JPH11162327A - Field emission device and manufacture thereof - Google Patents

Field emission device and manufacture thereof

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JPH11162327A
JPH11162327A JP32430797A JP32430797A JPH11162327A JP H11162327 A JPH11162327 A JP H11162327A JP 32430797 A JP32430797 A JP 32430797A JP 32430797 A JP32430797 A JP 32430797A JP H11162327 A JPH11162327 A JP H11162327A
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JP
Japan
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field emission
cathode
emission device
gate electrode
substrate
Prior art date
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Application number
JP32430797A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Oki
博 大木
Yasushi Takegawa
宜志 竹川
Keiichiro Uda
啓一郎 宇田
Morichika Yano
盛規 矢野
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-density field emission device by which a plane display with high precision or multi-gradation or the like can be realized, by adopting such a formation that insulating characteristics between cathode lines are excellent, and also provide a manufacturing method thereof. SOLUTION: In the field emission device which is composed of plural cathode lines 1c formed linearly showing conductivity on the surface of a substrate 1, field emission cathodes 4 arranged on the cathode lines 1c, and a gate electrode 3 which is arranged on the peripheries of the field emission cathodes 4 and formed linearly in the vertical direction relative to the cathode lines 1c, such a formation is adopted that intervals of plural cathode lines 1c are insulated by thermally oxidized silicon 1d.

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、陰極ラインとゲー
ト電極とによりアドレスして、電界放出カソードの先端
から低電圧で電子を放出することができる電界放出デバ
イス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 device capable of emitting electrons at a low voltage from the tip of a field emission cathode by addressing with a cathode line and a gate electrode, and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、電子放出源として用いられる電界
放出デバイスは、平面型画像表示素子、超高速マイクロ
波デバイス、センサー等への応用が進められておいる。
そして、微細な電界放出カソード(エミッタとも呼ば
れ、以下ではエミッタと称す)の形成が可能となり、さ
らに、多数のエミッタを基板上に配列することもできる
ようになった。
2. Description of the Related Art Conventionally, field emission devices used as electron emission sources have been applied to flat-panel image display devices, ultrahigh-speed microwave devices, sensors, and the like.
Then, a fine field emission cathode (also referred to as an emitter, hereinafter referred to as an emitter) can be formed, and a large number of emitters can be arranged on a substrate.

【0003】このような電界放出デバイスは、カソード
電極上の複数のエミッタコーンから形成されたエミッタ
アレイと、その各エミッタの周囲に形成されたゲート電
極から構成されており、カソード電極(陰極)とゲート
電極との電位差により誘導された電界によって、エミッ
タアレイから電子の放出が行われる。
[0003] Such a field emission device is composed of an emitter array formed from a plurality of emitter cones on a cathode electrode, and a gate electrode formed around each of the emitters. Electrons are emitted from the emitter array by an electric field induced by a potential difference from the gate electrode.

【0004】そして、マトリックス状アドレスが可能な
電界放出デバイスとして、図6の要部断面図に示すよう
なものが知られている。この電界放出デバイスは、基板
101上にストライプ状のカソード電極(陰極ライン)
105が形成され、その上に複数のコーン形状のエミッ
タ104がアレイ状に配置され、更にそのエミッタアレ
イの周囲にゲート電極103が配置されたものである。
このような構造の電界放出デバイスでは、陰極ライン1
05とゲート電極103との電位差により誘導された電
界によって、エミッタ4のアレイから電子の放出が行わ
れる。
[0004] As a field emission device capable of matrix addressing, there is known a field emission device as shown in a sectional view of a main part of FIG. This field emission device has a stripe-shaped cathode electrode (cathode line) on a substrate 101.
105 is formed, a plurality of cone-shaped emitters 104 are arranged thereon in an array, and a gate electrode 103 is arranged around the emitter array.
In the field emission device having such a structure, the cathode line 1
Electrons are emitted from the array of emitters 4 by the electric field induced by the potential difference between the gate electrode 103 and the gate electrode 103.

【0005】また、特開平9−139177号公報に
は、図7の要部断面図に示すような電界放出デバイスが
記載されている。これは、ガラス等の基板111上にス
トライプ状のITO等の陰極ライン115が形成され、
その上にコーン形状のエミッタ114が配置され、更に
そのエミッタ114の周囲にゲート電極113が配置さ
れたものであり、ゲート電極113の開口部をサブミク
ロン程度にまで微細化することにより、低電圧駆動可能
な電界放出デバイスを実現しようとするものである。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-139177 discloses a field emission device as shown in a sectional view of a main part of FIG. This is because stripe-shaped cathode lines 115 such as ITO are formed on a substrate 111 such as glass,
A cone-shaped emitter 114 is disposed thereon, and a gate electrode 113 is further disposed around the emitter 114. By miniaturizing the opening of the gate electrode 113 to about submicron, a low voltage It is intended to realize a drivable field emission device.

【0006】一方、特開平5−67426号公報には、
ノンドープシリコン等の高抵抗半導体基板にリン等の不
純物をドープして不純物拡散層を形成して、それを低抵
抗陰極ラインとすることが開示されている。
On the other hand, JP-A-5-67426 discloses that
It is disclosed that a high-resistance semiconductor substrate such as non-doped silicon is doped with an impurity such as phosphorus to form an impurity diffusion layer, which is used as a low-resistance cathode line.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例え
ば、高精細度又は多階調の平面型ディスプレイを構成す
るような、高密度の電界放出デバイスは、上記の従来の
ものでは達成できなかった。
However, a high-density field emission device, for example, which constitutes a high-definition or multi-tone flat display, cannot be achieved by the above-mentioned conventional device.

【0008】すなわち、図6に示したような従来の電界
放出デバイスでは、デバイスの構造上、エミッタ104
のピッチ、陰極ライン105のピッチ共に、それらの縮
小には限界があった。
That is, in the conventional field emission device as shown in FIG.
And the pitch of the cathode lines 105 have limitations in their reduction.

【0009】また、特開平9−139177号公報に記
載された電界放出デバイスでは、絶縁耐性、寄生容量と
ういう点で、陰極ライン115のピッチの縮小に限界が
あり、これでもやはり、十分に高密度の電界放出デバイ
スを実現することは期待できなかった。
In the field emission device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-139177, the pitch of the cathode lines 115 is limited in terms of insulation resistance and parasitic capacitance. The realization of a high density field emission device could not be expected.

【0010】そこで、特開平5−67426号公報に記
載されたような不純物拡散層を陰極ラインとして用いる
ことが考えられるが、これでは陰極ラインピッチを縮小
すると陰極ライン間の絶縁が十分にできなくなり、やは
り、高密度の電界放出デバイスは期待できなかった。
Therefore, it is conceivable to use an impurity diffusion layer as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-67426 as a cathode line. However, if the pitch of the cathode lines is reduced, the insulation between the cathode lines becomes insufficient. Again, high density field emission devices could not be expected.

【0011】本発明は、陰極ライン間の絶縁特性が良好
な構成を採用することによって、高精細度又は多階調の
平面型ディスプレイ等を実現できる高密度の電界放出デ
バイス及びその製造方法を提供することを目的とする。
The present invention provides a high-density field emission device capable of realizing a high-definition or multi-tone flat-panel display and the like and a method of manufacturing the same by adopting a configuration having good insulation characteristics between cathode lines. The purpose is to do.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項1に記載の発明では、基板表面に導電性を示
すライン状に形成された複数の陰極ラインと、その陰極
ライン上に配置された電界放出カソードと、その電界放
出カソードの周辺に配置されて陰極ラインと垂直方向の
ライン状に形成されたゲート電極とから構成される電界
放出デバイスにおいて、複数の陰極ラインの間を熱酸化
シリコンにより絶縁して構成している。
In order to solve the above-mentioned problems, according to the first aspect of the present invention, a plurality of cathode lines formed in a line shape showing conductivity on a substrate surface, and a plurality of cathode lines are formed on the cathode lines. In a field emission device composed of an arranged field emission cathode and a gate electrode arranged around the field emission cathode and formed in a vertical line with the cathode line, heat is applied between the plurality of cathode lines. Insulated by silicon oxide.

【0013】請求項1に記載の発明によれば、絶縁特性
に優れた酸化シリコンにより陰極ライン間を絶縁してい
るので、陰極ラインピッチを縮小することができる。
According to the first aspect of the present invention, since the cathode lines are insulated by silicon oxide having excellent insulation characteristics, the cathode line pitch can be reduced.

【0014】さらに、請求項2に記載の発明では、請求
項1に記載の電界放出デバイスにおいて、陰極ラインを
不純物導入された不純物拡散層から構成している。
Further, according to the second aspect of the present invention, in the field emission device according to the first aspect, the cathode line is formed of an impurity diffusion layer into which impurities are introduced.

【0015】請求項2に記載の発明によれば、陰極ライ
ンを不純物導入された不純物拡散層から構成しているの
で、容易に高密度に陰極ラインを形成することができ
る。
According to the second aspect of the present invention, since the cathode lines are formed of the impurity diffusion layers into which the impurities are introduced, the cathode lines can be easily formed with high density.

【0016】また、請求項3に記載の発明では、請求項
1又は2に記載の電界放出デバイスにおいて、基板にS
OI基板を用いて構成している。
According to a third aspect of the present invention, in the field emission device according to the first or second aspect, the substrate is made of S
It is configured using an OI substrate.

【0017】SOIとは、silicon on insulatorの略
で、絶縁体上にシリコン層が配置された構造のもので、
深さ方向での素子間分離を容易にするものである。請求
項3に記載の発明によれば、基板にこのようなSOI基
板を用いているので、容易に高密度の陰極ラインピッチ
を有する電界放出デバイスを実現することができる。
SOI is an abbreviation of silicon on insulator and has a structure in which a silicon layer is disposed on an insulator.
This facilitates isolation between elements in the depth direction. According to the third aspect of the present invention, since such an SOI substrate is used as the substrate, a field emission device having a high-density cathode line pitch can be easily realized.

【0018】また、請求項4に記載の発明では、請求項
1、2、又は3に記載の電界放出デバイスにおいて、ゲ
ート電極が前記電界放出カソード先端部に向かって接近
して湾曲したような弓形形状であることとしている。
According to a fourth aspect of the present invention, in the field emission device according to the first, second, or third aspect, the gate electrode is curved toward the front end of the field emission cathode. It has to be a shape.

【0019】従来より、電界放出デバイスにおいては、
電界放出カソード(エミッタ)の先端部に低仕事関数材
料を被覆することにより、電界放出のしきい値電圧を低
減して、電界放出デバイスの低電圧駆動化することが提
案されている。しかしながら、従来の電界放出デバイス
の構成では、エミッタ先端に低仕事関数材料を被覆する
と、低仕事関数材料の回り込みによりゲート電極/エミ
ッタ間がショートし、デバイスの信頼性が問題となっ
た。また、このようなショートを防止するために、ゲー
トの開口部を増大すると、エミッタ先端の電界強度が減
少し、駆動電圧が増大してしまう。即ち、デバイスの高
信頼性と低電圧駆動とは、トレード・オフの関係にある
という課題があった。
Conventionally, in a field emission device,
It has been proposed to coat a tip of a field emission cathode (emitter) with a low work function material to reduce the threshold voltage of field emission and drive the field emission device at a low voltage. However, in the configuration of the conventional field emission device, when the tip of the emitter is coated with a low work function material, short circuit occurs between the gate electrode and the emitter due to the wraparound of the low work function material, and the reliability of the device becomes a problem. In addition, if the opening of the gate is increased to prevent such a short circuit, the electric field strength at the tip of the emitter decreases, and the driving voltage increases. That is, there is a problem that there is a trade-off between high reliability and low voltage driving of the device.

【0020】これに対し、請求項4に記載の発明によれ
ば、ゲート電極を上記のような弓形形状とすることによ
り、ゲート電極/電界放出カソード間の空間的なマージ
ンを拡大でき、ゲート電極/電界放出カソード間のショ
ートを抑制して、従来よりもゲート電極/電界放出カソ
ード先端間の距離を縮小することでき、低電圧駆動が可
能で高信頼性の電界放出デバイスを実現することができ
る。
On the other hand, according to the fourth aspect of the invention, by forming the gate electrode into the above-mentioned arcuate shape, the spatial margin between the gate electrode and the field emission cathode can be enlarged, and It is possible to reduce the short-circuit between the field emission cathode and the distance between the gate electrode and the tip of the field emission cathode as compared with the prior art, thereby realizing a highly reliable field emission device that can be driven at a low voltage. .

【0021】また、請求項5に記載の発明では、基板表
面に導電性を示すライン状に形成された複数の陰極ライ
ンと、その陰極ライン上に配置された電界放出カソード
と、その電界放出カソードの周辺に配置されて陰極ライ
ンと垂直方向のライン状に形成されたゲート電極とから
構成される電界放出デバイスの製造方法において、絶縁
層上にシリコン層が配置されて成る基板の上部に、熱酸
化に対するマスクを陰極ラインが形成される部分に形成
するマスク形成工程と、そのマスクが形成された基板の
シリコン層を熱酸化してマスクが形成されない部分に酸
化シリコンを形成する熱酸化工程と、マスクを除去し、
基板のシリコン層のマスクが除去された部分に不純物を
導入して陰極ラインとなる不純物拡散層を形成する不純
物拡散工程と、その不純物拡散層が形成された基板上に
層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成工程と、その層間
絶縁膜上にゲート電極層を形成するゲート電極形成工程
と、層間絶縁膜にコンタクトホールを形成して電界放出
カソードを形成する電界放出カソード形成工程とを含む
こととしている。
According to the fifth aspect of the present invention, a plurality of cathode lines formed in a line shape exhibiting conductivity on the substrate surface, a field emission cathode disposed on the cathode lines, and the field emission cathode In a method for manufacturing a field emission device comprising a cathode line and a gate electrode formed in a vertical line shape arranged around the substrate, heat is applied to an upper portion of a substrate in which a silicon layer is arranged on an insulating layer. A mask formation step of forming a mask for oxidation in a portion where a cathode line is formed, and a thermal oxidation step of thermally oxidizing a silicon layer of a substrate on which the mask is formed to form silicon oxide in a portion where a mask is not formed; Remove the mask,
An impurity diffusion step of forming an impurity diffusion layer serving as a cathode line by introducing impurities into a portion of the substrate where the mask of the silicon layer has been removed, and an interlayer forming an interlayer insulating film on the substrate on which the impurity diffusion layer is formed An insulating film forming step, a gate electrode forming step of forming a gate electrode layer on the interlayer insulating film, and a field emission cathode forming step of forming a contact hole in the interlayer insulating film to form a field emission cathode. I have.

【0022】請求項5に記載の発明によれば、請求項1
に記載の低電圧駆動が可能で高信頼性の電界放出デバイ
スを容易に製造することができる。
According to the fifth aspect of the present invention, the first aspect is provided.
, A highly reliable field emission device which can be driven at a low voltage and can be easily manufactured.

【0023】さらに、請求項6に記載の発明では、請求
項5に記載の電界放出デバイスの製造方法において、基
板としてSOI基板を用いることとしている。
Further, in the invention according to claim 6, in the method for manufacturing a field emission device according to claim 5, an SOI substrate is used as a substrate.

【0024】請求項6に記載の発明によれば、より容易
に上記の電界放出デバイスを製造することができる。
According to the invention described in claim 6, the above-mentioned field emission device can be manufactured more easily.

【0025】また、請求項7に記載の発明では、請求項
5に記載の電界放出デバイスの製造方法において、マス
ク形成工程において形成するマスクが窒化シリコンから
成ることとしている。
According to a seventh aspect of the present invention, in the method of manufacturing a field emission device according to the fifth aspect, the mask formed in the mask forming step is made of silicon nitride.

【0026】請求項7に記載の発明によれば、熱酸化に
対するマスクとして、形成及びエッチングプロセスにお
ける技術が成熟した窒化シリコンを用いているので、そ
の形成が容易で、かつ後の熱酸化工程における酸化シリ
コンの形成を容易に行うことができる。
According to the seventh aspect of the present invention, since the silicon nitride whose technology in the formation and etching process is mature is used as a mask for the thermal oxidation, the formation is easy and the thermal oxidation process in the subsequent thermal oxidation step is performed. Silicon oxide can be easily formed.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。図1は本実施形態のアレ
イ化された電界放出デバイスの要部を示す部分断面斜視
図であり、図2は単一の電界放出デバイスの拡大断面側
面図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a partial sectional perspective view showing a main part of an arrayed field emission device of the present embodiment, and FIG. 2 is an enlarged sectional side view of a single field emission device.

【0028】図1及び図2に示すように、この電界放出
デバイスは、基板1上にコーン形状の電界放出カソード
(以下、エミッタと称す)4が配置され、その周囲に層
間絶縁膜2を介してストライプ状のゲート電極3が配置
された構造である。そして、基板1の表面には、熱酸化
シリコン層1dを介して複数の陰極ライン1cが不純物
拡散層により形成されており、陰極ライン1cとストラ
イプ状のゲート電極3とによりマトリックス構造が形成
されている。さらに、ゲート電極3は、エミッタ4の先
端部に向かって接近して湾曲したような弓形形状となっ
ている。なお、図1及び図2に図示した基板1は、下層
シリコン層1a上に、絶縁層1bを介して、陰極ライン
1c及び熱酸化シリコン層1dが形成された構造のもの
である。
As shown in FIGS. 1 and 2, in this field emission device, a cone-shaped field emission cathode (hereinafter, referred to as an emitter) 4 is arranged on a substrate 1, and an interlayer insulating film 2 is interposed therebetween. And a gate electrode 3 having a stripe shape. On the surface of the substrate 1, a plurality of cathode lines 1c are formed by an impurity diffusion layer via a thermally oxidized silicon layer 1d, and a matrix structure is formed by the cathode lines 1c and the striped gate electrodes 3. I have. Further, the gate electrode 3 has an arcuate shape that is curved toward the tip of the emitter 4. The substrate 1 shown in FIGS. 1 and 2 has a structure in which a cathode line 1c and a thermally oxidized silicon layer 1d are formed on a lower silicon layer 1a via an insulating layer 1b.

【0029】図1及び図2に示したような構成の電界放
出デバイスによれば、陰極ライン1cを、絶縁特性に優
れた熱酸化シリコン層1dにより絶縁しているので、陰
極ライン1cのピッチを従来より縮小することができ、
高密度の電界放出デバイスを実現することが可能とな
る。さらに、陰極ライン1cが不純物導入された不純物
拡散層により形成しているので、より陰極ライン1cの
ピッチを縮小して容易に形成することができる。
According to the field emission device having the structure shown in FIGS. 1 and 2, the cathode line 1c is insulated by the thermally oxidized silicon layer 1d having an excellent insulating property. It can be smaller than before,
A high-density field emission device can be realized. Further, since the cathode lines 1c are formed by the impurity diffusion layers into which impurities are introduced, the pitch of the cathode lines 1c can be further reduced to facilitate the formation.

【0030】また、図1及び図2に示したような構成の
電界放出デバイスによれば、ゲート電極3/エミッタ4
間の空間的なマージンを拡大でき、ゲート電極3/エミ
ッタ4間のショートを抑制して、従来よりもゲート電極
3/エミッタ4先端間の距離を縮小することでき、低電
圧駆動が可能な電界放出デバイスを実現することができ
る。
According to the field emission device having the structure shown in FIGS. 1 and 2, the gate electrode 3 / emitter 4
The spatial margin between them can be increased, the short circuit between the gate electrode 3 and the emitter 4 can be suppressed, the distance between the tip of the gate electrode 3 and the tip of the emitter 4 can be reduced, and the electric field that can be driven at a low voltage can be reduced. An emission device can be realized.

【0031】ここで、本実施形態の電界放出デバイスに
ついて、より詳細に説明する。基板1には、絶縁層1a
及び熱酸化シリコン層1dにより素子分離され、不純物
拡散層により形成された陰極ライン1cが設けられ、こ
の陰極ライン1c上に単一のエミッタ4が電気的に陰極
ライン1cと導通するように形成されている。本実施形
態において、エミッタ4は、Mo,W等の高融点材料を
蒸着して形成されたものであり、その先端径を20nm
以下とした。このエミッタ4の先端部周囲にはゲート電
極3が配置され、本実施形態ではエミッタ4先端部とそ
の周囲のゲート電極3端部との距離を0.15〜1μm
で調整した。
Here, the field emission device of the present embodiment will be described in more detail. The substrate 1 has an insulating layer 1a
And a cathode line 1c formed by an impurity diffusion layer, which is separated by a thermal silicon oxide layer 1d, and a single emitter 4 is formed on the cathode line 1c so as to be electrically connected to the cathode line 1c. ing. In the present embodiment, the emitter 4 is formed by evaporating a high melting point material such as Mo or W, and has a tip diameter of 20 nm.
It was as follows. The gate electrode 3 is arranged around the tip of the emitter 4. In this embodiment, the distance between the tip of the emitter 4 and the edge of the gate electrode 3 around the tip is 0.15 to 1 μm.
Was adjusted.

【0032】そして、このゲート電極4のエミッタ4周
辺部ではエミッタ4の先端部に向かって接近して湾曲し
たような凸の弓形形状となっており、本実施形態ではエ
ミッタ4の下部においてエミッタ4−ゲート電極3間の
距離を2.15〜3μmで調整し、エミッタ4−ゲート
電極3間が層間絶縁膜2により絶縁されている。
In the vicinity of the emitter 4 of the gate electrode 4, the gate electrode 4 has a convex arcuate shape which is close to the tip of the emitter 4 and is curved. The distance between the gate electrodes 3 is adjusted to 2.15 to 3 μm, and the emitter 4 and the gate electrodes 3 are insulated by the interlayer insulating film 2.

【0033】本実施形態の層間絶縁膜に関しては、エミ
ッタ4形成部分における層間絶縁膜2のコンタクト径を
0.3〜2μmとし、層間絶縁膜2の膜厚を0.1〜1
μmとした。
With regard to the interlayer insulating film of the present embodiment, the contact diameter of the interlayer insulating film 2 in the portion where the emitter 4 is formed is set to 0.3 to 2 μm, and the thickness of the interlayer insulating film 2 is set to 0.1 to 1 μm.
μm.

【0034】さらに、図示はしないが、本実施形態で
は、エミッタ4の先端部分に、低仕事関数材料の薄膜を
被覆して、より低電圧駆動を図っている。
Further, although not shown, in the present embodiment, the tip portion of the emitter 4 is coated with a thin film of a low work function material to drive at a lower voltage.

【0035】このように本実施形態の電界放出デバイス
によれば、上記のように陰極ライン1cを、絶縁特性に
優れた熱酸化シリコン層1dにより絶縁しているので、
陰極ライン1cのピッチを従来より縮小することがで
き、高密度の電界放出デバイスを実現することが可能と
なる。さらに、陰極ライン1cが不純物導入された不純
物拡散層により形成しているので、より陰極ライン1c
のピッチを縮小して容易に形成することができる。
As described above, according to the field emission device of the present embodiment, the cathode line 1c is insulated by the thermally oxidized silicon layer 1d having excellent insulation characteristics as described above.
The pitch of the cathode lines 1c can be reduced as compared with the conventional case, and a high-density field emission device can be realized. Further, since the cathode line 1c is formed by the impurity diffusion layer into which the impurity is introduced, the cathode line 1c
Can be easily formed with a reduced pitch.

【0036】そして、本実施形態の電界放出デバイスに
よれば、上記のような弓形形状のゲート電極構造を採用
することにより、ゲート電極3/エミッタ4間の空間的
なマージンを拡大でき、ゲート電極3/エミッタ4間の
ショートを抑制して、従来よりもゲート電極3/エミッ
タ4先端間の距離を縮小することでき、低電圧駆動が可
能で高信頼性の電界放出デバイスを実現することができ
る。さらに、ゲート電極3/エミッタ4間のショートを
抑制して、エミッタ4先端部分に低仕事関数材料を被覆
できるので、より一層駆動電圧の低減を図ることができ
る。
According to the field emission device of this embodiment, the spatial margin between the gate electrode 3 and the emitter 4 can be increased by adopting the above-mentioned arcuate gate electrode structure. A short circuit between the gate electrode 3 and the emitter 4 can be suppressed, and the distance between the gate electrode 3 and the tip of the emitter 4 can be reduced as compared with the related art, so that a low-voltage drive and a highly reliable field emission device can be realized. . Further, since a short circuit between the gate electrode 3 and the emitter 4 can be suppressed and the tip portion of the emitter 4 can be coated with a low work function material, the driving voltage can be further reduced.

【0037】次いで、本実施形態の電界放出デバイスの
製造方法について、単一の電界放出デバイスに相当する
部分の要部断面図である図3,4,5参照して説明す
る。
Next, a method of manufacturing the field emission device of this embodiment will be described with reference to FIGS.

【0038】基板1として、図3(a)に示すような、
下層シリコン層1a、絶縁層1b、及び上層シリコン層
1eが順次積層された構造のSOI基板を用いることが
できる。SOI基板の作製技術としては、SIMOX
(Separation by Implanted Oxygen)、結合SOI、Z
MR(Zone Melting Recrystallization)、固相エピ
法、横方向気相エピ法、FIPOS(Full Isolation b
y Porous Oxided Silico)などがあるが、本実施形態で
は、SIMOXによるものを用いた。これは、シリコン
基板内部に、酸素を高濃度にイオン注入し、高温度の熱
処理することにより、絶縁層1bである埋め込み酸化膜
を形成して、縦方向の素子分離を行うものである。
As the substrate 1, as shown in FIG.
An SOI substrate having a structure in which a lower silicon layer 1a, an insulating layer 1b, and an upper silicon layer 1e are sequentially stacked can be used. As a SOI substrate fabrication technology, SIMOX
(Separation by Implanted Oxygen), Combined SOI, Z
MR (Zone Melting Recrystallization), solid phase epitaxy, lateral vapor phase epitaxy, FIPOS (Full Isolation b
y Porous Oxided Silico), but in this embodiment, SIMOX is used. In this method, high-concentration oxygen is ion-implanted into a silicon substrate, and a high-temperature heat treatment is performed to form a buried oxide film serving as an insulating layer 1b, thereby performing vertical element isolation.

【0039】本実施形態で用いたSOI基板は、Pタイ
プ、(100)で、上層シリコン層1eの厚さが190
0Å、絶縁層1b(埋め込み酸化膜)の厚さが3700
Åのものである。
The SOI substrate used in this embodiment is a P type (100), and the upper silicon layer 1e has a thickness of 190.
0 °, the thickness of the insulating layer 1b (buried oxide film) is 3700
Å.

【0040】まず、上記のような基板1上に、図3
(a)に示すように、マスク5を形成する。本実施形態
では、SOI基板1の上層シリコン層1e上に、図示し
ないパッド酸化膜として100Åの熱酸化シリコン膜を
形成した後、その上に、後の熱酸化工程に対するマスク
となる窒化シリコン膜を2000Å堆積した。そして、
図3(a)に示すように、陰極ラインの形状を成すよう
に、ドライエッチングにより、その窒化シリコン膜をパ
ターンニングしてマスク5を形成した。このとき、マス
ク5を微細化するには、特開平4−127433号公報
に示されるような窒化シリコンのサイドウォール・リセ
スロコス法を用いることが好ましく、この方法を用いれ
ば、0.5μmピッチ程度の微細化が可能である。
First, on the substrate 1 as described above, FIG.
As shown in (a), a mask 5 is formed. In this embodiment, after a thermal oxide silicon film of 100 ° is formed as a pad oxide film (not shown) on the upper silicon layer 1e of the SOI substrate 1, a silicon nitride film serving as a mask for a subsequent thermal oxidation process is formed thereon. 2000 mm deposited. And
As shown in FIG. 3A, a mask 5 was formed by patterning the silicon nitride film by dry etching so as to form a shape of a cathode line. At this time, in order to miniaturize the mask 5, it is preferable to use a silicon nitride sidewall recess recess method as disclosed in JP-A-4-127433. Miniaturization is possible.

【0041】次に、図3(b)に示すように、マスク5
を用いて、上層シリコン層1eの熱酸化を行い、熱酸化
シリコン層1dを形成する。本実施形態では、窒化シリ
コン膜をパターンニングして形成したマスク5を用い
て、上層シリコン層1eの熱酸化を行い、熱酸化シリコ
ン層1dの形成を行った。この熱酸化工程は一般的なL
OCOS酸化として条件により行うことができ、本実施
形態においては、1100℃のウェット酸化で、酸化時
間を14分程度とした。このとき、本実施形態ではSO
I基板を用いているので、熱酸化条件を厳密に制御する
ことなく、容易に熱酸化シリコン層1dの形成を行うこ
とができる。
Next, as shown in FIG.
Is used to thermally oxidize the upper silicon layer 1e to form a thermally oxidized silicon layer 1d. In the present embodiment, the thermal oxidation of the upper silicon layer 1e is performed using the mask 5 formed by patterning the silicon nitride film to form the thermally oxidized silicon layer 1d. This thermal oxidation step is performed using a general L
OCOS oxidation can be performed under conditions. In the present embodiment, wet oxidation at 1100 ° C. has an oxidation time of about 14 minutes. At this time, in this embodiment, SO
Since the I substrate is used, the thermal silicon oxide layer 1d can be easily formed without strictly controlling the thermal oxidation conditions.

【0042】次に、マスク5を除去した後に、上層シリ
コン層1eの熱酸化シリコン層1dを形成していない部
分に陰極ライン1cを形成する。本実施形態のものは、
陰極ライン1cの形成に、不純物を導入して不純物拡散
層から成る陰極ラインを形成するものである。
Next, after removing the mask 5, a cathode line 1c is formed in a portion of the upper silicon layer 1e where the thermally oxidized silicon layer 1d is not formed. In this embodiment,
An impurity is introduced into the cathode line 1c to form a cathode line composed of an impurity diffusion layer.

【0043】このマスク5の除去と陰極ライン1cの形
成について、本実施形態によるものをより詳細に本実施
形態を説明する。まず、150℃のリン酸に120分間
浸漬して、窒化シリコン膜から成るマスク5を除去し
た。そして、フッ酸で図示しないパッド酸化膜を除去し
た後、後のイオン注入の保護膜として図示しない200
Åの熱酸化保護膜を形成した。その後、上層シリコン層
1eの熱酸化シリコン層1dを形成していない部分に、
不純物を導入するために、イオン注入を行った。このと
きのイオン注入の条件は、リンを注入量5×1013〜5
×1015/cm2で注入エネルギー30〜50keVの
条件で注入することが好ましく、本実施形態では5×1
13/cm2、50keVでリンを注入した。
The removal of the mask 5 and the formation of the cathode line 1c according to the present embodiment will be described in more detail. First, the mask 5 made of a silicon nitride film was removed by immersion in phosphoric acid at 150 ° C. for 120 minutes. Then, after removing a pad oxide film (not shown) with hydrofluoric acid, a protective film 200 (not shown) is formed as a protective film for later ion implantation.
The thermal oxidation protective film of Å was formed. Then, in the portion of the upper silicon layer 1e where the thermal silicon oxide layer 1d is not formed,
Ion implantation was performed to introduce impurities. Ion implantation conditions at this time, injection volume 5 × 10 13 to 5 phosphorus
It is preferable to perform the implantation under the conditions of × 10 15 / cm 2 and an implantation energy of 30 to 50 keV, and in this embodiment, 5 × 1
Phosphorus was implanted at 0 13 / cm 2 and 50 keV.

【0044】イオン注入の後、850℃、30分間のア
ニールを行い、不純物拡散層となる領域をp-層からn+
層にして、不純物拡散層である陰極ライン1cを形成し
た。
After the ion implantation, annealing is performed at 850 ° C. for 30 minutes to change the region to be an impurity diffusion layer from the p layer to n +
As a layer, a cathode line 1c as an impurity diffusion layer was formed.

【0045】次に、図3(c)に示すように、層間絶縁
膜2を形成する。本実施形態では、後述するように後に
形成する第1及び第3のダミー層に窒化シリコンを用い
たので、これに対してエッチング速度が異なる材料とし
て、酸化シリコンを用い、リン酸をエッチャンとするこ
とで、エッチング速度の差(エッチング選択比)を大き
くした。また、本実施形態においては、この層間絶縁膜
2である酸化シリコン膜を、CVD法を用いて、0.8
μmの膜厚で堆積した。
Next, as shown in FIG. 3C, an interlayer insulating film 2 is formed. In this embodiment, as will be described later, since silicon nitride is used for the first and third dummy layers to be formed later, silicon oxide is used as a material having a different etching rate, and phosphoric acid is used as an etchant. Thus, the difference in etching rate (etching selectivity) was increased. In the present embodiment, the silicon oxide film as the interlayer insulating film 2 is formed by a CVD method using
It was deposited with a film thickness of μm.

【0046】なお、層間絶縁膜2である酸化シリコン膜
の膜厚は、後に形成するコンタクトホールの直径に応じ
て最適化されるものであり、コンタクトホール径が0.
3〜2μmに対して、1〜0.1μmの膜厚が好まし
い。
The thickness of the silicon oxide film as the interlayer insulating film 2 is optimized according to the diameter of a contact hole to be formed later.
A film thickness of 1 to 0.1 μm is preferable to 3 to 2 μm.

【0047】次に、層間絶縁膜2上に、第1のダミー層
6と第2のダミー層7とを順次形成する。本実施形態で
は、第1のダミー層6である絶縁膜として窒化シリコン
を用い、CVD法により1000Åの窒化シリコン膜を
堆積した。そして、第2のダミー層7としては、後述の
エッチング工程のために、第1のダミー層に対してエッ
チング速度が異なる必要がある。そこで、本実施形態で
は、第2のダミー層7である絶縁膜として酸化シリコン
を用い、CVD法により500Åの酸化シリコン膜を堆
積した。
Next, a first dummy layer 6 and a second dummy layer 7 are sequentially formed on the interlayer insulating film 2. In this embodiment, silicon nitride is used as the insulating film as the first dummy layer 6, and a silicon nitride film of 1000 ° is deposited by the CVD method. The second dummy layer 7 needs to have an etching rate different from that of the first dummy layer due to an etching step described later. Therefore, in this embodiment, silicon oxide is used as the insulating film as the second dummy layer 7, and a silicon oxide film of 500 ° is deposited by the CVD method.

【0048】また、本実施形態では、後述のダミー層
6,7のパターニングの精度を向上させるために、この
第2のダミー層7である酸化シリコン膜を高温度(80
0℃)でCVD法により堆積し、その成膜後に900℃
で20分程度のアニールを行った。なお、このアニール
は、前述の不純物拡散層である陰極ライン1cの形成時
の活性化アニールを考慮して、その条件を設定するもの
である。
In the present embodiment, in order to improve the patterning accuracy of the dummy layers 6 and 7 described later, the silicon oxide film as the second dummy layer 7 is formed at a high temperature (80 ° C.).
0 ° C.) and deposited at 900 ° C.
For about 20 minutes. The condition of this annealing is set in consideration of the activation annealing at the time of forming the cathode line 1c as the impurity diffusion layer.

【0049】次に、図3(c)に示すように、第1のダ
ミー層6及び第2のダミー層7をパターニングして、図
示するような第1のダミー層6及び第2のダミー層7よ
うに、後述のコンタクトホールが形成され更にエミッタ
が後に形成される辺りの部分のみに、それぞれのダミー
層が残留したような形状とする。このパターニングは、
エミッタ先端部でのエミッタ/ゲート電極間距離と、エ
ミッタが形成されるコンタクトホールの径とを決定する
ものである。
Next, as shown in FIG. 3C, the first dummy layer 6 and the second dummy layer 7 are patterned so that the first dummy layer 6 and the second dummy layer As shown in FIG. 7, the shape is such that each dummy layer remains only in a portion where a contact hole described later is formed and an emitter is formed later. This patterning
It determines the distance between the emitter / gate electrode at the tip of the emitter and the diameter of the contact hole in which the emitter is formed.

【0050】本実施形態では、後述するが1μm径のコ
ンタクトホールを形成するので、直径が1μmの円形の
第1のダミー層6及び第2のダミー層7となるように、
ドライエッチング法によりパターニングした。なお、こ
のときのパターニングによる第1のダミー層5及び第2
のダミー層6の直径は、半導体微細化プロセスを利用す
れば、0.3μm程度までは十分可能である。
In this embodiment, since a contact hole having a diameter of 1 μm is formed, as will be described later, the first dummy layer 6 and the second dummy layer 7 having a circular diameter of 1 μm are formed.
Patterning was performed by a dry etching method. Note that the first dummy layer 5 and the second
The diameter of the dummy layer 6 can be sufficiently reduced to about 0.3 μm by utilizing a semiconductor miniaturization process.

【0051】次に、図3(d)に示すように、パターニ
ングされた第1のダミー層6及び第2のダミー層7の上
部から第3のダミー層を堆積した後にこの第3のダミー
層をエッチバックして、第1のダミー層6及び第2のダ
ミー層7の側面を覆うように湾曲した凸形状の側面を有
するサイドウォール8を形成する。
Next, as shown in FIG. 3D, a third dummy layer is deposited from above the patterned first dummy layer 6 and the second dummy layer 7, and then this third dummy layer 6 is deposited. Is etched back to form a sidewall 8 having a curved convex side surface so as to cover the side surfaces of the first dummy layer 6 and the second dummy layer 7.

【0052】第3のダミー層としては、後述のエッチン
グ工程でのエッチングの選択比を考慮すると、第1のダ
ミー層6と同一材料が、工程上簡便となり好ましい。し
たがって、本実施形態では、第3のダミー層として第1
のダミー層6と同一材料の窒化シリコンを用いた。
The third dummy layer is preferably made of the same material as that of the first dummy layer 6 in consideration of the etching selectivity in the etching step described later, since the process is simplified. Therefore, in the present embodiment, the first dummy layer is used as the third dummy layer.
Of the same material as the dummy layer 6 was used.

【0053】また、サイドウォール8はゲート電極3の
弓形形状を決定するものである。そして、サイドウォー
ル8の厚さは、第1のダミー層6及び第2のダミー層7
が積層された膜厚と、第3のダミー層の膜厚とにより制
御される。例えば、1000Åのサイドウォール厚を得
るためには、第1のダミー層6及び第2のダミー層7が
積層された膜厚が1000Å以上、第3のダミー層の膜
厚が1000Å程度必要である。
The sidewall 8 determines the bow shape of the gate electrode 3. The thickness of the side wall 8 depends on the first dummy layer 6 and the second dummy layer 7.
Is controlled by the film thickness of the stacked layers and the film thickness of the third dummy layer. For example, in order to obtain a sidewall thickness of 1000 °, the thickness in which the first dummy layer 6 and the second dummy layer 7 are stacked needs to be 1000 ° or more, and the thickness of the third dummy layer needs to be about 1000 °. .

【0054】本実施形態では、前述のとおり第1のダミ
ー層(窒化シリコン膜)を1000Å、第2のダミー層
(酸化シリコン膜)500Åで形成したので、これらの
積層の膜厚が1500Åとなり、第3のダミー層として
窒化シリコン膜をLPCVD法により1000Å堆積し
た。そして、この第3のダミー層である窒化シリコン膜
をエッチバックして、厚さが1000Åのサイドウォー
ル8を得ることができた。
In the present embodiment, as described above, the first dummy layer (silicon nitride film) is formed by 1000 ° and the second dummy layer (silicon oxide film) is 500 °. A silicon nitride film was deposited as a third dummy layer at a thickness of 1000 ° by LPCVD. Then, the silicon nitride film, which is the third dummy layer, was etched back to obtain the sidewall 8 having a thickness of 1000 °.

【0055】なお、このサイドウォール厚は、ゲート電
極/エミッタ間のショートを抑制するための重要なパラ
メータであり、デバイス設計に対応して、第1のダミー
層6及び第2のダミー層7が積層された膜厚と、第3の
ダミー層の膜厚とにより制御すれば良いものである。
The thickness of the sidewall is an important parameter for suppressing a short circuit between the gate electrode and the emitter, and the first dummy layer 6 and the second dummy layer 7 correspond to the device design. What is necessary is just to control with the film thickness of the laminated | stacked and the film thickness of the 3rd dummy layer.

【0056】次に、第2のダミー層7のみを除去する。
本実施形態では、第1のダミー層6と第3のダミー層か
ら形成したサイドウォール8とが窒化シリコンから成
り、第2のダミー層7が酸化シリコンから成るので、窒
化シリコンに対して酸化シリコンを選択的にエッチング
した。このとき、層間絶縁膜2である酸化シリコン膜も
同時にエッチングされるが、前述のとおり第2のダミー
層7である酸化シリコン膜の膜厚が500Åであり、層
間絶縁膜2の酸化シリコン膜の膜が0.8μmであるの
で、層間絶縁膜2の酸化シリコン膜が500Å程度エッ
チングされても問題はない。なお、本実施形態におい
て、この選択的エッチング除去には、フッ酸によるウェ
ットエッチングを用いた。
Next, only the second dummy layer 7 is removed.
In the present embodiment, the first dummy layer 6 and the sidewall 8 formed from the third dummy layer are made of silicon nitride, and the second dummy layer 7 is made of silicon oxide. Was selectively etched. At this time, the silicon oxide film serving as the interlayer insulating film 2 is also etched at the same time. However, as described above, the thickness of the silicon oxide film serving as the second dummy layer 7 is 500 °, and the thickness of the silicon oxide film of the interlayer insulating film 2 is reduced. Since the film is 0.8 μm, there is no problem even if the silicon oxide film of the interlayer insulating film 2 is etched by about 500 °. In this embodiment, wet etching with hydrofluoric acid was used for the selective etching removal.

【0057】また、サイドウォール8のは、そのエッジ
が不純物拡散層から成る陰極ライン1cの端部とその上
部でオーバーラップするような位置に形成されることが
好ましい。
It is preferable that the side wall 8 is formed at a position where the edge of the side wall 8 overlaps with the end of the cathode line 1c formed of the impurity diffusion layer.

【0058】次に、図4(a)に示すように、ゲート電
極層3を形成する。ゲート電極層3aの材料としては、
W,Mo,Nb等の高融点金属材料が好ましい。本実施
形態では、斜め回転蒸着により、Moを入射角15°で
基板回転させて蒸着し、基板に対して垂直方向に膜厚2
000ÅのMo膜を堆積して、ゲート電極層3を形成し
た。このとき、サイドウォール8周辺部において、その
形状に応じて、ゲート電極層3の弓形形状が形成され
る。
Next, as shown in FIG. 4A, a gate electrode layer 3 is formed. As a material of the gate electrode layer 3a,
Refractory metal materials such as W, Mo, and Nb are preferred. In the present embodiment, Mo is deposited by rotating the substrate at an incident angle of 15 ° by oblique rotation deposition, and the film thickness is 2 in the direction perpendicular to the substrate.
A gate electrode layer 3 was formed by depositing a Mo film of 2,000 °. At this time, an arcuate shape of the gate electrode layer 3 is formed around the sidewall 8 according to the shape.

【0059】次に、図4(b)に示すように、第1のダ
ミー層6と第3のダミー層から形成したサイドウォール
8とを除去する。本実施形態では、これらが窒化シリコ
ンから成るので、リン酸(150℃、120分浸漬)に
より、層間絶縁膜2(酸化シリコン膜)及びゲート電極
層3(Mo膜)に対して選択的にエッチング除去した。
このようにして形成したゲート電極3は、前述した特開
平9−139177号公報に記載の電界放出デバイスの
ように、エミッタ上のキャップを遮蔽マスクとした回転
斜め蒸着により形成しないので、エミッタ4近傍のゲー
ト電極が極薄膜となることなく、機械的強度が強いもの
である。
Next, as shown in FIG. 4B, the first dummy layer 6 and the side wall 8 formed from the third dummy layer are removed. In the present embodiment, since these are made of silicon nitride, the interlayer insulating film 2 (silicon oxide film) and the gate electrode layer 3 (Mo film) are selectively etched by phosphoric acid (immersion at 150 ° C. for 120 minutes). Removed.
Since the gate electrode 3 thus formed is not formed by rotary oblique deposition using the cap on the emitter as a shielding mask, unlike the field emission device described in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-139177, the vicinity of the emitter 4 Has a high mechanical strength without forming an extremely thin gate electrode.

【0060】次に、図4(c)に示すように、層間絶縁
膜2にコンタクトホール9を形成する。本実施形態で
は、ゲート電極層(Mo膜)3をエッチングマスクとし
て、層間絶縁膜2である酸化シリコン膜を、RIEによ
りドライエッチングして、コンタクトホール9を形成し
た。
Next, as shown in FIG. 4C, a contact hole 9 is formed in the interlayer insulating film 2. In this embodiment, the contact hole 9 is formed by dry-etching the silicon oxide film as the interlayer insulating film 2 by RIE using the gate electrode layer (Mo film) 3 as an etching mask.

【0061】なお、このコンタクトホール9の形成は後
述のゲート電極層3のパターニングの前に行うので、ゲ
ート電極層3のパターニングの際のコンタクトホール内
部のエッチング残渣等による汚染を抑制する必要があ
り、本実施形態では、有機剥離洗浄を十分に行い、コン
タクトホールに対するエッチング残渣等による有機物汚
染の防止を図った。
Since the formation of the contact hole 9 is performed before the patterning of the gate electrode layer 3 to be described later, it is necessary to suppress the contamination due to the etching residue and the like inside the contact hole when the gate electrode layer 3 is patterned. In the present embodiment, the organic peeling cleaning is sufficiently performed to prevent the contamination of the organic matter by the etching residue or the like in the contact hole.

【0062】次に、ゲート電極層3をパターニングす
る。本実施形態では、通常のフォトリソ技術により、陰
極ライン1cと直交する方向でストライプ状に、ゲート
電極層のパターニングを行った。このパターニングによ
り、各ゲート電極層3は、絶縁特性に優れた酸化シリコ
ン膜(層間絶縁膜2)によって絶縁された構造となる。
なお、この工程の前には、前述したように、十分に洗浄
することが好ましい。
Next, the gate electrode layer 3 is patterned. In the present embodiment, the gate electrode layer is patterned in a stripe shape in a direction orthogonal to the cathode lines 1c by a normal photolithography technique. By this patterning, each gate electrode layer 3 has a structure insulated by a silicon oxide film (interlayer insulating film 2) having excellent insulating properties.
In addition, before this step, as described above, it is preferable to sufficiently wash.

【0063】次に、エミッタを形成する。本実施形態で
は、スピントらが既に報告している公知の形成方法を用
いた。すなわち、まず、斜め回転蒸着により、Alを入
射角15°で基板回転させて蒸着し、リフトオフ層10
を形成した(図4(d))。次に、エミッタ材料となる
Moを、基板と垂直方向から蒸着することにより、コン
タクトホール9内部にエミッタ4が形成された(図
5)。なお、本実施形態では、このMo膜を1.2μm
の膜厚となるように蒸着を行った。その後、90℃のリ
ン酸によりリフトオフを行い、リフトオフ層10とその
上に形成されたMo膜4aとを除去することにより、図
2に示すような電界放出デバイスを得ることができた。
Next, an emitter is formed. In this embodiment, a known formation method that has been reported by Spindt et al. Is used. That is, first, Al is rotated by a substrate at an incident angle of 15 ° by oblique rotation evaporation, and evaporation is performed.
Was formed (FIG. 4D). Next, Mo as an emitter material was vapor-deposited in a direction perpendicular to the substrate, thereby forming the emitter 4 inside the contact hole 9 (FIG. 5). In the present embodiment, the Mo film has a thickness of 1.2 μm
Vapor deposition was performed so as to have a film thickness of. Thereafter, lift-off was performed with phosphoric acid at 90 ° C., and the lift-off layer 10 and the Mo film 4a formed thereon were removed, whereby a field emission device as shown in FIG. 2 could be obtained.

【0064】さらに、図示はしないが、その後、低仕事
関数材料をエミッタ4先端部に被覆する。本実施形態で
は、スパッタ法(又は蒸着法でも良い)により、LaB
6をエミッタ4の先端部に10nmコーティングした。
このとき、上記のようにゲート電極3の形状が、エミッ
タ4先端部に向かって接近して湾曲したような弓形形状
であるので、エミッタ/ゲート電極間がショートするこ
となく、容易に低仕事関数材料の被覆を行うことができ
た。なお、低仕事関数材料としては、LaB6の他に、
セシウム、ルビジウム、窒化タンタル、バリウム、クロ
ムシリサイド、チタンカーバイド、ハフニウムカーバイ
ド、ジルコンカーバイド等を用いることができる。
Further, although not shown, a tip end of the emitter 4 is coated with a low work function material thereafter. In the present embodiment, LaB is formed by sputtering (or vapor deposition).
6 was coated on the tip of the emitter 4 by 10 nm.
At this time, since the shape of the gate electrode 3 has an arcuate shape which is curved toward the tip of the emitter 4 as described above, the short work between the emitter and the gate electrode can be easily achieved without a short work function. The coating of the material could be performed. It should be noted that, as the low work function material, in addition to the LaB 6,
Cesium, rubidium, tantalum nitride, barium, chromium silicide, titanium carbide, hafnium carbide, zircon carbide, or the like can be used.

【0065】以上のようにして作製した電界放出デバイ
スを用い、その上部に蛍光体を被膜した陽極を配置し、
これを真空状態に保持し、陰極ライン1cに負バイアス
を印加し、ゲート電極層3に正バイアスを印加すること
により、アドレスされた単一のエミッタから電子が放出
され、蛍光体に衝突して発光が観察された。また、さら
に、本実施形態の電界放出デバイスでは、ゲート電極層
3とエミッタ4との間でのショートは全く観察されず、
LaB6をコーティングしないものと比較して低い駆動
電圧で、100μA/tip(単一の電界放出デバイス
(エミッタ)における電流値)以上のエミッション電流
(アノード電流)が得られた。
Using the field emission device manufactured as described above, an anode coated with a phosphor is disposed on the device,
By maintaining this in a vacuum state, applying a negative bias to the cathode line 1c and applying a positive bias to the gate electrode layer 3, electrons are emitted from a single addressed emitter and collide with the phosphor. Luminescence was observed. Further, in the field emission device of the present embodiment, no short circuit between the gate electrode layer 3 and the emitter 4 is observed at all,
An emission current (anode current) of 100 μA / tip (current value in a single field emission device (emitter)) or more was obtained at a lower driving voltage than that without coating with LaB 6 .

【0066】以上のように、本実施形態の電界放出デバ
イスによれば、陰極ライン1cを、絶縁特性に優れた熱
酸化シリコン層1dにより絶縁しているので、陰極ライ
ン1cのピッチを従来より縮小することができ、高密度
の電界放出デバイスを実現することが可能となる。さら
に、陰極ライン1cが不純物導入された不純物拡散層に
より形成しているので、より陰極ライン1cのピッチを
縮小して容易に形成することができる。
As described above, according to the field emission device of the present embodiment, since the cathode line 1c is insulated by the thermally oxidized silicon layer 1d having excellent insulation characteristics, the pitch of the cathode line 1c is reduced as compared with the conventional case. And a high-density field emission device can be realized. Further, since the cathode lines 1c are formed by the impurity diffusion layers into which impurities are introduced, the pitch of the cathode lines 1c can be further reduced to facilitate the formation.

【0067】そして、本実施形態の電界放出デバイスに
よれば、上記のような弓形形状のゲート電極構造を採用
することにより、ゲート電極3/エミッタ4間の空間的
なマージンを拡大でき、ゲート電極3/エミッタ4間の
ショートを抑制して、従来よりもゲート電極3/エミッ
タ4先端間の距離を縮小することでき、低電圧駆動が可
能で高信頼性の電界放出デバイスを実現することができ
る。さらに、ゲート電極3/エミッタ4間のショートを
抑制して、エミッタ4先端部分に低仕事関数材料を被覆
できるので、より一層駆動電圧の低減を図ることができ
る。
According to the field emission device of the present embodiment, the spatial margin between the gate electrode 3 and the emitter 4 can be increased by employing the above-described arcuate gate electrode structure. A short circuit between the gate electrode 3 and the emitter 4 can be suppressed, and the distance between the gate electrode 3 and the tip of the emitter 4 can be reduced as compared with the related art, so that a low-voltage drive and a highly reliable field emission device can be realized. . Further, since a short circuit between the gate electrode 3 and the emitter 4 can be suppressed and the tip portion of the emitter 4 can be coated with a low work function material, the driving voltage can be further reduced.

【0068】上記のように、本発明による電界放出デバ
イスを用いて構成すれば、平面型画像表示デバイスとし
て応用できるが、本発明による電界放出デバイスは、こ
れ以外にも、超高速マイクロ波デバイス、センサー等さ
まざまなデバイスに応用できるものである。
As described above, if the device is constructed using the field emission device according to the present invention, it can be applied as a flat-panel image display device. It can be applied to various devices such as sensors.

【0069】なお、以上の説明では、一つのマトリック
ス(陰極ラインと1cとライン状(ストライプ状)ゲー
ト電極3の交差部分)に単一の電界放出カソード(エミ
ッタ)4が配置されたものを示しているが、一つのマト
リックスに複数のエミッタ4が配置されても良いもので
ある。
In the above description, a single field emission cathode (emitter) 4 is arranged in one matrix (intersection between the cathode line 1c and the linear (striped) gate electrode 3). However, a plurality of emitters 4 may be arranged in one matrix.

【0070】[0070]

【発明の効果】以上説明したように、請求項1に記載の
発明によれば、絶縁特性に優れた酸化シリコンにより陰
極ライン間を絶縁しているので、絶縁耐性及び寄生容量
を向上させると共に、マトリックス・アドレス可能な陰
極ラインピッチを縮小することができる。したがって、
本発明によれば、高精細度又は多階調の平面型ディスプ
レイ等を実現できる高密度の電界放出デバイスを実現す
ることが可能となる。
As described above, according to the first aspect of the present invention, since the cathode lines are insulated by silicon oxide having excellent insulation properties, the insulation resistance and the parasitic capacitance are improved. The matrix addressable cathode line pitch can be reduced. Therefore,
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to implement | achieve a high-density field emission device which can implement | achieve a flat display of high definition or multi-gradation.

【0071】さらに、請求項2に記載の発明によれば、
陰極ラインを不純物導入された不純物拡散層から構成し
ているので、容易に高密度に陰極ラインを形成すること
ができる。
Further, according to the second aspect of the present invention,
Since the cathode lines are constituted by the impurity diffusion layers into which impurities are introduced, the cathode lines can be easily formed with high density.

【0072】また、請求項3に記載の発明によれば、基
板にSOI基板を用いているので、容易に高密度の陰極
ラインピッチを有する電界放出デバイスを実現すること
ができる。
According to the third aspect of the present invention, since the SOI substrate is used as the substrate, a field emission device having a high-density cathode line pitch can be easily realized.

【0073】また、請求項4に記載の発明によれば、ゲ
ート電極を電界放出カソード先端部に向かって接近して
湾曲したような弓形形状とすることにより、ゲート電極
/電界放出カソード間の空間的なマージンを拡大でき、
ゲート電極/電界放出カソード間のショートを抑制し
て、従来よりもゲート電極/電界放出カソード先端間の
距離を0.15μm程度まで縮小することでき、低電圧
駆動が可能で高信頼性の電界放出デバイスを実現するこ
とができる。さらに、電界放出カソード先端部への低仕
事関数材料のコーティングを、ゲート電極/電界放出カ
ソード間のショートを抑制して、容易に行える。
According to the fourth aspect of the present invention, the space between the gate electrode and the field emission cathode is formed by forming the gate electrode into an arcuate shape which is curved toward the front end of the field emission cathode. Margin can be expanded,
A short-circuit between the gate electrode and the field emission cathode is suppressed, and the distance between the gate electrode and the tip of the field emission cathode can be reduced to about 0.15 μm as compared with the related art. Devices can be realized. Furthermore, coating of the low-work-function material on the tip of the field emission cathode can be easily performed while suppressing a short circuit between the gate electrode and the field emission cathode.

【0074】また、請求項5に記載の発明によれば、請
求項1に記載の低電圧駆動が可能で高信頼性の電界放出
デバイスを容易に製造することができる。さらに、この
製造方法では、シリコンの熱酸化によって陰極ラインを
絶縁する熱酸化シリコン膜を形成し、不純物導入により
陰極ラインを形成しているので、従来のシリコン半導体
プロセスで、簡便かつ低コストでの電界放出デバイスの
製造が可能である。
According to the fifth aspect of the present invention, a highly reliable field emission device which can be driven at a low voltage and has a high reliability can be easily manufactured. Furthermore, in this manufacturing method, a thermal silicon oxide film for insulating the cathode line is formed by thermal oxidation of silicon, and the cathode line is formed by introducing impurities. The manufacture of a field emission device is possible.

【0075】さらに、請求項6に記載の発明によれば、
より容易に上記の電界放出デバイスを製造することがで
きる。
Further, according to the invention described in claim 6,
The above-mentioned field emission device can be manufactured more easily.

【0076】また、請求項7に記載の発明によれば、熱
酸化に対するマスクとして、形成及びエッチングプロセ
スにおける技術が成熟した窒化シリコンを用いているの
で、その形成が容易で、かつ後の熱酸化工程における酸
化シリコンの形成を容易に行うことができる。
According to the seventh aspect of the present invention, as a mask for thermal oxidation, silicon nitride whose technology in formation and etching process is mature is used, so that the formation is easy and thermal oxidation is performed later. Silicon oxide can be easily formed in the process.

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

【図1】本発明による実施形態のアレイ化された電界放
出デバイスの要部を示す部分断面斜視図である。
FIG. 1 is a partial cross-sectional perspective view showing a main part of an arrayed field emission device according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1のアレイ化されたもののうち単一の電界放
出デバイスの拡大断面側面図である。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional side view of a single field emission device of the array of FIG.

【図3】本実施形態の電界放出デバイスの製造方法を説
明するための単一の電界放出デバイスにおける要部断面
図である。
FIG. 3 is a fragmentary cross-sectional view of a single field emission device for describing a method of manufacturing the field emission device of the present embodiment.

【図4】本実施形態の電界放出デバイスの製造方法を説
明するための単一の電界放出デバイスにおける要部断面
図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part of a single field emission device for describing a method of manufacturing the field emission device of the embodiment.

【図5】本実施形態の電界放出デバイスの製造方法を説
明するための単一の電界放出デバイスにおける要部断面
図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view of a main part of a single field emission device for describing a method of manufacturing the field emission device of the embodiment.

【図6】従来の電界放出デバイスの構造を示す要部断面
図である。
FIG. 6 is a sectional view of a main part showing a structure of a conventional field emission device.

【図7】従来の電界放出デバイスの構造を示す要部断面
図である。
FIG. 7 is a sectional view of a main part showing a structure of a conventional field emission device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 1c 陰極ライン 1d 熱酸化シリコン層 2 層間絶縁膜 3 ゲート電極 4 電界放出カソード(エミッタ) 6 第1のダミー層 7 第2のダミー層 8 サイドウォール 9 コンタクトホール DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 1c Cathode line 1d Thermal oxide layer 2 Interlayer insulating film 3 Gate electrode 4 Field emission cathode (emitter) 6 First dummy layer 7 Second dummy layer 8 Side wall 9 Contact hole

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 矢野 盛規 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Morino Yano 22-22 Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板表面に導電性を示すライン状に形成
された複数の陰極ラインと、該陰極ライン上に配置され
た電界放出カソードと、該電界放出カソードの周辺に配
置されて前記陰極ラインと垂直方向のライン状に形成さ
れたゲート電極とから構成される電界放出デバイスにお
いて、 前記複数の陰極ラインの間が熱酸化シリコンにより絶縁
されていることを特徴とする電界放出デバイス。
1. A plurality of cathode lines formed in a line shape showing conductivity on the surface of a substrate, a field emission cathode arranged on the cathode line, and the cathode line arranged around the field emission cathode. And a gate electrode formed in a vertical line shape, wherein the plurality of cathode lines are insulated by thermal silicon oxide.
【請求項2】 前記陰極ラインが不純物導入された不純
物拡散層から成ることを特徴とする請求項1に記載の電
界放出デバイス。
2. The field emission device according to claim 1, wherein said cathode line is formed of an impurity diffusion layer into which impurities are introduced.
【請求項3】 前記基板がSOI基板であることを特徴
とする請求項1又は2に記載の電界放出デバイス。
3. The field emission device according to claim 1, wherein the substrate is an SOI substrate.
【請求項4】 前記ゲート電極が前記電界放出カソード
先端部に向かって接近して湾曲したような弓形形状であ
ることを特徴とする請求項1、2、又は3に記載の電界
放出デバイス。
4. The field emission device according to claim 1, wherein the gate electrode has an arcuate shape that is curved toward the front end of the field emission cathode.
【請求項5】 基板表面に導電性を示すライン状に形成
された複数の陰極ラインと、該陰極ライン上に配置され
た電界放出カソードと、該電界放出カソードの周辺に配
置されて前記陰極ラインと垂直方向のライン状に形成さ
れたゲート電極とから構成される電界放出デバイスの製
造方法において、 絶縁層上にシリコン層が配置されて成る基板の上部に、
熱酸化に対するマスクを陰極ラインが形成される部分に
形成するマスク形成工程と、 該マスクが形成された基板のシリコン層を熱酸化してマ
スクが形成されない部分に酸化シリコンを形成する熱酸
化工程と、 前記マスクを除去し、前記基板のシリコン層のマスクが
除去された部分に不純物を導入して陰極ラインとなる不
純物拡散層を形成する不純物拡散工程と、 該不純物拡散層が形成された基板上に層間絶縁膜を形成
する層間絶縁膜形成工程と、 該層間絶縁膜上にゲート電極層を形成するゲート電極形
成工程と、 前記層間絶縁膜にコンタクトホールを形成して電界放出
カソードを形成する電界放出カソード形成工程とを含む
ことを特徴とする電界放出デバイスの製造方法。
5. A plurality of cathode lines formed in a line shape showing conductivity on a substrate surface, a field emission cathode arranged on the cathode line, and the cathode line arranged around the field emission cathode. And a gate electrode formed in the shape of a vertical line, comprising: a substrate having a silicon layer disposed on an insulating layer;
A mask forming step of forming a mask for thermal oxidation in a portion where the cathode line is formed; a thermal oxidation step of thermally oxidizing a silicon layer of the substrate on which the mask is formed to form silicon oxide in a portion where the mask is not formed; Removing the mask, introducing an impurity into a portion of the silicon layer of the substrate where the mask has been removed to form an impurity diffusion layer serving as a cathode line, and forming an impurity diffusion layer on the substrate on which the impurity diffusion layer is formed. Forming an interlayer insulating film on the interlayer insulating film, forming a gate electrode layer on the interlayer insulating film, forming a contact hole in the interlayer insulating film to form a field emission cathode. A method for manufacturing a field emission device, comprising: forming an emission cathode.
【請求項6】 前記基板としてSOI基板を用いること
を特徴とする請求項5に記載の電界放出デバイスの製造
方法。
6. The method according to claim 5, wherein an SOI substrate is used as the substrate.
【請求項7】 前記マスク形成工程において形成するマ
スクが窒化シリコンから成ることを特徴とする請求項5
に記載の電界放出デバイスの製造方法。
7. A mask formed in the mask forming step is made of silicon nitride.
3. The method for manufacturing a field emission device according to claim 1.
JP32430797A 1997-11-26 1997-11-26 Field emission device and manufacture thereof Pending JPH11162327A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009252689A (en) * 2008-04-10 2009-10-29 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Manufacturing method of emitter for field emission element

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