DE69519344T2

DE69519344T2 - Unter Feldeffekt-Emission arbeitende Elektronen emittierende Vorrichtung und Herstellungsverfahren dazu

Info

Publication number: DE69519344T2
Application number: DE69519344T
Authority: DE
Inventors: Junji Itoh; Kazuo Matsuzaki; Masato Nishizawa; Yoichi Ryokai; Takihiko Uematsu
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1994-08-09
Filing date: 1995-08-08
Publication date: 2001-03-15
Anticipated expiration: 2015-08-09
Also published as: EP0696814A1; US5866438A; JPH0850850A; DE69519344D1; EP0696814B1; US5793153A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Struktur einer Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung, bei der ein Halbleiter-Feinbearbeitungsverfahren eingesetzt wird, und sie betrifft ein Verfahren zum Herstellen derselben.

2. Beschreibung der verwandten Technik

In den letzten Jahren sind Mikro-Vakuumröhren hergestellt worden, die in Anzeigeeinheiten, Hochgeschwindigkeits-Schaltvorrichtungen, verschiedenen Arten von Sensoren usw. Einsatz gefunden haben. Seitdem ist ein Verfahren, mit dem eine Mikro-Elektronenquelle fachmännisch hergestellt wird, zu einer Schlüsseltechnologie geworden. Bisher ist eine Glühkathoden-Elektronenemissionsvorrichtung, bei der Thermoelektronen, die von einem erhitzten Glühfaden oder dergleichen emittiert werden, genutzt werden, verbreitet als Elektronenquelle zum Einsatz gekommen. Die Glühkathoden-Elektronenemissionsvorrichtung weist jedoch Probleme dahingehend auf, dass es zu erheblichem Energieverlust durch das Erhitzen kommt, dass vorbereitend erhitzt werden muss usw. Um diese Probleme zu lösen, hat sich die Aufmerksamkeit auf eine Feldemissions- Elektronenemissionsvorrichtung (Kaltkathode) gerichtet, und einige Vorschläge dahingehend sind gemacht worden.
Fig. 11 ist eine Teilperspektivansicht, die ein Beispiel der Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung zeigt. Diese wird als "konische (bzw. pyramidenförmige) Elektronenemissionsvorrichtung 101" bezeichnet. Ein konischer Emitter 12, der aus Molybdän (im folgenden der Einfachheit halber als "Mo" bezeichnet) oder dergleichen besteht, ist, wie in der Zeichnung dargestellt, auf einem Siliziumsubstrat 11 angeordnet. Eine Isolierschicht 14 aus Siliziumoxid oder dergleichen ist ausgebildet, die einen um den Emitter 12 herum offenen Abschnitt aufweist. Des weiteren ist eine Gate-Elektrode 13 mit einem Endabschnitt, der in der Nähe des spitzen Endabschnitts des konischen Emitters 12 ausgebildet ist, darauf vorhanden. Bei der Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, werden, wenn eine Spannung zwischen dem Siliziumsubstrat 11 und der Gate-Elektrode 13 angelegt wird, Elektronen von dem spitzen Endabschnitt des Emitters 12 emittiert, der ein starkes elektrisches Feld aufweist.
Fig. 13A bis 13E sind teilweise als Schnitt ausgeführte Ansichten entsprechender Schritte zur Erläuterung des Verfahrens zum Herstellen der konischen Elektronenemissionsvorrichtung 101, wie sie in Fig. 11 dargestellt ist. Die Schritte werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Eine Isolierschicht 14 wird auf einem Siliziumsubstrat 11 hergestellt. Des weiteren wird die Isolierschicht 14 in einem Elektronenstrahl-Aufdampfverfahren mit einer Mo-Schicht 131 beschichtet, die eine Gate-Elektrode 13 bildet. Anschließend wird ein Fotoresist darauf aufgetragen und dann Belichtung und Entwicklung unterzogen, so dass eine erste Struktur 161 entsteht, wie sie in Fig. 13A dargestellt ist. Danach werden die Mo- Schicht 131 sowie die Isolierschicht 14 selektiv mit der Fotoresist-Struktur 161 als Maske geätzt, so dass ein erster Öffnungsabschnitt 181 sowie ein zweiter Öffnungsabschnitt 182 entstehen. Die Mo-Schicht 131 mit dem ersten Öffnungsabschnitt 181 ist, wie in Fig. 13B dargestellt, als eine Gate-Elektrode 13 ausgebildet. Dann wird das Siliziumsubstrat 11 um einen vorgegebenen Winkel θ geneigt und in einer Substratebene gedreht, so dass Aluminium (im folgenden "Al" abgekürzt) aufgedampft und auf eine Oberseite der Gate-Elektrode 13 sowie eine Seitenfläche des ersten Öffnungsabschnitts 181 aufgetragen wird, so dass eine Aluminiumschicht 191 entsteht, wie dies in Fig. 13C dargestellt ist. Danach wird mit einem Elektronenstrahl-Aufdampfverfahren Mo senkrecht auf das Siliziumsubstrat 11 aufgetragen. Dabei wird Mo nicht nur auf die Oberseite der Aluminiumschicht 191 und auf das Siliziumsubstrat 11 aufgetragen, sondern auch auf die Seitenfläche der Aluminiumschicht 191. Dementsprechend nimmt der Durchmesser des ersten Öffnungsabschnitts 181 beim Auftragen der Mo-Schicht 192 ab. Da der Aufdampfbereich von Mo, das auf das Siliziumsubstrat 11 aufgetragen wird, abnimmt, wenn der Durchmesser des ersten Öffnungsabschnitts 181 allmählich abnimmt, wird ein nahezu konischer Emitter 12 auf dem Siliziumsubstrat 11 ausgebildet, wie dies in Fig. 13D dargestellt ist. Schließlich werden die aufgetragenen Mo- und Al-Schichten 192 und 191 entfernt, so dass eine konische Elektronenemissionsvorrichtung 101 mit einem nahezu konischen Emitter 12 entsteht, wie dies in Fig. 13E dargestellt ist.
Bei der Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung in Fig. 11 gemäß dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren besteht jedoch eine Tendenz dazu, dass die Wiederholbarkeit bei der wiederholten Ausbildung der gleichen Form nicht gegeben ist, da der konische Emitter 12 durch Aufdampfen hergestellt wird. Dadurch entsteht der Nachteil, dass die Elektronenemissionseigenschaften, die besonders durch den Krümmungsradius des obersten Endes des Emitters 12 und durch den Abstand zwischen dem Emitter 12 und der Gate-Elektrode 13 beeinflusst werden, stark schwanken.
Vor diesem Hintergrund ist in jüngster Zeit eine Elektronenemissionsvorrichtung mit einer neuartigen Form, die sehr gute Gleichmäßigkeit der Elektronenemissionseigenschaften aufweist, im Journal of Semiconductor World, März 1992, Seite 62, von Kanamaru und Ito vorgestellt worden. Fig. 12 ist eine Teilperspektivansicht der Elektronenemissionsvorrichtung. Diese wird als "kammartige Elektronenemissionsvorrichtung 102" bezeichnet. Ein konvexer Isolierschichtabschnitt 241 sowie ein konkaver Isolierschichtabschnitt 242 werden in einer Isolierschicht 24 auf einem Siliziumsubstrat 21 ausgebildet (Fig. 14A bis 14D). Ein Emitter 22, der aus Mo besteht und eine Vielzahl von Emitter-Endabschnitten 221 auf einer Seite aufweist, ist auf dem konvexen Isolierschichtabschnitt 241 angeordnet. Auf dem konkaven Isolierschichtabschnitt 242 hingegen ist eine Gate-Elektrode 23 so ausgebildet, dass sie dem Emitter-Endabschnitt 221 gegenüberliegt. Auch bei dieser Elektronenemissionsvorrichtung werden durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Emitter 22 und der Gate-Elektrode 23 Elektronen vom Ende des Emitter-Endabschnitts 221, der ein starkes elektrisches Feld aufweist, emittiert. Diese Struktur kann relativ leicht mit einem herkömmlichen Halbleiterherstellungsverfahren hergestellt werden, so dass mit diesem Herstellungsverfahren die Streuung in den Herstellungsschritten erheblich verringert wird. Des weiteren können nicht nur der Emitter 22 und die Gate-Elektrode 23, die in Fig. 12 dargestellt sind, ausgebildet werden, sondern auch andere Elektroden, wie beispielsweise eine Anoden-Elektrode zum Einfangen emittierter Elektroden, eine Steuerelektrode, die die Elektronen steuert, die zur Anoden- Elektrode gelangen, usw. können ausgebildet werden.
Fig. 14A bis 14D sowie 15A bis 15C sind teilweise als Schnitt ausgeführte Ansichten, die die Schritte zum Herstellen der kammartigen Elektronenemissionsvorrichtung 102 zeigen, die in Fig. 12 dargestellt ist. Die Schritte werden im folgenden der Reihenfolge nach beschrieben. So wird beispielsweise ein Oxidfilm, wie z. B. eine Isolierschicht 24, auf ein Siliziumsubstrat 21 aufgetragen. Des weiteren wird ein Wolfram-Film (im folgenden der Einfachheit halber als "ein W-Film" bezeichnet) 222, der einen Emitter bildet, auf die gesamte Oberfläche des Isolierfilms 24 durch Kathodenzerstäubung aufgetragen (Fig. 14A). Danach wird ein Fotoresist auf den W-Film 222 aufgetragen, so dass eine erste Struktur 261 unter Verwendung einer nicht dargestellten Fotomaske ausgebildet wird. Der W-Film 222 wird durch reaktives Ionenätzen (reactive ion etching - RIE) unter Verwendung der Fotoresist-Struktur 261 als Maske geätzt (Fig. 14B). Des weiteren wird die Isolierschicht 24 unter Verwendung der Resiststruktur 261 und des W-Films 222 als Maske um ungefähr 1 um geätzt, so dass ein konvexer Isolierschichtabschnitt 241 und ein konkaver Isolierschichtabschnitt 242 ausgebildet werden (Fig. 14C). Ein Niob-Film (im folgenden als "ein Nb-Film" abgekürzt) 231, der eine Gate-Elektrode 23 bildet, sowie ein Aluminium-Film (im folgenden als "ein Al-Film" abgekürzt)/Mo-Film 232 werden durch Aufdampfen im Vakuum aufgetragen. Der Al-Film/Mo-Film 232 sowie der Nb-Film 231 auf dem konvexen Isolierschichtabschnitt 241 werden mit einem Ablöseverfahren entfernt. (Fig. 14D). Ein Fotoresist wird erneut aufgetragen, so dass eine zweite Struktur 262 unter Verwendung einer zweiten, nicht dargestellten Maske ausgebildet wird. Der Al-Film/Mo-Film 232 sowie der Nb-Film 231 werden mit reaktivem Ionenätzen (RIE) unter Verwendung der Fotoresist-Struktur 262 als Maske geätzt (Fig. 15A). Des weiteren wird erneut ein Fotoresist aufgetragen, so dass eine kammartige Struktur 263 unter Verwendung einer dritten, nicht dargestellten Maske ausgebildet wird. Durch reaktives Ionenätzen (RIE) unter Verwendung der Fotoresist-Struktur 263 als Maske wird ein kammartiger Emitter 22 ausgebildet. Dabei ist die Gate-Elektrode 23 nicht abgedeckt, sondern der Al-Film dient als Schutzfilm, so dass die Gate-Elektrode 23 nicht in eine Kammform gebracht wird (Fig. 15B). Abschließend wird der Al-Film/Mo-Film 232 geätzt, und die Oberfläche der Isolierschicht 24 wird weiter mit einer Puffer-Fluorwasserstoffsäure geätzt, so dass elektrische Isolierung zwischen dem Emitter und der Gate- Elektrode verbessert wird. Damit ist dieses Verfahren abgeschlossen (Fig. 15C). Als Metallmaterialien, die für den Emitter und die Gate-Elektrode eingesetzt werden, werden W, Mo, Nb usw. auf der Grundlage einer Ablösearbeit ausgewählt, die den Grad der Leichtigkeit des Wanderns (flying) von Elektronen, die Oberflächenstabilität beim Verfahren und nach dem Verfahren, die langfristige Haltbarkeit usw. ausdrückt.
Wie aus Fig. 14A bis 14D sowie Fig. 15A bis 15C, die die Herstellungsschritte zeigen, ersichtlich ist, ist für die kammartige Elektronenemissionsvorrichtung 102 in Fig. 12 nicht nur eine große Zahl an Fotoätzschritten erforderlich, d. h. die Anzahl der Schritte zur Ausbildung einer Fotoresist-Struktur und zum Ausführen des Ätzens unter Verwendung der Fotoresist-Struktur ist groß, sondern darüber hinaus werden im Vergleich zu der Struktur der konischen Elektronenemissionsvorrichtung 101, die in Fig. 11 dargestellt ist, viele verschiedenartige Metallmaterialien bei der kammartigen Elektronenemissionsvorrichtung 102 in Fig. 12 eingesetzt. Dementsprechend gibt es Beschränkungen hinsichtlich der Auswahl des Ätzverfahrens und der zu verwendenden Ätzlösung. Des weiteren wird der Emitter aus einem polykristallinen Metalldünnfilm hergestellt. In dem Dünnfilm gibt es eine Kristallkorngrenze zwischen Kristallen mit einer Größe von ungefähr 0,1 um. Da beispielsweise beim Trockenätzen ein Unterschied bezüglich der Ätzgeschwindigkeit zwischen der Innenseite und der Außenseite in Bezug auf die Korngrenze vorliegt, ist es wahrscheinlich, dass die Form des Endabschnitts des Emitters an der Korngrenze entlang ausgebildet wird. Dies führt zu einem Nachteil dahingehend, dass die Form stark variiert. Da die Form des Endabschnitts des Emitters einen direkten Einfluß auf einen Feldemissionsstrom hat, der von dem Emitter emittiert wird, ist es schwierig, den Emitter einzusetzen, dessen Form stark variiert.
Die herkömmliche Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung reicht, wie oben erwähnt, für die Konstruktion bezüglich der Kombination von Strukturen und Materialien nicht aus. Dadurch variieren natürlich nicht nur die Elektronenemissionseigenschaften bei jeder Charge, sondern auf dem gleichen Substrat in der gleichen Charge sind die Eigenschaften nicht einheitlich. Des weiteren wird beim Herstellungsverfahren keine Maßnahme zur Lösung des Problems ergriffen, die durch den Mangel aufgrund der Kombination von Strukturen und Materialien entsteht.
Eine Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 11 ist aus US-A-4 168 213 bekannt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Angesichts der erwähnten Probleme besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung mit erheblich besserer Wiederholbarkeit und Einheitlichkeit als beim herkömmlichen Beispiel zu schaffen, und ein Verfahren zum Herstellen der Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung zu schaffen, bei dem die Struktur des Elektronenemissionsvorrichtung wirkungsvoll wiederholt werden kann.
Die Aufgabe wird mit einer Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. Anspruch 11, sowie mit einem Verfahren zum Herstellen einer Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 19, 21 bzw. 22 gelöst. Bevorzugte Ausführungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Zunächst wird bei einer Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung mit einem Emitter, der auf einer Spitzenfläche eines konvexen Abschnitts einer Isolierschicht angeordnet ist, die im Schnitt konvex ist, und einer Gate-Elektrode, die an einer Talfläche des konvexen Abschnitts der Isolierschicht so angeordnet ist, dass sie dem Emitter gegenüberliegt, und die mit einer Spannung zum Abziehen von Elektroden aus dem Emitter gespeist wird, oder einer Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung mit einem Emitter, der an einer Spitzenfläche eines einer Vielzahl konvexer Abschnitte einer Isolierschicht angeordnet ist, einer Gate-Elektrode, die an einer Talfläche zwischen den konvexen Abschnitten der Isolierschicht so angeordnet ist, dass sie dem Emitter gegenüberliegt, und mit einer Spannung zum Abziehen von Elektronen aus dem Emitter gespeist wird und einer Anoden-Elektrode, die an einer Spitzenfläche eines anderen der konvexen Abschnitte angeordnet ist, um von dem Emitter emittierte Elektronen aufzufangen, nicht nur ein Dünnfilm mit höherer Reinheit als bei dem herkömmlicherweise eingesetzten Metallfilm, wie einem W-Film, einem Mo-Film oder dergleichen, erreicht, sondern ein Einkristall lässt sich leicht herstellen, solange der Emitter oder sowohl der Emitter als auch die Anoden-Elektrode aus einem Silizium-Dünnfilm bestehen, der auf der Isolierschicht ausgebildet ist.
Das Material für den Emitter ist nicht auf das hochschmelzende Material, wie beispielsweise Mo, W oder dergleichen, beschränkt, wie dies in Fig. 11 und 12 dargestellt ist. So ist beispielsweise Silizium, das für den Halbleiterprozess gut geeignet ist, ein Material, das bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Die Ablösearbeit von Silizium, die eine Faustregel zur Bestimmung der Leichtigkeit der Elektronenemission ist, ist etwas geringer als die von W und Mo, es besteht jedoch kein Problem, wenn Silizium als Elektronenemissionsmaterial eingesetzt wird.
Das heißt, wenn der Silizium-Dünnfilm ein Einkristall-Dünnfilm ist, wird die Ungleichmäßigkeit, die durch die Kristallkorngrenze bewirkt wird, wie dies oben beschrieben ist, vermieden.
Wenn der Einkristall-Silizium-Dünnfilm eine (100)-Kristallfläche als Hauptfläche aufweist wird eine gute Grenze zwischen dem Einkristall-Silizium-Dünnfilm und einem Siliziumoxid erzielt, das eine Isolierschicht darstellt. Des weiteren kann beim Einsatz eines Herstellungsverfahrens, wie es weiter unten beschrieben ist, eine Form unter Verwendung der Kristallflächen ausgebildet werden.
Der Emitter, der in Draufsicht wie ein Kamm oder ein Keil geformt ist, kann so ausgeführt werden, dass er einen spitzen Endabschnitt aufweist, der durch (111)- und (100)-Flächen gebildet wird.
Des weiteren entsteht bei einer Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung mit einem konischen oder pyramidenförmigen Emitter und einer Gate-Elektrode, die um ein spitzes Ende des Emitters herum angeordnet ist und mit einer Spannung zum Abziehen von Elektronen aus dem Emitter gespeist wird, ein Dünnfilm mit höherer Reinheit als der herkömmlicherweise eingesetzte Metallfilm, wie beispielsweise ein W-Film, ein Mo-Film oder dergleichen, solange die Gate-Elektrode aus einem Silizium-Dünnfilm besteht, der auf einer Isolierschicht ausgebildet ist.
Insbesondere, wenn die Gate-Elektrode aus einem Einkristall-Silizium-Dünnfilm besteht, der auf einer Isolierschicht ausgebildet ist, wird die Ungleichmäßigkeit, die durch die Kristallkorngrenze bewirkt wird, wie dies oben beschrieben ist, vermieden.
Des weiteren wird, wenn der Emitter wahlweise aus Einkristall-Silizium besteht, das epitaxial auf das Einkristall-Siliziumsubstrat aufgewachsen ist, die Ungleichmäßigkeit, die durch die Kristallkorngrenze bewirkt wird, vermieden.
Des weiteren sind, wenn das Einkristall-Siliziumsubstrat eine (100)-Kristallfläche als Hauptfläche hat und der Emitter einen spitzen Endabschnitt hat, der dazu dient, Elektronen auszustrahlen und der durch zwei oder mehr (111)-Flächen gebildet wird, die (111)- Flächen, die nicht nur am dichtesten sind, sondern auch leicht durch anisotropes Ätzen gesteuert werden können. Dadurch kann der Emitter einen sehr spitzen Endabschnitt haben, der durch die (111)-Flächen gebildet wird.
Weiterhin werden mit einem Verfahren zum Herstellen der oben beschriebenen Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung eine qualitativ gute Isolierschicht und ein qualitativ guter Silizium-Dünnfilm leicht hergestellt, solange ein SOI (Silicon On Insulator)- Wafer des Typs eingesetzt wird, der ein Einkristall-Siliziumsubstrat und einen Einkristall- Silizium-Dünnfilm aufweist, die über einen thermisch oxidierten Siliziumfilm aneinander haften.
Weiterhin ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Anspruch 19 möglich, eine Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung zu schaffen, die gute Reproduzierbarkeit und stabile Qualität aufweist.
Des weiteren können, wenn der spitze Endabschnitt des Emitters mit einem anisotropen Nassätzen bearbeitet wird, ein keilartiger oder kammerartiger Emitter mit einer scharfen Kante hergestellt werden, die durch wenigstens zwei (111)-Flächen gebildet wird.
Weiterhin können mit einem Verfahren zum Herstellen einer Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung mit einem konischen oder pyramidenförmigen Emitter und einer Gate-Elektrode, die um ein spitzes Ende des Emitters herum angeordnet ist und mit einer Spannung zum Abziehen von Elektroden aus dem Emitter gespeist wird, eine qualitativ gute Isolierschicht und ein qualitativ guter Silizium-Dünnfilm leicht hergestellt werden, um so die Qualität zu stabilisieren, so lange ein SOI-Wafer des Typs eingesetzt wird, der ein Einkristall-Siliziumsubstrat und einen Einkristall-Silizium-Dünnfilm aufweist, die über einen thermisch oxidierten Siliziumfilm aneinander haften.
Des weiteren ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren des Anspruchs 1 möglich, eine Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung zu schaffen, die gute Reproduzierbarkeit und stabile Qualität aufweist.
Insbesondere in dem Fall, in dem der Emitter aus einem Einkristall-Silizium besteht, das epitaxial auf eine Fläche des Einkristall-Siliziumsubstrats aufgewachsen ist, das einen Boden des Öffnungsabschnitts darstellt, der ausgebildet wird, indem der thermisch oxidierte Siliziumfilm unter der Gate-Elektrode entfernt wird, ist es möglich, einen pyramidenartigen Emitter mit einer scharten Kante herzustellen, die durch wenigstens zwei (111)-Flächen gebildet wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Teilperspektivansicht einer Elektronenemissionsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines spitzen Endabschnitts eines Emitters der in Fig. 1 dargestellten Elektronenemissionsvorrichtung;
Fig. 3A bis 3D sind Teilschnittansichten, die nacheinander Schritte zum Herstellen der in Fig. 1 dargestellten Elektronenemissionsvorrichtung zeigen;
Fig. 4A bis 4D sind Teilschnittansichten, die sich an Fig. 3B anschließen und nacheinander Schritte zum Herstellen der in Fig. 1 dargestellten Elektronenemissionsvorrichtung zeigen;
Fig. 5A und 5B sind Draufsichten auf Fotomasken, die in den in Fig. 3A bis 3D dargestellten Schritten zum Herstellen der Elektronenemissionsvorrichtung eingesetzt werden;
Fig. 6A und 6B sind Draufsichten auf Fotomasken, die bei den in Fig. 4A bis 4D dargestellten Schritten zum Herstellen der Elektronenemissionsvorrichtung eingesetzt werden;
Fig. 7 ist eine Teilsperspektivansicht einer Elektronenemissionsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 ist eine vergrößerte Ansicht eines spitzen Endes des Emitters der in Fig. 7 dargestellten Elektronenemissionsvorrichtung;
Fig. 9 ist eine teilweise als Schnitt ausgeführte Perspektivansicht einer Elektronenemissionsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10A bis 10D sind Teilschnittansichten, die nacheinander Schritte zum Herstellen der in Fig. 9 dargestellten Elektronenemissionsvorrichtung zeigen;
Fig. 11 ist eine Teilperspektivansicht, die ein Beispiel einer herkömmlichen Elektronenemissionsvorrichtung zeigt;
Fig. 12 ist eine Teilperspektivansicht, die ein weiteres Beispiel der herkömmlichen Elektronenemissionsvorrichtung zeigt;
Fig. 13A bis 13E sind Teilschnittansichten, die nacheinander Schritte zum Herstellen der in Fig. 11 dargestellten Elektronenemissionsvorrichtung zeigen;
Fig. 14A bis 14D sind Teilschnittansichten, die nacheinander Schritte zum Herstellen der in Fig. 12 dargestellten Elektronenemissionsvorrichtung zeigen; und
Fig. 15A bis 15C sind Teilschnittansichten, die eine Fortsetzung von Fig. 14D darstellen und nacheinander Schritte zum Herstellen der in Fig. 12 dargestellten Elektronenemissionsvorrichtung zeigen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist eine Perspektivansicht einer Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung als einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Auf einer Siliziumoxidschicht 34 auf einem Siliziumsubstrat 31 werden Schritte ausgeführt, bei denen ein kammartiger Emitter 32 sowie eine Anoden-Elektrode, die jeweils aus einem Einkristall-Silizium-Dünnfilm bestehen, auf konvexen Isolierschichtabschnitten 341 ausgebildet werden und eine Gate-Elektrode 33, die aus einem hochschmelzenden Metall besteht, auf einem konkaven Isolierschichtabschnitt 342 zwischen dem Emitter 32 und der Anoden-Elektrode 35 ausgebildet wird. Des weiteren sind eine Emitteranschlussstelle 372, die aus einem Mo- Film besteht, sowie eine Anoden-Anschlussstelle 373 auf dem Emitter 32 bzw. der Anode 35 vorhanden. Diese Anschlussstellen dienen dazu, den Verdrahtungswiderstand zu verringern, den Emitter 32 und die Anoden-Elektrode 35 zu schützen usw.
Wenn der Emitter 32 aus einem Silizium-Dünnfilm besteht, der auf die oben beschriebene Weise auf einer Isolierschicht ausgebildet ist, entsteht ein Dünnfilm mit höherer Reinheit als bei dem herkömmlich eingesetzten Metallfilm, wie beispielsweise einem W-Film, einem Mo-Film oder dergleichen. Dadurch wird, wenn eine besonders feine Struktur hergestellt werden soll, Ungleichmäßigkeit, die durch Verunreinigungen bewirkt wird, vermieden, so dass der Dünnfilm ausgezeichnete Formwiederholbarkeit nach dem Bearbeiten aufweist. Das Material für den Emitter ist nicht auf das hochschmelzende Metall, wie beispielsweise Mo, W oder dergleichen, beschränkt, wie es in Fig. 11 und 12 dargestellt ist. So kann beispielsweise Silizium, das sich für einen Halbleiterprozess besser eignet, ein Material für den Emitter darstellen. Die Ablösearbeit von Silizium, die eine Faustregel zum Bestimmen der Leichtigkeit der Elektronenemission darstellt, ist etwas geringer als die von W und Mo, es besteht jedoch keinerlei Problem, wenn Silizium als Elektronenemissionsmaterial eingesetzt wird.
Das heißt, es ist sehr schwierig, einen Einkristall aus einem hochschmelzenden Kristall, wie beispielsweise W, Mo oder dergleichen, herzustellen, während aus Silizium ein Einkristall leicht hergestellt werden kann. Wenn ein Silizium-Dünnfilm aus einem Einkristall- Dünnfilm besteht, ist nicht nur ein spitzes Ende schart, sondern der Dünnfilm weist auch ausgezeichnete Formwiederholbarkeit nach dem Bearbeiten im Vergleich mit einer Metall-Kaltkathode auf, da die Ungleichmäßigkeit, die durch die Kristallkorngrenze verursacht wird, wie oben beschrieben, vermieden wird. Des weiteren wird bei einem Einkristall-Silizium-Dünnfilm mit einer (100)-Kristallfläche als Hauptfläche eine gute Grenze zwischen dem Einkristall-Silizium-Dünnfilm und einer Siliziumoxidschicht erreicht, die eine Isolierschicht darstellt.
Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines spitzen Endabschnitts 321 des Emitters 32. Wenn davon ausgegangen wird, dass die Kristallorientierung des Einkristall-Dünnfilms des Emitters 32 beispielsweise so ausgebildet ist, dass die Hauptfläche eine (100)- Fläche ist und die Richtung der Zinken des Kamms < 0,1,-1> ist, dann werden die seitlichen und die vorderen Flächen eines Zinkens des Kamms als drei (111)-Flächen ausgebildet, d. h. eine (1,1,1)-Fläche, eine (1,1,-1)-Fläche und eine (1,-1,-1)-Fläche, und zwar durch anisotropes Nassätzen, das weiter unten beschrieben wird. Dadurch entsteht eine scharfe Kante, an der die drei (111)-Flächen die Substratfläche in Winkeln von ungefähr 55º schneiden, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Das heißt, die Form des zinkenartigen Endabschnitts 321 des Emitters, von dem aus Elektronen emittiert werden, wird durch die Kristallflächen gebildet, so dass der Endabschnitt 321 mit ausgezeichneter Wiederholbarkeit geschärft wird, wodurch sich die Elektronenemissionseigenschaften verbessern.
Bei einer Isolierschicht, die aus einer Siliziumoxidschicht besteht, die durch thermische Oxidation eines Einkristall-Siliziumsubstrats ausgebildet wurde, passt nicht nur die Isolierschicht gut zu der Silizium-Dünnschicht, sondern auch die Isolierschicht kann, wie bereits beschrieben, leicht ausgebildet werden.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen einer Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Fig. 3A bis 3D sowie Fig. 4A bis 4D sind Schnittansichten zur Erläuterung von Schritten in dem Verfahren zum Herstellen der Elektronenemissionsvorrichtung in Fig. 1, Fig. 5A und 58 sind Draufsichten auf Fotomasken, die bei den in Fig. 3A bis 3D dargestellten Herstellungsschritten eingesetzt werden, und Fig. 6A und 6B sind Draufsichten auf Fotomasken, die bei den in Fig. 4A bis 4D dargestellten Herstellungsschritten verwendet werden. Bei einem SOI-Wafer, der aus einem Siliziumsubstrat 31, einer Siliziumoxidschicht 34 sowie einem Einkristall-Silizium-Dünnfilm 321 besteht (Dicke des Silizium-Dünnfilms: 0,2 um, Dicke der Siliziumoxidschicht: 2 um), wird der Silizium-Dünnfilm 321 des SOI-Wafers durch Elektronenstrahl-Aufdampfen mit Mo beschichtet, so dass ein Mo-Film 371 mit einer Dicke von 1 um auf dem Silizium-Dünnfilm 321 ausgebildet wird. Ein Fotoresist wird auf den Mo-Film 371 aufgetragen, und dann werden Belichtung und Entwicklung unter Verwendung einer in Fig. 5A dargestellten Maske ausgeführt, um so eine Struktur 361 herzustellen (Fig. 3A). Dann wird der Mo-Film 371 unter Verwendung der Fotoresist- Struktur 361 als Maske geätzt, um so eine Emitter-Anschlussstelle 372 und eine Anoden-Anschlussstelle 373 in dem Emitterabschnitt bzw. dem Anodenabschnitt herzustellen und andere Anschlussstellen, Verdrahtungen und dergleichen auszubilden, die nicht dargestellt, jedoch ebenfalls mit Elektroden verbunden sind (Fig. 3B). Dabei besteht die Lösung zum Ätzen des Mo-Films 371 aus einer Mischungslösung mit einem Verhältnis von 1 : 1 : 5 von Schwefelsäure, Salpetersäure und reinem Wasser. Anschließend wird ein Fotoresist aufgetragen, so dass eine zweite Struktur 362 auf dem Einkristall-Silizium- Dünnfilm 321 und einem Abschnitt, an dem der Emitter 32 ausgebildet werden soll, unter Verwendung einer in Fig. 5B dargestellten Maske ausgebildet (Fig. 3C) wird. Danach werden der Einkristall-Silizium-Dünnfilm 321 sowie die Siliziumoxidschicht 34 unter dem Einkristall-Silizium-Dünnfilm 321 geätzt (Fig. 3D). Das Ätzen des Einkristall-Silizium- Dünnfilms 321 wird mittels Plasmaätzen unter Verwendung eines Schwefelhexafluorids ausgeführt. Eine Puffer-Fluorwasserstoffsäure, die zur Verfügung steht, wird hingegen verwendet, um die Siliziumoxidschicht 34 so zu ätzen, dass die Siliziumoxidschicht 34 um 1 um geätzt wird, um den Silizium-Dünnfilm 321 wie eine Haube auszuformen. Das Fotoresist muss übrigens auf der Anodenseite nicht vorhanden sein, da die Anoden- Anschlussstelle 373 als Maske dient. Wenn der Einkristall-Silizium-Dünnfilm 321 geätzt wird, wird die Anodenseite so leicht geätzt, dass kein Problem auftritt. In diesem Zustand werden das Auftragen eines Fotoresists zum Ausbilden der Gate-Elektrode 33 mit dem Abhebeverfahren sowie Belichtung und Entwicklung unter Verwendung einer in Fig. 6 A dargestellten Maske ausgeführt, um eine dritte Struktur 363 herzustellen (Fig. 4A). Anschließend wird ein Mo-Film 331 durch Elektronenstrahl-Aufdampfen aufgetragen (Fig. 4B). Dann wird der Mo-Film auf der Struktur 363 in Aceton Ultraschallwellen ausgesetzt, um so den Mo-Film abzulösen und damit eine Gate-Elektrode 33, eine Verdrahtungsanschlussstelle, die mit der Gate-Elektrode 33 verbunden ist, und eine Verdrahtung (Fig. 4C) herzustellen. Dann wird eine vierte Struktur 364 aus einem Fotoresist ausgebildet, um den Haubenabschnitt des Einkristall-Silizium-Dünnfilms 321 so zu bearbeiten, dass er Zinken eines Kamms gleicht (Fig. 4D). Dabei wird eine Maske, wie sie in Fig. 6B dargestellt ist, eingesetzt. Anschließend werden Plasmaätzen unter Verwendung von Schwefelhexafluorid und anisotropes Ätzen unter Verwendung von Kaliumhydroxid ausgeführt, um so die Form des Emitters 32 auszubilden und die vierte Struktur 364 zu entfernen. Damit ist das Verfahren abgeschlossen.
Bei dem beschriebenen Herstellungsverfahren wurde der Einkristall-Silizium-Dünnfilm 321 auf der Siliziumoxidschicht 34 zu dem Emitter 32 verarbeitet, indem der SOI-Wafer eingesetzt wurde. In den letzten Jahren ist der SOI-Wafer weitverbreitet als Substrat für integrierte Schaltungen eingesetzt worden, um gegenseitige Interferenz zwischen den Halbleitervorrichtungen zu verhindern, die Funktion der Vorrichtungen zu beschleunigen und die Vorrichtungen beständig gegenüber der Umgebung in einer integrierten Schaltung zu machen. Vor diesem Hintergrund ist die Qualität des SOI-Wafers so verbessert worden, dass sich Kennziffern desselben auf einem ansehnlichen technischen Niveauerreichen ließen. So ist beispielsweise ein SOI-Wafer hergestellt worden, der aus einem Silizium-Dünnfilm mit einer Dicke von 50 bis 300 nm, bei dem die Streuung ± 5 bis ±10% beträgt, und einer Siliziumoxidschicht (die eine Isolierschicht darstellt) mit einer Dicke von 1 bis 2 um besteht, bei der die Streuung ± 0,3 um beträgt. Da die Dicke des Dünnfilms, der einen Emitter bildet, einen wichtigen Faktor für die einheitliche Form des Emitters darstellt, lassen sich die folgenden Merkmale unter Verwendung eines Verfahrens zum Verarbeiten des Silizium-Dünnfilms aus einem derartigen gleichmäßigen SOI- Wafer zu einer Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung erzielen.
(1) Aufgrund des Einkristalls wird das spitze Ende im Vergleich zu dem Metall-Emitter schärfer.
(2) Die Dicke des Emitters kann genau gesteuert werden.
Des weiteren lassen sich mit dem beschriebenen Verfahren zum Herstellen einer Feldemissions-Efektronenemissionsvorrichtung eine qualitativ gute Isolierschicht und ein qualitativ guter Silizium-Dünnfilm herstellen, solange ein SOI-Wafer des Typs eingesetzt wird, bei dem ein Einkristall-Siliziumsubstrat und ein Einkristall-Silizium-Dünnfilm über einen thermisch oxidierten Film aneinander haften. Dadurch lässt sich nicht nur das Verfahren zum Herstellen einer Elektronenemissionsvorrichtung vereinfachen, dieser Typ SOI-Wafer trägt auch zur Stabilisierung der Qualität bei.
Des weiteren ist es beim Einsatz des Herstellungsverfahrens, das die Schritte des Ausbildens einer ungefähr rechteckigen Form eines Emitters auf dem SOI-Wafer, des anschließenden Entfernens des thermisch oxidierten Siliziumfilms auf eine erforderliche Dicke durch Ätzen, um so einen konkaven Abschnitt auf einer Seite des Emitters auszubilden, des Auftragens eines Gate-Elektroden-Materials auf die gesamte Oberfläche, des Entfernens des aufgetragenen Elektroden-Materials an allen Abschnitten außer dem konkaven Abschnitt auf der Seite des Emitters mit einem Ablöseverfahren und mittels Ätzen, und schließlich des Bearbeitens der ungefähr rechteckigen Form der Emitter- Elektrode zu einer gewünschten Form umfasst, möglich, eine Feldemissions- Elektronenemissionsvorrichtung zu schaffen, die gute Reproduzierbarkeit und stabile Qualität aufweist.
Des weiteren kann durch Ausführen des anisotropen Nassätzverfahrens unter Verwendung einer Kaliumhydroxidlösung ein keilartiger bzw. kammartiger Emitter mit einer scharfen Kante, die durch wenigstens zwei (111)-Flächen gebildet wird, hergestellt werden, da die (111)-Flächen am dichtesten und stabil sind.
Fig. 7 zeigt den Aufbau einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung sowie ein Verfahren zum Herstellen derselben. Auf einer Siliziumoxidschicht 44 auf einem Siliziumsubstrat 41 werden Schritte ausgeführt, denen zufolge ein keilartiger Emitter 42 und eine Anoden-Elektrode 45, die jeweils aus einem Einkristall-Silizium-Dünnfilm bestehen, auf konvexen Isolierschichtabschnitten 441 angeordnet werden und eine Gate-Elektrode 43, die aus einem hochschmelzenden Metall besteht, auf einem konkaven Isolierschichtabschnitt 442 zwischen dem Emitter 42 und der Anoden-Elektrode 45 angeordnet wird.
Des weiteren werden eine Emitter-Anschlussstelle 472, die aus einem Mo-Film besteht, und eine Anoden-Anschlussstelle 473 auf dem Emitter 42 bzw. der Anoden-Elektrode 45 hergestellt. Diese Anschlussstellen dienen zur Verringerung des Verdrahtungswiderstands, dem Schutz des Emitters 42 und der Anoden-Elektrode 45 und so weiter.
Fig. 8 ist eine vergrößerte Ansicht eines spitzen Endabschnitts 421 des Emitters 42. Wenn davon ausgegangen wird, dass die Kristallorientierung des Einkristall-Silizium- Dünnfilms 421, der den Emitter 42 bildet, beispielsweise so ausgebildet ist, dass die Hauptfläche eine (100)-Fläche ist und die Richtung des Keils < 0,1,0> ist, dann wird die Abschlussfläche des Keils durch zwei (111)-Flächen, d. h. eine (1,1,1)-Fläche und eine (1,1,-1)-Fläche gebildet und zwar durch anisotropes Nassätzen, das weiter unten beschrieben wird. Dadurch entsteht eine scharfe Kante, an der die beiden (111)-Flächen die Substratfläche in Winkeln von ungefähr 55º schneiden, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist. Das heißt, die Form des keilartigen Endabschnitts 421 des Emitters, von dem aus Elektronen emittiert werden, wird durch die Kristallflächen gebildet, so dass der Endabschnitt 421 mit ausgezeichneter Reproduzierbarkeit geschärft wird, um so die Elektronenemissionseigenschaften zu verbessern. Die Elektronenemissionsvorrichtung in Fig. 7 kann mit den in Fig. 3A bis 3D sowie Fig. 4A bis 4D dargestellten Herstellungsverfahren hergestellt werden, wenn die Orientierung des Kristalls verändert wird. Dabei müssen die hier eingesetzten Fotomasken so verändert werden, dass sie sich geringfügig von den in Fig. 5A und 5B sowie Fig. 6A und Fig. 6B dargestellten unterscheiden.
Fig. 9 ist eine teilweise als Schnitt ausgeführte Perspektivansicht einer dritten Ausführung der Erfindung. Die Vorrichtung umfasst: eine Gate-Elektrode 53, die hergestellt wird, indem ein Einkristall-Silizium-Dünnfilm 531 eines SOI-Wafers bearbeitet wird, der aus einem Siliziumsubstrat 51, das zu einer (100)-Fläche ausgerichtet ist, einer Siliziumoxidschicht 54 und dem Einkristall-Silizium-Dünnfilm 531 (Dicke des Silizium- Dünnfilms: 0,2 um, Dicke der Siliziumoxidschicht: 2 um) (Fig. 10) besteht, einen Öffnungsabschnitt 58, der durch Entfernen der Siliziumoxidschicht 54 unmittelbar unter der Gate-Elektrode 53 ausgebildet wird, sowie einen Emitter 52, der aus einem konvexen Abschnitt aus Einkristall-Silizium besteht, der epitaxial auf eine Oberfläche des Siliziumsubstrats 51 und in der Mitte des Öffnungsabschnitts 58 aufgewachsen ist. Dabei ist der konvexe Abschnitt des Emitters 52 aus dem Einkristall-Silizium wie eine Pyramide mit vier (111)-Seitenflächen geformt, die durch anisotropes Nassätzen ausgebildet werden, das weiter unten beschrieben wird. Dementsprechend beträgt der Winkel zwischen zwei einander gegenüberliegenden (111)-Flächen 70º. Das heißt, die Form des spitzen Endes des konvexen Abschnitts 52 aus dem Einkristall-Silizium, von dem aus Elektronen emittiert werden, wird durch die Kristallflächen definiert, so dass das spitze Ende mit ausgezeichneter Reproduzierbarkeit geschärft wird und dadurch die Elektronenemissionseigenschaften verbessert werden.
Auch bei diesem Aufbau wird, wenn die Gate-Elektrode 53 aus einem Silizium-Dünnfilm besteht, der auf der Siliziumoxidschicht 54 ausgebildet ist, ein Dünnfilm mit höherer Reinheit als bei dem üblicherweise eingesetzten Metallfilm, wie einem W-Film, einem Mo-Film oder dergleichen hergestellt. Wenn eine besonders feine Struktur hergestellt werden soll, wird Ungleichmässigkeit, die durch Verunreinigung bewirkt wird, vermieden, so dass die entstehende Struktur nach der Bearbeitung ausgezeichnete Formreproduzierbarkeit aufweist.
Des weiteren wird, wenn die Gate-Elektrode 53 durch einen Einkristall-Silizium-Dünnfilm gebildet wird, der auf der Siliziumoxidschicht 54 ausgebildet ist, Ungleichmässigkeit, die durch die Kristallkorngrenze verursacht wird, wie sie oben beschrieben ist, vermieden, so dass die entstehende Struktur noch bessere Formreproduzierbarkeit nach der Bearbeitung aufweist. Das obere Ende kann aufgrund eines Einkristalls im Vergleich zu einem Metall-Emitter spitz sein.
Des weiteren entspricht, wenn die Isolierschicht durch eine Siliziumoxidschicht gebildet wird, die durch thermische Oxidation des Einkristall-Siliziumsubstrats hergestellt wurde, nicht nur die Isolierschicht gut dem Silizium-Dünnfilm, wie dies bereits beschrieben ist, sondern die Isolierschicht lässt sich auch einfach herstellen.
Des weiteren wird, wenn der Emitter 52 durch Einkristall-Silizium gebildet wird, das epitaxial auf das Einkristall-Siliziumsubstrat 51 aufgewachsen wird, Ungleichmässigkeit vermieden, die durch die Kristallkorngrenze verursacht wird, so dass die entstehende Struktur bessere Formreproduzierbarkeit nach der Bearbeitung aufweist.
Fig. 10A bis 10D sind Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung gemäss der dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 9 dargestellt ist, zeigen. Zunächst wird ein Fotoresist auf einen Silizium-Dünnfilm 531 eines SOI- Wafers aufgetragen, der aus einem Siliziumsubstrat 51, einer Siliziumoxidschicht 54 und einem Einkristall-Silizium-Dünnfilm 531 besteht, die jeweils zu einer (100)-Fläche (Dicke des Silizium-Dünnfilms: 0,2 um, Dicke der Siliziumoxidschicht: 2 um) ausgerichtet sind, so dass eine erste Struktur 561 unter Verwendung einer nicht dargestellten Maske ausgebildet wird. Dann wird ein Öffnungsabschnitt in dem Einkristall-Silizium-Dünnfilm 531 mit einem Trockenätzverfahren ausgebildet, um so eine Gate-Elektrode 53 herzustellen (Fig. 10A). Anschließend wird die Siliziumoxidschicht 54 durch Ätzen mit einer Puffer- Fluorwasserstoffsäure durch den Öffnungsabschnitt der Gate-Elektrode 53 hindurch entfernt, um die Oberfläche des Einkristall-Siliziumsubstrats 51 freizulegen, und so einen Öffnungsabschnitt 58 auszubilden (Fig. 10B). Danach wird amorphes Silizium 521 mit einem Kathodenzerstäubungsverfahren, einem Aufdampfverfahren oder dergleichen auf den freigelegten Abschnitt des Einkristall-Siliziumsubstrats 51 aufgetragen. Danach wird das auf die Resiststruktur 561 aufgetragene amorphe Silizium mit einem Ablöseverfahren entfernt (Fig. 10C). Anschließend wird ein Teil des amorphen Siliziums 521 in dem Öffnungsabschnitt 58 erhitzt oder Ionenstrahlung ausgesetzt, so dass der Teil des amorphen Siliziums entsprechend der Ausrichtung des Substrats rekristallisiert wird. Dabei wird eine Pyramidenform, die durch vier (111)-Flächen gebildet wird, im Inneren des amorphen Siliziums 521 ausgebildet. Schließlich werden die Abschnitte außer dem monokristallisierten Abschnitt des amorphen Siliziums durch anisotropes Nassätzen mit einem Kaliumhydroxid oder dergleichen entfernt, so dass nur die Pyramide verbleibt, um so einen Emitter 52 auszubilden (Fig. 10D).
Bei dem beschriebenen Herstellungsverfahren werden eine qualitativ hochwertige einheitliche Isolierschicht und ein qualitativ hochwertiger einheitlicher Silizium-Dünnfilm problemlos hergestellt, wodurch sich die Qualität stabilisiert, wenn ein SOI-Wafer des Typs eingesetzt wird, bei dem ein Einkristall-Siliziumsubstrat und ein Einkristall-Silizium- Dünnfilm über einen thermisch oxidierten Film aneinander haften.
Des weiteren wird, da die (111)-Flächen am dichtesten und stabil sind, so dass die (111)-Flächen leicht durch anisotropes Ätzen dargestellt werden können, eine Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung, die gute Reproduzierbarkeit und stabile Qualität aufweist, hergestellt, wenn die Pyramide des Einkristall-Siliziums, die durch die (111)-Flächen gebildet wird, als der oben beschriebene Emitter vorhanden ist.
Des weiteren kann amorphes Silizium 52 auf eine Fläche des Einkristall-Siliziumsubstrats 51 in dem Öffnungsabschnitt 58 aufgetragen werden, von dem die Siliziumschicht 54 entfernt worden ist, so dass Einkristall-Silizium bei hoher Temperatur epitaxial aufwachsen kann, statt die Kristallisation aufgrund von Erhitzung auszuführen oder dergleichen.
Bei einer kammartigen oder keilartigen Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung werden, wie oben beschrieben, die Herstellbarkeit der Form eines Emitters, die Reproduzierbarkeit derselben usw. bei Verwendung eines Silizium-Dünnfilms, insbesondere eines Einkristall-Silizium-Dünnfilms, als Emitter oder als Emitter und Anoden-Elektrode verbessert. Des weiteren kann, wenn die Kristallorientierung in dem Einkristall-Dünnfilm eine (100)-Fläche ist, ein Emitter mit einer scharten Kante, die durch die Kristallflächen gebildet wird, ausgebildet werden, so dass eine Elektronenemissionsvorrichtung mit stabiler Elektronenemissionseigenschaft hergestellt wird. Da ein Einkristall-Silizium- Dünnfilm eines SOI-Wafers eingesetzt wird, ergeben sich weitere Vorteile dahingehend, dass das spitze Ende des Emitters schärfer ist, die Dicke des Emitters genau gesteuert werden kann usw.
Des weiteren werden bei einer konischen Elektronenemissionsvorrichtung die Herstellbarkeit der Form einer Gate-Elektrode, die Reproduzierbarkeit derselben usw. bei Verwendung eines Silizium-Dünnfilms, insbesondere eines Einkristall-Silizium-Dünnfilms, als eine Gate-Elektrode verbessert. Weiterhin kann, wenn die Orientierung des Kristalls in dem Siliziumsubstrat eine (100)-Fläche ist, ein Emitter mit einer scharfen Kante, die durch die Kristallflächen gebildet wird, hergestellt werden, so dass eine Elektronenemissionsvorrichtung mit stabilen Elektronenemissionseigenschaften hergestellt wird.
Weiterhin lassen sich bei einem Verfahren zum Herstellen einer Elektronenemissionsvorrichtung nicht nur die Dünnfilm-Erzeugungsschritte durch Einsatz eines SOI-Wafers vereinfachen, sondern auch dis Anzahl von Metallmaterialien, die für die Erzeugung des Dünnfilms erforderlich sind, kann auf eines beschränkt werden. Gleichzeitig lassen sich die Ätzschritte verringern. Weiterhin weist die Vereinfachung der Schritte den Vorteil auf, dass Schritte des herkömmlichen Halbleiterverfahrens verwendet werden können. Natürlich führt die Vereinfachung der Schritte zu einer Verringerung der Kosten.

Claims

1. Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung, die umfasst:

eine Isolierschicht (34, 44) mit wenigstens einem konvexen Abschnitt (341, 441);

einen Emitter (32, 42), der an einer Spitzenfläche eines konvexen Abschnitts der isolierschicht angeordnet sind, wobei der Emitter aus einem Silizium-Dünnfilm besteht, der auf der Isolierschicht ausgebildet ist; und

eine Gate-Elektrode (33, 43), die auf einer Talfläche (342, 442) des konvexen Abschnitts der Isolierschicht so angeordnet ist, dass sie dem Emitter (32) gegenüber liegt, und die mit einer Spannung zum Abziehen von Elektronen aus dem Emitter gespeist wird.

2. Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Emitter (32, 42) einen Einkristall-Silizium-Dünnfilm umfasst, der auf der Isolierschicht ausgebildet ist.

3. Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Isolierschicht (34, 44) eine Vielzahl konvexer Abschnitte (341; 441) aufweist;

der Emitter (32, 42) auf einer Spitzenfläche eines der konvexen Abschnitte der Isolierschicht angeordnet ist;

die Gate-Elektrode (33, 43) auf einer Talfläche zwischen den konvexen Abschnitten (341, 441) vorhanden ist; und

eine Anoden-Elektrode (35, 45), auf einer Spitzenfläche eines anderen der konvexen Abschnitte (341, 441) angeordnet ist, um Elektronen von dem Emitter auf zufangen, wobei die Anoden-Elektrode aus einem Silizium-Dünnfilm besteht, der auf der Isolierschicht ausgebildet ist.

4. Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung nach Anspruch 2 und 3, wobei die Anoden-Elektrode (35, 45) einen Einkristall-Silizium-Dünnfilm umfasst, der auf der Isolierschicht ausgebildet ist.

5. Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 4, wobei der Einkristall-Silizium-Dünnfilm einen Einkristall-Silizium-Dünnfilm mit einer (100)-Kristallfläche als einer Hauptfläche umfasst.

6. Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Isolierschicht (34, 44) aus Siliziumoxid besteht.

7. Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung nach Anspruch 6, die des weiteren ein Einkristall-Siliziumsubstrat (31, 41) umfasst, auf dem die Isolierschicht (34, 44) vorhanden ist.

8. Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Emitter (32, 42) einen spitzen Endabschnitt aufweist, der dazu dient, Elektronen auszustrahlen, und der durch zwei oder mehr (111)-Flächen gebildet wird.

9. Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Emitter (32) in Draufsicht wie ein Kamm geformt ist, so dass Elektronen von zwei spitzen Endabschnitten ausgestrahlt werden, die an den einander gegenüberliegenden Enden einer kammartigen Kante des Emitters ausgebildet sind.

10. Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Emitter (42) in Draufsicht wie ein Keil geformt ist, so dass Elektronen von einem keilartigen spitzen Endabschnitt des Emitters ausgestrahlt werden.

11. Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung, die umfasst:

eine Isolierschicht (54);

einen konischen Emitter (52); und

eine Gate-Elektrode (53), die um ein spitzes Ende des Emitters herum angeordnet ist und mit einer Spannung zum Abziehen von Elektronen aus dem Emitter gespeist wird, wobei die Gate-Elektrode (53) aus einem Silizium-Dünnfilm besteht, der auf der Isolierschicht (54) ausgebildet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Gate-Elektrode (53) aus einem Einkristall-Silizium-Dünnfilm besteht, der auf der Isolierschicht ausgebildet ist.

12. Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (54) aus Siliziumoxid besteht.

13. Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch: ein Einkristall-Siliziumsubstrat (51), auf dem die Isolierschicht (54) vorhanden ist.

14. Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (52) aus einem Einkristall-Siliziumsubstrat besteht.

15. Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (52) aus Einkristall-Silizium besteht, das epitaxial auf das Einkristall- Siliziumsubstrat aufgewachsen ist.

16. Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkristall-Siliziumsubstrat (51) durch einen Silizium-Einkristall-Dünnfilm mit einer (100)-Kristallfläche als einer Hauptfläche gebildet wird.

17. Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (52) einen spitzen Endabschnitt aufweist, der dazu dient, Elektronen auszustrahlen, und der durch zwei oder mehr (111)-Flächen gebildet wird.

18. Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein SOI-Substrat des Typs umfasst, bei dem ein Einkristall-Siliziumsubstrat (3, 41, 51) und ein Einkristall-Silizium-Dünnfilm (321, 421, 531) über einen thermisch oxidierten Siliziumfilm (34, 44, 54) aneinander haften.

19. Verfahren zum Herstellen einer Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung, das die folgenden Schritte umfasst:

Ausbilden einer ungefähr rechteckigen Emitter-Elektrode und einer ungefähr rechteckigen Anoden-Elektrode aus einem Einkristall-Silizium-Dünnfilm (321, 421), der auf einem Einkristall-Siliziumsubstrat (31, 41) mit einem thermisch oxidierten Film auf seiner Oberfläche (34, 44) haftet;

Entfernen des thermisch oxidierten Siliziumfilms um eine erforderliche Dicke mittels Ätzen, um so einen konkaven Abschnitt (342, 442) zwischen der Emitter- und der Anoden-Elektrode auszubilden;

Auftragen eines Gate-Elektroden-Materials (331) auf die gesamte Oberfläche;

Entfernen des aufgetragenen Elektrodenmaterials auf Abschnitten außer dem konkaven Abschnitt (342, 442) zwischen der Emitter- und der Anoden-Elektrode durch ein Ablöseverfahren und mittels Ätzen; und

Bearbeiten der Form der ungefähr rechteckigen Emitter-Elektrode (32, 42) zu einer gewünschten Form.

20. Verfahren zum Herstellen einer Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung nach Anspruch 19, wobei die ungefähr rechteckige Emitter-Elektrode so bearbeitet wird, dass der Emitter (32, 42) in Draufsicht wie ein Kamm oder wie ein Keil geformt ist, wobei ein spitzer Endabschnitt des so geformten Emitters (32, 42) mit einem anisotopen Nassätzverfahren bearbeitet wird, um so die Kamm- bzw. Keilform aus wenigstens zwei (111)-Flächen auszubilden.

21. Verfahren zum Herstellen einer Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung das die folgenden Schritte umfasst:

Bereitstellen eines Einkristall-Siliziumsubstrats (51), das aus einem ersten Einkristall-Dünnfilm mit einer (100)-Kristallfläche als einer Hauptkristallfläche besteht und eine thermisch oxidierte Fläche (54) aufweist, wobei ein zweiter Einkristall- Silizium-Dünnfilm (531) daran haftet;

Ausbilden einer Gate-Elektrode (53) unter Einsatz eines Trockenätzverfahrens an dem zweiten Einkristall-Silizium-Dünnfilm, um so einen Öffnungsabschnitt herzustellen;

Entfernen des thermisch oxidierten Siliziumfilms (54) durch Ätzen mit einer Puffer-Fluorwasserstoffsäure durch den Öffnungsabschnitt (58) des Einkristall- Silizium-Dünnfilms hindurch, um so die Oberfläche des Einkristall-Siliziumsubstrats (51) freizulegen;

Auftragen von amorphem Silizium (521) auf den so freigelegten Abschnitt des Einkristall-Siliziumsubstrats (51) mit einem Kathodenzerstäubungsverfahren oder einem Aufdampfverfahren;

Erhitzen des amorphen Siliziums oder Bestrahlen des amorphen Siliziums mit Ionenstrahlen, um so einen Teil des amorphen Siliziums entsprechend der Ausrichtung des Substrats (51) zu monokristallisieren; und

Entfernen von Abschnitten außer dem monokristallisierten Abschnitt des amorphen Siliziums durch anisotropes Nassätzen, um einen spitzen Endabschnitt (52) aus Einkristall-Silizium, der durch wenigstens zwei (111)-Flächen gebildet wird, als einen konischen Emitter herzustellen.

22. Verfahren zum Herstellen einer Feldemissions-Elektronenemissionsvorrichtung, das die folgenden Schritte umfasst:

Bereitstellen eines Einkristall-Silizumsubstrats (51) mit einer thermisch oxidierten Oberfläche (54) als einer Isolierschicht und einem Einkristall-Silizium-Dünnfilm (531) auf der Isolierschicht;

Ausbilden einer Gate-Elektrode (53) aus dem Einkristall-Silizium-Dünnfilm, durch Ausbilden eines Öffnungsabschnitts (58) in dem Einkristall-Dünnfilm (531) und Entfernen des so freigelegten thermisch oxidierten Siliziumfilms;

epitaxiales Aufwachsen eines Silizium-Einkristalls (52) auf die so freigelegte Fläche des Einkristall-Siliziumsubstrats als konischer Emitter.