JP3945049B2 - Method for manufacturing cold electron-emitting device - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強電界によって冷電子を放出する電界放射型の冷電子放出素子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、また特に、平面ディスプレイを構成するアレイ状のFEA(FieldEmitter 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107V/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、例えば図4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41上に導電層42、絶縁層43及びゲート電極44が順次積層されており、その絶縁層43及びゲート電極44には導電層42に達する開口部B(ゲート孔)が形成されている。
【0006】
そして、その開口部B内の導電層42上には、ゲート電極44に接触しないように、点状突起を有する円錐形状のエミッタ45が形成されている。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5(a)〜(d)を参照しながら説明する。
【0008】
まず、図5(a)に示すように、予め導電層52が形成された絶縁性基板51上に、絶縁層53及びゲート電極層54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53及びゲート電極層54の一部を、導電層52が露出するまで円形の孔(開口部B;ゲート孔)が開口するようにエッチングする。
【0009】
次に、図5(b)に示すように、回転斜方蒸着によりリフトオフ材をゲート電極54上面と側面にのみ蒸着して剥離層55(リフトオフ層)を形成する。リフトオフ材の材料としては、Al、MgO等が多く使用されている。
【0010】
続いて、図5(c)に示すように、導電層52上に、その垂直な方向から通常の異方性蒸着(垂直蒸着)により、エミッタ56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Bの開口径が狭まると同時に、導電層52上に円錐形のエミッタ56が自己整合的に形成される。蒸着は最終的にゲート孔Bが閉じるまで行なう。エミッタの材料としては、Mo、Ni等を使用することができる。
【0011】
最後に、図5(d)に示すように、リフトオフ材による剥離層55をエッチングにより剥離し、必要に応じてゲート電極層54をパターニングしてゲート電極を形成する。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を簡便に形成でき、更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。
【0013】
ところで、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、米国特許第3789471号明細書では、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6を参照しながら説明する。
【0017】
絶縁性基板61上に導電層62、抵抗層63、絶縁層64及びゲート電極層65(又は適宜パターン形成されたゲート電極)が順次積層されており、その絶縁層64及びゲート電極層65には、抵抗層63に達する開口部B(ゲート孔)が形成されている。そして、その開口部B内の抵抗層63上には、ゲート電極層65に接触しないように円錐形状のエミッタ66が形成されている。
【0018】
この場合、前記抵抗層63は、導電層62とエミッタ66間に電気的に直列に挿入されている。この抵抗層63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63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63の比抵抗は102〜106Ω・cm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7(a)〜(e)を参照しながら説明する。
【0021】
まず、図7(a)に示すように、単結晶シリコン基板71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72を形成する。この酸化シリコン層72は、後述するようにリフトオフ材(剥離層)としても機能する。なお、酸化シリコン層72の径は、ほぼゲート孔径に相当する。
【0022】
次に、図7(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71をエッチングし、エミッタ73を形成する。
【0023】
続いて、図7(c)に示すように、熱酸化によりシリコン基板71及びエミッタ73の表面にエミッタ先端先鋭化用酸化シリコン層74を形成する。この酸化シリコン層74の形成時に発生する応力により、酸化シリコン層74の内側のエミッタ73の先端が容易に尖鋭化される。
【0024】
そして、図7(d)に示すように、異方性蒸着法(単結晶シリコン基板71に対して垂直方向の垂直蒸着法)により、絶縁層75、ゲート電極層76を積層する。
【0025】
最後に、図7(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72をエッチングによりリフトオフし、更に、エミッタ73の表面の酸化シリコン層74をエッチング除去する。そして必要に応じてゲート電極層76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。
【0026】
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.Appl.Phys.vol.35(1996)p6637)
【0027】
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8を参照しながら説明する。
【0028】
p型シリコン基板81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82と、n型シリコン層83を介してエミッタ配線層84が設けられ、エミッタ82とエミッタ配線層84の間に絶縁層85を介してゲート電極層86(又はゲート電極)が設置されている。即ち、このエミッタではMOSFET(metal−oxide−semiconductor 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84が、MOSFETのソース、エミッタ82がドレイン、ゲート電極86がゲート、絶縁層85がゲート絶縁層としてそれぞれ機能する。
【0029】
MOSFET構造エミッタを備えた冷電子放出素子の製造例を、図9(a)〜(g)を参照しながら説明する。
【0030】
まず、図9(a)に示すように、単結晶のp型シリコン基板91を熱酸化して表面に酸化シリコン層92を形成し、その酸化シリコン層92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92を形成する。この酸化シリコン層92は後述するようにリフトオフ材(剥離層)としても機能する。なお、酸化シリコン層92の径は、ほぼゲート孔径に相当する。
【0031】
次に、図9(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91をエッチングし、エミッタ93を形成する。
【0032】
続いて、図9(c)に示すように、熱酸化によりp型シリコン基板91及びエミッタ93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94を形成する。この酸化シリコン層94の形成時に発生する応力により、酸化シリコン層94の内側のエミッタ93の先端が容易に尖鋭化される。
【0033】
そして、図9(d)に示すように酸化シリコン層92、酸化シリコン層94上よりゲート電極層95を異方性蒸着法(垂直蒸着法)により成膜し、エミッタ93に隣接するゲート電極層95に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98を形成する。
【0034】
次に、図9(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92をエッチングによりリフトオフし、更に、エミッタ93の表面及び円形孔パターン98内の酸化シリコン層94をエッチング除去してエミッタ93部分にゲート孔B、円形孔パターン98部分にエミッタ配線孔Cを形成する。
【0035】
続いて、図9(f)に示すように、エミッタ93及びエミッタ配線孔Cの底部のp型シリコン基板91にリンをイオン注入した後、拡散アニール処理を施し、エミッタ93をn型化するとともに、エミッタ配線孔Cの底部にn型シリコン層96を生成する。
【0036】
最後に、図9(g)に示すように、エミッタ配線孔C底部のn型シリコン層96上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97を成膜した後、必要に応じてゲート電極層95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。
【0037】
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、且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。
【0038】
【発明が解決しようとする課題】
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、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。
【0039】
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、単結晶シリコン基板を必要とすることから、低コスト化及び大面積化が困難であるという問題があった。
【0040】
また、従来技術による冷電子放出素子においては、素子の駆動電圧はゲート電極にかける冷電子の引き出し電圧(動作電圧)となるため、通常数十ボルト以上の高電圧が必要となり、低コストのIC回路が使用できないため、駆動回路が高価になるという問題があった。
【0041】
本発明は、以上の従来技術の課題を解決しようとするものであり、半導体薄膜を用いて素子自体に電流制御機能を搭載することで、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でき、且つ、ガラス基板等を用いることで低コスト化及び大面積化を容易とし、さらにはスイッチング用電極をゲート電極とは別に設けることで駆動電圧を低下させて回路コストを低減でき、また、電流制御機能を持たない従来の素子と同等のプロセスにより容易に作製できる電界放射型の冷電子放出素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0052】
【課題を解決するための手段】
絶縁性基板上に金属薄膜層、絶縁層、ゲート電極層が順次積層され、該ゲート電極層と絶縁層とには開口部が設けられ、その開口部内にエミッタが該ゲート電極層に接触しないように金属薄膜層上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、前記金属薄膜層が第1の導電層と第2の導電層とにより構成され、両導電層は互いに直接接触しないように絶縁性基板の同一平面上に設けられ、少なくとも第1の導電層と第2の導電層との間の絶縁性基板の同一平面上に非単結晶シリコンからなる半導体薄膜層が設けられ、該半導体薄膜上には前記絶縁層を介してゲート電極と同一材料による第3の導電層が設けられ、前記絶縁層がゲート絶縁層として機能することを特徴とする冷電子放出素子の製造方法であって、(a)絶縁性基板上に金属薄膜層を成膜後、該金属薄膜層をフォトリソグラフィー法によりパターニングして第1の導電層と第2の導電層とを互いに直接接触しないように同時に形成し、続いて前記第1の導電層と第2の導電層との間に半導体薄膜層を成膜した後、絶縁層、ゲート電極層を順次成膜する工程、(b)前記ゲート電極層と絶縁層とに対してフォトリソグラフィー法によりゲート電極の開口径に対応した形状のゲート孔を第2の導電層が露出するまで形成する工程、(c)前記ゲート孔を形成したゲート電極層上に前記絶縁性基板に対して回転斜方蒸着法により剥離層を形成した後、該ゲート電極層上より該絶縁性基板に対して垂直方向の異方性蒸着法によりエミッタ材料を成膜することにより第2の導電層上に自己整合的に円錐形状のエミッタを形成する工程、(d)前記ゲート電極層上より剥離層を剥離することにより、ゲート電極層上に成膜した剥離層上のエミッタ材料を剥離除去する工程、(e)前記ゲート電極層をフォトリソグラフィー法によりパターニングしてゲート電極と第3の導電層とを同時に形成する工程、を含むことを特徴とする冷電子放出素子の製造方法である。
【0053】
また本発明の請求項2に係る発明は、上記請求項1に係る発明における前記(a)の工程において、半導体薄膜層がプラズマエンハンストCVD法で形成された水素化アモルファスシリコン層である冷電子放出素子の製造方法である。
【0054】
また本発明の請求項3に係る発明は、上記請求項1に係る発明における前記(a)の工程において、半導体薄膜層が熱CVD法又はプラズマエンハンストCVD法でアモルファスシリコンを成膜した後、アニール処理を施すことにより形成されたポリシリコン層である冷電子放出素子の製造方法である。
【0055】
また本発明の請求項4に係る発明は、上記請求項1に係る発明における前記(a)の工程において、絶縁性基板上に成膜した金属薄膜層上にオーミック層を成膜した後、該金属薄膜層とオーミック層とをフォトリソグラフィー法によりパターニングして、オーミック層が成膜された第1の導電層と第2の導電層を形成し、その後、上記請求項1に係る発明における前記(b)の工程において、前記ゲート電極層と絶縁層とに対してフォトリソグラフィー法によりゲート電極の開口径に対応した形状のチャネル孔を第2の導電層が露出するまで形成する冷電子放出素子の製造方法である。
【0056】
また本発明の請求項5に係る発明は、上記請求項4に係る発明において、前記オーミック層が、少なくともシラン及びホスフィンの混合ガスを反応ガスとして用いるプラズマエンハンストCVD法で形成されたn型の水素化アモルファスシリコン層である冷電子放出素子の製造方法である。
【0057】
【作用】
本発明者は、絶縁性基板上に第1の導電層(ドレイン)と第2の導電層(ソース)を設け、少なくとも、それらの導電層の間隙の絶縁性基板上に非単結晶シリコンからなる半導体薄膜、ゲート絶縁層、第3の導電層(ゲート)を積層して設けることにより薄膜トランジスタ(TFT)構造を実現し、更に、第1の導電層(ドレイン)上には、金属、金属酸化物又は金属窒化物からなるエミッタを形成することにより、単結晶シリコン基板を使用することなく、容易に薄膜トランジスタを冷電子放出素子の中のエミッタ近傍に作り込むことができるようにした。
【0058】
それにより電流を安定化でき且つ薄膜トランジスタのゲート電極を素子のスイッチング電極として用いることで駆動電圧が低減できる、またさらには、ゲート電極と第3の導電層(TFTゲート)を同一材料の単層薄膜から加工することで同時に作製し、また絶縁膜をTFTゲート絶縁層を共用し同一の単層膜から構成することで、容易な素子構造及び作製方法を見出し、本発明を完成させるに至った。
【0059】
本発明の冷電子放出素子においては、非単結晶シリコンをチャネルとしたTFT構造を有し、ドレイン電極上に金属、金属酸化物又は金属窒化物でエミッタを構成することにより、絶縁性基板上においても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、且つエミッタのゲート電極(引き出し電極)ではなく、TFTのゲートをスイッチング電極として用いて駆動することにより低電圧駆動を実現することができる。さらに、絶縁層をTFTと共用し、ゲート電極と同一の薄膜からTFTゲートを加工形成することで、上記のような電流制御機能を搭載した素子を容易な作製方法で得ることができる。
【0060】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照しながら詳細に説明する。
図1(a)は、本発明の冷電子放出素子の一例の断面図である。同図に示すように、この冷電子放出素子においては、絶縁性基板1上に、互いに直接接触しないように分離した第1の導電層2と第2の導電層3が設けられ、第1の導電層2と第2の導電層3との上及び第1の導電層2と第2の導電層3の間隙の非導電性部分Aには、非単結晶シリコンからなる半導体薄膜層4が配されている。そして第1の導電層2と第2の導電層3との間隙の非導電性部分A上に相当する半導体薄膜層4上の絶縁層5上には第3の導電層6が形成されている。
【0061】
また、第1の導線層2上には、絶縁層5及びゲート電極7が順次積層されており、ゲート電極7と絶縁層5とには半導体薄膜層4に達するエミッタ用孔Bが設けられている。そして、そのエミッタ用孔B内の第1の導線層2上には、金属、金属酸化物又は金属窒化物からなる円錐形又は円錐台形のエミッタ8が、ゲート電極7に接触しないように形成されている。ここで、第3の導電層6とゲート電極7は同一材料によって構成されている。
【0062】
また、第1の導電層2、第2の導電層3、半導体薄膜層4、絶縁層5及び第3の導電層6は、共同してnチャネルエンハンスメントモードで動作する薄膜トランジスタ構造(TFT)を構成している。即ち、第1の導電層2はドレイン、第2の導電層3はソース、半導体薄膜層4はチャネル、絶縁層5はゲート絶縁層として機能し、第3の導電層6はゲートとして機能するものである。
【0063】
図1(b)は、本発明の冷電子放出素子の他の例の断面図であり、図示するように、より良好な電流制御特性を得るという観点から、第1の導電層2と半導体薄膜層4との間及び第2の導電層3と半導体薄膜層4との間にオーミック層10(オームの法則に従う特性を持った層;通常低抵抗膜、例えばn+ −a−Si:Hなど)を介在させることが好ましい。
【0064】
本発明において、絶縁性基板1は、冷電子放出素子の支持基板として用いられており、大面積化が容易な絶縁性の基板を好ましく使用することができる。このような絶縁性基板としては、ガラス基板、セラミックス基板、石英基板などを使用することができるが、中でもガラス基板を好ましく使用することができる。単結晶シリコンの表面に絶縁層が形成された基板も使用することができる。
【0065】
本発明において、第1の導電層2は、TFTのドレインとして機能する。このような第1の導電層2の材料としては、配線抵抗が低く、下層の絶縁性基板1と密着性が高い材料が適当である。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。
【0066】
第1の導電層2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0.01〜1.0μm、好ましくは0.05〜0.5μmとする。
【0067】
第2の導電層3は、エミッタ配線層として機能し、且つTFTのソースとしても機能する。このような第2の導電層3の材料としては、配線抵抗が低く、下層の絶縁性基板1と密着性が高い材料が適当である。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。
【0068】
第2の導電層3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0.01〜1.0μm、好ましくは0.05〜0.5μmとする。
【0069】
半導体薄膜層4は、薄膜トランジスタ(TFT)のチャネルとして機能する。このような半導体薄膜層4としては、液晶ディスプレイのスイッチング素子として広く用いられているTFTと同様の公知の材料から形成することができ、好ましくは、非単結晶シリコンを使用することができる。このような非単結晶シリコンとしては、アモルファスシリコン(特にノンドープの水素化アモルファスシリコン)やポリシリコンを挙げることができる。
【0070】
なお、絶縁性基板1としてガラス基板を用いる場合には、半導体薄膜層4として、特に水素化アモルファスシリコン、あるいはレーザーアニールによるポリシリコンを好ましく用いることができる。
【0071】
半導体薄膜層4の厚みとしては、TFTのチャネルとして動作し得る厚みとして、通常0.01〜2μm、好ましくは0.03〜0.7μmとする。
【0072】
絶縁層5は、エミッタ8及び第1の導電層2とゲート電極7とを電気的に絶縁するための層である。さらに、半導体薄膜層4と第3の導電層6とを電気的に絶縁するためにも同時に使用される。即ち、本発明における絶縁層5は、TFTのゲート絶縁層としても機能する。
【0073】
このような絶縁層5としては、自己整合的に形成するために異方性蒸着が望ましく、オゾンと酸素の混合ガスを反応ガスとして用いる反応性のチムニー式抵抗加熱蒸着法による酸化シリコンが特に良好な絶縁性を得ることができるので好ましい。ただし、製法によってはTFTのゲート絶縁層を別途成膜するが、そのような場合は、絶縁層5としては、従来のTFTと同様の公知の材料から形成することができる。例えば、PECVD法による窒化シリコン、酸化シリコンを用いることができる。
【0074】
絶縁層5の厚みとしては、エミッタ周囲部においては、エミッタ8、第1の導電層2もしくは半導体薄膜層4とゲート電極7との間に十分な絶縁性が保たれ、且つ、TFT部のゲート絶縁層としても同時に機能させるためには、通常、0.01〜2μm、好ましくは0.03〜1μmとする。
【0075】
第3の導電層6は、TFTのゲートとして機能する。このような第3の導電層6の材料としては、配線抵抗が低く、下層の絶縁層5と密着性が高い材料が適当である。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が、作製の容易性からゲート電極7と同一材料で構成することを考慮し、Cr、Nbが適当である。
【0076】
第3の導電層6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0.05〜2.0μm、好ましくは0.05〜0.5μmとする。
【0077】
ゲート電極7は、エミッタ8に強電界を集中させるための電極である。ゲート電極7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。
【0078】
ゲート電極7の厚みは、必要に応じて適宜決定することができるが、好ましくは0.1〜0.5μmとする。
【0079】
エミッタ8は、その表面から電子を直接的に放出する部材であり、金属(例えば、モリブデン、ニッケル、ニオブ、タングステン、シリコン等)、金属酸化物(例えば、酸化インジウム、酸化スズ、酸化パラジウム等)又は金属窒化物(例えば、窒化チタン等)を使用することができる。さらに、自己整合的にエミッタ8を形成するという観点から、蒸着法で成膜できる材料が望ましい。
【0080】
エミッタ8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、好ましくは0.3〜2μmである。
【0081】
また、エミッタ8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。
【0082】
オーミック層10(抵抗層)は、第1の導電層2及び第2の導電層3と半導体薄膜層4とのオーミック接触(電気抵抗を保持した接触)を得るために、又は、より良好なオーミック接触を得るために設けられている。このようなオーミック層10の材料としては、従来のTFTと同様の公知の材料から形成することができる。例えば、PECVD法によるn型の水素化アモルファスシリコンを用いることができる。
【0083】
オーミック層10の膜厚としては、十分なオーミック特性が得られる限り特に制限はないが、通常0.01〜1.0μm、好ましくは0.03〜0.07μmとする。
【0084】
次に、図1(a)に示す態様の本発明の冷電子放出素子の製造方法を、図2に従って詳細に説明する。
【0085】
工程(a)
図2(a)に示すように、まず、絶縁性基板1上に金属薄膜をスパッタ法等により成膜した後、フォトリソグラフィー法により、TFTのチャネル長に相当する間隙とチャネル幅に相当する幅の非導電層部分A(TFTチャネル)を設けてパターニングすることにより第1の導電層2と第2の導電層3を形成して、両導電層2、3は互いに直接接触しないように絶縁性基板1の同一平面上に設けられる。
【0086】
次に、同図2(a)に示すように、前記第1の導電層2と第2の導電層3上及び非導電層部分Aの絶縁性基板1上に、非単結晶シリコンなどの半導体薄膜材料と絶縁材料とをこの順にCVD法等により成膜して、それぞれ半導体薄膜層4、絶縁層5を形成する。ここで半導体薄膜層4としては、PECVD法で成膜された水素化アモルファスシリコン膜又は熱CVDもしくはPECVD法で成膜されたアモルファスシリコン膜を、例えばレーザーアニール等でアニール処理し生成したポリシリコン膜を好ましく用いることができる。
【0087】
また、絶縁層5の成膜法としては、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法で形成する窒化シリコン膜が好ましく用いることができる。
【0088】
続いて、同図2(a)に示すように、前記絶縁層5上にゲート電極材料である金属薄膜を蒸着法、スパッタ法等の通常の成膜法を用いて成膜してゲート電極層7を形成する。
【0089】
工程(b)
次に、図2(b)に示すように、ゲート電極層7上にエッチングレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法により第2の導電層3上側に相当する部分のエッチングレジストをゲート孔相当の開口径を具備する円形孔または多角形孔のパターン状に除去してパターニングした後、ゲート電極層7、絶縁層5、半導体薄膜層4を、第2の導電層3が露出するまでエッチング(例えば、リアクティブ・イオン・エッチング又はリアクティブ・イオン・エッチングとウエットエッチングの併用によるエッチングなど)して、エミッタ用ゲート孔B(開口部)を形成する。
【0090】
工程(c)
続いて、図2(c)に示すように、絶縁性基板1に対して回転斜方蒸着法にて斜め蒸着することにより、実質的にゲート電極層7上及びエミッタ用ゲート孔B周縁のゲート電極層7にのみ剥離層9(リフトオフ層)を形成する。次に、同図2(c)に示すように、絶縁性基板1に対して垂直な方向から通常の異方性蒸着法(垂直蒸着法)により、エミッタ用ゲート孔B内の第2の導電層3上及び剥離層9上にエミッタ材料を蒸着しつつ、自己整合的にエミッタ用ゲート孔B内に円錐形のエミッタ8を形成する。なお、剥離層9上に、及びエミッタ用ゲート孔Bの開口上部を架橋閉塞するように、エミッタ材料の蒸着による蒸着膜8aが形成される。
【0091】
工程(d)
次に、図2(d)に示すように、剥離層9を剥離することにより、剥離層9上のエミッタ材料による蒸着膜8a及びエミッタ用ゲート孔Bの開口上部を架橋閉塞する蒸着膜8aを剥離除去する。
【0092】
工程(e)
最後に、図2(e)に示すように、ゲート電極層7をフォトリソグラフィー法によりパターニングして、パターン状にゲート電極層7(ゲート電極)を形成すると同時に、TFTチャネルの直上に第3の導電層6を形成する。これにより、図1(a)に示す本発明の冷電子放出素子が得られる。
【0093】
次に、図1(b)に示す態様の本発明の冷電子放出素子の製造方法を、図3に従って詳細に説明する。
【0094】
工程(a)
まず、図3(a)に示すように、絶縁性基板1上に金属薄膜をスパッタ法等により成膜して導電層を形成し、該導電層上にオーミック材料を成膜してオーミック層10を形成した後、フォトリソグラフィー法によりTFTのチャネル長に相当する間隙とチャネル幅に相当する幅の非導電層部分Aを設けてパターニングすることにより、オーミック層10が成膜された第1の導電層2と第2の導電層3とを形成する。ここで、オーミック材料としては、PECVD法で成膜されたn型の水素化アモルファスシリコン膜を好ましく用いることができる。
【0095】
次に、同図3(a)に示すように、第1の導電層2及び第2の導電層3上のそれぞれオーミック層10上及び非導電層部分Aに、非単結晶シリコンなどの半導体薄膜材料、絶縁材料をCVD法等により成膜して、それぞれ半導体薄膜層4、絶縁層5を形成する。ここで、半導体薄膜層4としては、PECVD法で成膜された水素化アモルファスシリコン膜又は熱CVDもしくはPECVD法で成膜されたアモルファスシリコン膜を例えばレーザーアニール等でアニール処理し生成したポリシリコン膜を好ましく用いることができる。
【0096】
また、絶縁層5の成膜法としては、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法で形成する窒化シリコン膜が好ましく用いることができる。
【0097】
続いて、同図3(a)に示すように、絶縁層5上にゲート電極材料である金属薄膜を蒸着法、スパッタ法等の通常の成膜法を用いて成膜し、ゲート電極層7を形成する。
【0098】
工程(b)
次に、図3(b)に示すように、ゲート電極層7上にエッチングレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法により第2の導電層3上側に相当する部分のエッチングレジストをゲート孔相当の開口径を具備する円形孔または多角形孔のパターン状に除去してパターニングした後、ゲート電極層7、絶縁層5、半導体薄膜層4及びオーミック層10を第2の導電層3が露出するまでエッチング(例えばリアクティブ・イオン・エッチング又はリアクティブ・イオン・エッチングとウエットエッチングの併用によるエッチングなど)してエミッタ用ゲート孔B(開口部)を形成する。
【0099】
工程(c)
続いて、図3(c)に示すように、絶縁性基板1に対して回転斜方蒸着法にて斜め蒸着することにより、実質的にゲート電極層7上及びエミッタ用ゲート孔B周縁のゲート電極層7にのみ剥離層9(リフトオフ層)を形成する。次に、同図3(c)に示すように、絶縁性基板1に対して垂直な方向から通常の異方性蒸着法(垂直蒸着法)により、エミッタ用ゲート孔B内の第2の導電層3上及び剥離層9上にエミッタ材料を蒸着しつつ、自己整合的にエミッタ用ゲート孔B内に円錐形のエミッタ8を形成する。なお、剥離層9上に、及びエミッタ用ゲート孔Bの開口上部を架橋閉塞するように、エミッタ材料の蒸着による蒸着膜8aが形成される。
【0100】
工程(d)
次に、図3(d)に示すように、剥離層9を剥離することにより、剥離層9上のエミッタ材料による蒸着膜8a及びエミッタ用ゲート孔Bの開口上部を架橋閉塞する蒸着膜8aを剥離除去する。
【0101】
工程(e)
最後に、図3(e)に示すように、ゲート電極層7をフォトリソグラフィー法によりパターニングして、パターン状にゲート電極層7(ゲート電極)を形成すると同時に、TFTチャネルの直上に第3の導電層6を形成する。これにより、図1(b)に示す本発明の冷電子放出素子が得られる。
【0102】
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、非単結晶シリコンをチャネルとしたTFT構造を有し、ドレイン電極上に金属、金属酸化物又は金属窒化物でエミッタを構成することにより、絶縁性基板上においても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、且つエミッタのゲート電極(引き出し電極)ではなく、TFTのゲートをスイッチング電極として用いて駆動することにより、低電圧駆動を実現することができる。さらに、絶縁層をTFTと共用し、ゲート電極と同一の薄膜からTFTゲートを加工形成することで、上記のような電流制御機能を搭載した素子を、容易な作製方法で得ることができる。
【0103】
【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。
【0104】
<実施例1>
図1(b)に示す態様の本発明の冷電子放出素子の製造例(図3参照))
工程(a)
まず、図3(a)、絶縁性基板1上に金属薄膜としてCrをスパッタ法により0.1μmの膜厚で成膜して導電層を形成した後、オーミック材料としてPECVD法によってn型の水素化アモルファスシリコン膜を0.05μmの膜厚で成膜してオーミック層10を形成した。反応ガスとしてシランガス及びホスフィンガス(ドープ濃度3000ppm)、また希釈ガスとして水素を使用し、ガス総流量560sccm、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、フォトリソグラフィー法によりオーミック層10とそれにより被覆された導電層とをパターニングして非導電層部分Aを形成し、該非導電層部分Aにより分離した第1の導電層2と第2の導電層3を形成し、非導電層部分AによるTFTのチャネルを形成した。
【0105】
次に、同図3(a)、第1の導電層2と第2の導電層3上及び非導電層部分AにPECVD法によってノンドープの水素化アモルファスシリコン膜を0.1μmの膜厚で成膜して半導体薄膜層4を形成した。反応ガスとしてシランガス、また希釈ガスとして水素を使用し、ガス総流量300sccm、ガス圧1Torr、基板温度250℃、RFパワー60Wの条件で成膜した。
【0106】
次に、半導体薄膜層4上に絶縁材料である窒化シリコンを成膜することにより絶縁層5を作製した。
【0107】
次に、絶縁層5上にゲート電極材料としてNbを0.2μmの膜厚でスパッタリングにて成膜してゲート電極層7を形成した。
【0108】
工程(b)
次に、図3(b)、通常のフォトリソグラフィー法を用いてゲート孔の開口径として1.2μmの円形のエッチング用パターンを形成したエッチングマスク層を得た後、反応性イオンエッチングによりゲート電極層7、絶縁層5、半導体薄膜層4及びオーミック層10を第2の導電層3が露出するまでエッチングして、ゲート孔B(開口部)を形成した。このときのエッチング条件は(導入ガス:SF660sccm/パワー100W/ガス圧4.5Pa)であった。
【0109】
工程(c)
次に、図3(c)、絶縁性基板1に対して回転斜方蒸着法にて斜め蒸着することにより、ゲート電極層7上及びゲート孔B周縁相当部のゲート電極層7にのみ剥離層9(リフトオフ層)としてアルミニウム(Al)を成膜した。続いて、絶縁性基板1に対して垂直方向からの異方性蒸着法(垂直蒸着法)により、エミッタ材料を蒸着しつつ、自己整合的にエミッタ8を円錐形に形成した。
【0110】
工程(d)
次に、図3(d)、剥離層9(Al)をリン硝酸水溶液を用いてウエットエッチングして剥離し、剥離層9上のエミッタ材料による蒸着膜8a及びエミッタ用ゲート孔Bの開口上部を架橋閉塞する蒸着膜8aを剥離除去した。
【0111】
工程(e)
最後に、図3(e)、ゲート電極層7をフォトリソグラフィー法によりパターニングして、パターン状にゲート電極層7(ゲート電極)を形成すると同時に、TFTチャネルの直上に第3の導電層6を形成した。これにより、図1(b)に示す本発明の冷電子放出素子が得られた。
【0112】
<試験及び試験結果>
上記実施例1で得られた本発明の冷電子放出素子を、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0.6μmとし、エミッタ高さを0.8μmとし、そして、TFTパラメータとしてチャネル長(L)とチャネル幅(W)との比率(L/W)を1/10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、約10Vのスイッチング電圧で、エミッタ8より良好且つ安定して電子を放出することができた。
【0113】
得られた典型的なエミッション特性は、低電界領域ではエミッタ8自身の電流電圧特性を示し、高電界領域ではTFTによる電流電圧特性に従う飽和特性を示した。即ち、エミッション電流がTFTのドレイン電流値を越えた高電界領域では、電流のトランジスタ制御による飽和電流領域が得られ、引きだし電圧110V以上で安定したエミッション電流が得られた。また、TFTのゲート電圧15V以上でエミッション電流が得られ、低電圧でスイッチングができた。
【0114】
【発明の効果】
本発明によれば、TFT構造を有する金属でエミッタを構成することにより、絶縁性基板上においても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、且つスイッチング用電極をゲート電極とは別に設けることにより駆動電圧の低減を容易に実現する冷電子放出素子を得ることができる。さらに、絶縁層をTFTと共用し、ゲート電極と同一の薄膜からTFTゲートを加工形成することで、電流制御機能を搭載した素子を容易な作製方法で得ることができる。
【0115】
従って、低コストで大面積化が可能なガラス基板上に、電流安定性が高く且つ低電圧駆動できる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。
【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。
【図2】本発明の冷電子放出素子の製造工程図。
【図3】本発明の別の冷電子放出素子の製造工程図。
【図4】従来の冷電子放出素子の断面図。
【図5】従来の冷電子放出素子の製造工程図。
【図6】従来の別の冷電子放出素子の断面図。
【図7】従来の冷電子放出素子の断面図。
【図8】従来の別の冷電子放出素子の製造工程図。
【図9】従来の別の冷電子放出素子の製造工程図。
【符号の説明】
1…絶縁性基板 2…第1の導電層 3…第2の導電層 4…半導体薄膜層
5…絶縁層 6…第3の導電層 7…ゲート電極層 8…エミッタ 9…剥離層
10…オーミック層
41…絶縁性基板 42…導電層 43…絶縁層 44…ゲート電極
45…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…リフトオフ材 56…エミッタ
61…絶縁性基板 62…導電層 63…抵抗層 64…絶縁層
65…ゲート電極 66…エミッタ
71…絶縁性基板 72…導電層 73…エミッタ 74…酸化シリコン層
75…絶縁層 76…ゲート電極
81…p型シリコン基板 82…エミッタ 83…n型シリコン層
84…エミッタ配線層 85…絶縁層 86…ゲート電極
91…p型シリコン基板 92…酸化シリコン層 93…エミッタ
94…酸化シリコン層 95…ゲート電極 96…n型シリコン層
97…金属薄膜
A…TFTチャネル(非導電層部分) B…エミッタ用ゲート孔(開口部)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a field emission type that emits cold electrons by a strong electric field. Method for manufacturing cold electron-emitting device About. 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, and in particular, an array-like FEA (Field Emitter Array) constituting a flat display. Useful as an electron source of Method for manufacturing cold electron-emitting device About.
[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 in structure. There were problems such as.
[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 such a flat display using cold electrons, a structure in which minute electron-emitting devices are arranged in an array in a high-vacuum flat plate cell is considered promising. As an electron-emitting device used for this purpose, a field emission type cold electron-emitting device utilizing a field emission phenomenon has been attracting 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 the electric field strength becomes a strong electric field of 107 V / cm or more. 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, for example, a conical cold electron emission element having a sharp tip as shown in FIG. 4 can be exemplified. In this element, a conductive layer 42, an insulating layer 43, and a gate electrode 44 are sequentially stacked on an insulating substrate 41, and an opening B (gate hole) reaching the conductive layer 42 is formed in the insulating layer 43 and the gate electrode 44. ) Is formed.
[0006]
A conical emitter 45 having point-like protrusions is formed on the conductive layer 42 in the opening B so as not to contact the gate electrode 44. Among such conical emitters, Spindt-type emitters are widely known.
[0007]
An example of manufacturing a cold electron emission device having a Spindt-type emitter will be described with reference to FIGS.
[0008]
First, as shown in FIG. 5A, an insulating layer 53 and a gate electrode layer 54 are sequentially formed on an insulating substrate 51 on which a conductive layer 52 has been previously formed by a sputtering method, a vacuum evaporation method, or the like. Subsequently, a part of the insulating layer 53 and the gate electrode layer 54 is formed into a circular hole (opening B; gate hole) until the conductive layer 52 is exposed using a photolithography method and a reactive ion etching method (RIE). ) Is etched so that it opens.
[0009]
Next, as shown in FIG. 5B, a release layer 55 (lift-off layer) is formed by vapor-depositing a lift-off material only on the top and side surfaces of the gate electrode 54 by rotational oblique deposition. Al, MgO, etc. are often used as the lift-off material.
[0010]
Subsequently, as shown in FIG. 5C, a metal material for the emitter 56 is vapor-deposited on the conductive layer 52 from the perpendicular direction by normal anisotropic vapor deposition (vertical vapor deposition). At this time, as the deposition proceeds, the opening diameter of the gate hole B narrows, and at the same time, the conical emitter 56 is formed on the conductive layer 52 in a self-aligning manner. Deposition is performed until the gate hole B is finally closed. As the material of the emitter, Mo, Ni or the like can be used.
[0011]
Finally, as shown in FIG. 5D, the release layer 55 made of the lift-off material is removed by etching, and the gate electrode layer 54 is patterned as necessary to form a gate electrode. As a result, a cold electron emission device including a Spindt-type emitter can be 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. .
[0013]
By the way, when applying a cold electron-emitting device using a microfabrication technology represented by a Spindt-type emitter to a flat display or the like in particular, a small fluctuation in the emission current from the emitter is necessary to obtain a high-quality image. Indispensable.
[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 means for reducing such fluctuations in emission current, US Pat. No. 3,789,471 discloses a technique of providing a resistive layer between a conductive layer and an emitter in a Spindt emitter.
[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 62, a resistance layer 63, an insulating layer 64, and a gate electrode layer 65 (or an appropriately patterned gate electrode) are sequentially stacked on the insulating substrate 61, and the insulating layer 64 and the gate electrode layer 65 are stacked on the insulating substrate 61. An opening B (gate hole) reaching the resistance layer 63 is formed. A conical emitter 66 is formed on the resistance layer 63 in the opening B so as not to contact the gate electrode layer 65.
[0018]
In this case, the resistance layer 63 is electrically inserted in series between the conductive layer 62 and the emitter 66. This resistance layer 63 provides an effect of equalizing the current between the elements, further reduces a large current that leads to element destruction, and also reduces the fluctuation of the emission current in proportion to the resistance value of the resistance layer 63. It becomes possible. An appropriate specific resistance of the resistance layer 63 is 102 to 106 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-emitting device having a silicon emitter will be described with reference to FIGS.
[0021]
First, as shown in FIG. 7A, a single crystal silicon substrate 71 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 etching mask silicon oxide layer 72 is formed. The silicon oxide layer 72 also functions as a lift-off material (peeling layer) as will be described later. The diameter of the silicon oxide layer 72 substantially corresponds to the gate hole diameter.
[0022]
Next, as shown in FIG. 7B, the silicon substrate 71 is etched by a reactive ion etching method (RIE) under a condition with a high side etch rate to form an emitter 73.
[0023]
Subsequently, as shown in FIG. 7C, an emitter tip sharpening silicon oxide layer 74 is formed on the surfaces of the silicon substrate 71 and the emitter 73 by thermal oxidation. Due to the stress generated when the silicon oxide layer 74 is formed, the tip of the emitter 73 inside the silicon oxide layer 74 is easily sharpened.
[0024]
Then, as shown in FIG. 7D, an insulating layer 75 and a gate electrode layer 76 are stacked by anisotropic vapor deposition (vertical vapor deposition in a direction perpendicular to the single crystal silicon substrate 71).
[0025]
Finally, as shown in FIG. 7E, the etching mask silicon oxide layer 72 that also functions as a lift-off material is lifted off by etching, and the silicon oxide layer 74 on the surface of the emitter 73 is removed by etching. Then, the gate electrode layer 76 is patterned as necessary. As a result, a cold electron emission device including a silicon emitter is obtained.
[0026]
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. Appl. Phys. Vol. 35 (1996) p6637)
[0027]
A silicon emitter having such a current control function is referred to as a MOSFET structure emitter. The configuration of the cold electron emission device including this MOSFET structure emitter will be described with reference to FIG.
[0028]
On the same plane of the p-type silicon substrate 81, a conical emitter 82 made of n-type silicon and an emitter wiring layer 84 are provided via an n-type silicon layer 83, and insulation is provided between the emitter 82 and the emitter wiring layer 84. A gate electrode layer 86 (or a gate electrode) is provided through the layer 85. That is, this emitter has a structure in which a MOSFET (metal-oxide-field-effect-transistor) structure is built in the cold electron emitter, the emitter wiring layer 84 of the cold electron emitter is the source of the MOSFET, and the emitter 82 is the drain. The gate electrode 86 functions as a gate, and the insulating layer 85 functions as a gate insulating layer.
[0029]
An example of manufacturing a cold electron-emitting device having a MOSFET structure emitter will be described with reference to FIGS.
[0030]
First, as shown in FIG. 9A, a single crystal p-type silicon substrate 91 is thermally oxidized to form a silicon oxide layer 92 on the surface, and the silicon oxide layer 92 is formed into a circular shape by using a photolithography method. By patterning, a circular silicon oxide layer 92 for an etching mask is formed. The silicon oxide layer 92 also functions as a lift-off material (peeling layer) as will be described later. The diameter of the silicon oxide layer 92 substantially corresponds to the gate hole diameter.
[0031]
Next, as shown in FIG. 9B, the p-type silicon substrate 91 is etched by a reactive ion etching method (RIE) under a condition with a high side etch rate to form an emitter 93.
[0032]
Subsequently, as shown in FIG. 9C, a silicon oxide layer 94 for sharpening the emitter tip and for the insulating layer is formed on the surfaces of the p-type silicon substrate 91 and the emitter 93 by thermal oxidation. Due to the stress generated when the silicon oxide layer 94 is formed, the tip of the emitter 93 inside the silicon oxide layer 94 is easily sharpened.
[0033]
9D, a gate electrode layer 95 is formed on the silicon oxide layer 92 and the silicon oxide layer 94 by anisotropic vapor deposition (vertical vapor deposition), and the gate electrode layer adjacent to the emitter 93 is formed. In 95, a circular hole pattern 98 for emitter wiring is formed using a photolithography method.
[0034]
Next, as shown in FIG. 9E, the etching mask silicon oxide layer 92 that also functions as a lift-off material is lifted off by etching, and the surface of the emitter 93 and the silicon oxide layer 94 in the circular hole pattern 98 are further removed. Etching is performed to form a gate hole B in the emitter 93 portion and an emitter wiring hole C in the circular hole pattern 98 portion.
[0035]
Subsequently, as shown in FIG. 9F, phosphorus is ion-implanted into the p-type silicon substrate 91 at the bottom of the emitter 93 and the emitter wiring hole C, and then diffusion annealing is performed to make the emitter 93 n-type. Then, an n-type silicon layer 96 is formed at the bottom of the emitter wiring hole C.
[0036]
Finally, as shown in FIG. 9G, a metal thin film 97 such as aluminum is formed as an electrode material for the emitter wiring and the gate wiring on the n-type silicon layer 96 at the bottom of the emitter wiring hole C, and then necessary. Accordingly, the gate electrode layer 95 is patterned. As a result, a cold electron-emitting device having a MOSFET structure emitter is obtained.
[0037]
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.
[0038]
[Problems to be solved by the invention]
However, in a cold electron emission device provided with a resistance layer for current stabilization, in order to obtain a sufficient current reduction characteristic with respect to a large local current, it is necessary to provide a larger resistance and a current fluctuation. However, there is a problem that it can only be reduced relatively with respect to the characteristics of the individual elements, and further, in principle, an increase in operating voltage cannot be avoided.
[0039]
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, since a single crystal silicon substrate is required, the cost is reduced and the size is increased. There was a problem that it was difficult to increase the area.
[0040]
Further, in the cold electron emitting device according to the prior art, since the driving voltage of the device is a cold electron extraction voltage (operating voltage) applied to the gate electrode, a high voltage of several tens of volts or more is usually required, and a low-cost IC Since the circuit cannot be used, there is a problem that the drive circuit becomes expensive.
[0041]
The present invention is intended to solve the above-mentioned problems of the prior art, and suppresses a large local current without increasing the operating voltage by mounting a current control function on the element itself using a semiconductor thin film. At the same time, current fluctuation can be reduced to a minimum, and a glass substrate or the like can be used to facilitate cost reduction and area increase. Further, by providing a switching electrode separately from the gate electrode, the drive voltage can be reduced. An object of the present invention is to provide a field emission type cold electron emission device which can reduce the circuit cost and can be easily manufactured by a process equivalent to a conventional device which does not have a current control function, and a method for manufacturing the same.
[0052]
[Means for Solving the Problems]
A metal thin film layer, an insulating layer, and a gate electrode layer are sequentially stacked on the insulating substrate, and an opening is provided in the gate electrode layer and the insulating layer, so that the emitter does not contact the gate electrode layer in the opening. In the field emission type cold electron-emitting device formed on the metal thin film layer, the metal thin film layer is composed of the first conductive layer and the second conductive layer so that the conductive layers are not in direct contact with each other. A semiconductor thin film layer made of non-single crystalline silicon is provided on the same plane of the insulating substrate between at least the first conductive layer and the second conductive layer, A method of manufacturing a cold electron-emitting device, wherein a third conductive layer made of the same material as a gate electrode is provided on a semiconductor thin film via the insulating layer, and the insulating layer functions as a gate insulating layer. The (A) After forming a metal thin film layer on an insulating substrate, the metal thin film layer is patterned by photolithography to form the first conductive layer and the second conductive layer simultaneously so as not to be in direct contact with each other. Then, after forming a semiconductor thin film layer between the first conductive layer and the second conductive layer, an insulating layer and a gate electrode layer are sequentially formed; (b) the gate electrode layer and Forming a gate hole having a shape corresponding to the opening diameter of the gate electrode with respect to the insulating layer by photolithography until the second conductive layer is exposed; (c) on the gate electrode layer on which the gate hole is formed; A release layer is formed on the insulating substrate by a rotational oblique deposition method, and then an emitter material is formed on the gate electrode layer by an anisotropic deposition method in a direction perpendicular to the insulating substrate. Self-aligned on the second conductive layer A step of forming a cone-shaped emitter; (d) a step of peeling and removing the emitter material on the peeling layer formed on the gate electrode layer by peeling off the peeling layer from the gate electrode layer; And a step of patterning the gate electrode layer by photolithography to simultaneously form the gate electrode and the third conductive layer.
[0053]
The present invention Claim 2 The invention according to the above Claim 1 In the step (a) in the invention according to the invention, the method of manufacturing a cold electron-emitting device, wherein the semiconductor thin film layer is a hydrogenated amorphous silicon layer formed by a plasma enhanced CVD method.
[0054]
The present invention Claim 3 The invention according to the above Claim 1 In the step (a) in the invention according to the invention, the semiconductor thin film layer is a polysilicon layer formed by forming an amorphous silicon film by thermal CVD or plasma enhanced CVD, and then performing annealing treatment. It is a manufacturing method of an element.
[0055]
The present invention Claim 4 The invention according to the above Claim 1 In the step (a) according to the invention, after forming an ohmic layer on the metal thin film layer formed on the insulating substrate, the metal thin film layer and the ohmic layer are patterned by a photolithography method, Forming a first conductive layer and a second conductive layer on which an ohmic layer is formed; Claim 1 In the step (b) of the present invention, a channel hole having a shape corresponding to the opening diameter of the gate electrode is formed in the gate electrode layer and the insulating layer by photolithography until the second conductive layer is exposed. This is a method for manufacturing a cold electron-emitting device.
[0056]
The present invention Claim 5 The invention according to the above Claim 4 The ohmic layer is a method for manufacturing a cold electron-emitting device, wherein the ohmic layer is an n-type hydrogenated amorphous silicon layer formed by a plasma enhanced CVD method using at least a mixed gas of silane and phosphine as a reaction gas.
[0057]
[Action]
The present inventor has provided a first conductive layer (drain) and a second conductive layer (source) on an insulating substrate, and is made of non-single crystal silicon on the insulating substrate at least between the conductive layers. A thin film transistor (TFT) structure is realized by stacking a semiconductor thin film, a gate insulating layer, and a third conductive layer (gate). Further, a metal or metal oxide is formed on the first conductive layer (drain). Alternatively, by forming an emitter made of metal nitride, a thin film transistor can be easily formed in the vicinity of the emitter in the cold electron emission device without using a single crystal silicon substrate.
[0058]
As a result, the current can be stabilized and the driving voltage can be reduced by using the gate electrode of the thin film transistor as the switching electrode of the element. Furthermore, the gate electrode and the third conductive layer (TFT gate) are made of the same material as a single layer thin film. In addition, the present invention has been completed by finding an easy device structure and a manufacturing method by forming the insulating film from the same single layer film by sharing the TFT gate insulating layer.
[0059]
The cold electron-emitting device of the present invention has a TFT structure using non-single crystal silicon as a channel, and an emitter is made of metal, metal oxide or metal nitride on the drain electrode, so that it is formed on the insulating substrate. In addition, a highly controlled emission current can be obtained by the transistor, and low voltage driving can be realized by using the gate of the TFT as a switching electrode instead of the gate electrode (extraction electrode) of the emitter. Furthermore, by sharing the insulating layer with the TFT and processing and forming the TFT gate from the same thin film as the gate electrode, an element having the above current control function can be obtained by an easy manufacturing method.
[0060]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1A is a cross-sectional view of an example of the cold electron emission device of the present invention. As shown in the figure, in this cold electron emission element, a first conductive layer 2 and a second conductive layer 3 separated so as not to be in direct contact with each other are provided on an insulating substrate 1. A semiconductor thin film layer 4 made of non-single crystal silicon is disposed on the conductive layer 2 and the second conductive layer 3 and on the nonconductive portion A in the gap between the first conductive layer 2 and the second conductive layer 3. Has been. A third conductive layer 6 is formed on the insulating layer 5 on the semiconductor thin film layer 4 corresponding to the nonconductive portion A in the gap between the first conductive layer 2 and the second conductive layer 3. .
[0061]
An insulating layer 5 and a gate electrode 7 are sequentially stacked on the first conductive wire layer 2, and an emitter hole B reaching the semiconductor thin film layer 4 is provided in the gate electrode 7 and the insulating layer 5. Yes. A conical or frustoconical emitter 8 made of metal, metal oxide or metal nitride is formed on the first conductive layer 2 in the emitter hole B so as not to contact the gate electrode 7. ing. Here, the third conductive layer 6 and the gate electrode 7 are made of the same material.
[0062]
The first conductive layer 2, the second conductive layer 3, the semiconductor thin film layer 4, the insulating layer 5, and the third conductive layer 6 together form a thin film transistor structure (TFT) that operates in an n-channel enhancement mode. is doing. That is, the first conductive layer 2 functions as a drain, the second conductive layer 3 functions as a source, the semiconductor thin film layer 4 functions as a channel, the insulating layer 5 functions as a gate insulating layer, and the third conductive layer 6 functions as a gate. It is.
[0063]
FIG. 1B is a cross-sectional view of another example of the cold electron emission device of the present invention. As shown in the drawing, the first conductive layer 2 and the semiconductor thin film are obtained from the viewpoint of obtaining better current control characteristics. Between the layer 4 and between the second conductive layer 3 and the semiconductor thin film layer 4, an ohmic layer 10 (a layer having characteristics according to Ohm's law; usually a low resistance film, for example, n + -A-Si: H or the like) is preferably interposed.
[0064]
In the present invention, the insulating substrate 1 is used as a support substrate for a cold electron-emitting device, and an insulating substrate that can be easily increased in area can be preferably used. As such an insulating substrate, a glass substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate and the like can be used, and among them, a glass substrate can be preferably used. A substrate in which an insulating layer is formed on the surface of single crystal silicon can also be used.
[0065]
In the present invention, the first conductive layer 2 functions as the drain of the TFT. As the material for the first conductive layer 2, a material having low wiring resistance and high adhesion to the underlying insulating substrate 1 is appropriate. Particularly preferable examples of such a material include Cr, Al, and a Cr laminated film.
[0066]
The thickness of the first conductive layer 2 is not particularly limited as long as sufficient wiring resistance and adhesion can be obtained, but is usually 0.01 to 1.0 μm, preferably 0.05 to 0.5 μm.
[0067]
The second conductive layer 3 functions as an emitter wiring layer and also functions as a TFT source. As a material for the second conductive layer 3, a material having a low wiring resistance and high adhesion to the underlying insulating substrate 1 is appropriate. Particularly preferable examples of such a material include Cr, Al, and a Cr laminated film.
[0068]
The thickness of the second conductive layer 3 is not particularly limited as long as sufficient wiring resistance and adhesion can be obtained, but is usually 0.01 to 1.0 μm, preferably 0.05 to 0.5 μm.
[0069]
The semiconductor thin film layer 4 functions as a channel of a thin film transistor (TFT). Such a semiconductor thin film layer 4 can be formed from a known material similar to a TFT widely used as a switching element of a liquid crystal display, and preferably, non-single crystal silicon can be used. Examples of such non-single crystal silicon include amorphous silicon (particularly non-doped hydrogenated amorphous silicon) and polysilicon.
[0070]
When a glass substrate is used as the insulating substrate 1, hydrogenated amorphous silicon or polysilicon by laser annealing can be preferably used as the semiconductor thin film layer 4.
[0071]
The thickness of the semiconductor thin film layer 4 is usually 0.01 to 2 [mu] m, preferably 0.03 to 0.7 [mu] m, so that it can operate as a TFT channel.
[0072]
The insulating layer 5 is a layer for electrically insulating the emitter 8 and the first conductive layer 2 from the gate electrode 7. Furthermore, it is used simultaneously for electrically insulating the semiconductor thin film layer 4 and the third conductive layer 6. That is, the insulating layer 5 in the present invention also functions as a gate insulating layer of the TFT.
[0073]
As such an insulating layer 5, anisotropic vapor deposition is desirable for forming it in a self-aligned manner, and silicon oxide by a reactive chimney resistance heating vapor deposition method using a mixed gas of ozone and oxygen as a reaction gas is particularly good. Insulating properties can be obtained, which is preferable. However, although the gate insulating layer of the TFT is separately formed depending on the manufacturing method, in such a case, the insulating layer 5 can be formed of a known material similar to the conventional TFT. For example, silicon nitride or silicon oxide formed by PECVD can be used.
[0074]
As for the thickness of the insulating layer 5, sufficient insulation is maintained between the emitter 8, the first conductive layer 2 or the semiconductor thin film layer 4 and the gate electrode 7 in the periphery of the emitter, and the gate of the TFT portion. In order to simultaneously function as an insulating layer, it is usually 0.01 to 2 μm, preferably 0.03 to 1 μm.
[0075]
The third conductive layer 6 functions as a TFT gate. As the material of the third conductive layer 6, a material having low wiring resistance and high adhesion to the lower insulating layer 5 is appropriate. Particularly preferable examples of such a material include Cr, Al, and a Cr laminated film. However, Cr and Nb are suitable in view of the fact that they are made of the same material as that of the gate electrode 7 in view of ease of production.
[0076]
The thickness of the third conductive layer 6 is not particularly limited as long as sufficient wiring resistance and adhesion can be obtained, but is usually 0.05 to 2.0 μm, preferably 0.05 to 0.5 μm.
[0077]
The gate electrode 7 is an electrode for concentrating a strong electric field on the emitter 8. As the material of the gate electrode 7, it is possible to use a material having a high melting point from the viewpoint of current resistance and having resistance to an etching solution used when forming the emitter, preferably Cr, W, Ta or Nb. Can be mentioned.
[0078]
The thickness of the gate electrode 7 can be appropriately determined as necessary, but is preferably 0.1 to 0.5 μm.
[0079]
The emitter 8 is a member that directly emits electrons from its surface, and is made of metal (eg, molybdenum, nickel, niobium, tungsten, silicon, etc.), metal oxide (eg, indium oxide, tin oxide, palladium oxide, etc.). Alternatively, metal nitride (for example, titanium nitride) can be used. Further, from the viewpoint of forming the emitter 8 in a self-aligning manner, a material that can be formed by vapor deposition is desirable.
[0080]
The thickness (height) of the entire emitter 8 can be appropriately determined as necessary, but is preferably 0.3 to 2 μm.
[0081]
The shape of the emitter 8 is preferably a conical shape or a cylindrical shape, or a truncated cone shape or a polygonal frustum shape.
[0082]
The ohmic layer 10 (resistive layer) is used to obtain an ohmic contact (contact holding electrical resistance) between the first conductive layer 2 and the second conductive layer 3 and the semiconductor thin film layer 4, or a better ohmic contact. Provided to get contact. The material of the ohmic layer 10 can be formed from a known material similar to a conventional TFT. For example, n-type hydrogenated amorphous silicon by PECVD can be used.
[0083]
The thickness of the ohmic layer 10 is not particularly limited as long as sufficient ohmic characteristics can be obtained, but is usually 0.01 to 1.0 μm, preferably 0.03 to 0.07 μm.
[0084]
Next, a method for manufacturing the cold electron-emitting device of the embodiment of the present invention shown in FIG. 1A will be described in detail with reference to FIG.
[0085]
Step (a)
As shown in FIG. 2A, first, after a metal thin film is formed on the insulating substrate 1 by a sputtering method or the like, a gap corresponding to the channel length of the TFT and a width corresponding to the channel width are formed by photolithography. The first conductive layer 2 and the second conductive layer 3 are formed by providing and patterning the non-conductive layer portion A (TFT channel), and the conductive layers 2 and 3 are insulative so as not to be in direct contact with each other. It is provided on the same plane of the substrate 1.
[0086]
Next, as shown in FIG. 2A, a semiconductor such as non-single crystal silicon is formed on the first conductive layer 2 and the second conductive layer 3 and on the insulating substrate 1 in the non-conductive layer portion A. A thin film material and an insulating material are formed in this order by the CVD method or the like, and the semiconductor thin film layer 4 and the insulating layer 5 are formed, respectively. Here, as the semiconductor thin film layer 4, a polysilicon film formed by annealing a hydrogenated amorphous silicon film formed by PECVD or an amorphous silicon film formed by thermal CVD or PECVD, for example, by laser annealing. Can be preferably used.
[0087]
As a method for forming the insulating layer 5, a silicon nitride film formed by PECVD using a mixed gas composed of silane and ammonia as a reaction gas can be preferably used.
[0088]
Subsequently, as shown in FIG. 2A, a metal thin film, which is a gate electrode material, is formed on the insulating layer 5 by using a normal film forming method such as a vapor deposition method or a sputtering method. 7 is formed.
[0089]
Step (b)
Next, as shown in FIG. 2B, an etching resist is applied on the gate electrode layer 7, and a portion of the etching resist corresponding to the upper side of the second conductive layer 3 is formed with an opening diameter corresponding to the gate hole by photolithography. After removing and patterning into a pattern of circular holes or polygonal holes having a pattern, the gate electrode layer 7, the insulating layer 5, and the semiconductor thin film layer 4 are etched until the second conductive layer 3 is exposed (for example, relithography). The emitter gate hole B (opening) is formed by active ion etching or reactive ion etching and wet etching.
[0090]
Step (c)
Subsequently, as shown in FIG. 2C, the gate is substantially formed on the gate electrode layer 7 and the periphery of the gate hole B for the emitter by performing oblique deposition on the insulating substrate 1 by the rotational oblique deposition method. A release layer 9 (lift-off layer) is formed only on the electrode layer 7. Next, as shown in FIG. 2C, the second conductive in the emitter gate hole B is formed by a normal anisotropic vapor deposition method (vertical vapor deposition method) from a direction perpendicular to the insulating substrate 1. While the emitter material is deposited on the layer 3 and the release layer 9, the conical emitter 8 is formed in the emitter gate hole B in a self-aligning manner. A vapor deposition film 8a is formed on the release layer 9 by vapor deposition of the emitter material so as to bridge and close the upper opening of the emitter gate hole B.
[0091]
Step (d)
Next, as shown in FIG. 2D, the peeling layer 9 is peeled off to form a vapor deposition film 8a made of the emitter material on the peeling layer 9 and a vapor deposition film 8a that bridges and closes the upper opening of the emitter gate hole B. Remove and remove.
[0092]
Step (e)
Finally, as shown in FIG. 2 (e), the gate electrode layer 7 is patterned by a photolithography method to form the gate electrode layer 7 (gate electrode) in a pattern, and at the same time, a third layer is formed immediately above the TFT channel. Conductive layer 6 is formed. As a result, the cold electron-emitting device of the present invention shown in FIG.
[0093]
Next, the method for manufacturing the cold electron-emitting device of the embodiment of the present invention shown in FIG. 1B will be described in detail with reference to FIG.
[0094]
Step (a)
First, as shown in FIG. 3A, a metal thin film is formed on the insulating substrate 1 by sputtering or the like to form a conductive layer, and an ohmic material is formed on the conductive layer to form an ohmic layer 10. After forming the first conductive layer on which the ohmic layer 10 is formed by patterning by providing a gap corresponding to the channel length of the TFT and a non-conductive layer portion A having a width corresponding to the channel width by photolithography. Layer 2 and second conductive layer 3 are formed. Here, as the ohmic material, an n-type hydrogenated amorphous silicon film formed by PECVD can be preferably used.
[0095]
Next, as shown in FIG. 3A, a semiconductor thin film such as non-single-crystal silicon is formed on the ohmic layer 10 and the non-conductive layer portion A on the first conductive layer 2 and the second conductive layer 3, respectively. A material and an insulating material are formed by a CVD method or the like, and the semiconductor thin film layer 4 and the insulating layer 5 are formed, respectively. Here, as the semiconductor thin film layer 4, a polysilicon film formed by annealing a hydrogenated amorphous silicon film formed by PECVD method or an amorphous silicon film formed by thermal CVD or PECVD method by laser annealing or the like, for example. Can be preferably used.
[0096]
As a method for forming the insulating layer 5, a silicon nitride film formed by PECVD using a mixed gas composed of silane and ammonia as a reaction gas can be preferably used.
[0097]
Subsequently, as shown in FIG. 3A, a metal thin film as a gate electrode material is formed on the insulating layer 5 by using a normal film forming method such as vapor deposition or sputtering, and the gate electrode layer 7 Form.
[0098]
Step (b)
Next, as shown in FIG. 3B, an etching resist is applied on the gate electrode layer 7, and a portion of the etching resist corresponding to the upper side of the second conductive layer 3 is opened by a photolithography method. After removing and patterning in the shape of a circular hole or polygonal hole having a pattern, the gate electrode layer 7, the insulating layer 5, the semiconductor thin film layer 4 and the ohmic layer 10 are etched until the second conductive layer 3 is exposed ( The emitter gate hole B (opening) is formed by, for example, reactive ion etching or etching using reactive ion etching and wet etching in combination.
[0099]
Step (c)
Subsequently, as shown in FIG. 3C, the gate is substantially formed on the gate electrode layer 7 and the periphery of the gate hole B for the emitter by performing oblique deposition on the insulating substrate 1 by the rotational oblique deposition method. A release layer 9 (lift-off layer) is formed only on the electrode layer 7. Next, as shown in FIG. 3C, the second conductive in the emitter gate hole B is formed from the direction perpendicular to the insulating substrate 1 by a normal anisotropic vapor deposition method (vertical vapor deposition method). While the emitter material is deposited on the layer 3 and the release layer 9, the conical emitter 8 is formed in the emitter gate hole B in a self-aligning manner. A vapor deposition film 8a is formed on the release layer 9 by vapor deposition of the emitter material so as to bridge and close the upper opening of the emitter gate hole B.
[0100]
Step (d)
Next, as shown in FIG. 3D, the peeling layer 9 is peeled to form a vapor deposition film 8a made of an emitter material on the peeling layer 9 and a vapor deposition film 8a that bridges and closes the upper opening of the emitter gate hole B. Remove and remove.
[0101]
Step (e)
Finally, as shown in FIG. 3E, the gate electrode layer 7 is patterned by a photolithography method to form the gate electrode layer 7 (gate electrode) in a pattern, and at the same time, a third layer is formed immediately above the TFT channel. Conductive layer 6 is formed. As a result, the cold electron-emitting device of the present invention shown in FIG. 1B is obtained.
[0102]
As described above, the cold electron-emitting device of the present invention has a TFT structure using non-single crystal silicon as a channel, and an emitter is made of metal, metal oxide or metal nitride on the drain electrode. Even on an insulating substrate, a highly controlled emission current can be obtained by a transistor, and driving by using the gate of the TFT as a switching electrode instead of the gate electrode (extraction electrode) of the emitter enables low voltage driving. Can be realized. Furthermore, by sharing the insulating layer with the TFT and processing and forming the TFT gate from the same thin film as the gate electrode, an element having the above current control function can be obtained by an easy manufacturing method.
[0103]
【Example】
A manufacturing example of the cold electron emission device of the present invention will be specifically described in the following examples.
[0104]
<Example 1>
Example of manufacturing cold electron-emitting device of the present invention in the mode shown in FIG. 1B (see FIG. 3))
Step (a)
First, after forming a conductive layer by forming Cr as a metal thin film on the insulating substrate 1 by a sputtering method to a thickness of 0.1 μm on the insulating substrate 1, n-type hydrogen is formed as an ohmic material by PECVD method. An ohmic layer 10 was formed by forming a hydrogenated amorphous silicon film with a thickness of 0.05 μm. Silane gas and phosphine gas (dope concentration 3000 ppm) were used as the reaction gas, and hydrogen was used as the dilution gas. The film was formed under the conditions of a total gas flow rate of 560 sccm, a gas pressure of 1 Torr, a substrate temperature of 350 ° C., and an RF power of 60 W. Subsequently, the ohmic layer 10 and the conductive layer covered thereby are patterned by photolithography to form a nonconductive layer portion A, and the first conductive layer 2 and the second conductive layer 2 separated by the nonconductive layer portion A are formed. A conductive layer 3 was formed, and a TFT channel was formed by the non-conductive layer portion A.
[0105]
Next, in FIG. 3A, a non-doped hydrogenated amorphous silicon film having a thickness of 0.1 μm is formed on the first conductive layer 2 and the second conductive layer 3 and on the non-conductive layer portion A by PECVD. The semiconductor thin film layer 4 was formed by film formation. A film was formed using silane gas as a reactive gas and hydrogen as a diluent gas under the conditions of a total gas flow rate of 300 sccm, a gas pressure of 1 Torr, a substrate temperature of 250 ° C., and an RF power of 60 W.
[0106]
Next, an insulating layer 5 was formed by depositing silicon nitride as an insulating material on the semiconductor thin film layer 4.
[0107]
Next, a gate electrode layer 7 was formed by sputtering Nb as a gate electrode material to a thickness of 0.2 μm on the insulating layer 5.
[0108]
Step (b)
Next, FIG. 3B shows an etching mask layer in which a circular etching pattern having a gate hole diameter of 1.2 μm is formed using a normal photolithography method, and then the gate electrode is formed by reactive ion etching. The layer 7, the insulating layer 5, the semiconductor thin film layer 4 and the ohmic layer 10 were etched until the second conductive layer 3 was exposed to form a gate hole B (opening). The etching conditions at this time were (introduced gas: SF660 sccm / power 100 W / gas pressure 4.5 Pa).
[0109]
Step (c)
Next, as shown in FIG. 3C, the release layer is formed only on the gate electrode layer 7 and the gate electrode layer 7 corresponding to the peripheral edge of the gate hole B by performing oblique evaporation on the insulating substrate 1 by the rotational oblique evaporation method. Aluminum (Al) was deposited as 9 (lift-off layer). Subsequently, the emitter 8 was formed in a conical shape in a self-aligning manner while depositing the emitter material by anisotropic vapor deposition (vertical vapor deposition) from the vertical direction with respect to the insulating substrate 1.
[0110]
Step (d)
Next, in FIG. 3D, the peeling layer 9 (Al) is peeled off by wet etching using an aqueous phosphoric acid solution, and the deposited film 8a made of the emitter material on the peeling layer 9 and the upper opening of the emitter gate hole B are formed. The vapor deposition film 8a that was cross-linked was peeled and removed.
[0111]
Step (e)
Finally, in FIG. 3E, the gate electrode layer 7 is patterned by photolithography to form the gate electrode layer 7 (gate electrode) in a pattern, and at the same time, the third conductive layer 6 is formed immediately above the TFT channel. Formed. As a result, the cold electron-emitting device of the present invention shown in FIG. 1B was obtained.
[0112]
<Test and test results>
The cold electron-emitting device of the present invention obtained in Example 1 was tested and evaluated as follows. That is, the distance between the emitter and the gate electrode of each element is 0.6 μm, the emitter height is 0.8 μm, and the ratio (L / W) of channel length (L) to channel width (W) as TFT parameters. The glass plate member having a transparent electrode (anode) coated with a phosphor is opposed to an element having a structure of 1/10) at a distance of 30 mm, and the gate electrode side has a positive polarity between the emitter electrode and the gate electrode. When the extraction voltage was applied, electrons could be emitted more stably and better than the emitter 8 at a switching voltage of about 10V.
[0113]
The typical emission characteristics obtained showed the current-voltage characteristics of the emitter 8 itself in the low electric field region, and the saturation characteristics according to the current-voltage characteristics of the TFT in the high electric field region. That is, in a high electric field region where the emission current exceeded the drain current value of the TFT, a saturation current region was obtained by current transistor control, and a stable emission current was obtained at an extraction voltage of 110 V or more. In addition, an emission current was obtained when the gate voltage of the TFT was 15 V or higher, and switching was possible at a low voltage.
[0114]
【The invention's effect】
According to the present invention, by forming an emitter with a metal having a TFT structure, an emission current highly controlled by a transistor can be obtained even on an insulating substrate, and a switching electrode is provided separately from the gate electrode. Thus, it is possible to obtain a cold electron emission device that easily realizes a reduction in driving voltage. Furthermore, by sharing the insulating layer with the TFT and processing and forming the TFT gate from the same thin film as the gate electrode, an element having a current control function can be obtained by an easy manufacturing method.
[0115]
Therefore, a cold electron-emitting device that has high current stability and can be driven at a low voltage can be obtained on a glass substrate that can be increased in area at low cost. Furthermore, when applied to a flat panel display, a high-speed, high-definition image can be obtained with low power consumption.
[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 the cold electron emission device of the present invention.
FIG. 3 is a manufacturing process diagram of another cold electron emission device of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a conventional cold electron emission device.
FIG. 5 is a manufacturing process diagram of a conventional cold electron-emitting device.
FIG. 6 is a cross-sectional view of another conventional cold electron emission device.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a conventional cold electron emitter.
FIG. 8 is a manufacturing process diagram of another conventional cold electron emission device.
FIG. 9 is a manufacturing process diagram of another conventional cold electron emission device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Insulating substrate 2 ... 1st conductive layer 3 ... 2nd conductive layer 4 ... Semiconductor thin film layer
5 ... Insulating layer 6 ... Third conductive layer 7 ... Gate electrode layer 8 ... Emitter 9 ... Release layer
10 ... Ohmic layer
41 ... Insulating substrate 42 ... Conductive layer 43 ... Insulating layer 44 ... Gate electrode
45 ... Emitter
51 ... Insulating substrate 52 ... Conductive layer 53 ... Insulating layer 54 ... Gate electrode
55 ... Lift-off material 56 ... Emitter
61 ... Insulating substrate 62 ... Conductive layer 63 ... Resistive layer 64 ... Insulating layer
65 ... Gate electrode 66 ... Emitter
71 ... Insulating substrate 72 ... Conductive layer 73 ... Emitter 74 ... Silicon oxide layer
75 ... Insulating layer 76 ... Gate electrode
81 ... p-type silicon substrate 82 ... emitter 83 ... n-type silicon layer
84 ... Emitter wiring layer 85 ... Insulating layer 86 ... Gate electrode
91 ... p-type silicon substrate 92 ... silicon oxide layer 93 ... emitter
94 ... Silicon oxide layer 95 ... Gate electrode 96 ... N-type silicon layer
97 ... Metal thin film
A ... TFT channel (non-conductive layer part) B ... Emitter gate hole (opening)

Claims (5)

絶縁性基板上に金属薄膜層、絶縁層、ゲート電極層が順次積層され、該ゲート電極層と絶縁層とには開口部が設けられ、その開口部内にエミッタが該ゲート電極層に接触しないように金属薄膜層上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、前記金属薄膜層が第1の導電層と第2の導電層とにより構成され、両導電層は互いに直接接触しないように絶縁性基板の同一平面上に設けられ、少なくとも第1の導電層と第2の導電層との間の絶縁性基板の同一平面上に非単結晶シリコンからなる半導体薄膜層が設けられ、該半導体薄膜上には前記絶縁層を介してゲート電極と同一材料による第3の導電層が設けられ、前記絶縁層がゲート絶縁層として機能することを特徴とする冷電子放出素子の製造方法であって、(a)絶縁性基板上に金属薄膜層を成膜後、該金属薄膜層をフォトリソグラフィー法によりパターニングして第1の導電層と第2の導電層とを互いに直接接触しないように同時に形成し、続いて前記第1の導電層と第2の導電層との間に半導体薄膜層を成膜した後、絶縁層、ゲート電極層を順次成膜する工程、(b)前記ゲート電極層と絶縁層とに対してフォトリソグラフィー法によりゲート電極の開口径に対応した形状のゲート孔を第2の導電層が露出するまで形成する工程、(c)前記ゲート孔を形成したゲート電極層上に前記絶縁性基板に対して回転斜方蒸着法により剥離層を形成した後、該ゲート電極層上より該絶縁性基板に対して垂直方向の異方性蒸着法によりエミッタ材料を成膜することにより第2の導電層上に自己整合的に円錐形状のエミッタを形成する工程、(d)前記ゲート電極層上より剥離層を剥離することにより、ゲート電極層上に成膜した剥離層上のエミッタ材料を剥離除去する工程、(e)前記ゲート電極層をフォトリソグラフィー法によりパターニングしてゲート電極と第3の導電層とを同時に形成する工程、を含むことを特徴とする冷電子放出素子の製造方法。 A metal thin film layer, an insulating layer, and a gate electrode layer are sequentially stacked on the insulating substrate, and an opening is provided in the gate electrode layer and the insulating layer, so that the emitter does not contact the gate electrode layer in the opening. In the field emission type cold electron-emitting device formed on the metal thin film layer, the metal thin film layer is composed of the first conductive layer and the second conductive layer so that the conductive layers are not in direct contact with each other. A semiconductor thin film layer made of non-single crystalline silicon is provided on the same plane of the insulating substrate between at least the first conductive layer and the second conductive layer, A method of manufacturing a cold electron-emitting device, wherein a third conductive layer made of the same material as a gate electrode is provided on a semiconductor thin film via the insulating layer, and the insulating layer functions as a gate insulating layer. Te, (a) an insulating substrate After forming the metal thin film layer, the metal thin film layer is patterned by photolithography to form the first conductive layer and the second conductive layer at the same time so as not to be in direct contact with each other. Subsequently, the first conductive layer is formed. A step of sequentially forming an insulating layer and a gate electrode layer after forming a semiconductor thin film layer between the layer and the second conductive layer; and (b) a photolithography method for the gate electrode layer and the insulating layer. (C) forming a gate hole having a shape corresponding to the opening diameter of the gate electrode until the second conductive layer is exposed, and (c) rotating obliquely with respect to the insulating substrate on the gate electrode layer in which the gate hole is formed. After the release layer is formed by the lateral evaporation method, the emitter material is deposited on the second conductive layer by the anisotropic evaporation method in the direction perpendicular to the insulating substrate from the gate electrode layer. A conical emitter (D) a step of peeling and removing the emitter material on the peeling layer formed on the gate electrode layer by peeling off the peeling layer from the gate electrode layer; A method of manufacturing a cold electron-emitting device, including a step of simultaneously forming a gate electrode and a third conductive layer by patterning by a lithography method. 前記(a)の工程において、半導体薄膜層がプラズマエンハンストCVD法で形成された水素化アモルファスシリコン層である請求項1記載の冷電子放出素子の製造方法。2. The method of manufacturing a cold electron-emitting device according to claim 1 , wherein in the step (a), the semiconductor thin film layer is a hydrogenated amorphous silicon layer formed by a plasma enhanced CVD method. 前記(a)の工程において、半導体薄膜層が熱CVD法又はプラズマエンハンストCVD法でアモルファスシリコンを成膜した後、アニール処理を施すことにより形成されたポリシリコン層である請求項1記載の冷電子放出素子の製造方法。2. The cold electron according to claim 1 , wherein, in the step (a), the semiconductor thin film layer is a polysilicon layer formed by forming an amorphous silicon film by a thermal CVD method or a plasma enhanced CVD method and then performing an annealing process. A method for manufacturing an emitting device. 前記(a)の工程において、絶縁性基板上に成膜した金属薄膜層上にオーミック層を成膜した後、該金属薄膜層とオーミック層とをフォトリソグラフィー法によりパターニングして、オーミック層が成膜された第1の導電層と第2の導電層を形成し、その後、前記(b)の工程において、前記ゲート電極層と絶縁層とに対してフォトリソグラフィー法によりゲート電極の開口径に対応した形状のチャネル孔を第2の導電層が露出するまで形成する請求項1記載の冷電子放出素子の製造方法。In the step (a), after an ohmic layer is formed on the metal thin film layer formed on the insulating substrate, the ohmic layer is formed by patterning the metal thin film layer and the ohmic layer by a photolithography method. A first conductive layer and a second conductive layer are formed, and then, in the step (b), the gate electrode layer and the insulating layer are adapted to the opening diameter of the gate electrode by photolithography. 2. The method of manufacturing a cold electron emission device according to claim 1 , wherein the channel hole having the shape is formed until the second conductive layer is exposed. 前記オーミック層が、少なくともシラン及びホスフィンの混合ガスを反応ガスとして用いるプラズマエンハンストCVD法で形成されたn型の水素化アモルファスシリコン層である請求項4記載の冷電子放出素子の製造方法。5. The method of manufacturing a cold electron-emitting device according to claim 4 , wherein the ohmic layer is an n-type hydrogenated amorphous silicon layer formed by a plasma enhanced CVD method using at least a mixed gas of silane and phosphine as a reaction gas.
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