专利名称：用于提高电子器件中电子发射的阳极氧化工艺的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及信息存储器件、信息显示器和利用电子发射器件的其它电子器件的领域。特别地，本发明涉及使用阳极氧化形成多孔区域作为电子发射体的半导体器件的制作。
背景技术：
基于在真空微电子中新应用的需要，例如平板显示器、电子枪和微波管，近年来对室温或冷电子发射体的兴趣变得活跃起来。在各种类型的发射体中，由于硅材料的完善的技术基础，特别是在集成电路中，所以硅基器件受到关注。平坦或平面冷阴极，例如金属-绝缘体-金属(MIM)或金属-绝缘体-半导体(MIS)二极管，由于其低工作电压和对压力的低敏感性而被许多研究人员研究。然而，这些发射体具有低效率和缩短的寿命预期。多孔硅(PS)，其可被容易地制作在硅衬底上，显示出作为表面发射冷阴极器件的众多优点。该材料的效率和稳定性相比先前提及的现有技术MIM和MIS是有利的。
各种材料的多孔表面可通过阳极氧化，即一种电化学工艺来制作。在此方法中，阳极和阴极被浸于电解液中，典型地采用稀释的氢氟酸(HF)。当在阳极和阴极之间提供适当幅度的电流时，在阳极表面形成孔。可以施加任选光源来促进阳极氧化。为制作多孔硅，硅晶片被用作阳极。铂由于其高电导率、耐HF性和工艺可预见性而通常被用作阴极。也可使用其它具有相似特性的金属。
在现有技术图1-6中示出在各个制造阶段的场发射平面发射体器件10，该器件说明了已知的用于生产多孔硅的硅阳极氧化工艺。多晶硅层14生长或淀积在衬底上，此衬底例如包含单晶硅12。接下来，如图2所示，介电层16生长在多晶硅层14上。开口13制作在介电材料16中，如图3所示，用以暴露多晶硅层14的表面区域用于阳极氧化。
阳极氧化工艺中产生电场，且介电层16的开口13引起介电层16和多晶硅层14的边界13a处增强的电场强度。电场强度通过图3中的等势线8表示。在边界13a处增强的电场强度促使相对于多晶硅层14的中心区，在边界13a处的阳极氧化加速。阳极氧化在多晶硅层14中产生了多孔区域，如图4中的垂直线15所示。沿边界13a的加速的阳极氧化增加了局部区域15a中的孔隙率。此不均匀的阳极氧化负面地影响了器件的发射特性，破坏了其在某些应用中的效用。可以增加电场强度以引起多晶硅层14的中心区域中较高的孔密集度，还将增加沿边界的孔隙率。如图5所示，沿边界的孔的高密集度会导致多晶硅层中的凹坑9。这一损伤通常导致器件失效或缩短的寿命预期。
为用作电子发射器件，附加的介电和导电材料层被通常加在阳极氧化结构的顶部，如图6所示。图6说明了具有第二介电层17、附加的抽取电极18、间隔介电层20和聚焦电极22的完成的场发射发射体器件10。硅层14和介电层16的边界区域24是电子发射最集中的区域，而不是在其中心区域26中。由于来自边界区24的发射不能如来自中心区26的发射那样有效地得到传输，因此这不是所期望的。另外，来自边界24区域的发射不能如来自中心区域26的发射那样易于集中。这些作用可使得电子发射器件对于许数应用来讲是无用的。
发明内容
本发明公开了在半导电或导电表面的中心区域中形成孔的方法。本方法包括在衬底上形成半导电或导电表面。该半导电或导电表面是通过这样一种方式形成的，即确保了当在半导电或导电表面上施加电场时，表面中心区域的电场强度至少与表面的周界上的电场强度一样大。最后，本方法包括通过在半导电或导电表面上生成电场以对半导电或导电表面进行阳极氧化，从而在半导电或导电表面内形成多孔区域。
对于那些本领域的技术人员，参考附图，根据下文中的说明，本发明的特征和优点将变得显而易见。
图1-6说明了根据现有技术在平面发射体器件上形成多孔硅的工艺步骤的截面图。
图7-11说明了根据本发明的实施方案，利用优化的孔形成来制作场发射发射体器件的工艺步骤的截面说明。
图12-14说明了根据本发明的实施方案，在可阳极氧化的材料中形成孔的替换的实施方案。
图15-19说明了根据本发明的实施方案，利用优化的孔形成来制作场发射发射体器件的另一替换工艺的截面说明。
具体实施例方式
参考在附图中描述的示例性实施方案，且这里使用特定语言来描述这些示例性实施方案。本发明提供了一种用于在各种可阳极氧化的材料中形成孔的阳极氧化工艺。改进的工艺最小化或消除了在由抗阳极氧化掩模所划界的选定区域边界上加速的阳极氧化。本发明的一个实施方案涉及了改进工艺的应用，用于制作使用多孔材料，例如多孔多晶硅的电子发射器件。此外，本发明包括利用如此进行阳极氧化的多孔平坦或平面表面的电子发射结构的制作。这种器件的工作在Sheng等人在J.Vac.Sci.Technol.B，19(1).PP 64-67，2001的文章中得到说明，在此并入作为参考。
在现有技术方法中，适宜的介电材料例如氮化硅被淀积在将被阳极氧化的导电或半导电材料层，例如多晶硅的顶部。随后去除介电材料的选定区域以暴露下面的层。在阳极氧化中，引起阳极氧化的电流仅流过多晶硅的暴露区域。在剩余介电材料下面的区域被保护且不进行阳极氧化。在介电掩模和多晶材料的边界上电场趋向加强，并在此区域中加速了阳极氧化过程。阳极氧化在边界区域附近加强，但在中心区域减弱，其是所期望的优选阳极氧化和多孔材料的区域。本发明可替换的实施方案是通过替换掩模材料或改变制作中所执行步骤的顺序，来最小化或消除边界区域的阳极氧化加速。
图7说明形成在衬底112表面上的介电层116的截面视图。通过使用本领域技术人员所熟知的掺杂技术，衬底112可通过n-型或p-型的掺杂剂被掺杂为具有适当的电阻率。介电层116可由已被那些半导体制作工艺领域的技术人员所熟知的提供良好电绝缘能力的介电材料形成，例如，但不限于，硅、铝，钛、钽、钨、铪、锆、钒、铌、钼、铬、钇、钪的氧化物、氮化物、和氮氧化物，以及其组合。此外，介电层包含约0.05到5微米的厚度。
接下来，如图8所示，去除一部分介电层16以暴露衬底112的中心区域117。介电层116的剩余部分留在衬底112上。利用本领域的技术人员所熟知的常用半导体工艺技术来制作这种开口。半导体工艺典型地包括掩模图形的光刻，刻蚀和去除不需要的材料同时保存电介质的掩蔽区域如图8所示。
一旦衬底112的中心区域117暴露，半导电或导电表面114就形成在介电层116的剩余部分和衬底112的中心区域117上。在图9所示的一个实施方案中，半导电或导电表面114被生长或淀积在装置100的整个表面上，以至半导电或导电表面114的一部分接触衬底112的中心区域117。半导电或导电表面114包含约0.1到1微米的厚度。
使用通常可接受的方法，例如化学机械抛光(CMP)来将衬底112的顶部表面平坦化。半导电或导电表面114典型地包括可以被掺杂或可以未掺杂的硅。掺杂程度可沿半导电或导电表面114的深度变化。
阳极氧化工艺开始于半导电或导电表面114中基本上处于衬底112的中心区域117之上的部分中的半导电或导电表面114的顶部。随着阳极氧化的进一步进行，如图9的大致垂直线115所示的孔产生于半导电或导电表面114中，开始于顶部并向下传播至半导电或导电表面114的内部。这些孔在半导电或导电表面中形成阳极氧化的区域。这就暴露了将被阳极氧化的半导电或导电表面114的内部部分。另外，图9所示结构不会引起周界中的加速的阳极氧化。这意味着在半导电或导电表面处的电场强度至少与表面的周界处的电场强度一样大。
在半导电或导电表面114的顶部，电场基本是均匀的。此区域中的阳极氧化速率因此基本均匀，提供了半导电或导电表面114的阳极氧化区域128中的所期望的处理。由于接近介电层116和衬底112的边界，所以阳极氧化电流受到存在介电层116的限制。因此阳极氧化电流自阳极氧化区域128的中心到外围而减小，并且在阳极氧化和非阳极氧化区域间不会出现明显的边界。半导电或导电表面114的阳极氧化速率自阳极氧化区域128的中心到越过外围而逐渐变小。因此，半导电或导电表面114的阳极氧化区域128的中心部分处的电场强于其外部周界上的电场，以在半导电或导电表面114内部形成多孔区域。通过改变场强程度或强度可以改变场集中，从而改变孔所处的位置和它们的密集程度。这能确保半导电或导电层的中心区域中的孔密集度至少与半导电或导电层的周界中的孔密集度一样大。
替换的实施方案是将半导电或导电表面替换为其它能产生多孔的导电或多晶材料。
阳极氧化也可通过使用传统的光阳极氧化进行，其中当偏置电位施加在阳极和阴极上时，表面被暴露于HF和光发射下以促进结晶硅表面中孔的形成。因此，能在阳极氧化后保持的、在阳极氧化步骤之前制作的层应能抵抗HF或被保护不受HF的破坏。
一旦半导电或导电表面114的阳极氧化完成，则形成附加的层用以制作电子发射器件。这些附加的层是使用如图10截面视图中所示的附加工艺步骤形成。可选的第二介电层119可形成在半导电或导电表面上。如果形成，则介电层119起到减小发射体器件的泄漏电流的作用。随后，导电层118形成在第二介电层119上。如果没有形成介电层119，则导电层118形成在半导电或导电表面上，如图11中所示。可以处理层118以在半导电或导电表面114的阳极氧化区域128之上包含约3到15nm、优选为10nm或更少的厚度。超越出阳极氧化区域128，由于介电层116阻挡了电流流动，因此没有发射产生。
导电层118在发射体器件100的工作过程中作为抽取电极。抽取是抽取用于发射的电子的过程。在层118和衬底112的背侧之间施加电压差。当层118上的电压正向大于衬底112上的电压时，电子从供应衬底112通过半导电或导电表面114的阳极氧化区域128而输运，并从导电层118的表面发射出去。
在第一导电层118形成之后，第二导电层121形成在第一导电层118上。第二导电层121用作接触层。如图10所示，第三介电层120形成在第二导电层121上，且第三导电层122形成在第三介电层120上。去除在阳极氧化区域上的第二导电层121、第三介电层120和第三导电层122的部分。当部分第三介电层120被去除时，其可以凹陷进去以暴露更多的第二导电层121的接触区域。
在图11所示的可替换实施方案中，第二介电层120形成在第二导电层121上，且第三导电层122形成在第二介电层120上。去除在阳极氧化区域上的第二导电层121、第二介电层120和第三导电层122的部分。
相对于层118的电压的正向电压进一步被施加在外部电极上(未显示)，也就是阳极上，其通常位于层118的前方并远离该层，以建立电场来吸引朝向阳极所发射的电子。外部或阳极层由未在图10或11中显示的附加介电或电阻性材料所支撑和隔离。导体层122在发射体器件工作过程中用作聚焦电极。
导体层118、122和阳极层可由金属，例如铝、钨、钼、钛、铜、金、银、钽、铬等等以及其任意合金或多层膜、掺杂多晶硅、石墨等等、或金属和非金属的组合物来形成。
介电层120包括约0.1到5微米的厚度，而导体层121、122和阳极层每个包含约0.02到1微米的厚度。
此外，由于相比现有技术，所述的本发明实施方案仅牵涉修改形成多晶层和介电层的步骤，因此采用本发明的处理相比于现有技术不会造成费用或时间上的显著增加。
可替换的，图12说明了如何延迟阳极氧化过程直至发射体结构被制作出来。例如，层121、120和122是在阳极氧化执行前被制作的。一旦这些层就绪，则阳极连同接触121或层122(可选的)，或其两者被偏置于合适的电压以控制区域117中的阳极氧化的轮廓，如图12所示。此外，随着层121被偏置用以控制阳极氧化区域128的轮廓，层122在阳极氧化过程中可用作阳极。然后，如图12所示，可选的第三介电层119可形成在半导电或导电表面的阳极氧化区域上，且第三导电层118形成在区域117之上的层119上并甚至形成在层121的暴露部分上。如果没有形成第三介电层119，则第三导电层118形成在半导电或导电表面的阳极氧化区域上，如图14所示。
本发明的另一替换实施方案利用导电阳极氧化掩模以最小化导致差的多孔硅形成的外部区域上的场效应，其引起发射体的差性能和缩短的寿命。平面电子发射器件200和其制作过程在图15-19中得到说明。图15中说明的发射体器件200开始于衬底212，其可以是掺杂或未掺杂的，且在其上面形成半导电或导电表面214。半导电或导电表面214可被掺杂至所期望的电阻率并且典型地包含硅。
接下来，在图16中，使用本领域技术人员所熟知的工艺，导电屏蔽228形成在半导电或导电表面214上。导电屏蔽228可由高电导率和抗腐蚀的金属形成(铬、铂、铜、金、银、钽等等，和其任意合金或多层膜)。半导电或导电表面214包含约0.1到0.5微米的厚度范围，且导电屏蔽228包含约0.02到0.5μm厚度，优选的是0.1μm。
如图15所示，去除一部分导电屏蔽228，暴露出半导电或导电表面214的中心区域217，并留下导电屏蔽228的剩余部分。传统的半导体工艺步骤可被用于去除一部分导电屏蔽228，此步骤为本领域的技术人员所熟知。在该处，半导电或导电表面214的中心区域217被阳极氧化以在半导电或导电表面214中产生阳极氧化的区域。导电屏蔽228用作掩模以保护下面的半导电或导电表面，并引导在半导电或导电表面214的暴露的中心区域217中多孔硅的形成。在阳极氧化工艺期间使用导电屏蔽228的优点在于，当施加电场时，遍及半导电或导电表面214的中心区域217形成均匀的电场梯度。这消除了在导电层和半导电或导电表面214边界处的场集中，其通常在现有技术的介电边界层中形成。处理半导体器件200以便半导电或导电表面214包括约0.1到1微米的厚度。
在该处，导电屏蔽228的剩余部分是使用传统的制作技术去除的。接下来，介电层216形成在半导电或导电表面214以减少泄漏电流。然后去除中心区域217之上的一部分介电层。随后，可选的第二介电层219形成在中心区域217上，并且如果使用淀积而非热生长，则第二介电层219也形成在第一介电层216的顶部。由于附加的第二介电层219，层216现将具有增加的厚度。如果形成了第二介电层219，则导电层218形成在第一介电层216的剩余部分上和第二介电层219上，或者，如果第二介电层219形成在第一介电层216上，则导电层218只形成在第二介电层219上。然而，如果没有形成第二介电层219，则导电层218形成在第一介电层216上和半导电或导电表面214的中心区域217上，如图19所示。
可选地，开口可通过去除位于中心区域217之上的一部分层218来形成在区域217之上。如果是这种情况，则第二金属层230可被制作在区域217上并用作抽取器电极。层230可在随后的阶段淀积。导体层218典型地用作与抽取器电极或发射体器件200中的层230的接触，且两者共同工作以形成抽取器电极。层218的厚度典型地包括从3到15nm。层230的厚度典型地包含从0.01到1微米的范围。
接下来，如图18的截面图中的进一步说明，第三介电层220形成在导电层218、230上。第三介电层220用作第一导电层218、230和形成在第三介电层220上的第二导电层222之间的绝缘阻挡层。然后去除在半导电或导电表面214的中心区域217上的第三介电层220和第二导电层222的部分。当第三介电层220的部分被去除时，其可以凹陷进去以暴露更多的第一导电层218、230的接触区域。
导体层222用作发射体器件200内的聚焦电极，并将由抽取器电极218、230抽取的发射电子集中起来。导体层218、230和222可由金属(铝、钨、钼、钛、铜、金、银、钽等等，及其任意合金或多层膜)、掺杂多晶硅、石墨等，或金属和非金属的组合物，例如C膜来形成。
图19中所示的替换实施方案中，没有形成层219，并且第二介电层220形成在导电层218、230上。第二导电层222形成在第二介电层220上。随后去除在半导电或导电表面214的中心区域217上的第二介电层220和第二导电层222的部分。在先前的实施方案中，该第二介电层220和第二导电层222起到与它们相对应的层相同的目的。
本发明的阳极氧化工艺可扩展至其它能够被阳极氧化的材料，而不限于硅。作为电子源的阳极氧化材料的应用在如下领域是有用的，如信息存储装置、信息显示器以及其它使用电子源的电子装置。这些其它的装置包括电子显微镜、电子束平版印刷和鉴别工具、电子放大器和振荡器。值得注意地，本发明提供了应用于电子发射器件的改进的制作技术，在这些应用中电子发射器件具有平面或平坦的多孔硅结构用于优化电子发射。可以从本发明中受益的其他应用包括气体和液体过滤器。
应当理解上文描述的方案仅说明用于本发明原理的应用。在不偏离本发明的精神和范围的情况下本领域的技术人员可以进行多种变型和可替换的方案，且附属的权利要求意图涵盖这些变型和方案。因此，尽管本发明在图中示出，并在上文中得到关于被认为是目前本发明最实用和优选的实施方案的具体而详细的全面描述，但对于那些本领域的普通技术人员，在不偏离权利要求中阐明的本发明的原理和概念的情况下，显然可以进行多种修改，这些修改包括但不限于改变尺寸、材料、形状、形态、功能以及操作、装配和使用的形式。
权利要求
1.一种用于在半导电或导电表面(114)的中心区域(117)内形成孔的制作方法，包括步骤在衬底(112)上形成半导电或导电表面(114)，以便确保当在半导电或导电表面(114)上施加电场时，表面的中心区域(117)处的电场强度至少与表面的周界处的电场强度一样大；以及通过在半导电或导电表面(114)产生电场而对半导电或导电表面(114)进行阳极氧化，以在半导电或导电表面(114)内形成多孔区域(128)。
2.根据权利要求1的方法，其中形成步骤还包括在衬底(112)上形成介电层(116)；去除一部分介电层(116)，保留介电层的剩余部分并将衬底(112)的中心区域(117)暴露；并且在介电层(116)的一部分剩余部分和衬底(112)的中心区域(117)上形成半导电或导电表面(114)。
3.根据权利要求2的方法，还包括对半导电或导电表面(114)阳极氧化的步骤，以在半导电或导电表面(114)和衬底(112)之间的接触区域之上的半导电或导电表面(114)中形成阳极氧化区域(128)。
4.根据权利要求3的方法，还包括在半导电或导电表面(114)上形成导电层(118)；在第一导电层(118)上形成第二导电层(121)；在第二导电层(121)上形成第二介电层(120)；在第二介电层(120)上形成第三导电层(122)；去除在阳极氧化区域(128)之上的一部分第二导电层(121)、第二介电层(120)和第三导电层(122)。
5.根据权利要求2的方法，还包括在半导电或导电表面(114)上形成导电层(118)；在导电层(118)上形成第二介电层(120)；在第二介电层(120)上形成第二导电层(121)；和去除在半导电或导电表面(114)和衬底(112)之间的接触区域之上的一部分第一导电层(118)、第二介电层(120)和第二导电层(121)，保留第二导电层(121)的剩余部分并将半导电或导电表面(114)的中心区域(117)暴露。
6.根据权利要求5的方法，还包括对半导电或导电表面(114)的中心区域(117)进行阳极氧化，以在半导电或导电表面(114)中形成阳极氧化区域(128)；和在第二导电层(121)的剩余部分上和阳极氧化区域(128)上形成第三导电层(122)。
7.根据权利要求1中的方法，其中形成步骤还包括在衬底(212)上形成半导电或导电表面(214)；在半导电或导电表面(214)上形成导电屏蔽(228)；和去除一部分导电屏蔽(228)，将半导电或导电表面(214)的中心区域(217)暴露并保留导电屏蔽(228)的剩余部分。
8.根据权利要求7的方法，还包括对半导电或导电表面(214)的中心区域(217)进行阳极氧化的步骤，以在半导电或导电表面(214)中产生阳极氧化区域。
9.根据权利要求8的方法，还包括去除导电屏蔽(228)的剩余部分；在半导电或导电表面(214)上形成介电层(216)；和去除在阳极氧化区域之上的一部分介电层(216)。
10.一种电子发射器件(100)，包括位于衬底(112)的一部分上的介电阻挡层(116)，并且至少部分定义衬底(112)的中心区域(117)的周界；位于至少一部分介电阻挡层(116)上和衬底(112)的中心区域(117)上的半导电或导电层(114)；和位于衬底(112)的中心区域(117)之上的半导电或导电层(114)的表面区域中的多孔区，其中在半导电或导电层(114)周界中孔的密集度不大于半导电或导电层(114)的中心区域中孔的密集度；位于衬底(112)的中心区域(117)之上的半导电或导电层(114)的表面区域中的多孔区，其中在半导电或导电层(114)中心区域中孔的密集度至少与半导电或导电层(114)周界中孔的密集度一样大。
全文摘要
提出了一种用于在半导电或导电表面(114)的中心区域中形成孔的方法。此方法包括在衬底(112)上形成半导电或导电表面(114)。此半导电或导电表面(114)的形成确保了当在半导电或导电表面(114)上施加电场时，表面中心区域的电场强度至少与表面的周界上的电场强度一样大。最后，此方法包括通过在半导电或导电表面(114)上产生电场来对半导电或导电表面(114)进行阳极氧化，以在半导电或导电表面(114)内形成多孔区。
文档编号H01J1/312GK1591738SQ20041004527
公开日2005年3月9日 申请日期2004年6月4日 优先权日2003年9月4日
发明者H·－P·郭, X·盛, H·比雷基, S·-T·林, S·L·纳伯惠斯 申请人:惠普开发有限公司