KR20010046861A - Emitter structure of field emmission device and fabricating method thereof - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An emitter structure of field emission element and manufacturing method of the same are provided to improve the efficiency of electron emission and reliability with simplifying an upper electrode. CONSTITUTION: An emitter structure has a tunneling insulating membrane(14) between the upper electrode(16) and the lower electrode. The upper electrode(16) is a TIN membrane. In the method, an emitter of field emission element forming a tunneling insulating membrane(14) between the upper electrode(16) and the lower electrode, the method for forming the upper electrode(16) comprises a step for forming TIN membrane with Ti target in the mixing state of Ar or N2 using a high frequency reaction sputtering.

Description

전계방출소자의 이미터 구조 및 그 제조방법{EMITTER STRUCTURE OF FIELD EMMISSION DEVICE AND FABRICATING METHOD THEREOF}Emitter Structure of Field Emission Device and Manufacturing Method Thereof {EMITTER STRUCTURE OF FIELD EMMISSION DEVICE AND FABRICATING METHOD THEREOF}

본 발명은 전계방출소자의 이미터 구조 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 MIM 이미터(metal-insulator-metal emitter)의 상부전극을 간단하게 제조하면서도 특성을 향상시키기에 적당하도록 한 전계방출소자의 이미터 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to an emitter structure of a field emission device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a field emission device that is suitable for improving characteristics while simply manufacturing an upper electrode of a metal-insulator-metal emitter. An emitter structure and a method of manufacturing the same.

일반적으로, 전계방출소자가 표시장치(display) 분야에 적용되면서 얇으면서 기존 음극선관(cathode-ray tube, 이하 CRT) 표시장치와 같은 우수한 특성의 화질을 제공할 수 있기 때문에 CRT 표시장치의 박막화가 본격적으로 이루어지고 있다. 이와같은 종래 전계방출소자의 이미터는 Spindt 형이 주류를 이루고 있으며, 그 제조방법을 도1a 내지 도1g의 수순단면도를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.In general, as the field emission device is applied to the field of display, it is thin and can provide excellent image quality of the same characteristics as a conventional cathode-ray tube (CRT) display device. It is done in earnest. The emitter of the conventional field emission device has a mainstream Spindt type, and the manufacturing method thereof will be described in detail with reference to the procedure cross-sectional view of FIGS. 1A to 1G.

먼저, 도1a 내지 도1c에 도시한 바와같이 기판(1) 상부에 순차적으로 베이스전극(2), 절연층(3) 및 게이트전극(4)을 형성한다.First, as shown in FIGS. 1A to 1C, the base electrode 2, the insulating layer 3, and the gate electrode 4 are sequentially formed on the substrate 1.

그리고, 도1d에 도시한 바와같이 상기 게이트전극(4)을 마스크를 통해 식각하고, 계속해서 노출되는 절연층(3)을 습식식각하여 미세홀(5)을 패터닝한다. 이때, 절연층(3)의 습식식각으로 인해 미세홀(5) 상부의 게이트전극(4)이 절연층(3)에 비해 돌출되며, 미세홀(5)은 지름이 1㎛ 이하가 되도록 패터닝하여야 한다.As shown in FIG. 1D, the gate electrode 4 is etched through a mask, and the insulating layer 3 that is subsequently exposed is wet-etched to pattern the fine holes 5. At this time, due to the wet etching of the insulating layer 3, the gate electrode 4 above the micro holes 5 protrudes from the insulating layer 3, and the micro holes 5 should be patterned to have a diameter of 1 μm or less. do.

그리고, 도1e에 도시한 바와같이 상기 미세홀(5)이 패터닝된 구조물 상에 경사 전자빔(e-beam) 증착을 실시함으로써, 상기 미세홀(5) 상부에 돌출된 게이트전극(4)보다 더 돌출되는 희생층(6)을 형성한다. 이때, 상기 전자빔 증착은 기판(1)과 15°정도의 경사를 갖도록 실시하여야 한다.In addition, as shown in FIG. 1E, the inclined electron beam (e-beam) is deposited on the patterned structure of the microholes 5, so that the gate electrode 4 protrudes above the microholes 5. A protruding sacrificial layer 6 is formed. At this time, the electron beam deposition should be carried out so as to have an inclination of about 15 ° with the substrate (1).

그리고, 도1f에 도시한 바와같이 상기 희생층(6)이 형성된 구조물 상에 전자빔 증착을 통해 Mo 금속층(7)을 형성하여 상기 미세홀(5) 내부의 베이스전극(2) 상부에 Mo 금속층(7)으로 이루어진 팁(tip)을 형성한다.As shown in FIG. 1F, the Mo metal layer 7 is formed on the structure on which the sacrificial layer 6 is formed by electron beam deposition to form an Mo metal layer on the base electrode 2 inside the microhole 5. It forms a tip consisting of 7).

그리고, 도1g에 도시한 바와같이 상기 희생층(6) 상부의 Mo 금속층(7)을 선택적으로 제거한 다음 노출된 희생층(6)을 제거한다.As shown in FIG. 1G, the Mo metal layer 7 over the sacrificial layer 6 is selectively removed, and then the exposed sacrificial layer 6 is removed.

상기한 바와같이 제조되는 종래 전계방출소자의 Spintd 형 이미터는 팁 상부가 첨예하면서도 미세홀(5)의 중앙에 위치하도록 하기 위하여 1㎛ 이하의 지름을 갖는 미세홀(5)이 요구되는데, 대면적이 될경우에 전체적인 높이증가로 인한 문제 및 미세홀(5)을 패터닝하기 위한 노광등의 공정이 어려우며, 희생층(6)과 Mo 금속층(7)의 팁을 형성하기 어려워 사실상 대면적 적용이 불가능한 문제점이 있었다.The Spintd type emitter of the conventional field emission device manufactured as described above requires a fine hole 5 having a diameter of 1 μm or less so that the tip top is sharp and positioned at the center of the fine hole 5. In this case, problems due to the increase in the overall height and the process such as exposure for patterning the fine holes 5 are difficult, and it is difficult to form the tips of the sacrificial layer 6 and the Mo metal layer 7, so that practical application of a large area is impossible. There was a problem.

따라서, 상기한 바와같은 문제들을 극복하기 위하여 최근에 DLC(diamond like carbon)를 이용한 이미터, 표면 전도(surface conduction) 이미터 또는 MIM 이미터 등이 연구 개발되고 있다. 이와같은 이미터 중에 MIM 이미터는 제조가 간단하고, 고진공 및 포커싱(focusing)이 요구되지 않으며, 구동전압이 10V 이하이고, 표면오염에 강한 여러가지 장점을 갖고 있어 차세대 전계발광소자의 이미터로 주목받고 있다.Therefore, in order to overcome the problems described above, an emitter, a surface conduction emitter or a MIM emitter using a diamond like carbon (DLC) has recently been researched and developed. Among these emitters, MIM emitters are easy to manufacture, do not require high vacuum and focusing, drive voltage is less than 10V, and have various advantages against surface contamination. have.

상기한 바와같은 MIM 이미터는 2개의 전극 사이에 얇은 절연체가 존재하는 구조로 게이트전극에 전압을 걸어주면 얇은 절연체를 터널링(tunneling)하는 전자중에 게이트전극의 일함수보다 높은 에너지를 갖는 전자(1% 이하)가 애노드(anode)쪽으로 방출되는 원리로, 그 제조방법을 첨부된 도2a 내지 도2f의 수순단면도를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.As described above, the MIM emitter is a structure in which a thin insulator exists between two electrodes. When a voltage is applied to the gate electrode, electrons having a higher energy than the work function of the gate electrode (1%) are among the electrons tunneling the thin insulator. The following) is described in detail with reference to the process cross-sectional view of the accompanying Figures 2a to 2f as a principle that is discharged toward the anode (anode).

먼저, 도2a에 도시한 바와같이 유리기판(11) 상부에 알루미늄을 증착하고, 일부를 선택적으로 습식식각하여 베이스전극(12)을 패터닝한다.First, as shown in FIG. 2A, aluminum is deposited on the glass substrate 11 and a part of the base electrode 12 is selectively wet-etched.

그리고, 도2b에 도시한 바와같이 상기 베이스전극(12)의 중앙영역 상부에 감광막(PR11) 패턴을 형성하고, 양극산화를 실시하여 감광막(PR11) 패턴이 형성되지 않은 베이스전극(12)의 양 측면상에 보호절연막(13)을 형성한다.As shown in FIG. 2B, the photoresist film PR11 pattern is formed on the center region of the base electrode 12, and the amount of the base electrode 12 on which the photoresist film PR11 pattern is not formed by anodizing is formed. The protective insulating film 13 is formed on the side surface.

그리고, 도2c에 도시한 바와같이 상기 감광막(PR11) 패턴을 제거하고, 다시 양극산화를 실시하여 감광막(PR11) 패턴이 제거된 베이스전극(12) 상부에 터널링 절연막(14)을 형성한다.As shown in FIG. 2C, the photoresist layer PR11 pattern is removed and anodization is performed again to form the tunneling insulating layer 14 on the base electrode 12 from which the photoresist layer PR11 pattern is removed.

그리고, 도2d에 도시한 바와같이 상기 터널링 절연막(14)의 상부 및 보호절연막(13)과 이격되는 유리기판(11) 상부의 가장자리에 다시 감광막(PR12) 패턴을 형성하고, 상부전면에 버스전극(15)을 형성한다.As shown in FIG. 2D, the photoresist film PR12 pattern is formed on the upper edge of the tunneling insulating film 14 and the upper portion of the glass substrate 11 spaced apart from the protective insulating film 13, and the bus electrode is formed on the upper surface of the tunneling insulating film 14. (15) is formed.

그리고, 도2e에 도시한 바와같이 상기 감광막(PR12) 패턴을 리프트 오프(lift-off) 방법을 통해 제거하여 버스전극(15)을 패터닝한 다음 버스전극(15)이 패터닝된 유리기판(11) 상부의 가장자리에 다시 감광막(PR13) 패턴을 형성하고, 상부전면에 상부전극(16)을 형성한다. 이때, 상부전극(16)은 Au/Pt/Ir층을 적층하여 형성하며, 상부의 Au층은 30Å 두께의 실제적인 전극층으로 전기전도도가 우수함과 아울러 표면오염에 대한 내성이 강하고, 중간의 Pt층은 20Å 두께의 배리어(barrier)층으로 Au층과 Ir층의 접착특성을 향상시키며, 하부의 Ir층은 10Å 두께의 확산방지층으로 Au층과 상기 터널링 절연막(14)의 상호확산을 방지한다.As shown in FIG. 2E, the bus electrode 15 is patterned by removing the photoresist film PR12 pattern by a lift-off method, and then the glass substrate 11 having the bus electrode 15 patterned thereon. The photoresist film PR13 pattern is again formed on the upper edge, and the upper electrode 16 is formed on the upper front surface. At this time, the upper electrode 16 is formed by stacking the Au / Pt / Ir layer, the upper Au layer is a real electrode layer of 30 Å thickness and excellent electrical conductivity and strong resistance to surface contamination, intermediate Pt layer The 20 Å thick barrier layer improves the adhesion between the Au layer and the Ir layer, and the lower Ir layer is a 10 Å thick diffusion barrier layer that prevents the Au layer and the tunneling insulating film 14 from diffusing.

그리고, 도2f에 도시한 바와같이 상기 감광막(PR13) 패턴을 리프트 오프 방법을 통해 제거하여 상부전극(16)을 패터닝한 다음 세정 및 애싱등을 실시한다.As shown in FIG. 2F, the photoresist film PR13 pattern is removed by a lift-off method to pattern the upper electrode 16, and then cleaning and ashing are performed.

한편, 도3은 상기 도2f의 에너지밴드 다이아그램을 보인 예시도로서, Au층을 실제적인 상부전극(16)으로 적용하였을때의 일함수가 5.2eV임을 알 수 있다.3 is an exemplary diagram showing the energy band diagram of FIG. 2F, and it can be seen that the work function when the Au layer is actually applied to the upper electrode 16 is 5.2 eV.

그러나, 상기한 바와같은 종래 전계방출소자의 MIM 이미터는 상부전극에 적층되는 Au/Pt/Ir층의 두께가 너무 얇기 때문에 제작에 어려움이 있으며, 아울러 Au층은 전기전도도가 좋고, 표면오염에 대한 내성이 강한 반면에 일함수가 5.2eV로 높고, 부착성이 좋지 않기 때문에 전계방출소자의 전자 방출효율 및 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.However, the MIM emitter of the conventional field emission device as described above is difficult to fabricate because the thickness of the Au / Pt / Ir layer deposited on the upper electrode is too thin, and the Au layer has good electrical conductivity and prevents surface contamination. While the resistance is strong, the work function is high as 5.2 eV and the adhesion is not good, and thus the electron emission efficiency and reliability of the field emission device are deteriorated.

본 발명은 상기한 바와같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 본 발명의 목적은 전계방출소자에서 MIM 이미터의 상부전극을 간단하게 제조하면서도 특성을 향상시킬 수 있는 전계방출소자의 이미터 구조 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.The present invention has been made to solve the conventional problems as described above, an object of the present invention is to easily produce the upper electrode of the MIM emitter in the field emission device, while the emitter of the field emission device that can improve the characteristics It is to provide a structure and a method of manufacturing the same.

도1a 내지 도1g는 종래 전계방출소자의 Spindt 형 이미터 제조방법을 보인 수순단면도.1A to 1G are cross-sectional views showing a method for manufacturing a Spindt-type emitter of a conventional field emission device.

도2a 내지 도2f는 일반적인 전계방출소자의 MIM 이미터 제조방법을 보인 수순단면도.2a to 2f are cross-sectional views showing a method of manufacturing a MIM emitter of a general field emission device.

도3은 도2f의 에너지밴드 다이아그램을 보인 예시도.Figure 3 is an exemplary view showing the energy band diagram of Figure 2f.

도4는 본 발명의 적용에 따른 에너지밴드 다이아그램을 보인 예시도.4 is an exemplary view showing an energy band diagram according to the application of the present invention.

도5a 및 도5b는 본 발명과 종래기술의 특성차이를 비교도시한 그래프도.Figures 5a and 5b is a graph showing the comparison of the characteristic difference between the present invention and the prior art.

상기한 바와같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 전계방출소자의 이미터 구조는 상부전극과 하부전극 사이에 터널링 절연막이 형성된 전계방출소자의 이미터 구조에 있어서, 상기 상부전극이 TiN 막인 것을 특징으로 한다.The emitter structure of the field emission device for achieving the object of the present invention as described above, in the emitter structure of the field emission device in which the tunneling insulating film is formed between the upper electrode and the lower electrode, the upper electrode is a TiN film do.

그리고, 상기한 바와같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 전계방출소자의 이미터 제조방법은 상부전극과 하부전극 사이에 터널링 절연막을 형성하는 전계방출소자의 이미터 제조방법에 있어서, 상기 상부전극 형성방법은 Ti 타겟을 사용하여 아르곤과 질소 분위기에서 고주파 반응성 스퍼터링(RF reactive sputtering) 방법을 이용하여 TiN막을 형성하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the emitter manufacturing method of the field emission device for achieving the object of the present invention as described above in the method of manufacturing the emitter of the field emission device to form a tunneling insulating film between the upper electrode and the lower electrode, the upper electrode formation The method is characterized in that the Ti target using a high frequency reactive sputtering (RF reactive sputtering) method to form a TiN film in an argon and nitrogen atmosphere.

상기한 바와같은 본 발명에 의한 전계방출소자의 이미터 구조 및 그 제조방법의 일 실시예는 상기 종래 도2a 내지 도2f의 수순단면도와 동일하게 진행되며, 다만 도2e에서 상부전극(16)으로 종래의 Au/Pt/Ir층을 적층하여 형성하지 않고, Ti 타겟을 사용하여 아르곤과 질소 분위기에서 고주파 반응성 스퍼터링 방법을 이용하여 TiN막을 형성한다.One embodiment of the emitter structure of the field emission device and the method of manufacturing the same according to the present invention as described above proceeds in the same manner as the cross-sectional view of the conventional Figure 2a to 2f, except in Figure 2e to the upper electrode 16 A TiN film is formed by using a high frequency reactive sputtering method in argon and nitrogen atmosphere using a Ti target, without stacking a conventional Au / Pt / Ir layer.

이때, 상기 Ti 대신에 Zr, Ta 또는 Hf 등의 금속을 질화시켜 상부전극(16)에 적용할 수 있다.At this time, instead of Ti, a metal such as Zr, Ta, or Hf may be nitrided and applied to the upper electrode 16.

상기 본 발명의 상부전극(16)으로 적용되는 TiN막은 도4의 에너지밴드 다이아그램을 보인 예시도에서 알 수 있는 바와같이 일함수가 2.9eV로 Au층에 비해 낮기 때문에 전자 방출효율을 높이고, 구동전압을 다소 낮출 수 있으며, 화학적인 안정성으로 표면오염에 민감하지 않고, 전기전도도가 우수한 편이며, 하부 터널링 절연막(14)과의 상호 반응도 적어 별도의 배리어층이 요구되지 않기 때문에 공정이 단순해진다.The TiN film applied to the upper electrode 16 of the present invention has a work function of 2.9 eV, which is lower than that of the Au layer, as shown in the example of the energy band diagram of FIG. The voltage can be lowered somewhat, the chemical stability is not sensitive to surface contamination, the electrical conductivity is excellent, and the interaction with the lower tunneling insulating film 14 is less, so that a separate barrier layer is not required, thereby simplifying the process.

따라서, 도5a 및 도5b의 종래 기술과 본 발명의 특성차이를 비교도시한 그래프도에서 알 수 있는 바와같이 변화가 거의없는 안정된 방출전류가 종래에 비해 2배정도 증가되어 방출된다. 이때, 본 발명의 TiN막은 Ti 타겟을 사용하여 아르곤과 질소 분위기에서 고주파 반응성 스퍼터링 방법으로 100Å의 두께로 0.5×0.5㎟ 의 픽셀(pixel)을 제작하였으며, 베이스전극으로는 Al층을 2000Å의 두께로 형성하였고, 터널링 절연막은 Al2O3막을 100Å의 두께로 형성하였다.Thus, as can be seen in the graph showing the difference in characteristics between the prior art of Figs. 5A and 5B, the stable emission current with almost no change is increased by about twice as compared with the prior art. At this time, the TiN film of the present invention was manufactured by using a Ti target in a high frequency reactive sputtering method in an argon and nitrogen atmosphere to produce a pixel of 0.5 x 0.5 mm2 with a thickness of 100 kW, and the Al layer to a thickness of 2000 kW as the base electrode. In the tunneling insulating film, an Al 2 O 3 film was formed to a thickness of 100 GPa.

한편, 상기한 바와같은 본 발명의 상부전극(16)에 적용되는 TiN막의 다른 형성방법으로는 도2d 까지의 공정이 진행된 유리기판(11) 상에 N2플라즈마를 형성한 다음 Ti를 증착(evaporation)하여 형성할 수 있으며, 또다른 방법으로는 Ti층을 형성한 다음 질화시켜 형성할 수 있다.Meanwhile, as another method of forming the TiN film applied to the upper electrode 16 of the present invention as described above, an N 2 plasma is formed on the glass substrate 11 having the process up to FIG. 2d, and then Ti is evaporated. In another method, the Ti layer may be formed and then nitrided.

상기한 바와같은 본 발명에 의한 전계방출소자의 이미터 구조 및 그 제조방법은 TiN막의 일함수가 낮아 전자 방출효율을 높이고, 구동전압을 다소 낮출 수 있어 소비전력을 저감시킬 수 있으며, 화학적인 안정성으로 표면오염에 민감하지 않고, 전기전도도가 우수한 편이며, 하부 터널링 절연막과의 상호 반응도 적어 별도의 배리어층이 요구되지 않기 때문에 공정이 단순해져 제조비용 및 수율에 있어서 유리한 효과가 있다.As described above, the emitter structure of the field emission device and the method of manufacturing the same according to the present invention have a low work function of the TiN film, which improves electron emission efficiency, reduces driving voltage, and thus reduces power consumption. Therefore, it is not sensitive to surface contamination, and has excellent electrical conductivity, and also has little interaction with the lower tunneling insulating film, so that a separate barrier layer is not required, which simplifies the process and has an advantageous effect on manufacturing cost and yield.

Claims (5)

상부전극과 하부전극 사이에 터널링 절연막이 형성된 전계방출소자의 이미터 구조에 있어서, 상기 상부전극이 TiN 막인 것을 특징으로 하는 전계방출소자의 이미터 구조.An emitter structure of a field emission device having a tunneling insulating film formed between an upper electrode and a lower electrode, wherein the upper electrode is a TiN film. 제 1 항에 있어서, 상기 TiN 막 대신에 TaN, ZrN 또는 HfN 막 중에 선택된 하나로 대체한 것을 특징으로 하는 전계방출소자의 이미터 구조.The emitter structure of a field emission device according to claim 1, wherein one of TaN, ZrN, or HfN is substituted for the TiN. 상부전극과 하부전극 사이에 터널링 절연막을 형성하는 전계방출소자의 이미터 제조방법에 있어서, 상기 상부전극 형성방법은 Ti 타겟을 사용하여 아르곤과 질소 분위기에서 고주파 반응성 스퍼터링 방법을 이용하여 TiN막을 형성하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계방출소자의 이미터 제조방법.In the method of manufacturing an emitter of the field emission device to form a tunneling insulating film between the upper electrode and the lower electrode, the upper electrode forming method is to form a TiN film using a high frequency reactive sputtering method in argon and nitrogen atmosphere using a Ti target Emitter manufacturing method of the field emission device, characterized in that consisting of a step. 제 3 항에 있어서, 상기 TiN막은 고주파 반응성 스퍼터링 방법 대신에 기판 상에 N2플라즈마를 형성한 다음 Ti를 증착(evaporation)하여 형성하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자의 이미터 제조방법.4. The method of claim 3, wherein the TiN film is formed by forming an N 2 plasma on a substrate instead of a high frequency reactive sputtering method and then evaporating Ti. 제 3 항에 있어서, 상기 TiN막은 고주파 반응성 스퍼터링 방법 대신에 기판 상에 Ti층을 형성한 다음 질화시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자의 이미터 제조방법.4. The method of claim 3, wherein the TiN film is formed by forming a Ti layer on a substrate and then nitriding instead of a high frequency reactive sputtering method.
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