またはアモルファスシリコン薄膜で形成した場合、エミッタ自体にある程度の抵抗をもつために、より安定なエミッション特性を得ることができる。
【0058】
エミッタ5全体の厚み(高さ)は、必要に応じて適宜決定することができるが、通常0.3〜2μmとすることが好ましい。
【0059】
また、エミッタ5の形状としては、円錐形または円柱形、或いは円錐台形または多角錐台であることが好ましい。
【0060】
エミッタ配線層7は、配線抵抗が低く、下層のシリコン材料との密着性が高い材料から形成する。このような材料として、特に好ましくはCr又はAl、Cr積層膜を挙げることができる。
【0061】
エミッタ配線層7の膜厚としては、十分な配線抵抗と密着性が得られる限り特に制限はないが、通常0.05〜0.5μm、好ましくは0.1〜0.3μmとする。
【0062】
次に、本発明の冷電子放出素子の製造方法を、図2、図3及び図4に従って詳細に説明する。
【0063】
工程(a)
まず、p型シリコン基板11を熱酸化し表面に熱酸化シリコン層12を生成した後、フォトリソグラフィー法を用いてエミッタ用孔B及びエミッタ配線用孔Cを形成する。そして、この酸化シリコン層12をマスクとしてリンをイオン注入法により、p型シリコン基板11上のエミッタ用孔B及びエミッタ配線用孔Cの領域にn型シリコン層13、14を生成する。(図2(a))
【0064】
工程(b)
次に、p型シリコン基板11の熱酸化シリコン層12側の表面上に、Cr、Al等金属薄膜からなる配線材料をスパッタ法もしくは蒸着法などにより成膜した後、フォトリソグラフィー法によりパターニングし、エミッタ配線用孔Cのn型シリコン層14上にエミッタ配線層15を形成する。(図2(b))
【0065】
工程(c)
続いて、熱酸化シリコン層12及びエミッタ配線層15上に、絶縁材料とゲート電極材料を順次成膜した後、フォトリソグラフィー法によりゲートの開口径を具備する円形孔または多角形孔パターンを形成し、反応性イオンエッチングによりゲート電極材料及び絶縁材料をn型シリコン層13が露出するまでエッチングし、ゲート孔Dを形成するとともに絶縁層16とゲート電極17を形成する。(図2(c))ここで、ゲート電極17の成膜法としては、通常用いられる電気絶縁性の高い膜がえられる種々の方法が使用可能であるが、特にゲート絶縁膜として良好な特性を示すシランまたはジシランとアンモニアから成る混合ガスを反応ガスとして用いる、PECVD法で形成するアモルファスシリコンナイトライドを使用することができる。
【0066】
工程(d)
次に、斜方蒸着によりリフトオフ材18をゲート電極17上面と側面にのみ形成する。リフトオフ材18の材料としては、リフトオフの際の剥離性の高いAl、MgO等が好ましく使用できる。続いて、ゲート孔D内のn型シリコン層13上に、その垂直な方向から通常の異方性蒸着により、エミッタ19用の金属材料を蒸着する。このとき、蒸着の進行につれて、ゲート孔の開口径が狭まると同時にn型シリコン層13上に円錐形のエミッタ19が自己整合的に形成される。蒸着は、最終的にゲート孔Dが閉じるまで行なう。エミッタの材料としては、金属、半導体、セラミックス等の蒸着可能な広範囲の材料から選択できる。また、エミッタ材料として蒸着法によるアモルファスシリコンもしくはポリシリコンを用いた場合、より安定なエミッション特性を得ることが可能となる。
【0067】
このとき、例えば絶縁層16及びゲート電極17の厚みの合計を1μmとした場合、ゲート孔Dの直径を1μm以下とした場合にはエミッタ形状は円錐形状、1μmより大きくし、なおかつエミッタ材料の蒸着をゲート孔Dが閉じる前に終了させた場合には、概ね円錐台形状となる。またゲート孔Dの形状を円形ではなく多角形とした場合には、それぞれ多角錐または多角錐台とすることができる。ここで、例えば円錐形状よりも円錐台形状の方が大面積にわたって均一なエミッション特性が得られることが、発明者のこれまでの実験から確かめられている。これにより例えば先端が尖鋭化されたエミッタ19が形成された。(図2(d))
【0068】
工程(e)
最後に、緩衝フッ酸溶液を用いて、リフトオフ材18をエッチングにより剥離し、必要に応じてゲート電極17をパターニングする。これにより図2(e)の冷電子放出素子が得られる。
【0069】
また、工程(b)において、エミッタ配線層15を形成後、緩衝フッ酸溶液等を用いて熱酸化シリコン層12をエッチングにより除去することができる。(図3(b’))この場合、後工程において熱酸化シリコン膜による段差が解消され、フォトリソグラフィー等の加工精度がより向上させることが可能となる。
【0070】
また、工程(a)において図4(a”)に示すように、イオン注入のマスク層として機能する熱酸化シリコン層のかわりに、スパッタ、蒸着等の薄膜成膜法による金属またはセラミックス薄膜層12”を用いること、かつ、工程(b)において図4(b”)に示すように、エミッタ配線層を形成後、エッチングにより金属またはセラミック薄膜層を除去することができる。この場合、イオン注入におけるマスク層の機能をより向上させることが可能となる。
【0071】
以上説明したように、本発明の冷電子放出素子においては、MOSFET構造を有するシリコン基板上に、金属または非単結晶シリコンでエミッタを構成することにより、トランジスタによって高度に制御されたエミッション電流が得られ、且つマトリクス配線化を容易に実現することができる。
【0072】
【実施例】
本発明の冷電子放出素子の製造例を以下の実施例で具体的に説明する。
【0073】
工程(a)
まず、数Ω・cmの比抵抗をもったp型シリコン基板11に1100℃30分の熱酸化を行うことによって、表面に膜厚0.3μmの熱酸化シリコン層12を生成した。次に、フォトリソグラフィー法により熱酸化シリコン層12を緩衝フッ酸溶液を用いたウエットエッチングによりパターニングし、エミッタ用孔B及びエミッタ配線用孔Cを形成した。続いて、リンイオンを60keVで1015cm−2の照射条件で注入後、活性化のため800℃30分の真空アニールを行った。(図2(a))
【0074】
工程(b)
次に、熱酸化シリコン層12上にスパッタ法によりCrを0.2μmの膜厚で成膜した後、通常のフォトリソグラフィー法を用いてパターニングし、エミッタ配線用孔Cのn型シリコン層14上にエミッタ配線層15を形成した。(図2(b))
【0075】
工程(c)
次に、絶縁層材料としてPECVD法によってSiNx膜を0.3μmの膜厚で成膜した。反応ガスとしてシランとアンモニアの混合ガス、また希釈ガスとして水素を使用し、ガス総流量540sccm、ガス圧1Torr、基板温度350℃、RFパワー60Wの条件で成膜した。続いて、ゲート電極材料として真空蒸着法によりNbを0.2μmの膜厚で成膜した。さらに、通常のフォトリソグラフィー法を用いてゲート開口径として1μmの円形孔パターンを形成し、反応性イオンエッチングによりゲート電極材料Nb及び絶縁材料SiNxをn型シリコン層16が露出するまでエッチングした。このときのエッチング条件は(導入ガス:SF6 を60sccm/パワー100W/ガス圧4.5Pa)であった。これにより、ゲート電極17及び絶縁膜16が形成できた。(図2(c))
【0076】
工程(d)
次に、リフトオフ材18としてAlを0.3μm厚で斜方蒸着した。続いて、基板に対して垂直方向からの異方性蒸着法により、エミッタ19の材料としてMoをゲート孔が閉じるまで蒸着した。(図2(d))
【0077】
工程(e)
次に、リフトオフ材18のAlを酸系のエッチャントを用いてウエットエッチングし上層のエミッタ材料とともに剥離し図2(e)に示すような冷電子放出素子を得た。
【0078】
上述の冷電子放出素子を100個集積したアレイを試作し以下のように試験し、評価した。即ち、各素子のエミッタ−ゲート電極間の距離を約0.6μm、エミッタ高さ約0.8μm、MOSFETパラメータとしてチャネル長L/チャネル幅Wを10/1とした構造の素子に対し、蛍光体を塗布した透明電極(アノード)を有するガラス板部材を距離30mmで対向させ、エミッタ電極−ゲート電極間にゲート電極側が正となる極性で引き出し電圧を印加したところ、良好にかつ安定に電子を放出することができた。
【0079】
得られたエミッション特性は図11に示すように、低電界領域ではエミッタ自身の電流電圧特性(E)を示し、高電界領域ではMOSFETによる電流電圧特性(M)に従がう特性を示した。即ち、エミッション電流がMOSFETのドレイン電流値を越えた高電界領域で電流のトランジスタ制御領域が得られ、本素子ではゲート電圧70V以上で安定なエミッション電流(ME)が得られた。
【0080】
【発明の効果】
本発明によれば、MOSFET構造を有するシリコン基板上に、金属または非単結晶シリコンでエミッタを構成することにより、トランジスタによって高度に制御されたエミッション電流が得られ、且つマトリクス配線化を容易に実現することができる。
【0081】
従って、電流安定性が高くかつマトリクス化の容易な冷電子放出素子を得ることができる。更に、フラットパネルディスプレイに応用した場合にも、高速、高精細度の画像が、低消費電力で得ることが可能となる。
【0082】
つまるところ、本発明によれば、素子自体に電流制御機能を搭載させることで、動作電圧を上昇させることなく局所的な大電流を抑えるとともに、電流変動を最小限に低減することができ、かつ、マトリクスアレイ配線を容易に形成することができる電界放射型の冷電子放出素子の製造方法を提供することが出来た。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の冷電子放出素子の断面図である。
【図2】 本発明の冷電子放出素子の製造工程図である。
【図3】 本発明の冷電子放出素子の別の製造工程図である。
【図4】 本発明の冷電子放出素子の別の製造工程図である。
【図5】 従来の冷電子放出素子の断面図である。
【図6】 従来の冷電子放出素子の製造工程図である。
【図7】 従来の別の冷電子放出素子の断面図である。
【図8】 従来の冷電子放出素子の断面図である。
【図9】 従来の別の冷電子放出素子の製造工程図である。
【図10】 従来の別の冷電子放出素子の製造工程図である。
【図11】 本発明の冷電子放出素子の電気特性の一例である。
【符号の説明】
1 ・・・p型シリコン基板
2 ・・・絶縁層
3 ・・・ゲート電極
4 ・・・n型シリコン層
5 ・・・ゲート電極
6 ・・・n型シリコン層
7 ・・・エミッタ配線層
11・・・p型シリコン基板
12・・・熱酸化シリコン層
12”・・金属またはセラミックス薄膜層
13・・・n型シリコン層
14・・・n型シリコン層
15・・・エミッタ配線層
16・・・絶縁層
17・・・ゲート電極
18・・・リフトオフ材
19・・・エミッタ
51・・・絶縁性基板
52・・・導電層
53・・・絶縁層
54・・・ゲート電極
55・・・エミッタ
61・・・絶縁性基板
62・・・導電層
63・・・絶縁層
64・・・ゲート電極
65・・・リフトオフ材
66・・・エミッタ
71・・・絶縁性基板
72・・・導電層
73・・・抵抗層
74・・・絶縁層
75・・・ゲート電極
76・・・エミッタ
81・・・シリコン基板
82・・・酸化シリコン層
83・・・エミッタ
84・・・酸化シリコン層
85・・・絶縁層
86・・・ゲート電極
91・・・p型シリコン基板
92・・・エミッタ
93・・・n型シリコン層
94・・・エミッタ配線層
95・・・絶縁層
96・・・ゲート電極
101・・p型シリコン基板
102・・酸化シリコン層
103・・エミッタ
104・・酸化シリコン層
105・・ゲート電極
106・・n型シリコン層
107・・金属薄膜
A ・・・開口部
B ・・・エミッタ用孔
C ・・・エミッタ配線用孔
D ・・・ゲート孔
E ・・・エミッタ特性
M ・・・MOSFET特性
ME・・・エミッション特性
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a field emission cold electron-emitting device that emits electrons by a strong electric field and a method of manufacturing the same. More specifically, as an electron generation source or electron gun for an optical printer, an electron microscope, an electron beam exposure apparatus, or the like, or as an ultra-compact illumination source for an illumination lamp, in particular, an array of FEA (so-called Field Emitter) constituting a flat display. Array) Cold electron emitters useful as electron generation sourcesOf childIt relates to a manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
  Conventionally, a cathode ray tube has been widely used as an electronic display device. However, the cathode ray tube consumes a large amount of energy in order to emit thermal electrons from the cathode of an electron gun, and requires a large volume structurally. There was a problem.
[0003]
  For this reason, there is a demand for a flat display that can use cold electrons instead of thermal electrons to reduce energy consumption as a whole, and further downsize the device itself. Realization of high-speed response and high resolution is strongly demanded for the type display.
[0004]
  As a structure of a flat display using such cold electrons, a structure in which micro cold electron-emitting devices are arranged in an array in a high-vacuum flat plate cell is considered promising. As a cold electron-emitting device used for this purpose, a field emission type cold electron-emitting device using a field emission phenomenon has attracted attention. In this field emission type cold electron emission device, when the strength of the electric field applied to the material is increased, the width of the energy barrier on the surface of the material is gradually reduced according to the strength, and a strong electric field with an electric field strength of 107 V / cm or more is obtained. This makes use of the phenomenon that electrons in a substance can break through its energy barrier by the tunnel effect, and thus electrons are emitted from the substance. In this case, since the electric field follows Poisson's equation, if a portion where the electric field concentrates is formed on the member (emitter) that emits electrons, cold electrons can be efficiently emitted with a relatively low extraction voltage.
[0005]
  As a general example of such a field emission type cold electron emission element, a conical cold electron emission element having a sharp tip can be exemplified as shown in FIG. In this element, a conductive layer 52, an insulating layer 53, and a gate electrode 54 are sequentially stacked on an insulating substrate 51, and an opening A reaching the conductive layer 52 is formed in the insulating layer 53 and the gate electrode 54. Has been. A conical emitter 55 having a dot-like projection Po is formed on the conductive layer 52 in the opening A so as not to contact at least the gate electrode 54.
[0006]
  Among such conical emitters, Spindt-type emitters are widely known.
[0007]
  An example of manufacturing a cold electron-emitting device having a Spindt-type emitter will be described with reference to FIGS.
[0008]
  First, as shown in FIG. 6A, an insulating layer 63 and a gate electrode 64 are sequentially formed on an insulating substrate 61 on which a conductive layer 62 has been previously formed by a sputtering method, a vacuum evaporation method, or the like. Subsequently, a circular hole (gate hole) is opened in part of the insulating layer 63 and the gate electrode 64 by using a photolithography method and a reactive ion etching method (RIE) until the conductive layer 62 is exposed. Etch into.
[0009]
  Next, as shown in FIG. 6B, a lift-off material 65 is formed only on the upper surface and side surfaces of the gate electrode 64 by oblique vapor deposition. As the material of the lift-off material 65, Al, MgO or the like is often used.
[0010]
  Subsequently, as shown in FIG. 6C, a metal material for the emitter 66 is deposited on the conductive layer 62 from the perpendicular direction by ordinary anisotropic deposition. At this time, as the deposition proceeds, the opening diameter of the gate hole is narrowed, and at the same time, the conical emitter 66 is formed on the conductive layer 62 in a self-aligning manner. Deposition is performed until the gate hole is finally closed. As the material of the emitter, Mo, Ni or the like is used.
[0011]
  Finally, as shown in FIG. 6D, the lift-off material 65 is removed by etching, and the gate electrode 64 is patterned as necessary. As a result, a cold electron emission device including a Spindt-type emitter is obtained.
[0012]
  The cold electron emission device having such a Spindt-type emitter has an advantage that a conical emitter can be easily formed in a self-aligning manner by anisotropic vapor deposition, and further, a wide range of emitter materials can be selected. . After emitter wiring
[0013]
  When applying cold electron-emitting devices that use microfabrication technology, represented by Spindt-type emitters, to flat displays, etc., it is indispensable to obtain high-quality image quality because the emission current fluctuation from the emitter is small. It is.
[0014]
  The fluctuation of the emission current can be reduced to some extent by integrating the emitter. This is because the influence of variations in emission characteristics among individual emitters is reduced by integration. However, since this method merely apparently averages the emission current from each emitter, it is impossible to suppress an abnormally large emission current that appears locally.
[0015]
  As a means for reducing such a variation in emission current, US Pat. No. 3,789,471 discloses a technique for providing a resistive layer between a conductive layer and an emitter in a Spindt emitter.
Skill is shown.
[0016]
  A configuration example of a cold electron emission device having such a resistance layer will be described with reference to FIG.
[0017]
  A conductive layer 72, a resistance layer 73, an insulating layer 74, and a gate electrode 75 are sequentially stacked on the insulating substrate 71, and an opening A reaching the resistance layer 73 is formed in the insulating layer 74 and the gate electrode 75. ing. A conical emitter 76 is formed on the resistance layer 73 in the opening A so as not to contact at least the gate electrode 75.
[0018]
  In this case, the resistance layer 73 is electrically inserted between the conductive layer 72 and the emitter 76 in series. The resistance layer 73 has an effect of making the current between the elements uniform, further reduces a large current that leads to element destruction, and also reduces fluctuations in the emission current in proportion to the resistance value of the resistance layer 73. It becomes possible. The specific resistance of the resistance layer 73 is generally about 102 to 10 6 Ω · cm.
[0019]
  On the other hand, silicon emitters using semiconductor integrated circuit manufacturing technology are also widely known.
(Tech. Dig. IVMC., (1991) p26)
[0020]
  An example of manufacturing a cold electron emission device including a silicon emitter will be described with reference to FIGS.
[0021]
  First, as shown in FIG. 8A, a single crystal silicon substrate 81 is thermally oxidized to form a silicon oxide layer on the surface, and the silicon oxide layer is patterned into a circular shape using a photolithography method. A circular silicon oxide layer 82 for etching mask is formed. This silicon oxide layer 82 also functions as a lift-off material as will be described later. The diameter of the silicon oxide layer 82 substantially corresponds to the gate diameter.
[0022]
  Next, as shown in FIG. 8B, the silicon substrate 81 is etched by reactive ion etching (RIE) under a condition with a high side etch rate to form an emitter 83.
[0023]
  Subsequently, as shown in FIG. 8C, an emitter tip sharpening silicon oxide layer 84 is formed on the surfaces of the silicon substrate 81 and the emitter 83 by thermal oxidation. Due to the stress generated when the silicon oxide layer 84 is formed, the tip of the emitter 83 inside the silicon oxide layer 84 is easily sharpened.
[0024]
  Then, as shown in FIG. 8D, an insulating layer 85 and a gate electrode 86 are stacked by anisotropic vapor deposition.
  Finally, as shown in FIG. 8E, the etching mask silicon oxide layer 82 that also functions as a lift-off material is lifted off by etching, and the silicon oxide layer 84 on the surface of the emitter 83 is removed by etching. Then, the gate electrode 86 is patterned as necessary. As a result, a cold electron emission device including a silicon emitter is obtained.
[0025]
  More recently, it has been shown that silicon current can be controlled at a high level by utilizing the properties of silicon as a semiconductor. (Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 35 (1996) p6637). A silicon emitter having such a current control function is referred to as a MOSFET structure emitter. The configuration of the cold electron-emitting device provided with this MOSFET structure emitter will be described with reference to FIG.
[0026]
  On the same plane of the p-type silicon substrate 91, an emitter wiring layer 94 is provided via a conical emitter 92 made of n-type silicon and an n-type silicon layer 93, and an insulating layer is provided between the emitter 92 and the emitter wiring layer 94. A gate electrode 96 is provided through 95. That is, this emitter has a structure in which a MOSFET (so-called metal oxide semiconductor-effect effect transistor) structure is built in the cold electron emitter, the emitter wiring layer 94 of the cold electron emitter is the source of the MOSFET, the emitter 92 is the drain, the gate The electrode 96 functions as a gate and the insulating layer 95 functions as a gate insulating film.
[0027]
  An example of manufacturing a cold electron-emitting device having a MOSFET structure emitter will be described with reference to FIGS.
[0028]
  First, as shown in FIG. 10A, a single crystal p-type silicon substrate 101 is thermally oxidized to form a silicon oxide layer 102 on the surface, and the silicon oxide layer 102 is formed into a circular shape by using a photolithography method. By patterning, a circular etching mask silicon oxide layer 102 is formed. This silicon oxide layer 102 also functions as a lift-off material as will be described later. Note that the diameter of the silicon oxide layer 102 substantially corresponds to the gate diameter.
[0029]
  Next, as shown in FIG. 10B, the p-type silicon substrate 101 is etched by a reactive ion etching method (RIE) under a condition with a high side etch rate to form an emitter 103.
[0030]
  Subsequently, as shown in FIG. 10C, a silicon oxide layer 104 for sharpening the emitter tip and for the insulating layer is formed on the surfaces of the p-type silicon substrate 101 and the emitter 103 by thermal oxidation. Due to the stress generated when the silicon oxide layer 104 is formed, the tip of the emitter 103 inside the silicon oxide layer 104 is easily sharpened.
[0031]
  Then, as shown in FIG. 10D, a gate electrode 105 material is formed, and a circular hole pattern for emitter wiring is formed on the gate electrode 106 material using a photolithography method.
[0032]
  Next, as shown in FIG. 10E, the etching mask silicon oxide layer 102 that also functions as a lift-off material is lifted off by etching, and the silicon oxide layer 104 on the surface of the emitter 103 is removed by etching and the emitter wiring is also removed. Form holes.
[0033]
  Subsequently, as shown in FIG. 10F, after phosphorus is ion-implanted, diffusion annealing is performed to make the emitter 103 n-type, and an n-type silicon layer 106 is formed on the surface of the emitter wiring hole.
[0034]
  Finally, as shown in FIG. 10G, after forming a metal thin film 107 such as aluminum as an electrode material for the emitter wiring and the gate wiring, the gate electrode 105 is patterned as necessary. As a result, a cold electron-emitting device having a MOSFET structure emitter is obtained.
[0035]
  In a cold electron emission device composed of a silicon emitter having such a MOSFET structure, although it can be easily manufactured in substantially the same manufacturing process as a conventional silicon emitter, a transistor control is realized by incorporating a MOS transistor in the device. Therefore, it is possible to obtain a very stable emission current and to eliminate the generation of a large local current, so that there is a great feature that element destruction cannot occur in principle.
[0036]
  However, in a cold electron emission device provided with a resistance layer for current stabilization, in order to obtain a sufficient current reduction characteristic for a local large current, it is necessary to provide a larger resistance, There is a problem that fluctuations can only be reduced relative to the characteristics of the individual elements, and that in principle an increase in operating voltage is unavoidable.
[0037]
  On the other hand, a silicon emitter having a MOSFET structure equipped with a current control function can obtain a stable current at a very high level by transistor control. However, an electrode configuration in which the emitter and the emitter wiring are located on the same plane is necessary. Therefore, there is a problem that it is difficult to obtain matrix wiring.
[0038]
[Problems to be solved by the invention]
  The present invention is intended to solve the above-described problems of the prior art, and by incorporating a current control function in the element itself, a local large current can be suppressed without increasing the operating voltage, and the current can be reduced. Field emission type cold electron emission element capable of minimizing fluctuations and easily forming matrix array wiringOf childAn object is to provide a manufacturing method.
[0039]
[0040]
[0041]
[0042]
[0043]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is for solving the above-mentioned problems.
  An insulating layer and a gate electrode are sequentially stacked on a conductive substrate, an opening reaching the conductive substrate is provided in the gate electrode and the insulating layer, and an emitter is provided on the conductive substrate in the opening. In the field emission cold electron-emitting device formed so as not to contact
  The conductive substrate is a p-type silicon substrate, and an emitter and an emitter wiring layer are arranged via n-type silicon layers respectively provided on the same plane on the p-type silicon substrate, and the emitter wiring layer A manufacturing method for manufacturing a cold electron-emitting device having an insulating layer and a gate electrode formed thereon,
  (A) A silicon oxide layer is formed on the surface of the p-type silicon substrate by thermal oxidation, and then the silicon oxide layer is patterned to form an emitter hole and an emitter wiring hole. The emitter hole and the emitter wiring Forming an n-type silicon layer in the hole by ion implantation;
  (B) forming an emitter wiring layer material by forming an emitter wiring layer material on the n-type silicon layer generated in the emitter wiring hole and patterning the emitter wiring layer material;
  (C) An insulating material layer and a gate electrode material layer are sequentially formed on the silicon oxide layer and the emitter wiring layer, and a hole pattern having an opening for forming a gate is formed by a photolithography method. And etching the gate electrode material layer and the insulating material layer by reactive ion etching until the n-type silicon layer is exposed, thereby forming the gate hole, and the gate electrode and the insulating layer;
  (D) A lift-off material is deposited only on the top and side surfaces of the gate electrode by oblique deposition, and a lift-off layer is formed. Filming and self-aligning emitter formation;
  (E) peeling off the lift-off layer and peeling off the emitter material on the gate electrode;
A cold electron-emitting device manufacturing method comprising all the steps (a) to (e).
[0044]
  Claim2The invention shown in claim1In particular, the step (b) is characterized in that, after the emitter wiring layer is formed, the silicon oxide layer is removed by etching.
[0045]
  Claim3The invention shown in claim2In particular, in the step (a), in place of the silicon oxide layer provided by thermal oxidation, a metal thin film layer or a ceramic thin film layer provided by a thin film forming method is used, and
  The step (b) is characterized in that after the emitter wiring layer is formed, the metal thin film layer or the ceramic thin film layer is removed by etching.
[0046]
  Claim4The invention shown in claim1Thru3In particular, in the step (c), the insulating layer material is amorphous silicon nitride, and the reaction gas is a PECVD method using a mixed gas composed of either silane or disilane and ammonia. It is formed by.
[0047]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0048]
  FIG. 1 is a cross-sectional view of a cold electron emission device of the present invention. As shown in the figure, this cold electron-emitting device has a structure in which a p-type silicon substrate 1, an insulating layer 2, and a gate electrode 3 are sequentially laminated. An opening A reaching the emitter wiring layer 2 is provided in the gate electrode 3 and the insulating layer 2 on the p-type silicon substrate 1, and the surface of the p-type silicon substrate 1 in the opening A is n. A type silicon layer 4 is formed, and a conical or frustoconical emitter 5 is formed on the n type silicon layer 4 so as not to contact the gate electrode 3. Further, an emitter wiring layer 7 is formed on the same surface adjacent to the emitter 5 and on the n-type silicon layer 6 formed on the surface of the p-type silicon substrate 1 below the insulating layer 2 and the gate electrode 3. ing.
[0049]
  In the present invention, the p-type silicon substrate 1 functions as a MOSFET channel in addition to being used as a support substrate for a cold electron-emitting device. Such a p-type silicon substrate preferably has a resistance value of several tens of Ω · cm or less from the viewpoint of the characteristics of the MOSFET.
[0050]
  The insulating layer 2 is a layer for electrically insulating the emitter 5 and the emitter wiring layer 7 from the gate electrode 3. Furthermore, it is used simultaneously for electrically insulating the p-type silicon substrate 1 and the gate electrode 3. That is, it also functions as a gate insulating film of MOSFET. Such an insulating layer 2 can be formed from a known material used as an insulating layer of a cold electron-emitting device, but it has a particularly good insulating property and can provide a pinhole-free film. Examples thereof include a silicon oxide film and a silicon nitride film by a so-called Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition method.
[0051]
  As for the thickness of the insulating layer 2, it is sufficient that sufficient insulation is maintained between the emitter 5, the emitter wiring layer 7 and the p-type silicon substrate 1 and the gate electrode 3, for example, 0.2 to 2 μm, preferably 0.3 to 0.7 μm.
[0052]
  The gate electrode 3 is an electrode for concentrating a strong electric field on the emitter 5. As a material of the gate electrode 3, a material having a high melting point from the viewpoint of current resistance and having resistance to an etching solution used for forming an emitter can be used. Preferably, Cr, W, Ta or Nb is used. Can be mentioned. Among them, it is preferable to use Nb from the viewpoint of adhesion with the base.
[0053]
  The thickness of the gate electrode 3 can be appropriately determined as necessary, but is 0.1 to 0.5 μm.
[0054]
  The n-type silicon layer 4 is a layer that forms a pn junction with the p-type silicon substrate 1 and makes ohmic contact with the emitter 5 and functions as the drain of the MOSFET.
[0055]
  The n-type silicon layer 6 is a layer that forms a pn junction with the p-type silicon substrate 1 and makes ohmic contact with the emitter wiring layer 7 and functions as a drain of the MOSFET.
[0056]
  These n-type silicon layers are required to form a good pn junction with the p-type silicon substrate 1 in order to form a MOSFET, and to obtain good ohmic contact with the emitter 5 and the emitter wiring layer 7. An example of such an n-type silicon layer is a layer formed by a phosphorus ion implantation method.
[0057]
  The emitter 5 is a member that directly emits electrons from the surface thereof. In the present invention, a metal thin film or a non-single-crystal silicon thin film on the n-type silicon layer 4 of the p-type silicon substrate 1 is used. Here, when the emitter is formed of a non-single crystal silicon thin film, for example, a polysilicon thin film or an amorphous silicon thin film, the emitter itself has a certain resistance, so that more stable emission characteristics can be obtained.
[0058]
  The thickness (height) of the entire emitter 5 can be appropriately determined as necessary, but is usually preferably 0.3 to 2 μm.
[0059]
  The shape of the emitter 5 is preferably a conical shape or a cylindrical shape, or a truncated cone shape or a polygonal frustum shape.
[0060]
  The emitter wiring layer 7 is formed from a material having low wiring resistance and high adhesion to the underlying silicon material. Particularly preferable examples of such a material include Cr, Al, and a Cr laminated film.
[0061]
  The thickness of the emitter wiring layer 7 is not particularly limited as long as sufficient wiring resistance and adhesion can be obtained, but is usually 0.05 to 0.5 μm, preferably 0.1 to 0.3 μm.
[0062]
  Next, a method for manufacturing a cold electron-emitting device according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
[0063]
    Step (a)
  First, the p-type silicon substrate 11 is thermally oxidized to form a thermally oxidized silicon layer 12 on the surface, and then an emitter hole B and an emitter wiring hole C are formed by photolithography. Then, n-type silicon layers 13 and 14 are formed in the region of the emitter hole B and the emitter wiring hole C on the p-type silicon substrate 11 by phosphorus ion implantation using the silicon oxide layer 12 as a mask. (Fig. 2 (a))
[0064]
    Step (b)
  Next, a wiring material made of a metal thin film such as Cr or Al is formed on the surface of the p-type silicon substrate 11 on the thermally oxidized silicon layer 12 side by sputtering or vapor deposition, and then patterned by photolithography. An emitter wiring layer 15 is formed on the n-type silicon layer 14 in the emitter wiring hole C. (Fig. 2 (b))
[0065]
    Step (c)
  Subsequently, after sequentially forming an insulating material and a gate electrode material on the thermally oxidized silicon layer 12 and the emitter wiring layer 15, a circular hole or polygonal hole pattern having a gate opening diameter is formed by photolithography. Then, the gate electrode material and the insulating material are etched by reactive ion etching until the n-type silicon layer 13 is exposed to form the gate hole D, and the insulating layer 16 and the gate electrode 17 are formed. Here, as the film formation method of the gate electrode 17, various methods that can be used to obtain a film having a high electrical insulating property that is usually used can be used. Particularly, the gate electrode 17 has good characteristics as a gate insulating film. It is possible to use amorphous silicon nitride formed by PECVD using silane or a mixed gas composed of disilane and ammonia as a reaction gas.
[0066]
    Step (d)
  Next, the lift-off material 18 is formed only on the upper surface and side surfaces of the gate electrode 17 by oblique vapor deposition. As the material of the lift-off material 18, Al, MgO, or the like that has high peelability at the time of lift-off can be preferably used. Subsequently, a metal material for the emitter 19 is deposited on the n-type silicon layer 13 in the gate hole D by normal anisotropic deposition from the perpendicular direction. At this time, the conical emitter 19 is formed in a self-aligned manner on the n-type silicon layer 13 at the same time as the opening diameter of the gate hole is reduced as the deposition proceeds. Deposition is performed until the gate hole D is finally closed. The emitter material can be selected from a wide range of materials that can be deposited, such as metals, semiconductors, and ceramics. Further, when amorphous silicon or polysilicon by an evaporation method is used as the emitter material, more stable emission characteristics can be obtained.
[0067]
  At this time, for example, when the total thickness of the insulating layer 16 and the gate electrode 17 is 1 μm, when the diameter of the gate hole D is 1 μm or less, the emitter shape is conical and larger than 1 μm, and evaporation of the emitter material is performed. Is finished before the gate hole D is closed, it has a generally truncated cone shape. Further, when the gate hole D has a polygonal shape instead of a circular shape, it can be a polygonal pyramid or a polygonal frustum, respectively. Here, for example, it has been confirmed from the inventor's previous experiments that the frustoconical shape can obtain uniform emission characteristics over a large area rather than the conical shape. Thereby, for example, the emitter 19 having a sharp tip is formed. (Fig. 2 (d))
[0068]
    Step (e)
  Finally, the lift-off material 18 is removed by etching using a buffered hydrofluoric acid solution, and the gate electrode 17 is patterned as necessary. As a result, the cold electron-emitting device shown in FIG.
[0069]
  Further, in step (b), after forming the emitter wiring layer 15, the thermally oxidized silicon layer 12 can be removed by etching using a buffered hydrofluoric acid solution or the like. In this case, the step due to the thermally oxidized silicon film is eliminated in the subsequent process, and the processing accuracy of photolithography or the like can be further improved.
[0070]
  Further, in the step (a), as shown in FIG. 4A ″, a metal or ceramic thin film layer 12 formed by a thin film forming method such as sputtering or vapor deposition is used instead of the thermally oxidized silicon layer functioning as a mask layer for ion implantation. , And after forming the emitter wiring layer, the metal or ceramic thin film layer can be removed by etching as shown in FIG. 4B in step (b). The function of the mask layer can be further improved.
[0071]
  As described above, in the cold electron emission device of the present invention, an emission current highly controlled by a transistor is obtained by forming an emitter of metal or non-single crystal silicon on a silicon substrate having a MOSFET structure. In addition, matrix wiring can be easily realized.
[0072]
【Example】
  A manufacturing example of the cold electron emission device of the present invention will be specifically described in the following examples.
[0073]
    Step (a)
  First, thermal oxidation of a p-type silicon substrate 11 having a specific resistance of several Ω · cm was performed at 1100 ° C. for 30 minutes, thereby forming a thermally oxidized silicon layer 12 having a thickness of 0.3 μm on the surface. Next, the thermal silicon oxide layer 12 was patterned by wet etching using a buffered hydrofluoric acid solution by a photolithography method to form an emitter hole B and an emitter wiring hole C. Subsequently, phosphorus ions were implanted at 60 keV under an irradiation condition of 1015 cm −2, followed by vacuum annealing at 800 ° C. for 30 minutes for activation. (Fig. 2 (a))
[0074]
    Step (b)
  Next, a Cr film having a thickness of 0.2 μm is formed on the thermally oxidized silicon layer 12 by sputtering, followed by patterning using a normal photolithography method, and on the n-type silicon layer 14 in the emitter wiring hole C. An emitter wiring layer 15 was formed on the substrate. (Fig. 2 (b))
[0075]
    Step (c)
  Next, a SiNx film having a thickness of 0.3 μm was formed as a material for the insulating layer by PECVD. A film was formed using a mixed gas of silane and ammonia as a reaction gas and hydrogen as a diluent gas, with a total gas flow rate of 540 sccm, a gas pressure of 1 Torr, a substrate temperature of 350 ° C., and an RF power of 60 W. Subsequently, Nb was formed to a thickness of 0.2 μm as a gate electrode material by a vacuum deposition method. Further, a circular hole pattern having a gate opening diameter of 1 μm was formed using a normal photolithography method, and the gate electrode material Nb and the insulating material SiNx were etched by reactive ion etching until the n-type silicon layer 16 was exposed. The etching conditions at this time were (introduced gas: SF6 of 60 sccm / power of 100 W / gas pressure of 4.5 Pa). Thereby, the gate electrode 17 and the insulating film 16 were formed. (Fig. 2 (c))
[0076]
    Step (d)
  Next, as a lift-off material 18, Al was obliquely deposited with a thickness of 0.3 μm. Subsequently, Mo was vapor-deposited as a material for the emitter 19 until the gate hole was closed by anisotropic vapor deposition from a direction perpendicular to the substrate. (Fig. 2 (d))
[0077]
    Step (e)
  Next, Al of the lift-off material 18 was wet-etched using an acid-based etchant and peeled off together with the upper-layer emitter material to obtain a cold electron emission device as shown in FIG.
[0078]
  An array in which 100 cold electron-emitting devices described above were integrated was prototyped and tested and evaluated as follows. That is, for the device having a structure in which the distance between the emitter and gate electrodes of each device is about 0.6 μm, the height of the emitter is about 0.8 μm, and the channel length L / channel width W is 10/1 as a MOSFET parameter, When a glass plate member with a transparent electrode (anode) coated with is faced at a distance of 30 mm and an extraction voltage is applied between the emitter electrode and the gate electrode with a positive polarity on the gate electrode side, electrons are emitted well and stably. We were able to.
[0079]
  As shown in FIG. 11, the obtained emission characteristic showed the current-voltage characteristic (E) of the emitter itself in the low electric field region, and the current voltage characteristic (M) by the MOSFET in the high electric field region. That is, a transistor control region of current was obtained in a high electric field region where the emission current exceeded the drain current value of the MOSFET, and a stable emission current (ME) was obtained with a gate voltage of 70 V or more in this device.
[0080]
【The invention's effect】
  According to the present invention, by forming an emitter of metal or non-single crystal silicon on a silicon substrate having a MOSFET structure, a highly controlled emission current can be obtained by a transistor, and matrix wiring can be easily realized. can do.
[0081]
  Therefore, it is possible to obtain a cold electron-emitting device having high current stability and easy matrix formation. Furthermore, when applied to a flat panel display, a high-speed, high-definition image can be obtained with low power consumption.
[0082]
  In other words, according to the present invention, by mounting a current control function on the element itself, it is possible to suppress a local large current without increasing the operating voltage, to reduce current fluctuation to a minimum, and Field emission type cold electron emitter capable of easily forming matrix array wiringOf childWe were able to provide a manufacturing method.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a cold electron emission device of the present invention.
FIG. 2 is a manufacturing process diagram of a cold electron emission device of the present invention.
FIG. 3 is another manufacturing process diagram of the cold electron emission device of the present invention.
FIG. 4 is another manufacturing process diagram of the cold electron emission device of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a conventional cold electron emission device.
FIG. 6 is a manufacturing process diagram of a conventional cold electron-emitting device.
FIG. 7 is a cross-sectional view of another conventional cold electron emission device.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a conventional cold electron emission device.
FIG. 9 is a manufacturing process diagram of another conventional cold electron emission device.
FIG. 10 is a manufacturing process diagram of another conventional cold electron-emitting device.
FIG. 11 is an example of electrical characteristics of the cold electron emission device of the present invention.
[Explanation of symbols]
  1 ... p-type silicon substrate
  2 ... Insulating layer
  3 ・ ・ ・ Gate electrode
  4 ... n-type silicon layer
  5 ... Gate electrode
  6 ... n-type silicon layer
  7 ... Emitter wiring layer
  11 ... p-type silicon substrate
  12 ... Thermally oxidized silicon layer
  12 "・ Metal or ceramic thin film layer
  13 ... n-type silicon layer
  14 ... n-type silicon layer
  15 ... Emitter wiring layer
  16 ... Insulating layer
  17 ... Gate electrode
  18 ... Lift-off material
  19 ... Emitter
  51 ... Insulating substrate
  52 ... Conductive layer
  53 ... Insulating layer
  54 ... Gate electrode
  55 ... Emitter
  61 ... Insulating substrate
  62... Conductive layer
  63 ... Insulating layer
  64 ... Gate electrode
  65 ... Lift-off material
  66 ... Emitter
  71 ... Insulating substrate
  72... Conductive layer
  73 ... Resistance layer
  74 ... Insulating layer
  75 ... Gate electrode
  76 ... Emitter
  81 ... Silicon substrate
  82 ... Silicon oxide layer
  83 ... Emitter
  84 ... Silicon oxide layer
  85 ... Insulating layer
  86 ... Gate electrode
  91... P-type silicon substrate
  92 ... Emitter
  93 ... n-type silicon layer
  94: Emitter wiring layer
  95 ... Insulating layer
  96 ... Gate electrode
  101..p-type silicon substrate
  102 .. Silicon oxide layer
  103 .. Emitter
  104 .. Silicon oxide layer
  105 .. Gate electrode
  106 .. n-type silicon layer
  107..Metal thin film
  A: Opening
  B ... Emitter hole
  C: Emitter wiring hole
  D: Gate hole
  E ... Emitter characteristics
  M ... MOSFET characteristics
  ME ・ ・ ・ Emission characteristics

Claims (4)

導電性基板上に絶縁層及びゲート電極が順次積層され、該ゲート電極と絶縁層とには導電性基板に達する開口部が設けられ、その開口部内の該導電性基板上にエミッタが該ゲート電極に接触しないように形成されてなる電界放射型の冷電子放出素子において、An insulating layer and a gate electrode are sequentially stacked on a conductive substrate, an opening reaching the conductive substrate is provided in the gate electrode and the insulating layer, and an emitter is provided on the conductive substrate in the opening. In the field emission cold electron-emitting device formed so as not to contact
導電性基板がp型シリコン基板であって、該p型シリコン基板上の同一平面上にそれぞれ設けられたn型シリコン層を介して、エミッタとエミッタ配線層がそれぞれ配され、且つ該エミッタ配線層上には絶縁層及びゲート電極が形成されている冷電子放出素子を製造する製造方法であって、  The conductive substrate is a p-type silicon substrate, and an emitter and an emitter wiring layer are arranged via n-type silicon layers respectively provided on the same plane on the p-type silicon substrate, and the emitter wiring layer A manufacturing method for manufacturing a cold electron-emitting device having an insulating layer and a gate electrode formed thereon,
(a)p型シリコン基板表面に熱酸化により酸化シリコン層を生成し、次いで該酸化シリコン層をパターニングすることによってエミッタ用孔とエミッタ配線用孔とを形成し、該エミッタ用孔と該エミッタ配線用孔とにイオン注入法によりn型シリコン層を生成する工程;  (A) A silicon oxide layer is formed on the surface of the p-type silicon substrate by thermal oxidation, and then the silicon oxide layer is patterned to form an emitter hole and an emitter wiring hole. The emitter hole and the emitter wiring Forming an n-type silicon layer in the hole by ion implantation;
(b)該エミッタ配線用孔に生成されたn型シリコン層上にエミッタ配線層材料を成膜し、該エミッタ配線層材料をパターニングすることによって、エミッタ配線層を形成する工程;  (B) forming an emitter wiring layer material by forming an emitter wiring layer material on the n-type silicon layer generated in the emitter wiring hole and patterning the emitter wiring layer material;
(c)該酸化シリコン層及びエミッタ配線層の上に、絶縁材料層とゲート電極材料層とを順次成膜することにより積層し、ゲート形成用の開口を持つ孔のパターンをフォトリソグラフィー法により形成し、ゲート電極材料層及び絶縁材料層をn型シリコン層が露出するまで反応性イオンエッチングによりエッチングすることによりゲート孔、並びにゲート電極と絶縁層とを形成する工程;  (C) An insulating material layer and a gate electrode material layer are sequentially formed on the silicon oxide layer and the emitter wiring layer, and a hole pattern having an opening for forming a gate is formed by a photolithography method. And etching the gate electrode material layer and the insulating material layer by reactive ion etching until the n-type silicon layer is exposed, thereby forming the gate hole, and the gate electrode and the insulating layer;
(d)斜方蒸着法によりゲート電極上面及び側面にのみリフトオフ材料を蒸着し、リフトオフ層を形成した後、基板に対して垂直方向の異方性蒸着法により、ゲート孔内にエミッタ材料を成膜し、自己整合的にエミッタを形成する工程;  (D) A lift-off material is deposited only on the top and side surfaces of the gate electrode by oblique deposition, and a lift-off layer is formed. Filming and self-aligning emitter formation;
(e)リフトオフ層を剥離しゲート電極上のエミッタ材料を剥落させる工程;  (E) peeling off the lift-off layer and peeling off the emitter material on the gate electrode;
以上(a)〜(e)の工程を全て具備することを特徴とする製造方法。  A manufacturing method characterized by comprising all the steps (a) to (e).
前記工程(b)において、In the step (b),
エミッタ配線層を形成後、エッチングにより酸化シリコン層を除去することを特徴とする請求項1に記載の冷電子放出素子の製造方法。  2. The method of manufacturing a cold electron emission device according to claim 1, wherein the silicon oxide layer is removed by etching after forming the emitter wiring layer.
前記工程(a)において、熱酸化により設ける酸化シリコン層の代わりに、薄膜成膜法により設ける金属薄膜層またはセラミックス薄膜層を使用し、かつ、 工程(b)においては、エミッタ配線層を形成した後に、エッチングによって該金属薄膜層またはセラミック薄膜層を除去すること、In the step (a), a metal thin film layer or a ceramic thin film layer provided by a thin film forming method was used instead of the silicon oxide layer provided by thermal oxidation, and an emitter wiring layer was formed in the step (b). Removing the metal thin film layer or the ceramic thin film layer later by etching;
を特徴とする請求項2に記載の冷電子放出素子の製造方法。  The manufacturing method of the cold electron emission element of Claim 2 characterized by these.
前記工程(c)において、絶縁層材料が、アモルファスシリコンナイトライドであり、反応ガスとして、シランまたはジシランのいずれかとアンモニアから成る混合ガスを用いたPECVD法により形成すること、In the step (c), the insulating layer material is amorphous silicon nitride, and the reactive gas is formed by PECVD using a mixed gas composed of either silane or disilane and ammonia,
を特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の冷電子放出素子の製造方法。  The method for manufacturing a cold electron-emitting device according to claim 1, wherein:
JP02583898A 1998-02-06 1998-02-06 Method for manufacturing cold electron-emitting device Expired - Fee Related JP3826539B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP02583898A JP3826539B2 (en) 1998-02-06 1998-02-06 Method for manufacturing cold electron-emitting device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP02583898A JP3826539B2 (en) 1998-02-06 1998-02-06 Method for manufacturing cold electron-emitting device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH11224594A JPH11224594A (en) 1999-08-17
JP3826539B2 true JP3826539B2 (en) 2006-09-27

Family

ID=12177007

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP02583898A Expired - Fee Related JP3826539B2 (en) 1998-02-06 1998-02-06 Method for manufacturing cold electron-emitting device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3826539B2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
JPH11224594A (en) 1999-08-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100480773B1 (en) Method for fabricating triode-structure carbon nanotube field emitter array
JP2000011859A (en) Manufacture of field emission type element
US6069018A (en) Method for manufacturing a cathode tip of electric field emission device
KR100243990B1 (en) Field emission cathode and method for manufacturing the same
US6326221B1 (en) Methods for manufacturing field emitter arrays on a silicon-on-insulator wafer
JP2809078B2 (en) Field emission cold cathode and method of manufacturing the same
JP3502883B2 (en) Cold electron-emitting device and method of manufacturing the same
JP3012517B2 (en) Electron emitting device and method of manufacturing the same
JP3826539B2 (en) Method for manufacturing cold electron-emitting device
JP3832070B2 (en) Method for manufacturing cold electron-emitting device
JP3612883B2 (en) Cold electron-emitting device and manufacturing method thereof
JP3945049B2 (en) Method for manufacturing cold electron-emitting device
JP4529011B2 (en) Cold electron-emitting device and manufacturing method thereof
JP3622406B2 (en) Cold electron-emitting device and manufacturing method thereof
JP4241766B2 (en) Cold electron emitter for lighting lamp
JP4151861B2 (en) Cold electron-emitting device and manufacturing method thereof
JP3595821B2 (en) Cold electron-emitting device and method of manufacturing the same
JPH11167858A (en) Cold electron emitting element and its manufacture
JP4693980B2 (en) Method for manufacturing field electron emission device
JP3086445B2 (en) Method of forming field emission device
WO2023105899A1 (en) Field emission element and method for producing same
JPH0714500A (en) Field emission cathode
JPH08329832A (en) Electron emitting element and its manufacture
JPH09259739A (en) Electron emitting element and its manufacture
JP3539305B2 (en) Field emission type electron source and method of manufacturing the same

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20041216

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20050602

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20050726

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050909

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20060322

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20060519

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20060613

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20060626

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100714

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110714

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110714

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120714

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120714

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130714

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140714

Year of fee payment: 8

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees