JP4529011B2 - 冷電子放出素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【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(Field Emitter Array)の電子発生源として有用な冷電子放出素子及びそ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、図7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71上に導電層72、絶縁層73及びゲート電極74が順次積層されており、その絶縁層73及びゲート電極74には、導電層72に達する開口部Bが形成されている。そして、その開口部B内の導電層72上には、ゲート電極74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75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8(a)〜(d)を参照しながら説明する。
【0008】
まず、図8(a)に示すように、予め導電層82が形成された絶縁性基板81上に、絶縁層83及びゲート電極84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83及びゲート電極84の一部を、導電層82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8(b)に示すように、斜方蒸着によりリフトオフ材85をゲート電極84の上面と側面にのみ形成する。リフトオフ材85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8(c)に示すように、導電層82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86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82上に円錐形のエミッタ86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等を使用することができる。
【0011】
最後に、図8(d)に示すように、リフトオフ材85をエッチングにより剥離し、必要に応じてゲート電極84をパターニングする。これによりスピント型エミッタ86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9を参照しながら説明する。
【0017】
絶縁性基板91上に導電層92、抵抗層93、絶縁層94及びゲート電極95が順次積層されており、その絶縁層94及びゲート電極95には、抵抗層93に達する開口部Bが形成されている。そして、その開口部B内の抵抗層93上には、ゲート電極95に接触しないように、円錐形状のエミッタ96が形成されている。
【0018】
この場合、抵抗層93は導電層92とエミッタ96間に電気的に直列に挿入されている。この抵抗層93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93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93の比抵抗は102から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., p26(1991))。
【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10(a)〜(e)を参照しながら説明する。
【0021】
まず、図10(a)に示すように、単結晶シリコン基板101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。
【0022】
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)によりシリコン基板101をエッチングし、エミッタ103を形成する。
【0023】
続いて、図10(c)に示すように、熱酸化によりシリコン基板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。
【0024】
そして、図10(d)に示すように、異方性蒸着法により絶縁層105、ゲート電極106を積層する。
【0025】
最後に、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。そして必要に応じてゲート電極106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.J.Appl.Phys.vol.35 p6637(1996))。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11を参照しながら説明する。
【0027】
p型シリコン基板111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112とn型シリコン層113を介してエミッタ配線層114が設けられ、エミッタ112とエミッタ配線層114の間に絶縁層115を介してゲート電極116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114がMOSFETのソース、エミッタ112がドレイン、ゲート電極116がゲート、絶縁層115がゲート絶縁層としてそれぞれ機能する。
【0028】
MOSFET構造エミッタを備えた冷電子放出素子の製造例を、図12(a)〜(g)を参照しながら説明する。
【0029】
まず、図12(a)に示すように、単結晶のp型シリコン基板121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122を形成する。この酸化シリコン層122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122の径は、ほぼゲート径に相当する。
【0030】
次に、図12(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121をエッチングし、エミッタ123を形成する。
【0031】
続いて、図12(c)に示すように、熱酸化によりp型シリコン基板121及びエミッタ123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124を形成する。この酸化シリコン層124の形成時に発生する応力により、酸化シリコン層124の内側のエミッタ123の先端が容易に尖鋭化される。
【0032】
そして、図12(d)に示すように、ゲート電極125材料を成膜し、そのゲート電極125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に形成する。
【0033】
次に、図12(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122をエッチングによりリフトオフし、更に、エミッタ123の表面の酸化シリコン層124をエッチング除去するとともにエミッタ配線孔Cを形成する。
【0034】
続いて、図12(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123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126を生成する。
【0035】
最後に、図12(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127を成膜した後、必要に応じてゲート電極125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。
【0036】
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。
【0037】
【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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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、かつ、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た、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回路コストを低減できる、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。
【0041】
【課題を解決するための手段】
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、第3の導電層と非単結晶シリコンからなる半導体薄膜とをゲート絶縁層を介して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、非単結晶シリコン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。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ことを見出し、本発明を完成させるに至った。
【0042】
即ち、本発明は、絶縁性基板上に第1の導電層、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、エミッタが非単結晶シリコンからなり、第2の導電層が、第1の導電層と互いに直接接触しないように絶縁性基板上に設けられており、第1の導電層と第2の導電層との間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層が設けられており、その半導体薄膜層は第1の導電層上においてエミッタの下部にまで伸張形成されており、そして第3の導電層が、第1の導電層及び第2の導電層と互いに接触しないようにゲート絶縁層を介して半導体薄膜層の上に設けられていることを特徴とする冷電子放出素子を提供する。
【0044】
また、本発明は、第3の導電層がゲート絶縁層を介して半導体薄膜の上に設けられている上述の冷冷電子放出素子の別の製造方法において:
(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の導電層及び第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、半導体薄膜層、エミッタ材料、エッチングマスク材料層を順次成膜する工程;
(b′) エッチングマスク材料層をフォトリソグラフィー法によりゲートの開口径に相当する形状の孔にパターニングしてエッチングマスク層を形成し、反応性イオンエッチングによりエミッタ材料を半導体薄膜層が露出するまでエッチングすることによりエミッタを形成する工程;
(c′) 絶縁性基板に対して垂直方向の異方性蒸着法により、半導体薄膜層上に絶縁材料及びゲート電極材料を自己整合的に成膜する工程;
(d′) エッチングマスク層を剥離すると同時に、エミッタ上の絶縁材料層及びゲート電極材料を剥落させ、絶縁層及びゲート電極とを形成する工程; 及び
(e′) 絶縁層及びゲート電極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絶縁層を形成し、続いて、第3の導電層をリフトオフ法により形成する工程
を含んでなることを特徴とする製造方法を提供する。
【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(a)、(a′)、(b)及び(b′)は、第3の導電層がゲート絶縁膜を介して半導体薄膜層の上に設けられている本発明の冷電子放出素子の断面図である。
【0049】
即ち、図1(a)の冷電子放出素子においては、絶縁性基板1の同一平面上に、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との上から第1の導電層2と第2の導電層3の間隙Aにかけて、非単結晶シリコンからなる半導体薄膜層4が連続して配されている。そして、第1の導電層2と第2の導電層3との間隙Aにおける半導体薄膜層4上には、ゲート絶縁層5′を介して第3の導電層6が形成されている。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、非単結晶シリコン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。
【0050】
また、図2(c)及び(c′)の冷電子放出素子は、第3の導電層がゲート絶縁層を介して半導体薄膜層の下に設けられている本発明の冷電子放出素子の断面図である。
【0051】
即ち、図2(c)の冷電子放出素子は、絶縁性基板1上に、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との下から第1の導電層2と第2の導電層3の間隙Aにかけて、非単結晶シリコンからなる半導体薄膜層4が連続して配されている。そして、第1の導電層2と第2の導電層3との間隙Aにおける半導体薄膜層4の下には、ゲート絶縁層5′を介して第3の導電層6が形成されている。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、非単結晶シリコン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。
【0052】
ここで、第1の導電層2、第2の導電層3、半導体薄膜層4、ゲート絶縁層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、ゲート絶縁層5′は文字通りゲート絶縁層、及び第3の導電層6はゲートとして機能している。
本発明においては、TFTのゲート絶縁膜の厚みの制御をより容易にするために、絶縁層を2層化した構造とすることができる。
【0053】
また、より低い引き出し電圧(動作電圧)を得るという観点から、図1(b)に示すように、第1の導電層2とエミッタ8との間に半導体薄膜層4を介在させない構造とすることができる。また、より良好な電流制御特性を得るという観点から、図1(a)、図1(b)及び図2(c)に対応して、それぞれ図1(a′)、図1(b′)及び図2(c′)にそれぞれ示すように、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9を介在させることが好ましい。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
第1の導電層2の膜厚は、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である。
【0057】
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。
【0058】
第2の導電層3の膜厚は、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である。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
半導体薄膜層4の厚みは、TFTのチャネルとして動作しうる厚みとして、通常0.01〜2.0μm、好ましくは0.03〜0.7μmである。
【0062】
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。すなわち、TFTのゲート絶縁層5′としても機能する。
【0063】
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。
【0064】
絶縁層5の厚みは、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ればよく、例えば、0.2〜2.0μm、好ましくは0.3〜1.0μmである。また、TFT部のゲート絶縁層5′として機能させるためには、通常、0.01〜1.0μm、好ましくは0.03〜0.5μmである。
【0065】
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。
【0066】
第3の導電層6の膜厚は、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である。
【0067】
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。
【0068】
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である。
【0069】
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、非単結晶シリコン薄膜を使用する。ここで、エミッタ8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、エミッタ自体が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。
【0070】
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0.3〜2.0μmである。
【0071】
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。
【0072】
オーミック層9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9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、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PE(プラズマエンハンスト)CVD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。
【0073】
オーミック層9の膜厚は、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である。
【0074】
次に、図1(a)の態様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。
【0075】
工程(a)
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第1の導電層2と第2の導電層3に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を設けてパターニングする。
【0076】
次に、非単結晶シリコンなどの半導体薄膜材料層4′をCVD法等により成膜する。ここで、半導体薄膜材料層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、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が好ましく用いることができる。
【0077】
続いて、ゲート絶縁材料層5aとして絶縁膜を形成する。ここで、ゲート絶縁材料層5aとしては、PECVD法、蒸着法、スパッタ法で成膜された酸化シリコン膜、窒化シリコン膜を使用することができる。特に好ましくは、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法による窒化シリコン膜を使用できる。
【0078】
さらに、ゲート絶縁材料層5a上に、第3の導電材料層6′として金属薄膜を蒸着法、スパッタ法等の通常の成膜法を用いて成膜する(図3(a))。
【0079】
工程(b)
次に、フォトリソグラフィー法により第3の導電材料層6′をTFTチャネルの直上に配するようにパターニングして、第3の導電層6を形成し、さらに、フォトリソグラフィー法により、第2の導電層3が露出するようにゲート絶縁材料層5a及び半導体薄膜材料層4′を順次パターニングして、ゲート絶縁層5′及び半導体薄膜層4を形成する。このとき、パターニングの際用いたレジストは保護層11として残し、以後の工程においてTFTの保護に用いる(図3(b))。
【0080】
工程(c)
続いて、非単結晶シリコンなどのエミッタ材料8′をCVD法等により成膜する。ここで、エミッタ材料8′の成膜法としては、シランまたはジシランとホスフィンから成る混合ガスを反応ガスとして用いるPECVD法が好ましい。この場合には、n型の水素化アモルファスシリコン膜が形成できる。あるいはスパッタ法も好ましく利用することができ、この場合にはアモルファスシリコン膜が形成できる。
【0081】
続いて、エッチングマスク材料層10′として酸化シリコン膜を蒸着法、スパッタ法等の通常の成膜法を用いて成膜する(図3(c))。
【0082】
工程(d)
次に、フォトリソグラフィー法によりエッチングマスク材料層10′にゲートの開口径に相当する形状の孔(円形又は多角形)にパターニングしてエッチングマスク層10を形成し、反応性イオンエッチングによりエミッタ材料8′を第2の導電層3が露出するまでエッチングすることによりエミッタ8を形成する。
【0083】
続いて、半導体薄膜層4上に、その垂直な方向から通常の異方性蒸着により、絶縁材料5″及びゲート電極材料7′を蒸着する。このとき、絶縁材料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膜を使用する(図3(d))。
【0084】
工程(e)
次に、エッチングマスク層10をエッチングにより剥離し、絶縁層5及びゲート電極7を形成する。必要に応じてゲート電極7をパターニングする。このとき、パターニングの最後に使用したレジストを剥離する際に、同時に保護層11も剥落できる(図3(e))。これにより図1(a)の冷電子放出素子が得られる。
【0085】
なお、オーミック層9を設ける場合には、(a)工程において、絶縁性基板1上に金属薄膜を成膜した後に、続いてオーミック層を成膜する。オーミック層としては例えば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。パターンニグは金属薄膜と同時に行えばよい。
【0086】
次に、図1(a)の態様の別の冷電子放出素子の製造方法を、図4に従って詳細に説明する。
工程(a′)
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第1の導電層2と第2の導電層3に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を設けてパターニングする。
【0087】
次に、非単結晶シリコンなどの半導体薄膜層4、エミッタ材料8′をCVD法等により成膜する。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、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が好ましく用いることができる。
【0088】
また、エミッタ材料8′の成膜法としては、シランまたはジシランとホスフィンから成る混合ガスを反応ガスとして用いるPECVD法が好ましい。この場合には、n型の水素化アモルファスシリコン膜が形成できる。あるいはスパッタ法も好ましく利用することができ、この場合にはアモルファスシリコン膜が形成できる。
【0089】
続いて、エッチングマスク材料層10′として酸化シリコン膜を蒸着法、スパッタ法等の通常の成膜法を用いて成膜する(図4(a′))。
【0090】
工程(b′)
次に、フォトリソグラフィー法によりエッチングマスク材料層10′にゲートの開口径に相当する形状の孔(円形又は多角形)にパターニングしてエッチングマスク層10を形成し、反応性イオンエッチングによりエミッタ材料8′を半導体薄膜層4が露出するまでエッチングすることによりエミッタ8を形成する(図4(b′))。
【0091】
工程(c′)
続いて、半導体薄膜層4上に、その垂直な方向から通常の異方性蒸着により、絶縁材料5″及びゲート電極材料7′を蒸着する(図4(c′))。このとき、絶縁材料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膜を使用する。
【0092】
工程(d′)
次に、エッチングマスク層10をエッチングにより剥離し、絶縁層5及びゲート電極7を形成する。必要に応じてゲート電極7をパターニングする(図4(d′))。
【0093】
工程(e′)
最後に、絶縁層5及びゲート電極7をフォトリソグラフィー法によりパターニングして所定の厚みのTFTのゲート絶縁層5′を形成し、TFTチャネルの直上に第3の導電層6をフォトリソグラフィー法によって例えばリフトオフ法により形成する(図4(e′))。これにより図1(a)の別の冷電子放出素子が得られる。
【0094】
なお、オーミック層9を設ける場合には、(a′)工程において、絶縁性基板1上に金属薄膜を成膜した後に、続いてオーミック層を成膜する。オーミック層としては例えば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。パターニングは金属薄膜と同時に行えばよい。
【0095】
次に、図1(b)の態様の冷電子放出素子の製造方法を、図5に従って詳細に説明する。
【0096】
工程(a″)
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第1の導電層2と第2の導電層3とに、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を設けてパターニングする。
【0097】
次に、非単結晶シリコンなどの半導体薄膜層4及びゲート絶縁層5′をCVD法等により成膜する。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、または熱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。
【0098】
また、ゲート絶縁層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て窒化シリコン膜を形成するPECVD法が好ましい。
【0099】
続いて、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た後、フォトリソグラフィー法によりパターニングしTFTのゲートとして第3の導電層6を形成する。
【0100】
更に、フォトリソグラフィー法により半導体薄膜層4及びゲート絶縁層5′をエミッタの下地となる部分をのぞいた形状にパターニングする(図5(a″))。
【0101】
工程(b″)
次に、エミッタ材料として非単結晶シリコンを成膜する。エミッタ材料の成膜法としては、シランまたはジシランとホスフィンから成る混合ガスを反応ガスとして用いてn型の水素化アモルファスシリコンを形成するPECVD法、あるいはアモルファスシリコンを形成するスパッタ法が好ましい。
【0102】
次に、フォトリソグラフィー法によりエッチングマスク材料にゲートの開口径に相当する形状の孔にパターニングしてエッチングマスク層10を形成し、反応性イオンエッチングによりエミッタ材料を絶縁層もしくは第1の導電層が露出するまでエッチングすることによりエミッタ8を形成する(図5(b”))。
【0103】
工程(c″)
続いて、ゲート絶縁層5′上に、その垂直な方向から通常の異方性蒸着により、絶縁材料層5″及びゲート電極材料7′を蒸着する(図5(c″))。このとき、絶縁材料層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膜を使用する。
【0104】
工程(d″)
次に、エッチングマスク層10をエッチングにより剥離し、絶縁層5及びゲート電極7を形成する。必要に応じてゲート電極7をパターニングする(図5(d″))。
【0105】
工程(e″)
最後に、絶縁層5及びゲート電極7をフォトリソグラフィー法によりパターニングしつつ、第3の導電層6とゲート絶縁層5′とを露出させる(図5(e″))。これにより図1(b)の冷電子放出素子が得られる。
【0106】
なお、オーミック層9を設ける場合には、(a″)工程において、絶縁性基板1上に金属薄膜を成膜した後に、続いてオーミック層を成膜する。オーミック層としては例えば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。パターニングは金属薄膜と同時に行えばよい。
【0107】
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、ドレイン電極上に非単結晶シリコン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。
【0108】
次に、図2(c)の態様の冷電子放出素子の製造方法を、図6に従って詳細に説明する。
【0109】
工程(f)
まず、絶縁性基板1上に金属薄膜層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第3の導電層6をパターニングして設ける。
【0110】
次に、酸化シリコン、窒化シリコンなどのゲート絶縁層5′をCVD法等により成膜する。ここで、ゲート絶縁層5′としては、PECVD法で成膜された酸化シリコン、窒化シリコンを好ましく用いることができる。また特には、ゲート絶縁層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て窒化シリコン膜を形成するPECVD法が好ましい。
【0111】
次に、非単結晶シリコンなどの半導体薄膜層4をCVD法等により成膜する。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、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が好ましく用いることができる。
【0112】
続いて、金属薄膜3′を蒸着法、スパッタ法等の通常の成膜法を用いて成膜する(図6(f))。
【0113】
工程(g)
次に、金属薄膜3′をフォトリソグラフィー法により第1の導電層2と第2の導電層3とに、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を設けてパターニングする。
【0114】
更に、フォトリソグラフィー法により半導体薄膜層4及びゲート絶縁層5′をエミッタの下地となる部分をのぞいた形状にパターニングする。そして、ここでフォトリソグラフィー法に用いたレジストパターンは、以後の工程の保護層11として残しておく(図6(g))。
【0115】
工程(h)
次に、エミッタ材料8′として非単結晶シリコンを成膜する。エミッタ材料の成膜法としては、アモルファスシリコンを形成するスパッタ法が好ましい。
【0116】
続いて、エッチングマスク材料層10′として酸化シリコン膜を蒸着法、スパッタ法等の通常の成膜法を用いて成膜する(図6(h))。
【0117】
工程(i)
次に、フォトリソグラフィー法によりエッチングマスク材料にゲートの開口径に相当する形状の孔にパターニングしてエッチングマスク層10を形成し、反応性イオンエッチングによりエミッタ材料を半導体薄膜層4が露出するまでエッチングすることによりエミッタ8を形成する。
【0118】
続いて、ゲート絶縁層5′上に、その垂直な方向から通常の異方性蒸着により、絶縁材料層5″及びゲート電極材料7′を蒸着する(図6(i))。このとき、絶縁材料層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膜を使用する。
【0119】
工程(j)
次に、エッチングマスク層10をエッチングにより剥離し、絶縁層5及びゲート電極7を形成する。必要に応じてゲート電極7をパターニングする(図6(j))。これにより図2(c)の冷電子放出素子が得られる。
【0120】
なお、オーミック層9を設ける場合には、(f)工程において、半導体薄膜層4を成膜後に、続いてn型の水素化アモルファスシリコン層を成膜する。パターニングは金属薄膜3′と同時に行えばよい。
【0121】
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、ドレイン電極上に非単結晶シリコン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。
【0122】
【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。
【0123】
実施例1
(図1(a)の態様の冷電子放出素子の製造例(図3参照))
工程(a)
まず、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の膜厚で成膜した後、フォトリソグラフィー法により第1の導電層2と第2の導電層3をパターニングしTFTのチャネルを形成した。
【0124】
次に、半導体薄膜層4として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。
【0125】
続いて、ゲート絶縁層5′としては、チムニー抵抗加熱方式を用いて蒸着源としてシリコンモノオキサイド、反応ガスとして酸素とオゾンの混合ガスを用いて反応性蒸着を行った。条件は(蒸着圧力:5×10-6Torr/蒸着速度:20nm/sec)の条件で成膜した。
【0126】
続いて、金属薄膜としてCrをスパッタ法により0.2μmの膜厚で成膜した(図3(a))。
【0127】
工程(b)
次にフォトリソグラフィー法により第3の導電層6をパターニングしTFTのゲートを形成した。さらに、ゲート絶縁層5′と半導体薄膜層4をフォトリソグラフィー法によりパターニングし、第2の導電層3を露出するとともにTFTのアイランドを形成した。ここで、フォトリソグラフィーに用いたレジストパターンは、以後の工程におけるTFTの保護層11として残した(図3(b))。
【0128】
工程(c)
次に、エミッタ材料8′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0.8μmの膜厚で成膜した。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。
【0129】
続いて、エッチングマスク材料層10′として酸化シリコン膜を蒸着法により0.2μmの膜厚で成膜した(図3(c))。
【0130】
工程(d)
次に、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1.2μmの円形パターンを形成してエッチングマスク層10を得た後、反応性イオンエッチングによりエミッタ材料8′の水素化アモルファスシリコンを半導体薄膜層4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:SF660sccm/パワー100W/ガス圧4.5Pa)であった。
【0131】
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、絶縁材料5″として酸化シリコンを、ゲート電極材料7′としてNbを、それぞれ0.6μm及び0.2μmの膜厚で蒸着した。ここで、絶縁材料5″の成膜法としては、チムニー抵抗加熱方式を用いて蒸着源としてシリコンモノオキサイド、反応ガスとして酸素とオゾンの混合ガスを用いて反応性蒸着を行った。条件は(蒸着圧力:5×10-6Torr/蒸着速度:20nm/sec)であった(図3(d))。
【0132】
工程(e)
次に、エッチングマスク層10の酸化シリコンを緩衝フッ酸溶液を用いてウエットエッチングし上層の絶縁材料5″及びゲート電極材料7′とともに剥離し、絶縁層5とゲート電極7とを形成した。
【0133】
最後に、フォトリソグラフィー法によりゲート電極7を所定の形状にパターニングした。ここでフォトリソグラフィー法に用いたレジストパターンを剥離するときに、同時に保護層11も剥離された(図3(e))。これにより、図1(a)の冷電子放出素子が得られた。
【0134】
実施例2
(図1(a)の態様の別の冷電子放出素子の製造例(図4参照))
工程(a′)
まず、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の膜厚で成膜した後、フォトリソグラフィー法により第1の導電層2と第2の導電層3をパターニングしTFTのチャネルを形成した。
【0135】
次に、半導体薄膜層4として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。
【0136】
次に、エミッタ材料8′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0.8μmの膜厚で成膜した。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。
【0137】
続いて、エッチングマスク材料層10′として酸化シリコン膜を蒸着法により0.2μmの膜厚で成膜した(図4(a′))。
【0138】
工程(b′)
次に、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1.2μmの円形パターンを形成してエッチングマスク層10を得た後、反応性イオンエッチングによりエミッタ材料8′の水素化アモルファスシリコンを半導体薄膜層4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:SF660sccm/パワー100W/ガス圧4.5Pa)であった(図4(b′))。
【0139】
工程(c′)
次に、基板に対して垂直方向からの異方性蒸着法により、絶縁材料5″として酸化シリコンを、ゲート電極材料7′としてNbを、それぞれ0.6μm及び0.2μmの膜厚で蒸着した。ここで、絶縁材料5″の成膜法としては、チムニー抵抗加熱方式を用いて蒸着源としてシリコンモノオキサイド、反応ガスとして酸素とオゾンの混合ガスを用いて反応性蒸着を行った。条件は(蒸着圧力:5×10-6Torr/蒸着速度:20nm/sec)であった(図4(c′))。
【0140】
工程(d′)
次に、エッチングマスク層10の酸化シリコンを緩衝フッ酸溶液を用いてウエットエッチングし上層の絶縁材料5″及びゲート電極材料7′とともに剥離し、絶縁層5とゲート電極7とを形成した(図4(d′))。
【0141】
工程(e′)
最後に、フォトリソグラフィー法によりゲート電極7と絶縁層5とを0.5μmエッチングして0.1μmの厚みを残すことによりゲート絶縁層5′を形成した。次に、フォトリソグラフィー法により第3の導電層6パターンのレジストのネガパターンを作製した後、Crを0.2μmの厚みで蒸着し、レジストをCrとともに剥離し第3の導電層6を形成した(図4(e′))。これにより、図1(a)の冷電子放出素子が得られた。
【0142】
実施例3
(図1(b)の態様の冷電子放出素子の製造例(図5参照))
工程(a″)
まず、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の膜厚で成膜した後、フォトリソグラフィー法により第1の導電層2と第2の導電層3をパターニングしてTFTのチャネルを形成した。
【0143】
次に、半導体薄膜層4として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。
【0144】
次に、ゲート絶縁層5′としてPECVD法によって窒化シリコン膜を0.1μm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。
【0145】
続いて、金属薄膜としてCrをスパッタ法により0.2μmの膜厚で成膜した後、フォトリソグラフィー法により第3の導電層6をパターニングしTFTのゲートを形成した。さらに、ゲート絶縁層5′と半導体薄膜層4をフォトリソグラフィー法によりパターニングすることで、エミッタ用孔Bを形成した(図5(a″))。
【0146】
工程(b″)
次に、エミッタ材料としてPECVD法によってn型の水素化アモルファスシリコン膜を0.8μmの膜厚で成膜した。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。
【0147】
続いて、エッチングマスク材料層として酸化シリコン膜を蒸着法により0.2μmの膜厚で成膜した。次に、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1.2μmの円形パターンを形成し、反応性イオンエッチングによりエミッタ材料の水素化アモルファスシリコンを絶縁層もしくは第1の導電層が露出するまでエッチングすることによりエミッタ8を得た。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(図5(b”))。
【0148】
工程(c″)
次に、基板に対して垂直方向からの異方性蒸着法により、絶縁材料5″として酸化シリコンを、ゲート電極材料7′としてNbを、それぞれ0.6μm及び0.2μmの膜厚で蒸着した。ここで、絶縁材料5″の成膜法としては、チムニー抵抗加熱方式を用いて蒸着源としてシリコンモノオキサイド、反応ガスとして酸素とオゾンの混合ガスを用いて反応性蒸着を行った。条件は(蒸着圧力:5×10-6Torr/蒸着速度:20nm/sec)であった(図5(c″))。
【0149】
工程(d″)
次に、エッチングマスク層10を酸化シリコンを緩衝フッ酸溶液を用いてウエットエッチングし上層の絶縁材料5″及びゲート電極材料7′とともに剥離し、絶縁層5とゲート電極7とを形成した(図5(d″))。
【0150】
工程(e″)
最後に、フォトリソグラフィー法によりゲート電極7と絶縁層5を更にパターニングして第3の導電層6を露出させた(図5(e″))。これにより、図1(b)の冷電子放出素子が得られた。
【0151】
実施例4(図2(c)の態様の冷電子放出素子の製造例(図6参照))
工程(f)
まず、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の膜厚で成膜した後、フォトリソグラフィー法により第3の導電層3をパターニングしTFTゲートを形成した。
【0152】
次に、ゲート絶縁層5′としてPECVD法によって窒化シリコン膜を0.1μm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。
【0153】
続いて、半導体薄膜層4として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。
【0154】
続いて、金属薄膜3′としてCrをスパッタ法により0.2μmの膜厚で成膜した(図6(f))。
【0155】
工程(g)
次に、金属薄膜3′をフォトリソグラフィー法により第1の導電層2及び第2の導電層3をパターニングし、TFTのチャネルを形成した。さらにフォトリソグラフィー法によりパターニングしレジストパターンを形成し、以後の工程におけるTFTの保護層11とした(図6(g))。
【0156】
工程(h)
次に、エミッタ材料8′としてスパッタ法によってアモルファスシリコン膜を0.8μmの膜厚で成膜した。成膜温度は室温で行った。
【0157】
続いて、エッチングマスク材料層10′として酸化シリコン膜を蒸着法により0.2μmの膜厚で成膜した(図6(h))。
【0158】
工程(i)
次に、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1.2μmの円形パターンを形成してエッチングマスク層10を得た後、、反応性イオンエッチングによりエミッタ材料8′の水素化アモルファスシリコンを半導体薄膜層4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:SF660sccm/パワー100W/ガス圧4.5Pa)であった。
【0159】
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、絶縁材料5″として酸化シリコンを、ゲート電極材料7′としてNbを、それぞれ0.6μm及び0.2μmの膜厚で蒸着した。ここで、絶縁材料5″の成膜法としては、チムニー抵抗加熱方式を用いて蒸着源としてシリコンモノオキサイド、反応ガスとして酸素とオゾンの混合ガスを用いて反応性蒸着を行った。条件は(蒸着圧力:5×10-6Torr/蒸着速度:20nm/sec)であった(図6(i))。
【0160】
工程(j)
次に、エッチングマスク層10の酸化シリコンを緩衝フッ酸溶液を用いてウエットエッチングし上層の絶縁材料5″及びゲート電極材料7′とともに剥離し、絶縁層5とゲート電極7とを形成した。
【0161】
最後に、フォトリソグラフィー法によりゲート電極7を所定の形状にパターニングした。ここでフォトリソグラフィーに用いたレジストパターンを剥離するときに、同時に保護層11も剥離された(図6(j))。これにより、図2(c)の冷電子放出素子が得られた。
【0162】
(評価)
上述の冷電子放出素子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0.6μm、エミッタ高さ0.8μm、TFTパラメータとしてチャネル長L/チャネル幅W: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良好にかつ安定に電子を放出することができた。
【0163】
(評価)
実施例1、2及び3で得られた冷電子放出素子を、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良好にかつ安定に電子を放出することができた。
【0164】
得られた典型的なエミッション特性の模式図を図13に示す。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TFTによる電流電圧特性(M)に従が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電流のトランジスタ制御による飽和電流領域が得られ、本素子では引き出し電圧110V以上で安定なエミッション電流(ME)が得られた。また、TFTのゲート電圧4V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。
【0165】
【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。
【0166】
従って、低コストで大面積化が可能なガラス基板上に、電流安定性が高くか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(同図(a)、(b)、(a′)、(b′))である。
【図2】本発明の別の冷電子放出素子の断面図(同図(c)、(c′))である。
【図3】本発明の冷電子放出素子の製造工程図である。
【図4】本発明の別の冷電子放出素子の製造工程図である。
【図5】本発明の別の冷電子放出素子の製造工程図である
【図6】本発明の別の冷電子放出素子の製造工程図である
【図7】従来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製造工程図である。
【図9】従来の別の冷電子放出素子の断面図である。
【図10】従来の冷電子放出素子の断面図である。
【図11】従来の別の冷電子放出素子の製造工程図である。
【図12】従来の別の冷電子放出素子の製造工程図である。
【図13】本発明の冷電子放出素子の電気特性の一例の模式図である。
【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
5′ ゲート絶縁層
6 第3の導電層
7 ゲート電極
8 エミッタ
9 オーミック層
Claims (16)
- 絶縁性基板上に第1の導電層、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、エミッタが非単結晶シリコンからなり、第2の導電層が、第1の導電層と互いに直接接触しないように絶縁性基板上に設けられており、第1の導電層と第2の導電層との間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層が設けられており、その半導体薄膜層は第1の導電層上においてエミッタの下部にまで伸張形成されており、そして第3の導電層が、第1の導電層及び第2の導電層と互いに接触しないようにゲート絶縁層を介して半導体薄膜層の上に設けられていることを特徴とする冷電子放出素子。
- エミッタ及び半導体薄膜層を構成する非単結晶シリコンが、アモルファスシリコン又はポリシリコンである請求項1記載の冷電子放出素子。
- エミッタが、n型水素化アモルファスシリコンから構成されている請求項2記載の冷電子放出素子。
- 半導体薄膜層が、ノンドープの水素化アモルファスシリコンから構成されている請求項2記載の冷電子放出素子。
- 第1の導電層と半導体薄膜層との間及び第2の導電層と半導体薄膜層との間に、オーミック層が挟持されている請求項1記載の冷電子放出素子。
- オーミック層が、n型水素化アモルファスシリコンから構成されている請求項5記載の冷電子放出素子。
- 第1の導電層、第2の導電層及び第3の導電層が、それぞれドレイン電極、ソース電極及びゲート電極として機能する薄膜トランジスタ構造を形成しており、その薄膜トランジスタがnチャネルエンハンスメントモードで動作する請求項1〜6のいずれかに記載の冷電子放出素子。
- エミッタの形状が、円錐形、円錐台形又は多角錐台形である請求項1記載の冷電子放出素子。
- 絶縁性基板が、ガラス基板である請求項1記載の冷電子放出素子。
- 請求項1記載の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の導電層及び第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、非結晶性シリコンからなる半導体薄膜層、エミッタ材料、エッチングマスク材料層を順次成膜する工程;
(b’) エッチングマスク材料層をフォトリソグラフィー法によりゲートの開口径に対応する形状の孔にパターニングしてエッチングマスク層を形成し、反応性イオンエッチングによりエミッタ材料を半導体薄膜層が露出するまでエッチングすることによりエミッタを形成する工程;
(c’) 絶縁性基板に対して垂直方向の異方性蒸着法により、半導体薄膜層上に絶縁層材料及びゲート電極材料を自己整合的に成膜する工程;
(d’) エッチングマスク層を剥離すると同時に、エミッタ上の絶縁材料層及びゲート電極材料を剥落させ、絶縁層及びゲート電極とを形成する工程; 及び
(e’) 絶縁層及びゲート電極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絶縁層を形成し、続いて、第3の導電層をリフトオフ法により形成する工程を含んでなることを特徴とする製造方法。 - 工程(a’)において、半導体薄膜層及びエミッタ材料が、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10記載の冷電子放出素子の製造方法。
- 工程(a’)において、エミッタ材料がアモルファスシリコンである請求項10記載の冷電子放出素子の製造方法。
- 工程(a’)において、エミッタ材料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である請求項10記載の冷電子放出素子の製造方法。
- 工程(a’)において、半導体薄膜層が、熱CVD法また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10記載の冷電子放出素子の製造方法。
- 工程(a’)において、絶縁性基板上に金属薄膜層を成膜した後、続いてオーミック層を成膜し、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第1の導電層及び第2の導電層を同時に形成する請求項10記載の冷電子放出素子の製造方法。
- 工程(a’)において、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15記載の冷電子放出素子の製造方法。
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