矽基介質隧穿發射器的製作方法

2023-04-24 06:19:21

專利名稱：矽基介質隧穿發射器的製作方法
技術領域：
本發明的目的是場發射器件。確切地說，本發明的目的是利用直接隧穿的平板場發射發射器及其在電子器件中的應用。
背景技術：
已經提出並實現了幾種不同的場發射器件，來產生對顯示器或諸如存儲器件之類的其它電子器件有用的電子發射。諸如電子管之類的具有熱離子發射的真空器件，通常要求對陰極表面進行加熱以便產生電子發射。這些電子在真空中被拉向處於預定電壓電位以吸引電子的陽極結構。對於諸如陽極射線管之類的顯示器件，陽極結構塗敷有磷光體，以便當電子碰撞到磷光體上時，產生光子，從而產生可見圖象。諸如spindt尖端(尖端電極)之類的冷陰極器件已經被用來取代熱陰極技術。但難以在保持可靠性的情況下減小尺寸和集成幾個尖端電極。隨著尺寸的減小，這種spint尖端更容易受到來自電子對其撞擊時離化的真空中的沾汙物造成的損傷。此離化的沾汙物然後被吸引到spint尖端，並與之碰撞，從而引起損傷。為了提高尖端的壽命，真空區必須具有越來越高的真空。發射表面大的平板發射器能夠可靠地工作於較低的真空要求下。但對於某些應用，來自常規平板發射器的電流密度對於實用來說不夠高。因而要求產生一種高能量流密度且能夠可靠地工作於低真空環境中的平板發射器。

發明內容
一種發射器具有電子源層和形成在電子源層上的矽基介質層。此矽基介質層最好小於大約500。絕緣層可選地形成在電子源層上，並具有確定在其中的窗口，其中形成矽基介質層。陰極層被形成在矽基介質層上，以便提供電子和/或光子的能量發射表面。最好對發射器進行退火工藝，從而提高從電子源層隧穿到陰極層的電子的供應。


圖1是結合本發明的隧穿發射器的示例圖。
圖2是利用圖1的隧穿發射器來產生聚焦電子束的示例圖。
圖3是包括幾個隧穿發射器和光學透鏡來產生顯示器件的集成電路的示例圖。
圖4是組合多個隧穿發射器和控制電路的集成電路的示例方框圖。
圖5是包括用來對來自隧穿發射器的能量發射進行聚焦的透鏡的集成電路上的隧穿發射器的示例圖。
圖6是由包括多個隧穿發射器和產生或通過光子的陽極結構的集成電路所形成的示例顯示器。
圖7是一種組合了包括用來將信息讀出和記錄到可重新寫入的媒質上的多個隧穿發射器的集成電路的示例存儲器件。
圖8是示例隧穿發射器的俯視圖。
圖9是圖8所示隧穿發射器的示例剖面圖。
圖10是組合了結合本發明隧穿發射器的電子器件、顯示器、或存儲器件中的至少一種的計算機的示例方框圖。
圖11A-11L是用於產生本發明隧穿發射器的示例工藝中的各個示例步驟的說明。
圖12A和12B是用來可選地改善本發明的隧穿發射器的示例退火工藝曲線。
具體實施例方式
本發明的目的是場發射發射器，它利用大約200-5000的足夠薄的矽基介質層在電子源與平板陰極表面之間產生電場，從而提供每平方釐米高量級的發射電流。常規的平板發射器型器件每平方釐米表面面積的發射電流低，因而無法用於某些應用。本發明採用具有適當缺陷的矽基介質的薄的澱積，來形成其中電子能夠在電子源與陰極表面之間通過介質中的缺陷隧穿的勢壘。利用這種材料，發射電流能夠大於10mAmps、100mAmps、或1Amp，這分別比常規平板發射器技術的發射電流大一個數量級、二個數量級、或三個數量級。實際的發射率依賴於用於矽基介質層的材料類型和厚度的設計選擇。除了電子發射之外，本發明還能夠產生光子發射，從而提供了結合本發明的發射器的其它用途。在本發明及其製造方法和各種用途的下列描述中，本發明的其它優點和特點將變得更為明顯。
在本描述中，發射器元件的各個部分未被按比例繪出。為了提供更清楚描述和理解本發明，某些尺度相對於其它尺度已經被誇大。為了說明的目的，此處所示的各個實施方案被示於二維圖中，各個區域具有深度和寬度。應該理解的是，這些區域僅僅是部分器件的單個單元的說明，它可能包括排列在三維結構中的多個這種單元。因此，當製造在實際器件上時，這些區域將具有3個尺度，包括長度、寬度、以及深度。
而且，本發明的一種情況是能夠用常規的集成電路薄膜技術來加以製造。存在著幾種不同的技術來執行幾個工藝步驟，並能夠由本技術領域的熟練人員互換。例如，除非特別指出，材料的澱積可以舉例來說採用諸如蒸發、濺射、化學氣相澱積、分子束外延、光化學氣相澱積、低溫光化學氣相澱積、以及等離子體澱積之類的幾種工藝之一。此外，存在著幾種不同的腐蝕技術，舉一些可能的腐蝕技術的例子來說，例如溼法腐蝕、幹法腐蝕、離子束腐蝕、反應離子刻蝕、以及諸如桶形等離子體腐蝕和平面等離子體腐蝕之類的等離子體腐蝕。所用實際技術的選擇將依賴於所用的材料和成本考慮以及其它各種因素。
圖1是發射器器件50的示例圖，優選為用於電子發射和光子發射的平板發射器，它包括電子源10。電子源10上是矽基介質層20。矽基介質層20優選由諸如SiNx、Si3N4(RI～2.0)、SixNy(x∶y＞3/4，RI～2.3)、以及SiC之類的矽基介質組成。預計Fy-SiOx和Cy-SiOx也能夠用作矽基介質層20。矽基介質層的厚度優選約為500，優選約為250-5000，例如500或以下。選擇的厚度決定了矽基介質層必須能夠承受的電場強度和所希望的發射器發射電流。排列在矽基介質層20上的是陰極層14，優選為諸如鉑、金、鉬、銥、釕、鉭、鉻、或其它難熔金屬、或其合金之類的薄膜導體。可以採用本技術領域熟知的其它陰極層。陰極層的厚度優選為30-150。當具有發射器電壓為Ve(約為3-10V)的電壓源24經由接觸12被施加到陰極層14和電子源10時，電子從襯底10(電子源)隧穿到陰極層14。由於矽基介質層20中的缺陷，故電子通過其中隧穿的電場被各種各樣的間隙加強，故從陰極層14表面的電子發射16大於常規的設計。光子發射18也同電子發射16一起發生，從而形成從發射器50的能量發射22。
各種厚度的電場如公式E=Vctthickness]]>
計算，其中tthickness是矽基介質層20的厚度。例如，對於Ve＝10V，對於500的矽基介質層厚度，電場等於每米2×106V。特定的碳基介質的最小厚度將依賴於其介電強度。
最好用等離子體增強的化學氣相澱積(PECVD)方法來澱積矽基介質層20。利用矽基介質作為矽基介質層，在整個材料中得到了缺陷區，從而由於在電子源10與陰極層14之間產生的電場而通過各種缺陷實現了隧穿。
圖2是圖1發射器50的使用示例圖。在此應用中，利用被示例為設定在預定電壓下的導體中孔徑的靜電聚焦器件即透鏡28，電子發射16被聚焦，此預定電壓能夠被調整以改變其聚焦效果。本技術領域的熟練人員可以理解的是，透鏡28可以由一個以上的導電層組成以產生所希望的聚焦效果。電子發射16被透鏡28聚焦成陽極結構30上的聚焦束32。陽極結構30被設定在陽極電壓Va26，其幅度依賴於專門用途以及從陽極結構30到發射器50的距離而變化。例如，若陽極結構30是存儲器件的可記錄媒質，則Va可以被選擇為500-1000V。透鏡28藉助於在其孔徑中形成電場34而聚焦電子發射16。藉助於設定Ve在恰當的電壓，從發射器50發射的電子被引導到孔徑中心，並進一步被吸引到陽極結構30，從而形成聚焦束32。
圖3是顯示器40的示例實施方案，此顯示器40具有包括多個製作在象素組陣列中的集成發射器100的集成電路52。此集成發射器100發射光子發射18，可見光源被光學透鏡38聚焦成聚焦束32，可作為圖象被觀察到。光學透鏡38最好塗敷有諸如氧化銦錫之類的透明導電錶面，以便捕獲從發射器發射的電子。
圖4是集成電路52的示例實施方案，此集成電路52包括至少一個集成的發射器100，但最好包括多個排列在陣列中的集成發射器100。發射器控制電路72被集成到集成電路52上，並被用來運行此至少一個集成發射器100。
圖5是包括集成發射器100和透鏡陣列48的集成電路52的示例實施方案。此集成電路52被製作在導電襯底10上，最好是重摻雜的矽或諸如薄膜導電層之類的導電材料上，以便提供電子源。在襯底10上澱積厚度約為250-約5000的矽基介質層20，優選厚度約為500，雖然對於某些應用約為250-約750更優選。不同的半導體薄膜材料層被塗敷到襯底10，並被腐蝕以便形成集成發射器100。排列在矽基介質層20上的是陰極層14，優選是鉑、金、鉬、銥、釕、鉭、鉻、或其它難熔金屬、或其合金組成的薄膜導電層。陰極層14構成陰極表面，能量以電子和光子的形式從這一陰極表面被發射。利用常規薄膜加工方法，透鏡陣列48被塗敷，且包括確定在導電層中並對準於集成發射器100的透鏡28，以便將來自集成發射器100的能量聚焦到陽極結構76的表面上。陽極結構76位於離集成電路52的目標距離74處。
圖6是利用本發明的集成發射器100的顯示器應用的變通實施方案。在本實施方案中，多個發射器100被排列並形成在集成電路52中。各個發射器100以電子發射16或光子發射18的形式發射能量發射22(見圖1)。陽極結構即顯示器40將發射的能量接收在由各個顯示子象素42構成的顯示象素44中。顯示子象素42最好是在被能量發射22的電子發射16衝擊時產生光子的磷光材料。或者，顯示子象素42可以是半透明的窗口，以便使能量發射22的光子發射18能夠通過顯示器40，以直接看到光子。
圖7是存儲器件中的集成發射器100的一種變通應用。在本示例實施方案中，具有多個集成發射器100的集成電路(IC)52，具有對準於集成發射器100的聚焦機構的透鏡陣列48。此透鏡陣列48被用來產生聚焦束32，用來影響記錄表面即媒質58。媒質58被塗敷到動子(mover)56，動子56使媒質58相對於IC52上的集成發射器100定位。動子56中最好集成有讀出器電路62。讀出器62被示為一种放大器68，它對媒質58形成第一歐姆接觸64，並對動子56形成第二歐姆接觸66，最好是半導體或導體襯底。當聚焦束32衝擊媒質58時，若聚焦束的電流密度足夠高，則媒質被相變，從而形成一個受影響的媒質區域60。當低電流密度的聚焦束32被施加到媒質58的表面時，不同的電流流速被放大器68探測到，從而產生讀出器輸出70。於是，藉助於用來自發射器50的能量影響媒質，就用媒質的結構相變性質將信息儲存在媒質中。一種這樣的相變材料是In2Se3。其它的相變材料對本技術領域的熟練人員來說是眾所周知的。
圖8是包括陰極層14中的發射器區域84的集成發射器100的本發明示例實施方案的俯視圖。此陰極層14被電耦合到並被排列在導電層82上，導電層82被排列在絕緣層78上。集成發射器100優選被示為圓形，但也可以採用其它形狀。由於形狀中不存在分立的邊沿，故在產生更為均勻的電場方面，圓形是優選的。
圖9是圖8所示集成發射器100示例實施方案沿9-9線的剖面。襯底10，最好是導電層或重摻雜的半導體，為排列在絕緣層78中和絕緣層78表面上確定的窗口內的矽基介質層20提供了電子源。陰極層14，最好是薄膜導電層，被排列在矽基介質層20上以及部分地排列在導電層82上，從而與導電層形成電接觸。依賴於為絕緣層78和導電層82所選擇的特定材料，可以可選地增加粘合層80，以便提供導電層82與絕緣層78之間的鍵合界面。
圖10是計算機90的示例方框圖，此計算機90包括微處理器96、耦合到微處理器96的存儲器98、以及電子器件即存儲器件94和顯示器件92。這些電子器件被耦合到微處理器96。微處理器96能夠執行來自存儲器的指令，以便能夠在存儲器與諸如存儲器件94和顯示器件92之類的電子器件之間傳送數據。各個電子器件包括集成電路，此集成電路具有結合本發明的發射器，最好還具有用來聚焦來自發射器的發射的聚焦器件。發射器具有其上排列有絕緣層的電子源層。絕緣層具有窗口，窗口限定矽基介質層被製作在其中的電子源層上。在矽基介質層上是陰極層。最好但可選地已經對具有發射器的集成電路進行了退火工藝，從而增大能夠從電子源層隧穿到陰極層的電子的供應。
圖11A-11L示出了用來產生結合本發明的發射器的示例工藝步驟。圖11A中，由介質或光抗蝕劑組成的掩模102被用於襯底10，襯底10最好是矽半導體襯底，雖然襯底10也可以是導電薄膜層或導電襯底。襯底10的薄片電阻最好約為100-0.0001歐姆釐米。
在圖11B中，當襯底10是矽襯底時，最好用場氧化物生長方法來形成絕緣層78。絕緣層78能夠可選地由用常規半導體工藝單獨或組合地澱積或生長的其它氧化物、氮化物、或其它常規的介質組成。絕緣層78被形成在除了被掩模102覆蓋的區域之外的襯底上。被掩模102確定的區域，因而即是得到的空洞即絕緣層78中確定的窗口，決定了稍後形成的集成發射器100在清除掩模102時的位置和形狀。
在圖11C中，矽基介質層20被塗敷在襯底10和絕緣層78上。最好用等離子體增強化學氣相澱積(PECVD)方法來塗敷矽基介質層20。其它的澱積技術對本技術領域的熟練人員來說是眾所周知的。矽基介質層20優選是SiC、SiNx、Si3N4(RI～2.0)、或SixNy(x∶y＞3/4，RI～2.3)。預計Fy-SiOx和Cy-SiOx也能夠可選地用作矽基介質層20的適當材料。矽基介質層20的厚度優選約為250-5000。
在圖11D中，可選的粘合層80被塗敷在矽基介質層20上。當稍後塗敷的導電層82(見圖11D)由金組成時，此粘合層80最好是鉭。最好用常規的澱積技術來塗敷此粘合層。此粘合層的厚度最好約為100-200。
在圖11E中，導電層82被塗敷在襯底10上先前塗敷的各個層上，例如若使用了的粘合層80上。最好用常規澱積技術來形成導電層。此導電層最好是厚度約為500-1000的金。
在圖11F中，圖形化層104被塗敷在導電層82上，並在其中形成窗口，以便確定用來形成集成發射器的腐蝕區域。此圖形化層104優選是厚度約為1微米的正光抗蝕劑層。
在圖11F中，最好用溼法腐蝕工藝來產生圖形化層104窗口內導電層82中的窗口。此腐蝕通常會產生如所示的各向同性腐蝕分布，其中部分導電層在圖形化層104下方被鑽蝕。所用的溼法腐蝕工藝最好不與若使用了的粘合層80發生反應，以便防止腐蝕材料達及襯底10。幹法腐蝕工藝可以可選地用來腐蝕此導電層82。
在圖11G中，優選用對粘合層80有反應的幹法腐蝕工藝來產生各向異性分布108。
在圖11I中，剝離工藝被用來清除圖形化層104。低溫等離子體最好被用來反應腐蝕燒蝕圖形化層104中的有機材料。在平面等離子體腐蝕工藝中，所用的氣體最好是氧。被處理過的襯底10被置於工作室中，並引入氧，且氧被能量源激發，從而產生等離子體場。等離子體場將氧激勵到高能狀態，這又將圖形化層104組分氧化成氣體，被真空泵從工作室清除。
溼法剝離工藝能夠被可選地用來代替等離子體剝離工藝。處理過的襯底10被浸入到溶劑中，泡脹並清除圖形化層104。
圖11J示出了在處理過的襯底10的表面上塗敷陰極層14。陰極層14最好是諸如鉑的薄膜金屬層，且厚度最好約為50-約250。諸如金、鉬、銥、釕、鉭、鉻、或其它難熔金屬、或其合金之類的其它金屬作為例子，能夠被用於陰極層14。排列在矽基介質層20上的陰極層14構成了發射器腔114中的發射器表面86。
圖11K示出了陰極抗蝕劑層116的塗敷，它已經塗敷並圖形化以確定陰極層14待要被腐蝕處的窗口以便隔離襯底10上的多個發射器，圖11L示出了已經被腐蝕過並且陰極光抗蝕劑116被清除的陰極層14。在發射器腔114內是發射器表面86。圖8示出了得到的結構的示例俯視圖。發射器表面86具有第一面積。發射器腔114具有與發射器表面86接界的第一腔區，具有在粘合層80中基本上平行的側壁。發射器腔114具有形成在導電層82中的第二腔區，其側壁偏斜到具有第二面積的窗口。此第二面積大於第一面積。陰極層14被排列在發射器表面86和發射器腔114的第一和第二區的側壁上。利用集成電路薄膜工藝來製造發射器，能夠與常規集成電路上的傳統有源電路一起被集成。如上所述，具有發射器的集成電路能夠被用於顯示器件或存儲器件。在製造之後，最好對發射器進行退火工藝，以便增大從發射器的發射量。
圖12A和12B是用來增大體現本發明的發射器的發射電流能力的示例退火工藝的曲線。藉助於使發射器壽命更長，此退火工藝還提高了器件成品率和質量。在其它的好處中，此退火工藝有助於減小不同金屬的接觸電阻，從而增大流到發射器的電流。
在圖12A中，第一熱分布120示出了包括結合本發明的發射器的處理過的襯底首先在10分鐘之內被升溫到大約400℃，然後在此溫度下保持30分鐘。處理過的襯底然後在大約55分鐘內被緩慢冷卻回到室溫(大約25℃)。在圖12B中，第二熱分布122示出了包括結合本發明的發射器的處理過的襯底在10分鐘之內被加熱到大約600℃的溫度，並在此溫度下保持大約30分鐘。處理過的襯底然後在大約100分鐘內被逐漸冷卻到室溫。本技術領域熟練人員可以理解的是，提升的溫度與冷卻的速率能夠從所述的示例工藝進行修正而仍然符合本發明的構思與範圍。藉助於對包括至少一個結合本發明的發射器的襯底進行退火，改善了發射器的一些特性。
權利要求
1.一種發射器(50，100)，它包含電子源(10)；排列在電子源上的矽基介質層(20)；以及排列在矽基介質層上的陰極層(14)；其中，電子源、矽基介質層、以及陰極層，已經經受了退火工藝(120，122)。
2.權利要求1的發射器(50，100)，其中，矽基介質層(20)選自由SiC、SiNx、Si3N4、SixNy、Fy-SiOx、以及Cy-SiOx組成的組。
3.權利要求1的發射器(50，100)，能夠提供發射電流大於每平方釐米1×10-2A mps的發射能量。
4.權利要求1的發射器(50，100)，其中，矽基介質層(20)的厚度約為250-約5000。
5.一種集成電路(52)，它包含襯底(10)；排列在襯底上的權利要求1的發射器(50，100)；以及用來使製作在具有發射器的襯底上的發射器工作的電路(72)。
6.一種電子器件(90)，它包含權利要求1的能夠發射能量(22)的發射器(50，100)；以及陽極結構(76，42，58)，它能夠接收發射的能量並響應於接收發射的能量而產生至少第一效應且響應於未接收發射的能量而產生第二效應。
7.權利要求6的電子器件(90)，其中，此電子器件是一種大規模存儲器件(圖7)，而陽極結構(58)是一種儲存媒質，此電子器件還包含讀出電路(62)，用來探測陽極結構上產生的效應。
8.權利要求6的電子器件(90)，其中，此電子器件是一種顯示器件(44)，而陽極結構(76，42)是一種顯示屏(40)，它響應於接收發射的能量(22)而產生可見的效應。
9.權利要求8的電子器件(90)，其中，顯示屏(40)包括能夠響應於接收發射的能量(22)而發射光子(18)的一種或多種磷光體(42)。
10.一種發射器(50，100)，它包含電子源層(10)；製作在電子源層上且其中確定有窗口的絕緣層(78)；製作在窗口中電子源層上且還排列在絕緣層上的矽基介質層(20)；以及製作在矽基介質層上的陰極層(14)；其中，發射器已經經受了退火工藝(120，122)，以便增大從電子源層隧穿到用於能量發射(22)的陰極層的電子的供應。
11.權利要求10的發射器(50，100)，除了電子發射(22)之外，還能夠發射光子(18)。
12.權利要求10的發射器(50，100)，其中，陰極層(14)具有大於每平方釐米約為0.01A mps的發射率。
13.權利要求10的發射器(50，100)，其中，矽基介質層(20)選自由SiC、SiNx、SixNy、Si3N4、Fy-SiOx、以及Cy-SiOx組成的組。
14.權利要求10的發射器(50，100)，其中，矽基介質層(20)的厚度約為250-約5000。
15.電子器件(50，100)，它包含包括權利要求10的發射器的集成電路(52)；以及用來會聚來自發射器的發射的聚焦器件(38，28)。
16.一種在電子源(10)上形成發射器(50，100)的方法，它包含下列步驟在電子源上用半導體薄膜層(52)形成矽基介質發射器，至少一個薄膜層是特徵為厚度小於500的矽基介質層(20)的薄膜；以及對加工過的發射器(120，122)進行退火，以便增大隧穿發射器的隧穿電流。
17.一種用權利要求16的工藝產生的發射器(50，100)。
18.權利要求16的方法，其中，塗敷矽基介質層(20)的步驟還包含塗敷選自由SiC、SiNx、SixNy、Si3N4、Fy-SiOx、以及Cy-SiOx組成的組的矽基介質的步驟。
19.一種在電子源(10)上形成發射器(50，100)的方法，它包含下列步驟在排列於電子源上的絕緣層(78)上塗敷矽基介質層(20)，此絕緣層確定電子源的窗口；塗敷導電層(80，82)，以便粘合到矽基介質層；在導電層上塗敷圖形化層(104)；在圖形化和導電層中形成對電子源的窗口(108)；腐蝕圖形化層(104)，以便用剝離方法從導電層清除圖形化層。
20.權利要求19的方法，還包含對加工過的發射器(120，122)進行退火，以便增大隧穿電流。
全文摘要
一種發射器(50，100)具有電子源層(10)和形成在電子源層(10)上的矽基介質層(20)。此矽基介質層(20)最好小於大約500。絕緣層(78)可選地形成在電子源層(10)上，並具有確定在其中的窗口，其中形成矽基介質層(20)。陰極層(14)被形成在矽基介質層(20)上，以便提供電子(16)和/或光子(18)的能量發射(22)的表面。最好對發射器(50，100)進行退火工藝(120，122)，從而提高從電子源層(10)隧穿到陰極層(14)的電子(16)的供應。
文檔編號H01J21/06GK1522454SQ02813306
公開日2004年8月18日 申請日期2002年4月16日 優先權日2001年4月30日
發明者陳之章, M·D·比斯, R·L·恩克, M·J·雷甘, T·諾維特, P·J·本寧, 恩克, 本寧, 比斯, 雷甘 申請人:惠普公司