JPH0668783A - 微小電界放出陰極装置 - Google Patents

微小電界放出陰極装置

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JPH0668783A
JPH0668783A JP22170892A JP22170892A JPH0668783A JP H0668783 A JPH0668783 A JP H0668783A JP 22170892 A JP22170892 A JP 22170892A JP 22170892 A JP22170892 A JP 22170892A JP H0668783 A JPH0668783 A JP H0668783A
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JP
Japan
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silicide
field emission
layer
emission cathode
cathode device
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JP22170892A
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English (en)
Inventor
Shinya Fukuda
晋也 福田
Keiichi Betsui
圭一 別井
Osamu Toyoda
治 豊田
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体の微細加工技術を用いて作製される微小
電界放出陰極装置に関し、微小電界放出陰極装置におけ
る配線パターンの剥離を未然に防止することを目的とす
る。 【構成】基板上に形成した鋭く尖ったエミッタティップ
部から電界放出により電子ビームを取り出す微小電界放
出陰極装置において、引き出し電極などの配線パターン
部を、シリサイドあるいはシリサイドと絶縁膜との間に
シリコン層を入れるいわゆるポリサイドで構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体の微細加工技術
を用いて作製される微小電界放出陰極装置に関する。微
小電界放出陰極は、サイズがミクロンオーダーなので、
高密度の集積化が可能であり、電子源としての性能を考
えた場合、熱陰極に比べて高効率、高輝度などの利点を
有する。また、放出された電子は真空中を通過するの
で、固体素子より高速で移動できる。これらの特長をい
かして、高速演算素子、薄型の高輝度ディスプレーなど
への応用が期待できる。
【0002】
【従来の技術】図4に従来の微小電界放出陰極装置の断
面図を示す。Si基板1上に先端が尖った円錐状の陰極テ
ィップ( エミッタティップ)2が形成されており、この
エミッタティップ2を囲むように形成された絶縁層3の
上に、電子引き出し用のゲート電極(以下「引き出し電
極」と呼ぶ)4が形成されている。なお、エミッタティ
ップ2および絶縁層3と基板1との間に、カソード電極
5の層を設けてもよい。
【0003】エミッタティップ2と引き出し電極4間に
電圧を印加すると、エミッタティップ2のコーン先端に
大きな電圧が加わり、電界放射が起きる。このような作
用を利用したマイクロ真空管は、半導体素子に比べ、電
子の移動度が大きく高速動作が可能であり、高温、放射
線損傷に強い。これらの特徴を生かし、マイクロウェー
ブ素子、超高速演算素子、耐放射線環境(宇宙、原子
炉)素子、耐高温環境素子、表示素子などへの応用が期
待できる。
【0004】図5は図4に示すSpindt型の微小電界放出
陰極装置の作製プロセスを示す断面図である。まず、工
程(1) において、Si基板1の上に、絶縁層3を形成する
ためのSiO2層3aをスパッタなどの手法で2μm厚程度積
層して熱酸化させ、その上に引き出し電極4を形成する
ためのMo層4aを蒸着などの手法で0.2 μm厚程度積層す
る。
【0005】そして、工程(2) で、ホトレジストを塗布
し硬化させてパターニングすることでマスク6を形成
し、工程(3)において、該マスク6の上から、ドライ
エッチング(RIE)またはウェットエッチングによっ
て、SiO2層3aおよびMo層4aに円形の孔7を形成した後、
レジスト6をエッチングして除去する。
【0006】次いで、工程(4) において、SiO2基板1を
回転させながら、斜めからアルミナなどを0.3 〜0.5 μ
m厚ていど蒸着すると、図示のように、アルミナ層8
は、円形孔7の開口部の上で開口が次第に狭くなるよう
に、積層される。このアルミナ層8は、後でエッチング
して除去されるため、犠牲層とも呼ばれる。
【0007】このように開口が次第に狭くなったアルミ
ナ層8をマスクにして、工程(5) において上からMoを1.
5〜2.0μm厚程度蒸着する。このMo層9を蒸着する際
に、円形孔7の底にも2aのようにMoが堆積していく。そ
して、最初は円形孔7中の堆積部2aの径が大きいが、Mo
がアルミナ層8の開口縁8a上に堆積するにつれて、Mo層
9の開口10が次第に狭くなっていく。
【0008】Mo層9の堆積時に、このように開口10が
次第に狭くなってくると、円形孔7中へのMo付着量が次
第に減少するため、図示のように円形孔7中の堆積部2a
が円錐状となり、最終的には図4に示すエミッタティッ
プ2が形成される。その後、アルミナ層8を酸でエッチ
ングして、リフトオフすると、工程(6) に示すように円
形孔7中にエミッタティップ2が形成された構成とな
り、図4の微小電界放出陰極装置が完成する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】このように、Moの垂直
蒸着によって円形孔7中にエミッタティップ2を形成す
る際に、エミッタティップ2の高さを得るには、工程
(5) におけるMo層9を充分厚く蒸着しなければならな
い。そのため、Mo層9が厚くなるに伴ってMo層9に大き
な膜応力が発生し、この膜応力が、アルミナ層8を介し
て、引き出し電極4用のMo層4aに伝わる。この薄いMo層
4aに厚いMo層9から膜応力が加わると、薄いMo層4aが下
側のSiO2層3aから剥離することがある。
【0010】図6は引き出し電極4の上に、SiO2などか
らなる絶縁層11、制御電極12、絶縁層13および制御電極
14の順に積層して、多極真空管を形成したものである
が、このようにMoから成る引き出し電極4の上に、多数
の層を積層する工程においても、層数が増えるに伴って
膜応力が増大し、電極4、12ないし14が絶縁層3、
11ないし13から剥離することがある。
【0011】図7は、SiO2などの絶縁基板15の面上にお
いて、平面状にエミッタティップ2や、該エミッタティ
ップ2と接続するカソード電極5、引き出し電極4を形
成して、微小電界放出陰極装置を実現したものである。
このような平面構成においても、引き出し電極4などの
配線部がMoで形成されていると、下側のSiO2基板15との
間の密着力が弱いために、剥離を来すことがある。
【0012】このような剥離は、次のようなことが要因
になっていると考えられる。微小電界放出陰極の配線材
料には、半導体分野での配線材料に要求されるのと同様
に、低抵抗率、密着性、エレクトロマイグレーションし
にくいこと、酸化しにくいこと、などが要求されるが、
特に密着性は作製上重要である。
【0013】図5でも説明したように、微小電界放出陰
極の絶縁層3、引き出し電極4、犠牲層8、エミッタテ
ィップ材料層9の膜厚は、典型的な値でそれぞれ0.5〜
1.0μm、0.2〜0.5μm、0.2〜0.5μm、1〜2μ
m程度であり、一つの層の膜厚はFETなどの半導体素
子より厚いため、膜応力は非常に大きくなる。
【0014】ところが、前記のように従来の配線材料
は、高温中で使用される微小電界放出陰極の耐熱性を重
視するあまり、MoやNbなどのように絶縁膜との密着性の
さほど良くない高融点金属が用いられてきたため、エミ
ッタティップ形成のための垂直蒸着時に、引き出し電極
を形成するための膜4aが絶縁層3aから剥離しやすいとい
った問題が生じた。
【0015】本発明の技術的課題は、このような問題に
着目し、微小電界放出陰極装置における配線パターンの
剥離を未然に防止することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】図1は本発明による微小
電界放出陰極装置の基本原理を説明する断面図である。
図において、1は基板、2はエミッタティップ、4は絶
縁層3上の引き出し電極であり、基板1上に形成した鋭
く尖ったエミッタティップ2からの電界放出により電子
ビームを取り出す構成になっている。
【0017】請求項1の発明は、このような微小電界放
出陰極装置において、引き出し電極4などの配線パター
ン部を、シリサイドあるいはシリサイドと絶縁膜との間
にシリコン層を入れるいわゆるポリサイドで構成したも
のである。
【0018】請求項2の発明は、前記のシリサイドとし
て、モリブデンシリサイド、タンタルシリサイド、ニオ
ブシリサイド、タングステンシリサイド、チタンシリサ
イド、クロムシリサイド、白金シリサイド、パラディウ
ムシリサイド、バナジウムシリサイド、ジルコニウムシ
リサイドの中のいずれかを用いる構成である。
【0019】
【作用】請求項1の発明は、微小電界放出陰極における
配線パターン部を、シリサイドあるいはシリサイドと絶
縁膜との間にシリコン層を入れるいわゆるポリサイドで
構成したものである。シリサイドやポリサイドは、SiO2
などの絶縁膜との密着力に優れている。
【0020】シリサイドやポリサイドは、MOSトラン
ジスターのゲートとして実用化されているが、一般に知
られるシリサイドとしては、モリブデンシリサイド、タ
ンタルシリサイド、タングステンシリサイド、チタンシ
リサイド、クロムシリサイド、白金シリサイド、パラデ
ィウムシリサイド、バナジウムシリサイド、ジルコニウ
ムシリサイドなどがある。請求項2は、これらのシリサ
イド中のいずれかで配線パターンを構成するものであ
る。
【0021】シリサイドの特長として、絶縁膜との密着
性に優れるため、膜の剥離が起きにくくなる。トランジ
スターを作製する場合は、一般に1枚のウエハーから沢
山のチップを取りだすため、ウエハーの一部分に剥離が
起きても、歩留りが多少下がるだけで済む。
【0022】しかし、微小電界放出陰極を用いて大画面
のディスプレーを作製する場合、基板の一部でも剥離が
起きると歩留りは0になってしまう。したがって、密着
性の良い配線材料によって剥離を防ぐことは、微小電界
放出陰極を用いた大画面ディスプレーの製造歩留りを飛
躍的に向上させ、製造コストを低減するには効果的であ
る。他にも、シリサイドは抵抗率が10〜数百Ω・cm程度
と一般の金属並みに低く、融点も2000℃以上と高いた
め、大きな電流密度を流せる等の特長がある。
【0023】また、シリサイドと絶縁膜との間にシリコ
ン層を挿入した、いわゆるポリサイド(polycide)を配
線パターンに用いた場合、シリサイドに比べて更に電圧
の耐圧向上や、シリコンにリンをドープさせてアルカリ
金属イオンのゲッタリング効果を実現できる。その結
果、絶縁膜のリーク電流や絶縁膜の絶縁破壊による素子
破壊などを改善できる。
【0024】
【実施例】次に本発明による微小電界放出陰極装置が実
際上どのように具体化されるかを実施例で説明する。図
1はSpindt型の微小電界放出陰極になっているが、本発
明は、微小電界放出陰極装置であれば、図6のような多
極管構造のものや図7のような平面構造のエミッタティ
ップを有する素子における配線パターンにも適用でき
る。
【0025】また、請求項2に示すように、配線パター
ンとしては、各種のシリサイドが絶縁層との密着性の点
で優れているが、シリサイドと絶縁膜との間にシリコン
層を入れるポリサイド構造は、絶縁耐圧の上でも極めて
有効である。
【0026】図2は図4に示すSpindt型の微小電界放出
陰極にポリサイド構造を実施した例を示す断面図であ
る。4sはシリサイドからなる引き出し電極、3はSiO2
からなる絶縁層であり、両者の間にSi層16が挟まれてい
る。
【0027】図3は、Si層16の絶縁耐圧特性を示す図で
あり、横軸がSi層16の膜厚、縦軸が絶縁耐圧である。こ
の図からも明らかなように、Si層16の膜厚が500〜600
Å以上になると、絶縁耐圧が急激に向上する。
【0028】したがって、絶縁層3上に500〜600Å以
上のSi層16を蒸着などによって積層し、その上にシリサ
イドからなる引き出し電極4sを蒸着して積層すると、引
き出し電極4sの剥離の問題が解消される上に、引き出し
電極4sとカソード電極5間の絶縁耐圧が格段と向上す
る。特に、微小電界放出陰極の場合は、真空中で使用さ
れるため、絶縁耐圧向上の効果は大きい。
【0029】また、Si層16中にリン(P)をドープさせ
ると、電圧印加状態において、PとNaなどのアルカリ金
属イオンが反応してトラップされ、絶縁膜のリーク電流
や絶縁破壊が抑制される。なお、PドープSi層を形成す
るには、絶縁層3の上にPの入ったSiをCVDやスパッ
タなどの手法で成膜し、その上にシリサイドを蒸着して
引き出し電極などの配線パターンとする。
【0030】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、微小電界
放出陰極装置における引き出し電極などの配線パターン
を、モリブデンシリサイド、タンタルシリサイド、ニオ
ブシリサイド、タングステンシリサイド、チタンシリサ
イド、クロムシリサイド、白金シリサイド、パラディウ
ムシリサイド、バナジウムシリサイド、ジルコニウムシ
リサイドシリサイドなどのシリサイドで構成しているた
め、絶縁層との間の密着力が向上し、製作段階あるいは
完成後に絶縁層から剥離するといった問題が解消され
る。
【0031】また、シリサイドからなる配線パターンと
絶縁層との間に、シリコン層を入れてポリサイド構造と
することにより、配線パターンの剥離を防止できるほ
か、真空中で使用することと相まって絶縁耐圧が格段と
向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による微小電界放出陰極装置の基本原理
を説明する断面図である。
【図2】本発明によるポリサイド構造を実施した微小電
界放出陰極装置の断面図である。
【図3】Si層の絶縁耐圧特性を示す図である。
【図4】従来の微小電界放出陰極装置の断面図である。
【図5】図4に示すSpindt型の微小電界放出陰極装置の
作製プロセスを示す断面図である。
【図6】多極真空管構造の微小電界放出陰極装置の断面
図である。
【図7】平面構造の微小電界放出陰極装置の斜視図であ
る。
【符号の説明】
1 Siなどの基板 2 陰極ティップ( エミッタティップ) 2a 円形孔中の堆積部 3 絶縁層 3a SiO2層 4 引き出し電極 4a Mo層 4s シリサイドからなる引き出し電極 5 カソード電極 6 マスク 7 円形の孔 8 アルミナ層(犠牲層) 8a 開口縁 9 Mo層(エミッタティップ材料層) 10 Mo層の開口 11、13 絶縁層 12、14 制御電極 15 絶縁基板 16 Si層

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に形成した鋭く尖ったエミッタテ
    ィップ部から電界放出により電子ビームを取り出す微小
    電界放出陰極装置において、 引き出し電極などの配線パターン部を、シリサイドある
    いはシリサイドと絶縁膜との間にシリコン層を入れるい
    わゆるポリサイドで構成してなることを特徴とする微小
    電界放出陰極装置。
  2. 【請求項2】 前記のシリサイドとして、モリブデンシ
    リサイド、タンタルシリサイド、ニオブシリサイド、タ
    ングステンシリサイド、チタンシリサイド、クロムシリ
    サイド、白金シリサイド、パラディウムシリサイド、バ
    ナジウムシリサイド、ジルコニウムシリサイドの中のい
    ずれかを用いることを特徴とする請求項1記載の微小電
    界放出陰極装置。
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Effective date: 20010612