TW439303B - Manufacturing method of field emission device - Google Patents

Description

五、發明說明（1) 本發明係有關於—種真空微電子元件的製程技術，特 別是有關於一種場發射元件的製造方法，藉由形成煙囪狀 發射極以增加發射面積，可應用於平面顯示器上。 傳統的％發射元件（Held emission device)是應用 Spindt在1 968年所發明的方法來製作’它主要是利用斜角 蒸鏟的方式沈積一層舉離層（lift of i layer)，這並不是 標準的積體電路製程技術，需要特殊的製造設備與方法， 成本較高。而另一種方法是利用矽來當作發射極 (emitter) ’這方法可應用現有的〖(^製程技術，且可以用 氧化削尖（ο X i d a t i ο n s h a r p e n i n g)的方法得到非常尖的發 射極.，但是其屬於高溫製程，無法應用在大面積平面顯示 器的玻璃基板上。 有鑑於此’本發明提供一種新穎的二極與三極結構的 場發射元件之製造方法’不需複雜的製造設備及方法s並 且可在小於400 t以下的溫度下進行。 根據上述目的，本發明提供一種（二極結構）場發射元 件的製造方法，適用於半導體基底，上述製造方法包括下 列步騍：（a)在上述半導體基底（例如n型矽基底）表面形 成一絕緣層；（b)選擇性蝕刻上述絕緣層以形成一露出上 述半導體基底表面的孔洞及一絕緣圖案；（c)沈積一導雷 層於上述絕緣圖案之上表面與側壁；（d)反向蝕刻上述導 電層’以留下位於上述絕緣圖案側壁的煙囪狀導電物，用 來當作場發射極；（e)以衝氡化蝕刻溶液（B0E)溼蝕刻上述 絕緣圖案’使其上表面低於上述場發射極。 、

第4頁 五、發明說明（2) 上述絕緣層的厚度介於2000〜3 000 0埃之間’例如為利 用化學氣相沈積法形成之氧化層或是旋塗方式形成之含氣 坡璃層（FSG)、旋塗玻璃層（ spin on glass)、低介電常數 有機材料層。 再者’上述導電層的材料係選自複晶矽、非晶矽、金 屬、金屬矽化物、金屬氮化物、鑽石、類鑽、碳化矽構成 之族群。 根據上述目的，本發明提供另一種（三極結構）場發射 疋件的製造方法，適用於半導體基底，上述製造方法包括 、，歹j步驟‘（a)在上述半導體基底上依序形成第1絕緣層、 ，作閘極的導電層、第2絕緣層；（b)選擇性蝕刻上述第2 絕緣層、導電層、第〗絕緣層以形成一露出上述半導體基 底的孔洞及一疊層圖案；（c )在上述孔洞 隙壁一;⑷在上述絕緣 相J壁形成一導電間隙壁，以當作場發射極；（e)^敍刻上 2第2絕緣層及上述絕緣間隙壁的頂部，使上述絕緣間隙 漉的上表面低於上述場發射極。 ν '' 之土述目的、特徵'和優點能更明顯易 ^下文特舉-較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說 %如下： 圖式之簡單說明： 第1 A〜第1 E圖為本發明實施例1之場發射元件程剖 面示意圖。 一 第2A〜第2E圖為本發明實施例2之場發射元件的製程剖

第5頁 ㈣393 〇3 五、發明說明（3) 面示意圖。 符號之說明 100、200〜矽基底。 102、l〇2a、102b、2 0 2、20 6 〜絕緣層。 104、208'•光阻層。 106、l〇6a、204 〜導電層。 2 1 0、2 1 2 a ~絕緣間隙壁。 2 1 2〜導電間隙壁。 2 0 9、2 0 9 ’ ~ 孔洞。 T〜疊層圖案。 實施例1 請參照第1A〜第1 E圖，其顯示二極結構場發射元件的 製程剖面示意圖。 首先’請參照第1A圖，在上述例如N型矽（1 0 0 )之半導 體基底100表面形成厚度介於2〇〇〇〜30000埃的絕緣層102， 然後利用微影技術形成具有孔洞1 〇 3的光阻圖案1 〇 4。上述 絕緣層1 0 2例如為化學氣相沈積法（c h e m i c a 1 v a ρ 〇 r deposition ;CVD)形成之氧化層；或是旋塗方式（spin coat ing)含氟玻璃層（FSG)、旋塗玻璃層（SOG)、低介電常 數有機材料層。 接著，請參照第1B圖，利用上述光阻圖案1 〇 4當作蝕 刻罩幕，並且利用活性離子触刻法（r e a c t i v e i ο η etching ; R IE)進行上述絕緣層1 〇2的反向蝕刻，以形成露 出上述半導體基底100表面的孔洞103’及絕緣圖案102a。

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f' - S 3 0 五、發明說明（4) 然後，請參照第1C圖，利用化學氣相沈積法（CVD)或 濺鍍法全面性沈積厚度介於3 0 0〜30 〇〇埃的導電層1〇6於上 述絕緣圖案102a之上表面與側壁，其亦延伸於露忠之半導 體基底1 0 0。上述導電層1 〇 6的材料為複晶矽、非晶矽；鎢 (W)、翻（Mo)、鈦（Ti)、鈀（Pd)、鈮（Nb)、鋁（Ta)、鉻 (Cr)、鎢化鈦（TiW)、金（Au)等金屬；金屬矽化物；氮化 鈦（TiN)、氮化鋁（A1N)、氮化碳（CN)、氮化鈮（NbN)等金 屬氮化物；鑽石、類鑽、或是碳化矽。 其次’請參照第1 D圖，利用活性離子敍刻法進行上述 導電層1 0 6的反向蝕刻’以留下位於上述絕緣圖案丨〇2a側 壁的煙囪狀導電物1 〇6a，用來當作場發射極。 最後’請參照第1 E圖，利用緩衝氧化钱刻溶液（b〇E) 溼钕刻上述絕緣圖案1 〇2a，以留下上表面低於上述場發射 極的絕緣圖案1 0 2 b。後續可視需要再以溼蝕刻法將場發射 極的尖端削尖。 實施例1的製程可在小於4 0 0 °C的溫度下進行。 實施例2 請參照第2 A〜第2 E圖’其顯示三極結構場發射元件的 製程剖面示意圖。 首先，請參照第2 A圖，在例如N型矽（1 〇 〇 )的半導體基 底200上依序形成厚度介於5 000 - 20 000埃的絕緣層2〇2、厚 度介於1000〜3000埃的導電層204、厚度介於2 000、loooo 埃的絕緣層2 0 6，上述絕緣層2 0 2例如為蒸鍍 (evaporation)、濺鍍（sputtering)、低壓化學氣相沈積

第7頁 五、發明說明（5) 法（LPCVD)、電漿輔助化學氣相沈積法（PECVD)、電子迴旋 共振化學氣相沈積法（ECR-CVD)、熱氧化形成之氧化層。 導電層2 0 4例如為物理氣相沈積法或化學氣相沈積法形成 之複晶矽或是鎢、鉬、鈦、鈀、鈮、钽、鉻、鎢化鈦、銘 等金屬層。而絕緣層2 0 6例如為蒸鍍、濺鍍、低壓化學氣 相沈積法、電漿輔助化學氣相沈積法、電子迴旋共振化學 氣相沈積法、光化學氣相沈積法（photo CVD)形成之氧化 層。符號208為具有呈1〇χ 10、50x 50、100x 100陣列的 孔洞2 0 9之光阻圖案2 0 8。 然後，請參照第2B圖，以光阻圖案208當作蝕刻罩 幕，並且蝕刻上述絕緣層20 6、當作閘極的導電層204、絕 緣層202以形成露出上述半導體基底200的孔洞209’及一疊 層圖案T。 接著，請參照第2C圖，利用各種化學氣相沈積法全面 性沈積一延伸於孔洞2 0 9 ’的絕緣層（例如氡化層），其次， 利用活性離子蝕刻法反向蝕刻上述絕緣層，以上述孔洞 2 0 9 ’内的疊層圖案T侧壁形成一絕緣間隙壁（s p a c e r) 21 0。 之後，請參照第2D圖，全面性沈積一延伸於上述絕緣 間隙壁2 1 0的導電層，上述導電層例如為複晶矽、非晶 石夕；鑛（W)、鉬（Mo)、敛（Ti)、他（Pd)、銳（Nb)、組 (Ta)、鉻（Cr)、鎢化鈦（TiW)、金（An)等金屬；金屬矽化 物；氮化鈦（TiN)、氮化鋁（A1N)、氮化碳（CN)、氮化鈮 (NbN)等金屬氮化物；鑽石、類鑽、或是碳化矽，接著， 利用活性離子餘刻法反向#刻上述導電層，形成煙自狀導

五、發明說明（6) 電間隙壁21 2，以當作場發射極 最後’請參照第2E圖，利用緩衝氧化蝕刻溶液（β〇Ε) 溼蝕刻上述絕緣間隙壁2 1 〇，以留下上表面低於上逑場硌 射極的絕緣圖案2l〇a ^後續可視需要再以溼蝕刻法或E ^ 低《IL乳化法將場發射極的尖端削尖。 實施例2的製程可在小於4〇〇它的溫度下進行。 發明特徵與效果 =發明提#的場發射元件的製造方法㈣ 可 :路製程技術’不需採用複雜的製造設備及方法，=積趲 在小於40(TC的溫度下進行，適用於平 边且 «Α . 1 ' 1 017

Claims (1)

1. «=^3 93 0 3

   六、申請專利範圍 法 法 層 方法，適用於半導體基底 形成一絕緣層； 乂心成一路出上述半導體 1. 一種場發射元件的製造 上述製造方法包括下列步驟： (a)在上述半導體基底表面 (b )選擇性蝕刻上述絕緣層 基底表面的孔洞及一絕緣圖案 η-導電層於上述絕緣圖案之上表面與制壁； (d)反向蝕刻上述導電層，以 吼土 側壁的煙®狀導電物’用來當作場發射極;.^絕緣圖案 射極⑷㈣刻上述絕緣㈣’使其上表面低於上述場發 項所述之場發射元件的製造方 /、Τ上述+導體基底係Ν型矽基底。 3·如申請專利範圍第丨項所述之場發射元件的製造方 其中上述絕緣層係利用化學氣相沈積法形成之氧化 法 ·如申凊專利範圍第1項所述之場發射元件的製造方 杳其中上述絕緣層係含氟玻璃層、旋塗玻璃層、 *數有機材料層。 _冤 法5·如申請專利範圍第1項所述之場發射元件的製造方 ’其中上述絕緣層的厚度介於2000〜30000埃之間。 法 6,如申請專利範圍第1項所述之場發射元件的製造方 '，其中上述步驟（b)更包括： 利用微影技術以形成具有孔洞的光阻層； 利用上述光阻層為蝕刻罩幕，以活性離子蝕刻法進行 六、申請專利範圍 上述絕緣層的蝕刻。 7 ·如申請專利範圍第1項所述之場發射元件的製造方 法，上述導電層的材料係選自複晶矽、非晶矽、金屬 '金 屬矽化物、金屬氮化物、鑽石、類鑽、碳化矽構成之族 群。 8. 如申請專利範圍第1項所述之場發射元件的製造方 法，其中步驟（e )係採用緩衝氧化蝕刻溶液（BOE )以進行。 9. 一種場發射元件的製造方法，適用於半導體基底’ 上述製造方法包括下列步驟： (a) 在上述半導體基底上依序形成第1絕緣層、當作閘 極的導電層、第2絕緣層； (b) 選擇性蝕刻上述第2絕緣層、導電層、第1絕緣層 以形成一露出上述半導體基底的孔洞及一疊層圖案； (c) 在上述孔洞内的疊層圖案側壁形成一絕緣間隙壁 (spacer)； (d) 在上述絕緣間隙壁的側璧形成一導電間隙壁’以 當作場發射極； (e) 溼蝕刻上述第2絕緣層及上述絕緣間隙壁的頂部， 使上述絕緣間隙壁的上表面低於上述場發射極。 I 0.如申請專利範圍第9項所述之場發射兀件的製造方 法，其中上述半導體基底係N塑矽基底° II ·如申請專利範圍第9項所述之場發射7•件的製造方 法，其中上述第1、2絕緣層係利用化學氣相沈積法形成之 氧化層。

   第U頁 六、申請專利範圍 、1 2*如申請專利範圍第9項所述之場發射元件的製造方 法，其中上述第1、2絕緣層係含氟玻璃層 '旋塗玻璃層、 低介電常數有機材料層。 1 3.如申請專利範圍第9項所述之場發射元件的製造方 法，其中上述步驟（b)更包括： 利用微影技術以形成具有孔洞的光阻層； 利用上述光阻層為敍刻罩幕，以活性離子独刻法進行 上述第2絕緣層、導電層、第i絕緣層的蝕刻。 1 4.如申請專利範圍第9項所述之場發射元件的製造方 法’上述導電側壁的材料係選自複晶矽、非晶矽、金屬、 金屬矽化物、金屬氮化物、鑽石、類鑽、碳化矽構成之族 群。 1 5.如申請專利範圍第9項所述之場發射元件的製造方 法，其中步驟（e )係採用緩衝氧化蝕刻溶液（β〇Ε )以進行。 16‘如申請專利範圍第9項所述之場發射元件的製 法，其中上述步驟（c)形成絕緣間隙壁的方法更包括下 S^ei > 全面性沈積一延伸於孔洞的絕緣層；及 以形成絕 利用活性離子蝕刻法反向蝕刻上述絕緣層 緣間隙壁。 17. 方法，其 列步驟： 如申請專利範圍第9項所述之場發射元件 中上述步驟（d)形成導電間隙壁的方法更包^ = 層；及 王面性沈積一延伸於上述絕緣間隙壁的導電

   第12頁

   六、申請專利範圍 利用活性離子蝕刻法反向蝕刻上述導電層，以形成導 電間隙壁。 liHll 第13頁