專利名稱：具有低行列漏電流的場致發(fā)射器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及場致發(fā)射器件，尤其涉及包含類金剛石碳(diamond-like-carbon)表面發(fā)射體的三極場致發(fā)射器件。
場致發(fā)射器件在技術(shù)上已為人所知。一種結(jié)構(gòu)為二極場致發(fā)射器件，包括兩個電極陰極和陽極；另一種常見的結(jié)構(gòu)為三極場致發(fā)射器件，包括三個電極陰極、柵極和陽極。

圖1所示是現(xiàn)有技術(shù)的場致發(fā)射器件(FED)100，為三極結(jié)構(gòu)。FED 100包含一個柵抽取極(gate extraction electrode)150(又稱行)，其與導(dǎo)電層130(又稱列)之間被絕緣層140隔開。導(dǎo)電層130在支撐襯底110上形成。絕緣層140阻止柵抽取極150與導(dǎo)電層130之間導(dǎo)電。與柵抽取極150分離開的是由導(dǎo)電材料制成的陽極180。絕緣層140有側(cè)面，由此形成發(fā)射阱160。電子發(fā)射體170安置在發(fā)射阱160中，并可以有錐尖(spindt tip)。FED 100工作時，如典型三極管通常的工作方式，適當(dāng)?shù)碾妷杭釉跂懦槿O150、導(dǎo)電層115和陽極180上，用于把電子從發(fā)射體170抽取出來，并把它們導(dǎo)向陽極。FED 100的失效機(jī)理之一就是絕緣層140內(nèi)出現(xiàn)缺陷145。缺陷145可以包括在柵抽取極150和導(dǎo)電層130之間延伸的裂縫和空洞，這樣就在二者之間提供了導(dǎo)電通路，從而破壞了所希望的電氣絕緣。如果電壓源185在柵抽取極150和導(dǎo)電層130之間提供一個電勢差，串聯(lián)在電路中的電流表190將測出一個電流，該電流是由不希望發(fā)生的缺陷145造成的。在采用發(fā)射膜(例如類金剛石碳膜)的三極場致發(fā)射器件的研制過程中，觀察到了類似的缺陷。
這樣，就需要一種用于制造采用場致發(fā)射膜的場致發(fā)射器件的方法，能夠防止在絕緣層中形成缺陷，減少行列電流泄漏。
參照附圖圖1為現(xiàn)有技術(shù)的場致發(fā)射器件的剖面圖2為場致發(fā)射器件的剖面圖；圖3為圖2中場致發(fā)射器件的部分區(qū)域的放大圖；圖4-8為圖2和圖3中場致發(fā)射器件形成過程中得到的結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖9為按照圖2所示方法制造的場致發(fā)射器件的行列漏電流的圖形表示；圖10-15是按照本發(fā)明提出的用于制造具有低行列漏電流的場致發(fā)射器件的方法中，完成不同步驟所獲結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖16為場致發(fā)射器件的另一種實(shí)施方式的一個像素(pixel)的剖面圖，該器件是按照本發(fā)明的用于制造具有低行列漏電流場致發(fā)射器件的方法中，完成各步驟而獲得的；圖17為圖16中場致發(fā)射器件的陰極的一部分的頂視圖；以及圖18為圖16和17中的場致發(fā)射器件加上不同的電勢差時，測出的行列漏電流的圖形表示；圖2為場致發(fā)射器件200的剖面圖。場致發(fā)射器件200包含一個陰極276，該陰極包括支撐襯底210，該襯底可由玻璃如硼硅酸鹽玻璃或硅制成。在支撐襯底210的主面上，用合適的導(dǎo)電材料如鋁或鉬形成列導(dǎo)體230。發(fā)射結(jié)構(gòu)220做在列導(dǎo)體230上。發(fā)射結(jié)構(gòu)包括三層鎮(zhèn)流電阻265，淀積在列導(dǎo)體230上，其中含有電阻性材料，如摻雜的無定形硅；表面發(fā)射體270，做在鎮(zhèn)流電阻265上，由合適的場致發(fā)射材料如類金剛石碳，立方氮化硼或氮化鋁制成；場整形器275，安置在表面發(fā)射體270的部分區(qū)域上，由電阻性材料如無定形硅制成。絕緣層240做在場整形器275上，內(nèi)有作為發(fā)射阱260的側(cè)面。絕緣層240由合適的絕緣材料如二氧化硅制成。表面發(fā)射體270構(gòu)成了置于發(fā)射阱260中的發(fā)射表面。行導(dǎo)體250淀積在絕緣層240上，與表面發(fā)射體270分離。陽極280與行導(dǎo)體250分離開。場致發(fā)射器件的工作為在列導(dǎo)體230、行導(dǎo)體250和陽極280上加合適的電壓，以在表面發(fā)射體270上產(chǎn)生電子發(fā)射，經(jīng)適當(dāng)?shù)募铀賹⒊槌龅碾娮訉?dǎo)向陽極280。場整形器幫助把表面發(fā)射體270附近的電場整形。鎮(zhèn)流電阻265在表面發(fā)射體270和列導(dǎo)體230之間提供適當(dāng)?shù)碾娮?，以防止表面發(fā)射體270和陽極280之間形成電弧。
圖3描繪了場致發(fā)射器件200部分區(qū)域的放大圖，其中包括發(fā)射結(jié)構(gòu)220的端部。在發(fā)射結(jié)構(gòu)220的端部，絕緣層240和表面發(fā)射體270的一端272之間有一空洞295。據(jù)觀察，空洞295是在形成發(fā)射結(jié)構(gòu)220的過程中，由于場致發(fā)射材料的過刻蝕導(dǎo)致的，這一點(diǎn)將在后面詳細(xì)介紹?？斩?95使絕緣層240中產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致其中產(chǎn)生裂縫245。裂縫245在行導(dǎo)體250和列導(dǎo)體230之間構(gòu)成了漏電通路，導(dǎo)致場致發(fā)射器件200工作時產(chǎn)生不希望的行列漏電。當(dāng)電壓源285產(chǎn)生的電勢差加在行導(dǎo)體250和列導(dǎo)體230之間時，由裂縫245造成的漏電流將會被電路中的電流表290測出?，F(xiàn)在來說明空洞295的形成。
圖4-8畫出了場致發(fā)射器件200(圖2和3)的發(fā)射結(jié)構(gòu)220的制成過程中，獲得的多個結(jié)構(gòu)254、255、256、257和258的剖面圖。第一步，在列導(dǎo)體230上淀積鎮(zhèn)流電阻層264，其中包含一層硼摻雜濃度為1016cm-3的無定形硅。其后，在鎮(zhèn)流電阻層264上淀積一層類金剛石碳269。然后，在層269上形成無定形硅的場整形層274。然后，把層264、269和274圖形化，構(gòu)成列導(dǎo)體230上的場致發(fā)射結(jié)構(gòu)220。這包括首先，在場整形層274上形成圖形化的光刻膠層221，以獲得圖4中所畫的結(jié)構(gòu)254；然后，用化學(xué)藥品如SF6刻蝕場整形層274，形成場整形器層277，從而獲得圖5所示結(jié)構(gòu)255；其后，用例如氧等離子體刻蝕層269，產(chǎn)生圖6所示結(jié)構(gòu)256；最后，刻蝕鎮(zhèn)流電阻層264，形成鎮(zhèn)流電阻265，從而獲得圖7所示結(jié)構(gòu)257。采用的光刻膠為普通品種，由Hoechst Celanese提供，產(chǎn)品號AZ5214，適用于包括氧等離子體的刻蝕劑。如前所示，氧等離子體對類金剛石碳來說，同樣也是刻蝕劑。但是，氧等離子體對類金剛石碳的刻蝕速率遠(yuǎn)大于對光刻膠的。因此，如圖6所示，類金剛石碳在列導(dǎo)體230外面的部分，在光刻膠被刻完之前就被刻蝕干凈了?？涛g鎮(zhèn)流電阻層264之后，用氧等離子體刻掉光刻膠層221，產(chǎn)生圖8所示結(jié)構(gòu)258。氧等離子體同時刻蝕場致發(fā)射材料的暴露端，從而形成表面發(fā)射體270的凹進(jìn)端面272，如圖8所示。當(dāng)絕緣材料淀積在結(jié)構(gòu)258上時，不能與發(fā)射結(jié)構(gòu)220的不齊整的端面相吻合，從而形成空洞295，如圖3所示。
圖9為按圖2所示方法制造的場致發(fā)射器件的行列漏電流的圖形表示400、410。電流測量按圖3所示方法進(jìn)行，尋址一個像素或一個行列交叉點(diǎn)時，有9個發(fā)射阱，每個大約直徑4微米，深1微米。圖形400、410由在場致發(fā)射器件的像素陣列內(nèi)不同像素上進(jìn)行的測量組成。圖形410中所畫的漏電流較大，在行列電勢差為70V(通常使用值)的情況下，約為20微安。這個漏電流水平是不可接受的。圖形400所示的漏電流顯示了在電壓高于30V情況下的可測漏電。
圖10-15為按照本發(fā)明的用于制造具有低行列漏電流的場致發(fā)射器件300(圖15)的方法中，完成不同步驟所獲多個結(jié)構(gòu)354、355、356、357和358(圖10-14)的剖面圖。結(jié)構(gòu)354包括一個支撐襯底310，襯底可由玻璃如硼硅酸鹽玻璃或硅制成。在支撐襯底310的主面上形成列導(dǎo)體330，列導(dǎo)體被圖形化形成中央阱區(qū)332。列導(dǎo)體330上淀積鎮(zhèn)流電阻層364。在這個特別的實(shí)施例中，鎮(zhèn)流電阻層364包含一層電阻率100Ωcm-10,000Ωcm范圍內(nèi)的摻雜無定形硅。這可以通過對無定形硅進(jìn)行硼離子注入達(dá)到，硼濃度1010-1018cm-3，最好1016cm-3，能量30kev。其他合適的鎮(zhèn)流電阻材料，電阻率在前面提到的范圍內(nèi)，也可以用來形成鎮(zhèn)流電阻層364。其后，在鎮(zhèn)流電阻層364上形成厚度為1000埃的類金剛石碳層369?？刹捎闷渌麍鲋掳l(fā)射材料，包括場致發(fā)射碳基材料。碳基材料包括類金剛石碳的場致發(fā)射膜的制作方法，在技術(shù)上已為人知。例如，采用氣態(tài)源，如環(huán)己烷，n-己烷和甲烷，通過等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積，可以淀積無定形氫化碳膜。Wang等人在文獻(xiàn)“Lithography Us-ing Electron Beam Induced Etching of a Carbon Film”，J.Vac.Sci.Technol.Sept/Oct 1995，PP.1984-1987中敘述了一種這樣的方法。Dreifus等人在美國專利No.5,420,443題為“MicroelectronicStructure Having an Array of Diamond Structures on a NondiamondSubstrate and Associated Fabrication Methods”，發(fā)表于05/30/95中敘述了金剛石膜的淀積方法。Seth等人在文獻(xiàn)“Lithographic Appli-cation of Diamond-like Carbon Films”，Thin Solid Films，1995，PP.92-95中進(jìn)一步敘述了類金剛石碳膜的淀積方法。層369形成后，對準(zhǔn)列導(dǎo)體330的中央阱區(qū)332，在層369上形成約1000埃厚的圖形化硬掩模368，從而得到圖10所示結(jié)構(gòu)354。用氧等離子體干法刻蝕類金剛石碳，形成大致與中央阱區(qū)332對準(zhǔn)的表面發(fā)射體370，從而得到圖11所示結(jié)構(gòu)355。為獲得圖12中的結(jié)構(gòu)356，先把硬掩模368從結(jié)構(gòu)355(圖11)上去掉。其后，在表面發(fā)射體370和鎮(zhèn)流電阻層364上，形成無定形硅的場整形層374，厚約2000埃?？涛g場整形層374和鎮(zhèn)流電阻層364，直至大體上覆蓋列導(dǎo)體330。這是通過在場整形層374上附著一層圖形化的光刻膜層321，采用合適的刻蝕劑，例如SF6或氯/氧等離子體，刻蝕層374和364來完成，從而獲得圖13所示結(jié)構(gòu)357。鎮(zhèn)流電阻層364和場整形層374對于前面提到的刻蝕劑，有幾乎相等的刻蝕速率，因此列導(dǎo)體330的相對邊緣、鎮(zhèn)流電阻層365和場整形層377的相對邊緣，形成了相對的光滑連續(xù)的表面371。其后，用氧等離子體把光刻膠層321去掉。在這一步驟中，表面發(fā)射體370，包括端部372，被保護(hù)著不受刻蝕劑刻蝕。這種結(jié)構(gòu)防止了在表面371的非一致刻蝕。如圖14所示，當(dāng)在這之后淀積絕緣層341時，絕緣層容易與表面371吻合，從而防止了導(dǎo)致裂縫的空洞的形成。絕緣層341淀積厚度約1微米。然后導(dǎo)電層351如鉬淀積在絕緣層341上，從而得到結(jié)構(gòu)358。其后，如圖15所示，通過有選擇的刻蝕，刻掉部分導(dǎo)電層351、絕緣層341和場整形層377，形成發(fā)射阱360，從而形成行導(dǎo)電層350、絕緣層340和場整形器375。發(fā)射阱360大致覆蓋中央阱區(qū)332，與構(gòu)成發(fā)射阱360的底面的表面發(fā)射體370對準(zhǔn)。發(fā)射結(jié)構(gòu)320由場整形器375、表面發(fā)射體370和鎮(zhèn)流電阻365組成。FED300還包括一個與陰極376的行導(dǎo)體350分開的陽極380。FED300的工作為在列導(dǎo)體330和行導(dǎo)體350上施加合適的電壓(用電壓源，圖上未畫)，用于把電子從表面發(fā)射體上抽取出來，在陽極380上施加高正電壓，用于把抽出的電子加速送到陽極。例如一個合適的電壓配置為列導(dǎo)體330接地，行導(dǎo)體350加+80V電壓；陽極加+4000V電壓。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施方式中，鎮(zhèn)流電阻層由場致發(fā)射材料做成，該場致發(fā)射材料的電阻率在鎮(zhèn)流電阻層所要求的范圍內(nèi)。在這個實(shí)例中，鎮(zhèn)流電阻層被圖形化，形成有相對邊緣的鎮(zhèn)流電阻，相對邊緣朝中央阱區(qū)內(nèi)傾，安置在列導(dǎo)體的金屬部分上。在這之后，在鎮(zhèn)流電阻上形成場整形層時，場整形層覆蓋了鎮(zhèn)流電阻的相對邊緣。然后有選擇地刻蝕場整形層，直至還能覆蓋列導(dǎo)體為止，場整形層與列導(dǎo)體的相對邊緣，一起構(gòu)成絕緣層能夠吻合的光滑表面。這樣，在場整形層的圖形化步驟中，發(fā)射材料被保護(hù)起來。通過有選擇地刻蝕絕緣層和場整形器層，露出鎮(zhèn)流電阻的部分發(fā)射材料，形成表面發(fā)射體，從而形成發(fā)射阱。
參照圖16和17，圖16為場致發(fā)射器件800的一個像素的剖面圖，該器件是根據(jù)本發(fā)明，按照用于制造具有低行列漏電流的場致發(fā)射器件的方法制造出來的，圖17為圖16中場致發(fā)射器件800的陰極876的一個像素的頂視圖。場致發(fā)射器件800是按照圖10-15所示方法制造的，所有元素的引用與圖中一致，只是以“8”開頭。在這個特別的實(shí)施例中，一個列導(dǎo)體830包括3個中央阱區(qū)部分832，其上形成三個發(fā)射阱860，每一個中都安置一個表面發(fā)射體870。場致發(fā)射器件800的每一個像素，如圖17所示，在行導(dǎo)體850和列導(dǎo)體830的每一個重疊區(qū)，都包含9個發(fā)射阱860。場致發(fā)射器件800包含一個32×32的行、列導(dǎo)體陣列，構(gòu)成了1024個如圖16和1 7所示的像素。
圖18為場致發(fā)射器件800(圖16和17)的陰極876的1024個格點(diǎn)的行列漏電流(微安)的圖形表示700、710。漏電流測量按圖3所示方法進(jìn)行。圖形700和710包含了在兩個結(jié)構(gòu)相同但分別制造的陣列上進(jìn)行的測量。這些測量包含了比圖9所示的要多約1000倍的像素的漏電流的總和。圖形700顯示在所有電壓下沒有可測漏電流；圖形710顯示，在50伏電勢差下，漏電流約為7微安，或大約每像素7納安。這個漏電流水平是可接受的。采用本發(fā)明的方法制造的場致發(fā)射器件800，其漏電流比采用圖17所示像素結(jié)構(gòu)，并按圖4-8所示方法制造的場致發(fā)射器件(圖9)的漏電流小約3個數(shù)量級。
本發(fā)明的用于制造場致發(fā)射器件的方法在還包括另外的工藝步驟的工藝中是有用的。淀積表面發(fā)射體之后，在附加的步驟中引入同樣會刻蝕場致發(fā)射材料，從而形成絕緣材料無法與之吻合的發(fā)射結(jié)構(gòu)端面的化學(xué)藥品。通過覆蓋表面發(fā)射體的端面，使之在后續(xù)的工藝中得到保護(hù)。同樣，本方法可以包括其他容易被表面發(fā)射體形成之后的工藝步驟破壞的場致發(fā)射膜成分。另外，場整形器和鎮(zhèn)流電阻的類似的成分，對于給定的刻蝕劑，保證了幾乎相等的刻蝕速率，從而形成光滑連續(xù)的發(fā)射結(jié)構(gòu)端面。絕緣層能夠容易地與發(fā)射結(jié)構(gòu)的端面吻合，從而防止空洞的形成。
當(dāng)我們展示、描述完本發(fā)明的特定實(shí)施例的時候，對于熟練的技術(shù)人員進(jìn)一步的修改和改進(jìn)將會出現(xiàn)。因此我們希望大家明白，本發(fā)明并不局限于所展示的特殊形式，而是受覆蓋不脫離本發(fā)明的精神與范圍的所有修改的后附的權(quán)利要求書所限。
權(quán)利要求
1.制造具有低行列漏電流的場致發(fā)射器件(300，800)的方法，其特征在于包括以下步驟提供一個有主面的支撐襯底(310，810)；在支撐襯底(310，810)的主面上形成導(dǎo)電層；圖形化導(dǎo)電層，形成有中央阱區(qū)(332，832)和相對邊緣的列導(dǎo)體(330，830)；在列導(dǎo)體(330，830)上形成鎮(zhèn)流電阻層(364)；在鎮(zhèn)流電阻層(364)上形成場致發(fā)射材料層(369)；圖形化場致發(fā)射材料層(369)，形成表面發(fā)射體(370，870)，其相對邊緣與列導(dǎo)體(330，830)的中央阱區(qū)(332，832)對準(zhǔn)；在表面發(fā)射體(370，870)和鎮(zhèn)流電阻層(364)上形成場整形層(374)；用第一刻蝕劑圖形化場整形層(374)，以形成有相對邊緣的場整形器層(377)；用第二刻蝕劑圖形化鎮(zhèn)流電阻層(364)，以形成鎮(zhèn)流電阻(365，865)，其相對邊緣與場整形器層(377)的相對邊緣以及列導(dǎo)體(330，830)的相對邊緣對齊；列導(dǎo)體(330，830)的相對邊緣、鎮(zhèn)流電阻(365，865)的相對邊緣以及場整形器層(377)的相對邊緣，形成光滑連續(xù)的表面(371，871)；在場整形器層(377)和光滑連續(xù)的表面(371，871)上形成絕緣層(341)；在絕緣層(341)上形成行導(dǎo)體(350，850)；有選擇地刻蝕絕緣層(341)和場整形器層(377)，形成場整形器(375，875)和發(fā)射阱(360，860)，阱與列導(dǎo)體(330，830)的中央阱區(qū)(332，832)對準(zhǔn)；提供與行導(dǎo)體(350，850)分離開的陽極(380，880)，二者之間形成間隙區(qū)。
2.如權(quán)利要求1所述的制造具有低行列漏電流的場致發(fā)射器件(300，800)的方法，其中，場致發(fā)射材料包括碳基材料。
3.如權(quán)利要求2所述的制造具有低行列漏電流的場致發(fā)射器件(300，800)的方法，其中，碳基材料包括類金剛石碳。
4.如權(quán)利要求1所述的制造場致發(fā)射器件(300，800)的方法，其中，場整形層(374)和鎮(zhèn)流電阻層(364)，由對第二刻蝕劑的刻蝕速率基本相等的材料制成。
5.具有低行列漏電流的場致發(fā)射器件(300，800)，其特征在于包括有主面的支撐襯底(310，810)；在支撐襯底(310，810)上形成的有中央阱區(qū)(332，832)和相對邊緣的列導(dǎo)體(330，830)；發(fā)射結(jié)構(gòu)(320，820)，包括安置在列導(dǎo)體(330，830)上的鎮(zhèn)流電阻(365，865)，其相對邊緣與列導(dǎo)體(330，830)的相對邊緣對齊，表面發(fā)射體(370，870)，其相對邊緣與列導(dǎo)體(330，830)的中央阱區(qū)(332，832)對準(zhǔn)，并與鎮(zhèn)流電阻(365，865)的相對邊緣分離開，具有相對邊緣的場整形器(375，875)，配置在鎮(zhèn)流電阻(365，865)上，并限定表面發(fā)射體(370，870)，場整形器(375，875)的相對邊緣與鎮(zhèn)流電阻(365，865)的相對邊緣對齊；絕緣層(340，840)，配置在場整形器(375，875)、列導(dǎo)體(330，830)的相對邊緣、鎮(zhèn)流電阻(365，865)的相對邊緣和場整形器(375，875)的相對邊緣上；在絕緣層(340，840)上形成的行導(dǎo)體(350，850)；行導(dǎo)體(350，850)、絕緣層(340，840)、場整形器(375，875)和表面發(fā)射體(370，870)，形成了發(fā)射阱(360，860)，發(fā)射阱與列導(dǎo)體(330，830)的中央阱區(qū)(332，832)對準(zhǔn)；以及與行導(dǎo)體(350，850)分離開的陽極(380，880)，二者之間形成間隙區(qū)；從而場整形器(375，875)的相對邊緣、鎮(zhèn)流電阻(365，865)的相對邊緣和列導(dǎo)體(330，830)的相對邊緣，形成了光滑連續(xù)的表面(371，871)，絕緣層(340，840)與之吻合，使得在光滑連續(xù)表面(371，871)上的絕緣層(340，840)中不會存在空洞。
6.如權(quán)利要求5所述的具有低行列漏電流的場致發(fā)射器件(300，800)，其中，表面發(fā)射體(370，870)由碳基材料制成。
7.如權(quán)利要求6所述的具有低行列漏電流的場致發(fā)射器件(300，800)，其中，碳基材料包括類金剛石碳。
8.如權(quán)利要求5所述的具有低行列漏電流的場致發(fā)射器件(300，800)，其中，場整形器(375，875)由無定形硅制成。
9.如權(quán)利要求5所述的具有低行列漏電流的場致發(fā)射器件(300，800)，其中，鎮(zhèn)流電阻(365，865)由電阻率在100Ωcm-10,000Ωcm范圍之間的材料制成。
10.如權(quán)利要求9所述的具有低行列漏電流的場致發(fā)射器件(300，800)，其中，鎮(zhèn)流電阻(365，865)由硼摻雜濃度在1010-1018cm-3范圍之間的無定形硅制成。
全文摘要
用于制造類金剛石碳場致發(fā)射器件的方法包括步驟:(i)在列導(dǎo)體上形成鎮(zhèn)流電阻層,(ii)在鎮(zhèn)流電阻層上,對準(zhǔn)列導(dǎo)體的中央阱區(qū),做出由類金剛石碳制成的表面發(fā)射體,(iii)在鎮(zhèn)流電阻層和表面發(fā)射體上,形成場整形層,(iv)圖形化鎮(zhèn)流電阻層和場整形層,以形成鎮(zhèn)流電阻和場整形層,二者的相對邊緣與列導(dǎo)體的相對邊緣,一起構(gòu)成光滑連續(xù)的表面,(v)淀積覆蓋絕緣層,(vi)在列導(dǎo)體的中央阱區(qū)的上方,形成發(fā)射阱。
文檔編號H01J1/304GK1193834SQ9712545
公開日1998年9月23日 申請日期1997年12月11日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月13日
發(fā)明者約漢·宋, 托馬斯·尼爾森 申請人:摩托羅拉公司