JPH09120770A - Electric field emission cold cathode and its manufacture - Google Patents

Electric field emission cold cathode and its manufacture

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JPH09120770A
JPH09120770A JP27755895A JP27755895A JPH09120770A JP H09120770 A JPH09120770 A JP H09120770A JP 27755895 A JP27755895 A JP 27755895A JP 27755895 A JP27755895 A JP 27755895A JP H09120770 A JPH09120770 A JP H09120770A
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resistance layer
emitter
field emission
cold cathode
emission cold
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cold cathode of electric field emission type which has a high reliability and can operate with a low power by suppressing a discharge destruction without provision of any high resistance layer in the emitter. SOLUTION: A silicon base board 1 is connected with a cathode electrode, wherein no resistance layer is provided between the cathode electrode and an emitter in conical shape having a sharp tip connected with the base board 1, and therefore, a large potential drop will not occur between the emitter and cathode electrode even at the time of large current flowing, which favors a low power operation. A high resistance layer 4 is formed between a gate electrode film 6 and the board 1, which results in existence of the high resistance layer 4 on the current path in the initial period of discharging between the emitter and gate electrode film 6, i.e., the path the electric charges between the gate and cathode electrode flow to the emitter, and it is possible to suppress the amperage at the time of discharging. This prevents a current as large as causing shortcircuit between the emitter and gate from flowing at the time of discharging.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電界放出型冷陰極
及びその製造方法に関し、特に先端が先鋭化されカソー
ド電極に接続されたエミッタとそれを取り囲むゲート電
極を有する電界放出型冷陰極及びその製造方法に関する
ものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field emission type cold cathode and a method for manufacturing the same, and more particularly to a field emission type cold cathode having an emitter whose tip is sharpened and connected to a cathode electrode, and a gate electrode surrounding the emitter, and the same. The present invention relates to a manufacturing method.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来この種の電界放出型冷陰極は、図1
1に示す構造又は図12に示す構造となっていた。図1
1は、エミッタとカソード電極との間に高抵抗層を設け
た第一の従来例の断面図であり、特開平5−94760
号公報に開示されている。図12は、特開平6−205
92号公報又は特開平5−36345号公報に開示され
ているようなエミッタに高抵抗層を設けた第二の従来例
の断面図である。図11の従来例において、1はカソー
ド電極となるシリコン基板、4は低濃度のエピタキシャ
ル成長層などの高抵抗層、3及び5は酸化膜、6はゲー
ト電極膜、そして9は先鋭化したエミッタとなる低抵抗
領域である。
2. Description of the Related Art A conventional field emission type cold cathode of this type is shown in FIG.
The structure shown in FIG. 1 or the structure shown in FIG. FIG.
FIG. 1 is a sectional view of a first conventional example in which a high resistance layer is provided between an emitter and a cathode electrode.
No. 6,086,045. FIG. 12 is a schematic view of JP-A-6-205.
FIG. 9 is a sectional view of a second conventional example in which a high resistance layer is provided on an emitter as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 92 or Japanese Patent Laid-Open No. 5-36345. In the conventional example of FIG. 11, 1 is a silicon substrate to be a cathode electrode, 4 is a high resistance layer such as a low-concentration epitaxial growth layer, 3 and 5 are oxide films, 6 is a gate electrode film, and 9 is a sharpened emitter. Is a low resistance region.

【0003】図12の従来例ではエミッタとなる先鋭化
した凸部の下部に高抵抗層4を形成し、上部に低抵抗領
域9を形成したた構造となっている。
The conventional example shown in FIG. 12 has a structure in which a high resistance layer 4 is formed under a sharpened convex portion which becomes an emitter, and a low resistance region 9 is formed over the projection.

【0004】以上示した従来例のように、先鋭なエミッ
タを有するカソード電極とエミッタを囲むゲート電極の
間に電圧を印加することにより、エミッタ先端に強電界
が生じ、電界放出によりエミッタ先端から電子が放出さ
れる。ここで、高抵抗層4はエミッタからの電子放出で
流れるエミッション電流値を制御するために設けられて
いる。
As in the conventional example shown above, by applying a voltage between the cathode electrode having a sharp emitter and the gate electrode surrounding the emitter, a strong electric field is generated at the tip of the emitter and electrons are emitted from the tip of the emitter by field emission. Is released. Here, the high resistance layer 4 is provided to control the value of the emission current flowing by the emission of electrons from the emitter.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】従来の電界放出型冷陰
極は、いずれも先鋭な円錐状のエミッタに高抵抗層を設
けた構造となっている。この構造では、電流制御と放電
時の過剰電流の発生を抑制する利点がある。しかしなが
ら、電流値制御は、エミッタ部の高抵抗層で生じる電位
差を利用して行っているため、ある程度以上の電流を必
要とする場合に、高抵抗層での電圧低下分だけゲート・
エミッタ電極間の電位差を大きくとる必要があった。こ
れは、素子の電力上昇を招くことになり、低電力化の障
害となっていた。また、エミッタを流れる電流値を高抵
抗層で制御するために、精度の高い高抵抗層形成技術が
必要とされていた。この電力上昇を避けるために、エミ
ッタ部に高抵抗層を設けない構造とすることも可能であ
る。しかしながら、抵抗層のない構造では電流値の制御
以上に放電により過剰電流が発生し、エミッタ又はゲー
ト部が破壊する現象が生じることが問題となる。この現
象は、研究の結果ゲートとカソード電極との間に蓄積し
た電荷がエミッタ・ゲート間で瞬時に放電することがき
っかけとなることが判明している。高抵抗層のない構造
ではこの瞬時放電の電流値を抑制することが困難なた
め、エミッタに過剰電流が流れ破壊することが生じやす
くなっていた。このように、従来構造では低電力化と放
電破壊の防止を両立することが困難であった。
All of the conventional field emission cold cathodes have a structure in which a high resistance layer is provided on a sharp cone-shaped emitter. This structure has the advantages of controlling the current and suppressing the generation of excess current during discharge. However, since the current value control is performed by utilizing the potential difference generated in the high resistance layer of the emitter section, when the current exceeding a certain level is required, the gate voltage is reduced by the amount of the voltage drop in the high resistance layer.
It was necessary to make a large potential difference between the emitter electrodes. This leads to an increase in the power of the device, which is an obstacle to lowering the power. Further, in order to control the current value flowing through the emitter with the high resistance layer, a highly accurate high resistance layer forming technique has been required. In order to avoid this increase in power, it is possible to adopt a structure in which the high resistance layer is not provided in the emitter section. However, in a structure without a resistance layer, an excessive current is generated due to discharge more than the control of the current value, which causes a phenomenon that the emitter or the gate portion is destroyed. As a result of research, it has been found that this phenomenon is triggered by the electric charge accumulated between the gate and the cathode electrode being instantaneously discharged between the emitter and the gate. In a structure without a high resistance layer, it is difficult to suppress the current value of this instantaneous discharge, so that an excessive current easily flows and breaks down in the emitter. As described above, it is difficult for the conventional structure to achieve both low power consumption and prevention of discharge breakdown.

【0006】本発明の目的は、エミッタに高抵抗層を設
けることなく放電破壊を抑制し、信頼性が高く低電力動
作が可能な電界放出型冷陰極及びその製造方法を提供す
ることである。
An object of the present invention is to provide a field emission type cold cathode having high reliability and low power operation, which suppresses discharge breakdown without providing a high resistance layer on the emitter, and a manufacturing method thereof.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するため、次の手段を採用する。
The present invention employs the following means to solve the above-mentioned problems.

【0008】(1)カソード電極に接続された先端が先
鋭化されたエミッタと前記エミッタ周辺を除く前記カソ
ード電極上に絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有
する電界放出型冷陰極において、前記カソード電極とゲ
ート電極との間に高抵抗層を有する電界放出型冷陰極。
(1) In the field emission type cold cathode having an emitter having a sharpened tip connected to the cathode electrode and a gate electrode formed with an insulating film on the cathode electrode except the periphery of the emitter, A field emission cold cathode having a high resistance layer between a cathode electrode and a gate electrode.

【0009】(2)前記エミッタは前記抵抗層を介さず
前記カソード電極と接続されている前記(1)記載の電
界放出型冷陰極。
(2) The field emission cold cathode according to (1), wherein the emitter is connected to the cathode electrode without the resistance layer.

【0010】(3)前記抵抗層は前記絶縁膜と前記カソ
ード電極の間に形成されている前記(2)記載の電界放
出型冷陰極。
(3) The field emission cold cathode according to (2), wherein the resistance layer is formed between the insulating film and the cathode electrode.

【0011】(4)前記抵抗層は前記絶縁膜と前記ゲー
ト電極との間に形成されている前記(2)記載の電界放
出型冷陰極。
(4) The field emission cold cathode according to (2), wherein the resistance layer is formed between the insulating film and the gate electrode.

【0012】(5)前記カソード電極に定電流源が接続
されている前記(2)記載の電界放出型冷陰極。
(5) The field emission cold cathode according to (2), wherein a constant current source is connected to the cathode electrode.

【0013】(6)前記カソード電極の少なくとも前記
エミッタと接続する領域はシリコンを主成分としn型の
不純物原子を添加したシリコン基板であり、前記シリコ
ン基板中に前記抵抗層が形成されている前記(3)記載
の電界放出型冷陰極。
(6) At least a region of the cathode electrode connected to the emitter is a silicon substrate containing silicon as a main component and doped with n-type impurity atoms, and the resistance layer is formed in the silicon substrate. (3) The field emission cold cathode as described above.

【0014】(7)前記抵抗層がn型である前記(6)
記載の電界放出型冷陰極。
(7) In the above (6), the resistance layer is n-type.
The field emission cold cathode as described.

【0015】(8)前記抵抗層がp型である前記(6)
記載の電界放出型冷陰極。
(8) In the above (6), the resistance layer is p-type.
The field emission cold cathode as described.

【0016】(9)前記抵抗層が少なくとも前記絶縁膜
の直下に形成されている前記(6)記載の電界放出型冷
陰極。
(9) The field emission cold cathode according to (6), wherein the resistance layer is formed at least directly under the insulating film.

【0017】(10)前記抵抗層が少なくとも前記エミ
ッタの先鋭化された領域近傍を除く領域に形成されてい
る前記(9)記載の電界放出型冷陰極。
(10) The field emission cold cathode according to the above (9), wherein the resistance layer is formed at least in a region except the sharpened region of the emitter.

【0018】(11)カソード電極に接続され先端が先
鋭化されたエミッタと少なくとも前記エミッタ周辺を除
く前記カソード電極上に絶縁膜を介して形成されたゲー
ト電極を有する電界放出型冷陰極の製造方法において、
前記エミッタ先端の直下領域以外の前記カソード電極と
ゲート電極との間に高抵抗層を形成する工程を有する電
界放出型冷陰極の製造方法。
(11) A method of manufacturing a field emission cold cathode having an emitter connected to a cathode electrode and having a sharpened tip, and a gate electrode formed through an insulating film on the cathode electrode except at least the periphery of the emitter. At
A method of manufacturing a field emission cold cathode, comprising the step of forming a high resistance layer between the cathode electrode and a gate electrode other than a region directly under the tip of the emitter.

【0019】(12)前記抵抗層が蒸着法により形成さ
れている前記(11)記載の電界放出型冷陰極の製造方
法。
(12) The method for manufacturing a field emission cold cathode according to the above (11), wherein the resistance layer is formed by a vapor deposition method.

【0020】(13)前記抵抗層がエピタキシャル成長
法により形成されている前記(11)記載の電界放出型
冷陰極の製造方法。
(13) The method for manufacturing a field emission cold cathode according to the above (11), wherein the resistance layer is formed by an epitaxial growth method.

【0021】(14)前記抵抗層がイオン注入法により
形成されている前記(11)記載の電界放出型冷陰極の
製造方法。
(14) The method for manufacturing a field emission cold cathode according to the above (11), wherein the resistance layer is formed by an ion implantation method.

【0022】(15)前記抵抗層が不純物原子を含む酸
化膜から拡散されて形成されている前記(11)記載の
電界放出型冷陰極の製造方法。
(15) The method for manufacturing a field emission cold cathode according to the above (11), wherein the resistance layer is formed by diffusing from an oxide film containing impurity atoms.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】次に本発明について図面を参照し
て説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, the present invention will be described with reference to the drawings.

【0024】図1は、本発明の第一の実施形態の断面図
である。1はカソード電極に接続されるシリコン基板で
あり、3及び5は酸化膜であり、4はシリコン基板に形
成された高抵抗層であり、6は金属膜よりなるゲート電
極膜である。このようにシリコン基板1上に接続された
先端が先鋭な円錐形状のエミッタとカソード電極との間
には抵抗層がないため、高電流時にもエミッタ・カソー
ド電極間で大きい電位ドロップが起こらず、低電力動作
に有利である。さらにゲード電極膜6とシリコン基板1
との間に高抵抗層4を形成することにより、エミッタ・
ゲート電極膜6間の放電初期の電流経路つまりゲート・
カソード電極間の電荷がエミッタに流れる経路上に高抵
抗層4が存在することになり、放電時の電流値を抑制す
ることが可能となる。これにより放電時にエミッタ・ゲ
ート間が短絡する程の大電流がエミッタに流れるのを防
止できる。
FIG. 1 is a sectional view of the first embodiment of the present invention. Reference numeral 1 is a silicon substrate connected to the cathode electrode, 3 and 5 are oxide films, 4 is a high resistance layer formed on the silicon substrate, and 6 is a gate electrode film made of a metal film. Since there is no resistance layer between the conical emitter and the cathode electrode having a sharp tip connected to the silicon substrate 1 as described above, a large potential drop does not occur between the emitter and the cathode electrode even at a high current, It is advantageous for low power operation. Further, the gate electrode film 6 and the silicon substrate 1
By forming a high resistance layer 4 between the
Current path in the initial stage of discharge between the gate electrode films 6, that is, gate
Since the high resistance layer 4 exists on the path through which the charge between the cathode electrodes flows to the emitter, the current value during discharge can be suppressed. As a result, it is possible to prevent a large current from flowing into the emitter, which would cause a short circuit between the emitter and the gate during discharge.

【0025】図2(a)〜(c)、図3(a)(b)
は、本発明の第一の実施形態の工程順の断面図である。
初めに、図2(a)に示すように、約1015cm-3以上
濃度のn型のシリコン基板1の表面に例えば酸化膜2を
熱酸化法又はCVD法で約200nmの膜厚に形成す
る。次に図2(b)に示すように、レジスト等をパター
ニングし(図示無し)酸化膜2のマスクを形成した後
に、異方性のエッチング法により酸化膜2をパターニン
グし、さらにレジストを除去後、酸化膜2をマスクとし
てシリコン基板1を等方的なエッチングにより図のよう
な凸型形状とする。その後、図2(c)に示すように、
熱酸化を施し凸型のリコン基板1を酸化し、凸型の先端
を先鋭化しエミッタを形成するとともに酸化膜3を形成
する。このときの酸化膜厚が約100nmの場合、図2
(b)に示す凸径のシリコン基板1の先端幅は約90n
m以下とこの酸化時に先鋭化する程度の値とする必要が
ある。次に酸化膜2をマスクとしてイオン注入法により
ボロンなどのp型不純物原子をシリコン基板1のn型不
純物濃度以下の濃度に添加する。これを熱処理を施し活
性化することにより、このp型不純物添加領域の抵抗値
はエミッタ直下の領域よりも高く設定することが可能と
なり、高抵抗層4が形成される。次に蒸着法により40
0nm程度の酸化膜5と200nm程度の例えばMo等
の金属膜のゲート電極膜6を順次堆積させる。しかる
後、図3(b)に示すように、弗酸等の溶液中で酸化膜
2および酸化膜3をエッチングし、エミッタ上に堆積さ
れた積層膜をリフトオフし、ゲート電極膜6をパターニ
ングして電界放出型冷陰極を形成する。
2A to 2C and 3A and 3B.
FIG. 4A is a cross-sectional view in order of the steps of the first embodiment of the present invention.
First, as shown in FIG. 2A, for example, an oxide film 2 is formed on the surface of an n-type silicon substrate 1 having a concentration of about 10 15 cm −3 or more to a thickness of about 200 nm by a thermal oxidation method or a CVD method. To do. Next, as shown in FIG. 2B, after patterning a resist or the like (not shown) to form a mask of the oxide film 2, the oxide film 2 is patterned by an anisotropic etching method, and then the resist is removed. The silicon substrate 1 is isotropically etched using the oxide film 2 as a mask to form a convex shape as shown in the figure. Then, as shown in FIG.
Thermal oxidation is applied to oxidize the convex recon substrate 1 to sharpen the convex tip to form an emitter and an oxide film 3. When the oxide film thickness at this time is about 100 nm,
The tip width of the convex silicon substrate 1 shown in (b) is about 90 n.
It should be a value of m or less and a value that sharpens during this oxidation. Then, using the oxide film 2 as a mask, p-type impurity atoms such as boron are added to the silicon substrate 1 at a concentration not higher than the n-type impurity concentration by ion implantation. By subjecting this to heat treatment and activation, the resistance value of this p-type impurity-added region can be set higher than that of the region immediately below the emitter, and high resistance layer 4 is formed. Next, by the vapor deposition method, 40
An oxide film 5 of about 0 nm and a gate electrode film 6 of a metal film such as Mo of about 200 nm are sequentially deposited. After that, as shown in FIG. 3B, the oxide film 2 and the oxide film 3 are etched in a solution of hydrofluoric acid or the like, the laminated film deposited on the emitter is lifted off, and the gate electrode film 6 is patterned. To form a field emission cold cathode.

【0026】このように、本実施形態で示した電界放出
型冷陰極は高抵抗層形成のための不純物原子添加工程を
イオン注入で行い、その際のマスクにエミッタ形成に用
いた酸化膜を用いている。従ってイオン注入時のマスク
を新たに形成する工程が必要で無く、自己整合的に所望
の領域に高抵抗層を形成することが可能となる。
As described above, in the field emission type cold cathode shown in this embodiment, the impurity atom adding step for forming the high resistance layer is performed by ion implantation, and the oxide film used for forming the emitter is used as a mask at that time. ing. Therefore, it is possible to form a high resistance layer in a desired region in a self-aligned manner without the need for a step of newly forming a mask at the time of ion implantation.

【0027】なお、この実施形態では、エミッタ形成に
シリコン基板をエッチングと酸化により形成した方法で
説明しているが、これはこの方法に限るものではない。
他にシリコン基板を酸化で先鋭化しエミッタを形成して
も良いし、エミッタを他の材料で形成しても良い。
In this embodiment, the method of forming the emitter by forming the silicon substrate by etching and oxidation is described, but the method is not limited to this method.
Alternatively, the silicon substrate may be sharpened by oxidation to form an emitter, or the emitter may be formed of another material.

【0028】次に本発明の第二の実施形態について説明
する。図4は、本発明の第二の実施形態の工程順断面図
である。第二の実施形態では、図2(b)までは第一の
実施形態と同一工程である。その後、図4(a)に示す
ように、蒸着法又はCVD法でBSG膜7(ボロンシリ
ケートガラス膜)を50nm厚程度に堆積し、熱処理を
施しBSG膜7からボロン原子をシリコン基板1中に拡
散させ高抵抗層4を形成する。そして第一の実施形態と
同様の工程で酸化膜5、ゲート電極膜6を蒸着法で順次
堆積する。次に図4(b)に示すように、エミッタ上の
酸化膜2、BSG膜7、酸化膜5及びゲート電極膜6を
リフトオフして除去し、ゲート電極膜6をパターニング
して電界放出型冷陰極を形成する。この第二の方法で
は、イオン注入に代わりBSG膜からのボロン拡散によ
り自己整合的に高抵抗層4を形成している。これにより
高抵抗層4の形成領域は、ゲート下の酸化膜5の直下以
外にエミッタ部の周辺にまで自己整合的に形成が可能と
なるため、ゲート電極膜6下に蓄積した電荷がエミッタ
の流れる際の抵抗性は高くなる。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. 4A to 4D are sectional views in order of the processes, according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, the steps up to FIG. 2B are the same as those in the first embodiment. After that, as shown in FIG. 4A, a BSG film 7 (boron silicate glass film) is deposited to a thickness of about 50 nm by a vapor deposition method or a CVD method, and heat treatment is performed so that boron atoms are deposited from the BSG film 7 into the silicon substrate 1. The high resistance layer 4 is formed by diffusion. Then, the oxide film 5 and the gate electrode film 6 are sequentially deposited by the vapor deposition method in the same process as in the first embodiment. Next, as shown in FIG. 4B, the oxide film 2, the BSG film 7, the oxide film 5 and the gate electrode film 6 on the emitter are lifted off and removed, and the gate electrode film 6 is patterned to perform field emission cooling. Form the cathode. In the second method, the high resistance layer 4 is formed in a self-aligned manner by boron diffusion from the BSG film instead of ion implantation. As a result, the formation region of the high resistance layer 4 can be formed in a self-aligned manner not only under the oxide film 5 under the gate but also around the emitter portion, so that the charge accumulated under the gate electrode film 6 can be formed in the emitter. The resistance when flowing increases.

【0029】図5に本実施形態の平面図を示す。高抵抗
層形成領域は、エミッタ部10以外の領域全面に形成さ
れ、ゲート電極膜6の下に蓄積された電荷のエミッタへ
の電流経路に高抵抗層4が配置された構造となってい
る。
FIG. 5 shows a plan view of this embodiment. The high resistance layer formation region is formed on the entire surface of the region other than the emitter section 10, and has a structure in which the high resistance layer 4 is arranged in the current path of the charges accumulated under the gate electrode film 6 to the emitter.

【0030】この第二の実施形態で示したBSG膜から
のボロン拡散で高抵抗層を形成する方法は、エミッタを
シリコンで形成する方法だけでなく、ジャーナル・オブ
・アプライド・フィジックス、1976年、第47巻、
5248ページに開示されているような金属エミッタを
蒸着法で形成する方法で有効である。つまり、ゲート電
極膜下の絶縁膜をBSG膜とすることにより、自己整合
的にエミッタ周辺に高抵抗層が容易に形成されることに
なる。
The method of forming the high resistance layer by boron diffusion from the BSG film shown in the second embodiment is not limited to the method of forming the emitter with silicon, but is also described in Journal of Applied Physics, 1976, Volume 47,
It is effective in a method of forming a metal emitter by a vapor deposition method as disclosed in page 5248. That is, by using the BSG film as the insulating film under the gate electrode film, the high resistance layer can be easily formed around the emitter in a self-aligned manner.

【0031】次に本発明の第三の実施形態について説明
する。図6(a)〜(c)、図7(a)〜(c)は、第
三の実施形態の工程順断面図である。図6(a)に示す
ように、例えば1015cm-3以上の濃度のn型のシリコ
ン基板1の上に1014cm-3程度の濃度のエピ層8を約
4μm厚にエピタキシャル成長法により形成し、約20
0nm厚の酸化膜2を熱酸化法又はCVD法により形成
する。次に図6(b)に示すように、酸化膜2をパター
ニングした後、等方的なエッチング法で300nmから
1000nm程度の深さまでエッチングしエピ層2を凸
形状にする。その後図6(c)に示すように、熱酸化法
により10nmから40nm程度の酸化を施しエピ層8
の凸部を先鋭化しエミッタを形成する。次に図7(a)
に示すように、蒸着法により酸化膜5及びゲート電極膜
6をこれまで述べた第一、第二の実施形態と同様に形成
する。次に図7(b)のように、リフト法によりエミッ
タ上の積層膜を除去しゲート電極膜6をパターニングす
る。しかる後、図7(c)に示すように、イオン注入法
により酸化膜5の開口部にn型の不純物原子を約1015
cm-3以上の濃度になるように添加し、エピ層8を貫き
シリコン基板1に達する低抵抗領域9を形成し電界放出
型冷陰極を形成する。この方法では、図7(c)に示す
ように、低濃度のエピ層8がゲート電極膜6下の高抵抗
領域として作用する。本実施形態では、高抵抗層をエピ
層で形成するため、酸化膜・エピ層界面の結晶性がよい
利点がある。また、エミッタ部を高濃度のn型に制御で
きるため、エミッタ部での電位低下を抑制でき、またエ
ミッション効率も上げることができる。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. 6A to 6C and 7A to 7C are cross-sectional views in order of the processes of the third embodiment. As shown in FIG. 6A, an epi layer 8 having a concentration of about 10 14 cm -3 is formed on the n-type silicon substrate 1 having a concentration of 10 15 cm -3 or more by an epitaxial growth method to a thickness of about 4 μm. And about 20
The oxide film 2 having a thickness of 0 nm is formed by the thermal oxidation method or the CVD method. Next, as shown in FIG. 6B, after the oxide film 2 is patterned, it is etched to a depth of about 300 nm to 1000 nm by an isotropic etching method so that the epi layer 2 has a convex shape. Thereafter, as shown in FIG. 6C, the epi layer 8 is oxidized by thermal oxidation to a thickness of about 10 to 40 nm.
To form an emitter. Next, FIG. 7 (a)
As shown in FIG. 5, the oxide film 5 and the gate electrode film 6 are formed by the vapor deposition method in the same manner as in the first and second embodiments described above. Next, as shown in FIG. 7B, the laminated film on the emitter is removed by the lift method and the gate electrode film 6 is patterned. Then, as shown in FIG. 7C, about 10 15 n-type impurity atoms are introduced into the opening of the oxide film 5 by the ion implantation method.
It is added so as to have a concentration of cm −3 or more, and a low resistance region 9 which penetrates the epi layer 8 and reaches the silicon substrate 1 is formed to form a field emission cold cathode. In this method, as shown in FIG. 7C, the low concentration epi layer 8 acts as a high resistance region under the gate electrode film 6. In this embodiment, since the high resistance layer is formed of the epi layer, there is an advantage that the crystallinity of the oxide film / epi layer interface is good. Further, since the emitter section can be controlled to be a high-concentration n-type, it is possible to suppress the potential drop in the emitter section and improve the emission efficiency.

【0032】図8に第四の実施形態を示す。この実施形
態は第三の実施形態の図7(b)までと同じ工程で製造
した後、エミッタ部の中心近傍が露出するレジストなど
のマスクを形成してから、イオン注入法でn型の不純物
原子を添加し活性化し、図のような低抵抗領域9を形成
する。この実施形態では、低抵抗領域9がエミッタ先端
近傍の直下に形成され、高抵抗層となるためエピ層8が
ゲート電極膜6の直下より広い領域に形成されているた
め、高抵抗層導入の効果はより高まる構造となってい
る。
FIG. 8 shows a fourth embodiment. In this embodiment, after manufacturing in the same process as that of the third embodiment up to FIG. 7B, a mask such as a resist that exposes the vicinity of the center of the emitter is formed, and then an n-type impurity is formed by an ion implantation method. Atoms are added and activated to form a low resistance region 9 as shown. In this embodiment, the low resistance region 9 is formed immediately below the tip of the emitter, and since it becomes a high resistance layer, the epi layer 8 is formed in a region wider than immediately below the gate electrode film 6, so that the high resistance layer is introduced. The structure has a higher effect.

【0033】これまで説明した本発明の実施形態では、
高抵抗層としてn型の低濃度領域を形成して説明してい
るが、これはn型に限ったものではなくp型の領域を高
抵抗層に形成することもできる。p型層形成はイオン注
入で高抵抗層を形成する場合には、シリコン基板のn型
濃度よりも高濃度のp型不純物を添加すれば可能であ
り、またエピ層で高抵抗を形成する方法ではp型のエピ
タキシャル成長を行うことにより可能である。p型の場
合、この領域は高抵抗層としてだけではなく、ゲート電
極膜とシリコン基板(カソード電極)との間の容量値を
空乏層の広がり分だけ小さくすることが可能であり、そ
の結果、エミッタへの電流量を制限できる効果を奏す
る。
In the embodiments of the invention described so far,
Although the n-type low-concentration region is formed as the high-resistance layer in the description, this is not limited to the n-type region, and a p-type region can be formed in the high-resistance layer. The p-type layer can be formed by adding a p-type impurity at a concentration higher than the n-type concentration of the silicon substrate when forming the high-resistance layer by ion implantation, and a method of forming a high resistance at the epi layer. Then, it is possible by performing p-type epitaxial growth. In the case of the p-type, this region can be reduced not only as a high resistance layer but also by reducing the capacitance value between the gate electrode film and the silicon substrate (cathode electrode) by the extent of the depletion layer. This has the effect of limiting the amount of current to the emitter.

【0034】次に本発明の第五の実施形態について説明
する。図9(a)〜(c)、図10(a)(b)は、本
発明の第五の実施形態の工程順断面図である。図9
(a)は、シリコン基板1上に酸化膜2を形成したとこ
ろであり、図9(b)は、酸化膜2をパターニングした
後、シリコン基板1を凸形状にエッチングしたところで
あり、この工程まではこれまで説明した実施形態(例え
ば第一の実施形態)と同様の工程である。その後図9
(c)に示すように、熱酸化により50nm〜100n
m程度の酸化を施し、シリコン基板1の凸形状を先鋭化
しつつ酸化膜3を形成し、異方性のエッチングにより酸
化膜2及びその直下の酸化膜3が残りそれ以外の酸化膜
3が除去されるように酸化膜をエッチングする。次に、
図10(a)に示すように、蒸着法によりシリコン膜を
例えば200nm厚程度に堆積しイオン注入などの方法
により1014cm-3〜1016cm-3程度の濃度となるよ
うにn型の不純物原子を添加し、熱処理により活性化す
るとともに蒸着したシリコン膜を多結晶化し高抵抗層4
を形成する。その後蒸着法により酸化膜5およびゲート
電極膜6を形成する。次に、図10(b)に示すよう
に、酸化膜エッチングによりエミッタ上の酸化膜2、高
抵抗層4、酸化膜5及びゲート電極膜6をリフトオフし
除去するとともに酸化膜3を除去し、ゲート電極膜6を
パターニングし電界放出型冷陰極を形成する。
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. 9A to 9C and FIGS. 10A and 10B are cross-sectional views in order of the steps of the fifth embodiment of the present invention. FIG.
9A shows the oxide film 2 formed on the silicon substrate 1, and FIG. 9B shows the silicon substrate 1 etched in a convex shape after the oxide film 2 is patterned. The steps are the same as those of the embodiment described above (for example, the first embodiment). Then Figure 9
As shown in (c), 50 nm to 100 n by thermal oxidation
Oxidation of about m is performed to form the oxide film 3 while sharpening the convex shape of the silicon substrate 1. By anisotropic etching, the oxide film 2 and the oxide film 3 immediately below remain, and the other oxide film 3 is removed. The oxide film is etched as described above. next,
As shown in FIG. 10 (a), a silicon film is deposited to a thickness of, for example, about 200 nm by an evaporation method, and an n-type silicon film having a concentration of about 10 14 cm −3 to 10 16 cm −3 is formed by a method such as ion implantation. Impurity atoms are added and activated by heat treatment, and the vapor-deposited silicon film is polycrystallized to form the high resistance layer 4
To form After that, the oxide film 5 and the gate electrode film 6 are formed by the vapor deposition method. Next, as shown in FIG. 10B, the oxide film 2, the high resistance layer 4, the oxide film 5, and the gate electrode film 6 on the emitter are lifted off and removed by oxide film etching, and the oxide film 3 is removed. The gate electrode film 6 is patterned to form a field emission cold cathode.

【0035】本実施形態では、高抵抗層となるシリコン
膜を蒸着法にて形成したが、この方法に限るものではな
く、選択エピタキシャル成長法により酸化膜3を除去し
た後、露出したシリコン基板1上にシリコン膜を成長す
る等の方法でも良い。選択エピタキシャル成長法では、
シリコン膜はシリコン基板上にのみ成長し酸化膜2上に
は成長しないので、後工程でのリフトオフがより容易と
なる利点がある。
In this embodiment, the silicon film to be the high resistance layer is formed by the vapor deposition method. However, the present invention is not limited to this method, and after the oxide film 3 is removed by the selective epitaxial growth method, the exposed silicon substrate 1 is exposed. Alternatively, a method of growing a silicon film may be used. In the selective epitaxial growth method,
Since the silicon film grows only on the silicon substrate and does not grow on the oxide film 2, there is an advantage that lift-off in a later process becomes easier.

【0036】本発明では、高抵抗層はゲート電極膜下の
酸化膜とシリコン基板との間に形成された構造となって
いるが、これに限るものではなく、ゲート電極膜と酸化
膜との間に形成しても効果はあるし、酸化膜中に形成し
ても効果はある。
In the present invention, the high resistance layer has a structure formed between the oxide film under the gate electrode film and the silicon substrate, but the present invention is not limited to this, and the high resistance layer is not limited to this. It is effective if it is formed between them, or if it is formed in the oxide film.

【0037】また、本発明の素子では、従来のエミッタ
に高抵抗層を導入したときに可能なカソード電流値の安
定性を制御できないが、これは、カソード電極にトラン
ジスタなどの能動素子を接続しこれを定電流源として使
用することにより可能である。この場合においても、エ
ミッタ・カソード電極間に高抵抗層がない構造と本発明
はなっているため、エミッタとカソード間の電流値によ
る電圧低下が無く、定電流源の回路設計に有利であると
いう利点がある。
In the device of the present invention, the stability of the cathode current value, which is possible when the high resistance layer is introduced into the conventional emitter, cannot be controlled. However, this is because the active device such as a transistor is connected to the cathode electrode. This is possible by using this as a constant current source. Even in this case, since the present invention has a structure in which there is no high resistance layer between the emitter and cathode electrodes, there is no voltage drop due to the current value between the emitter and cathode, which is advantageous for the circuit design of the constant current source. There are advantages.

【0038】[0038]

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、エミッ
タとカソード電極となるシリコン基板との間に高抵抗層
のない構造とした上で、ゲート電極膜とシリコン基板と
の間に高抵抗層を形成した構造となっている。これによ
り、エミッタとシリコン基板(カソード電極)間での電
位低下が生じない構造であり、低電力動作に有利とな
る。これに加えて、ゲート電極膜直下に高抵抗層を形成
し、実効的にゲート電極膜とシリコン基板(カソード電
極)との間の容量とエミッタとの間に高抵抗層がある構
造としている。これにより、エミッタ・ゲート電極間で
放電が生じた際に、放電初期の電流源となる容量に蓄積
した電荷が急激に放電するのを抑制できる。
As described above, the present invention has a structure in which there is no high resistance layer between the emitter and the silicon substrate which becomes the cathode electrode, and the high resistance is provided between the gate electrode film and the silicon substrate. It has a structure in which layers are formed. As a result, the structure is such that no potential drop occurs between the emitter and the silicon substrate (cathode electrode), which is advantageous for low power operation. In addition to this, a high resistance layer is formed immediately below the gate electrode film, and the high resistance layer is effectively provided between the capacitance between the gate electrode film and the silicon substrate (cathode electrode) and the emitter. As a result, when a discharge is generated between the emitter and the gate electrode, it is possible to prevent the electric charge accumulated in the capacitor serving as a current source in the initial stage of discharge from being rapidly discharged.

【0039】また、高抵抗層としてn型のシリコン基板
にp型の領域を形成した場合、この領域分だけ空乏層が
広がり、実効的にゲート電極膜とカソード電極間に蓄積
する容量値が低下し、エミッタ・ゲート電極間の放電時
にエミッタに流れる電流値を抑制することが可能とな
る。
Further, when a p-type region is formed on the n-type silicon substrate as the high resistance layer, the depletion layer expands by this region, effectively reducing the capacitance value accumulated between the gate electrode film and the cathode electrode. However, it becomes possible to suppress the current value flowing through the emitter during discharge between the emitter and the gate electrode.

【0040】このような本発明の効果により、エミッタ
に高抵抗層を形成した従来の素子と本発明の素子を比較
すると、放電による素子破壊を同様に防止した上で閾値
電圧を従来の素子が40Vであったものから本発明の素
子では30Vと電圧低下が可能となる。
Due to the effects of the present invention as described above, when comparing the conventional element having the high resistance layer formed on the emitter with the element of the present invention, it is possible to prevent the destruction of the element due to discharge in the same manner and to obtain the threshold voltage of the conventional element. From 40V, the device of the present invention can reduce the voltage to 30V.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第一の実施形態の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第一の実施形態の工程順断面図であ
る。
2A to 2C are cross-sectional views in order of the processes, according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第一の実施形態の工程順断面図であ
る。
3A to 3D are sectional views in order of the processes, according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第二の実施形態の工程順断面図であ
る。
4A to 4C are cross-sectional views in order of the steps of a second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第二の実施形態の平面図である。FIG. 5 is a plan view of the second embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第三の実施形態の工程順断面図であ
る。
6A to 6C are sectional views in order of the processes, according to a third embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第三の実施形態の工程順断面図であ
る。
7A to 7D are sectional views in order of the processes, according to a third embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第四の実施形態の工程順断面図であ
る。
8A to 8D are sectional views in order of the processes, according to a fourth embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第五の実施形態の工程順断面図であ
る。
9A to 9D are sectional views in order of the processes, according to a fifth embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第五の実施形態の工程順断面図であ
る。
FIG. 10 is a process order cross-sectional view of a fifth embodiment of the present invention.

【図11】第一の従来例の断面図である。FIG. 11 is a sectional view of a first conventional example.

【図12】第二の従来例の断面図である。FIG. 12 is a sectional view of a second conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリコン基板 2,3,5 酸化膜 4 高抵抗層 6 ゲート電極膜 7 BSG膜 8 エピ層 9 低抵抗領域 10 エミッタ部 1 Silicon substrate 2, 3, 5 Oxide film 4 High resistance layer 6 Gate electrode film 7 BSG film 8 Epi layer 9 Low resistance region 10 Emitter part

Claims (15)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 カソード電極に接続された先端が先鋭化
されたエミッタと前記エミッタ周辺を除く前記カソード
電極上に絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有する
電界放出型冷陰極において、前記カソード電極とゲート
電極との間に高抵抗層を有することを特徴とする電界放
出型冷陰極。
1. A field emission type cold cathode having an emitter having a sharpened tip connected to a cathode electrode and a gate electrode formed via an insulating film on the cathode electrode except the periphery of the emitter, wherein the cathode is a cathode. A field emission cold cathode comprising a high resistance layer between an electrode and a gate electrode.
【請求項2】 前記エミッタは前記抵抗層を介さず前記
カソード電極と接続されていることを特徴とする請求項
1記載の電界放出型冷陰極。
2. The field emission cold cathode according to claim 1, wherein the emitter is connected to the cathode electrode not through the resistance layer.
【請求項3】 前記抵抗層は前記絶縁膜と前記カソード
電極の間に形成されていることを特徴とする請求項2記
載の電界放出型冷陰極。
3. The field emission cold cathode according to claim 2, wherein the resistance layer is formed between the insulating film and the cathode electrode.
【請求項4】 前記抵抗層は前記絶縁膜と前記ゲート電
極との間に形成されていることを特徴とする請求項2記
載の電界放出型冷陰極。
4. The field emission cold cathode according to claim 2, wherein the resistance layer is formed between the insulating film and the gate electrode.
【請求項5】 前記カソード電極に定電流源が接続され
ていることを特徴とする請求項2記載の電界放出型冷陰
極。
5. The field emission cold cathode according to claim 2, wherein a constant current source is connected to the cathode electrode.
【請求項6】 前記カソード電極の少なくとも前記エミ
ッタと接続する領域はシリコンを主成分としn型の不純
物原子を添加したシリコン基板であり、前記シリコン基
板中に前記抵抗層が形成されていることを特徴とする請
求項3記載の電界放出型冷陰極。
6. At least a region of the cathode electrode connected to the emitter is a silicon substrate containing silicon as a main component and doped with n-type impurity atoms, and the resistance layer is formed in the silicon substrate. The field emission cold cathode according to claim 3.
【請求項7】 前記抵抗層がn型であることを特徴とす
る請求項6記載の電界放出型冷陰極。
7. The field emission cold cathode according to claim 6, wherein the resistance layer is n-type.
【請求項8】 前記抵抗層がp型であることを特徴とす
る請求項6記載の電界放出型冷陰極。
8. The field emission cold cathode according to claim 6, wherein the resistance layer is p-type.
【請求項9】 前記抵抗層が少なくとも前記絶縁膜の直
下に形成されていることを特徴とする請求項6記載の電
界放出型冷陰極。
9. The field emission cold cathode according to claim 6, wherein the resistance layer is formed at least directly under the insulating film.
【請求項10】 前記抵抗層が少なくとも前記エミッタ
の先鋭化された領域近傍を除く領域に形成されているこ
とを特徴とする請求項9記載の電界放出型冷陰極。
10. The field emission cold cathode according to claim 9, wherein the resistance layer is formed at least in a region except a region near the sharpened region of the emitter.
【請求項11】 カソード電極に接続され先端が先鋭化
されたエミッタと少なくとも前記エミッタ周辺を除く前
記カソード電極上に絶縁膜を介して形成されたゲート電
極を有する電界放出型冷陰極の製造方法において、前記
エミッタ先端の直下領域以外の前記カソード電極とゲー
ト電極との間に高抵抗層を形成する工程を有することを
特徴とする電界放出型冷陰極の製造方法。
11. A method of manufacturing a field emission cold cathode, comprising: an emitter connected to a cathode electrode and having a sharpened tip; and a gate electrode formed on at least the cathode electrode except the periphery of the emitter via an insulating film. A method of manufacturing a field emission cold cathode, comprising: forming a high resistance layer between the cathode electrode and a gate electrode other than a region immediately below the tip of the emitter.
【請求項12】 前記抵抗層が蒸着法により形成されて
いることを特徴とする請求項11記載の電界放出型冷陰
極の製造方法。
12. The method of manufacturing a field emission type cold cathode according to claim 11, wherein the resistance layer is formed by a vapor deposition method.
【請求項13】 前記抵抗層がエピタキシャル成長法に
より形成されていることを特徴とする請求項11記載の
電界放出型冷陰極の製造方法。
13. The method of manufacturing a field emission cold cathode according to claim 11, wherein the resistance layer is formed by an epitaxial growth method.
【請求項14】 前記抵抗層がイオン注入法により形成
されていることを特徴とする請求項11記載の電界放出
型冷陰極の製造方法。
14. The method for manufacturing a field emission cold cathode according to claim 11, wherein the resistance layer is formed by an ion implantation method.
【請求項15】 前記抵抗層が不純物原子を含む酸化膜
から拡散されて形成されていることを特徴とする請求項
11記載の電界放出型冷陰極の製造方法。
15. The method of manufacturing a field emission cold cathode according to claim 11, wherein the resistance layer is formed by being diffused from an oxide film containing impurity atoms.
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KR100577780B1 (en) * 1999-04-22 2006-05-10 비오이 하이디스 테크놀로지 주식회사 Method of manufacturing field emission display device

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