专利名称：发射器及其制造方法和冷电子发射器件的制造方法
技术领域：
本发明涉及可以作为平面式图象显示装置或各种传感器、高频振荡器、超高速器件、电子显微镜、电子束曝光装置等各种电子束利用装置的电子源来使用的冷电子发射用的发射器及其制造方法。
背景技术：
现有的电场发射式显示装置等的冷电子用电子源，可以使用在阴极一侧形成了多个高度和底面直径为1微米前后的圆锥形的极其微小的发射器的电子源。上述发射器，可以采用使电场集中于其顶端部分上的办法来得到电流。其基本构造，人们知道由C.A.Spint等(Journalof Applied Physics,Vol.47,No.12,p.5248,1976年)所提出的方法。其电子发射特性，由于因发射器顶端部分的形状而变化，故要想在每一个发射器中使电子发射特性变成为相等，理想的是均一地形成多个发射器的形状，特别是顶端形状。
此外，作为该发射器的最大的问题，是电子发射量随时间变动的问题。用来解决该问题的发射器制造方法，粗分起来有如下2种方法。
一个方法是在玻璃基板上边形成金属发射器，使大电阻串联地连接到该发射器上，稳定发射电流。此外，作为另一种方法，用半导体形成发射器和晶体管，借助于该晶体管对发射电流积极地进行控制。由于该方法功耗小动作速度快，故今后的发展是可以期待的。
在用上述半导体形成发射器的情况下，可以考虑以下举出的3种发射器材料膜。一种是没有晶粒边界，在所有的部分内结晶方位都具有恒定方向的单晶膜、其次是结晶方位七零八落的晶粒集中于一起的多晶膜、再一种是不具有结晶构造的非晶态膜。在上述3种冷电子发射器件材料之内如果考虑形成特性优良的晶体管，则以使用单晶膜或多晶膜为宜。
在使用单晶膜的情况下，由于结晶方位变成为恒定方向而没有晶粒边界，故湿法刻蚀或反应性离子刻蚀的各向同性或各向异性刻蚀速度是一样的，因而可以制造均一性优良的发射器。但是，单晶膜由于造价高且不能在便宜的玻璃基板等的大面积基板上边制作，故现状是缺乏实用性。
另一方面，与使用单晶膜的情况下比较，多晶膜造价便宜，而且可以在低温下在大面积的基板上边制作，故适合于显示装置等的微小的电子源。
图10示出了上述现有的多晶膜基板的剖面图，图11是用图10的多晶膜制造的发射器的剖面图。
在图10中，1例如是玻璃等的基板，在其上部形成了由结晶方位和粒径不同的微小晶粒13构成的多晶膜14。在该多晶膜14内，由于在上述基板1上边存在着具有各种大小和方向性的晶粒13，故存在着无数的晶粒边界。
此外，使用图11所示的多晶膜14制造的发射器15，则可以采用对在玻璃等的基板1上边由结晶方位和粒径不同的微小晶粒13构成的多晶膜14进行刻蚀加工的办法形成。
如上所述，在上述现有技术中，由于在基板上边形成多晶膜14来制造发射器15，故可以用低的工艺温度制造良好特性的晶体管和冷电子发射器件。结果是可以降低发射器15的造价。
但是，用上述多晶膜14形成的发射器15，存在着在电子发射特性中会产生不均一性的问题，作为该问题，可以举出下述例子进行刻蚀加工的多晶膜的结晶粒径的不均一性和各个晶粒的结晶方位和结晶配向面差异很大，故在由刻蚀实施的发射器15形成之际，存在着各向同性或各向异性刻蚀速度以晶粒边界为界每一个晶粒都不同的问题。
就是说，在现有的多晶膜14中，由于每一个晶粒各向同性或各向异性刻蚀速度不同，故如图11所示，在发射器15表面上形成没有规则性的无数的凹凸，其结果上在电子发射特性中将产生不均一性。而且，在由刻蚀实施的发射器15的形成中，得不到再现性。因此，若使用这样的不规则性的多晶膜14，在大面积基板上以良好的再现性形成多个均一的发射器15是困难的，使用发射器15的器件的造价也将增高。
本发明，就是为了解决这样的问题而发明的，目的是提供即便是在形成多个发射器的情况下，也可以再现性良好地得到发射器形状的均一性，同时可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的不均一性的发射器及其制造方法。
发明的公开本发明的第1方面所述的发射器，其特征是采用对于在基板上边沿着同一晶轴生长了柱状晶粒的柱状多晶膜实施刻蚀的办法形成。借助于此，即便是在形成多个发射器的情况下，也可以再现性良好地得到发射器形状的均一性，同时可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的不均一性。
其次，本发明的第2方面所述的发射器，其特征是采用在基板上边形成了沿着同一晶轴生长有柱状晶粒的柱状多晶膜之后，在上述柱状多晶膜上边使第1绝缘膜图形化，用上述已图形化的第1绝缘膜，对上述柱状多晶膜实施刻蚀的办法形成。借助于此，即便是在形成多个发射器的情况下，也可以再现性良好地得到发射器形状的均一性，同时还可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的波动。
其次，本发明的第3方面所述的发射器，其特征是采用在基板上边形成第2绝缘膜，在上述第2绝缘膜上边形成了沿着同一晶轴生长有柱状晶粒的柱状多晶膜之后，在上述柱状多晶膜上边使第1绝缘膜图形化，用上述已图形化的第1绝缘膜，对上述柱状多晶膜实施刻蚀的办法形成。借助于此，即便是在形成多个发射器的情况下，也可以再现性良好地得到发射器形状的均一性，同时还可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的波动。
其次，本发明的第4方面所述的发射器，在第1方面到第3方面中的任何一个方面所述的发射器中，其特征是构成上述柱状多晶膜的柱状晶粒，对于基板面来说结晶方位和结晶面在某一恒定方向上整齐划一。借助于此，即便是在形成多个发射器的情况下，也可以再现性良好地得到发射器形状的均一性，同时还可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的波动。
其次，本发明的第5方面所述的发射器，在第1方面到第4方面中的任何一个方面所述的发射器中，其特征是上述柱状多晶膜至少含有硅。借助于此，就可以用500℃以下的低温工艺，在大面积基板上边实现柱状多晶。因此，可以在大面积基板上边把柱状多晶刻蚀成均一形状，即便是在大面积基板上边形成多个发射器的情况下，也可以再现性良好地得到发射器形状的均一性，同时还可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的波动。
其次，本发明的第6方面所述的发射器，在第1方面到第5方面中的任何一个方面所述的发射器中，其特征是上述柱状多晶膜的配向面为{110}。借助于此，由于结晶方位与结晶面变成为易于整齐划一，故可以进行均一形状的刻蚀，可以再现性良好地得到发射器形状的均一性，同时还可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的波动。
其次，本发明的第7方面所述的发射器，在第1方面到第5方面中的任何一个方面所述的发射器中，其特征是上述柱状多晶膜的配向面为{100}。借助于此，由于结晶方位与结晶面变成为易于整齐划一，故可以进行均一形状的刻蚀，可以再现性良好地得到发射器形状的均一性，同时还可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的波动。此外，还可以抑制晶粒边界的势垒，同时，减少在绝缘膜界面上形成的俘获能级。因此，可以增大渡越电子的迁移率，实现效率良好的发射器。
其次，本发明的第8方面所述的发射器，在第1方面到第7方面中的任何一个方面所述的发射器中，其特征是采用对上述柱状多晶膜实施刻蚀的办法形成的发射器顶端的曲率半径在50nm以下。借助于此，可以增大发射器顶端的电场集中，可以用低电压发射电子。
其次，本发明的第9方面所述的发射器，在第1方面到第8方面中的任何一个方面所述的发射器中，其特征是构成上述柱状多晶膜的柱状晶粒，该柱状晶粒的短的一方的粒径，至少在100nm以上。借助于此，可以减少在发射器顶端部分处的刻蚀将变成为不均一的晶粒边界的个数，可以再现性良好地得到发射器形状的均一性，同时还可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的波动。
其次，本发明的第10方面所述的发射器，在第9方面所述的发射器中，其特征是上述柱状晶粒与基板所构成的角度在83度以上。借助于此，可以减少在发射器顶端部分处的刻蚀将变成为不均一的晶粒边界的个数，可以再现性良好地得到发射器形状的均一性，同时还可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的波动。
其次，本发明的第11方面所述的发射器，在第3方面所述的发射器中，其特征是上述第2绝缘膜至少含有氧或氮。借助于此，可以抑制从玻璃向柱状多晶进行杂质扩散，可以提供结晶性优良的柱状多晶，可以再现性良好地得到发射器形状的均一性，同时还可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的波动。
其次，本发明的第12方面所述的发射器，在第2或第3方面所述的发射器中，其特征是上述图形化的第1绝缘膜是圆形形状。借助于此，采用对柱状多晶膜进行刻蚀的办法，就可以容易地实现顶端尖锐的发射器。
其次，本发明的第13方面所述的发射器，在第2方面或第3方面所述的发射器中，其特征是上述图形化的第1绝缘膜是多角形形状。借助于此，除去本发明的第12方面的效果之外，还可以提高光刻的曝光精度，而且，可以降低曝光掩模的造价。
其次，本发明的第14方面所述的发射器的制造方法，其特征是具有下述工序在基板上边形成沿着同一晶轴生长柱状晶粒的柱状多晶膜的工序；对上述柱状多晶膜实施刻蚀的工序。借助于此，即便是在形成多个发射器的情况下，也可以再现性良好地得到发射器形状的均一性，同时还可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的波动。
其次，本发明的第15方面所述的发射器的制造方法，其特征是具有下述工序在基板上边形成沿着同一晶轴生长有柱状晶粒的柱状多晶膜的工序；在上述柱状多晶膜上边使第1绝缘膜图形化的工序；用上述图形化的第1绝缘膜对上述柱状多晶膜实施刻蚀的工序。借助于此，即便是在形成多个发射器的情况下，也可以再现性良好地得到发射器形状的均一性，同时还可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的波动。
其次，本发明的第16方面所述的发射器的制造方法，其特征是具有下述工序在基板上边形成第2绝缘膜的工序；在上述第2绝缘膜上边形成沿着同一晶轴生长有柱状晶粒的柱状多晶膜的工序；在上述柱状多晶膜上边使第1绝缘膜图形化的工序；用上述图形化的第1绝缘膜对上述柱状多晶膜实施刻蚀的工序。借助于此，即便是在形成多个发射器的情况下，也可以再现性良好地得到发射器形状的均一性，同时还可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的波动。
其次，本发明的第17方面所述的发射器的制造方法，在第14到第16方面中的任何一个方面所述的发射器的制造方法中，其特征是构成上述柱状多晶膜的柱状晶粒，对于基板面来说结晶方位和结晶面在某一恒定方向上整齐划一。借助于此，即便是在形成多个发射器的情况下，也可以再现性良好地得到发射器形状的均一性，同时还可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的波动。
其次，本发明的第18方面所述的发射器的制造方法，在第14到第17方面中的任何一个方面所述的发射器的制造方法中，其特征是上述柱状多晶膜至少含有硅。借助于此，就可以用500℃以下的低温工艺，在大面积基板上边实现柱状多晶。因此，可以在大面积基板上边把柱状多晶刻蚀成均一形状，即便是在大面积基板上边形成多个发射器的情况下，也可以再现性良好地得到发射器形状的均一性，同时还可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的波动。
其次，本发明的第19方面所述的发射器的制造方法，在第14方面到第18方面中的任何一个方面所述的发射器的制造方法中，其特征是上述柱状多晶膜的配向面为{110}。借助于此，由于结晶方位与结晶面变成为易于整齐划一，故可以进行均一形状的刻蚀，可以再现性良好地得到发射器形状的均一性，同时还可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的波动。
其次，本发明的第20方面所述的发射器的制造方法，在第14方面到第18方面中的任何一个方面所述的发射器的制造方法中，其特征是上述柱状多晶膜的配向面为{100}。借助于此，由于结晶方位与结晶面变成为易于整齐划一，故可以进行均一形状的刻蚀，可以再现性良好地得到发射器形状的均一性，同时还可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的波动。此外，还可以抑制晶粒边界的势垒，同时，减少在绝缘膜界面上形成的俘获能级。因此，可以增大渡越电子的迁移率，实现效率良好的发射器。
其次，本发明的第21方面所述的发射器的制造方法，在第14方面到第20方面中的任何一个方面所述的发射器的制造方法中，其特征是对上述柱状多晶膜实施刻蚀，使得所形成的发射器顶端的曲率半径在50nm以下。借助于此，可以增大发射器顶端的电场集中，可以用低电压发射电子。
其次，本发明的第22方面所述的发射器的制造方法，在第14方面到第21方面中的任何一个方面所述的发射器的制造方法中，其特征是构成上述柱状多晶膜的柱状晶粒，该柱状晶粒的短的一方的粒径，至少在100nm以上。借助于此，可以减少在发射器顶端部分处的刻蚀将变成为不均一的晶粒边界的个数，可以再现性良好地得到发射器形状的均一性，同时还可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的波动。
其次，本发明的第23方面所述的发射器的制造方法，在第22方面所述的发射器的制造方法中，其特征是上述柱状晶粒与基板所构成的角度在83度以上。借助于此，可以减少在发射器顶端部分处的刻蚀将变成为不均一的晶粒边界的个数，可以再现性良好地得到发射器形状的均一性，同时还可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的波动。
其次，本发明的第24方面所述的发射器的制造方法，在第16方面所述的发射器的制造方法中，其特征是上述第2绝缘膜至少含有氧或氮。借助于此，可以抑制从玻璃向柱状多晶进行杂质扩散，可以提供结晶性优良的柱状多晶，可以再现性良好地得到发射器形状的均一性，同时还可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的波动。
其次，本发明的第25方面所述的发射器的制造方法，在第15或16方面所述的发射器的制造方法中，其特征是上述图形化的第1绝缘膜是圆形形状。借助于此，采用对柱状多晶膜进行刻蚀的办法，就可以容易地实现顶端尖锐的发射器。
其次，本发明的第26方面所述的发射器的制造方法，在第15方面或第16方面所述的发射器的制造方法中，其特征是上述图形化的第1绝缘膜是多角形形状。借助于此，除去本发明的第25方面的效果之外，还可以提高光刻的曝光精度，而且，可以降低曝光掩模的造价。
其次，本发明的第27方面所述的冷电子发射器件的制造方法，其特征是具有下述工序用第15方面或第16方面所述的发射器的制造方法，制造发射器的工序；在上述柱状多晶膜上边保持剩下已图形化的第1绝缘膜不变地引出第3绝缘层形成栅极电极的工序；在上述柱状多晶膜上边仅仅除去已图形化的第1绝缘膜的上部形成开口部分的工序。借助于此，可以容易地形成引出栅极电极，可以降低冷电子发射器件的造价，而无须使用光刻工序。
附图的简单说明图1是本发明的实施例1的柱状多晶基板的剖面图。
图2是使用图1所示的柱状多晶基板的冷电子发射器件的制造方法的工序剖面图。
图3是本发明的实施例1的柱状多晶基板的喇曼向量。
图4是本发明的实施例2的设置有底层的柱状多晶基板的剖面图。
图5是本发明的实施例3和实施例5的结晶方位和结晶面在某一恒定方向上整齐划一的柱状多晶基板的剖面图。
图6是本发明的实施例4的冷电子发射器件的剖面图。
图7示出了从本发明的实施例6的膜构造不同的冷电子发射器件发射出来的发射电子量。
图8是{110}配向的柱状多晶硅膜的XRD向量。
图9示出了加在发射器顶端上的电场强度与发射器顶端曲率半径之间的关系。
图10是现有技术中的多晶膜的剖面图。
图11是使用现有技术中的多晶膜的发射器的剖面图。
优选实施例实施例1以下，用图1、图2说明发明的实施例1。
图1是本发明的实施例1的柱状多晶基板的剖面图，图2是本发明的实施例1的发射器和冷电子发射器件的制造方法的工序剖面图。
在图1中，1例如是玻璃等的基板。2是柱状多晶膜。3是表示晶粒间边界的晶粒边界。4是柱状晶粒。
以下，说明柱状多晶膜2的形成。在图1所示的玻璃等的基板1上边，用作为材料气体使用被氢气稀释的从0.1％到3％的硅烷气体的等离子体化学气相淀积法(PCVD)，在基板温度从200℃到350℃、成膜压力从0.1Pa到5Pa、RF功率从300W到1kW的条件下，形成作为结晶方位和结晶面整齐划一且粒径从约100nm到140nm的柱状多晶硅膜的柱状多晶膜2。在该条件下生长的膜，将成为主要具有{110}面配向的柱状多晶膜2。
此外，若在图1所示的玻璃等的基板1上边，例如，用同上PCVD法，用向材料气体内混合进硅烷气体和四氟化硅气体的混合气体，在基板温度从250℃到450℃、成膜压力从100Pa到170Pa、RF功率从50W到500W的条件下进行制作，则可以得到主要具有{100}面配向的粒径约250nm的柱状多晶膜2。
这样制作的{110}面配向或{100}面配向的柱状多晶膜2，都可以实现具有作为本发明作用的均一形状发射器的冷电子发射器件。
另外，在柱状多晶膜1中虽然含有非晶层，但是要想形成均一形状的发射器，希望作为多晶与非晶的单位面积含有率的结晶化率在80％以上。
该结晶化率，例如可以用喇曼分光法进行测定，可以用由喇曼分光法得到的结晶相的喇曼偏移量约520cm-1的强度I(520)和非晶相的喇曼偏移量480cm-1的强度I(480)之间的关系表示的结晶化率I(520)/{I(520)+I(480)}表示(参看图3)。
另外，在本实施例中，指定了代表性的生长条件，在使用含有硅的混合气体，气体流量、气体混合比、基板温度、成膜压力、RF功率等的具有某一指定范围的生长条件下，可以得到柱状多晶膜2，其粒径或大小可以取决于上述生长条件变化。
例如，在图8中，示出了用硅烷与氢的混合气体的等离子体化学气相淀积法(PCVD法)，在基板温度300℃、成膜压力2Pa、RF功率300W的条件下成膜的代表性柱状多晶硅膜的X射线衍射(XRD)光谱。得知用上述条件成膜的膜，在2θ约47.4度处得到了强的峰值，且配向为(220)面。
此外，配向为{100}面的柱状多晶膜2，可以在用使用硅烷气体与四氟化硅气体的混合气体的PCVD法，在基板温度300℃、成膜压力100Pa、RF功率300W的条件下成膜时得到，XRD光谱的2θ将在约63.2度处出现(400)的峰值(未画出来)。
其次，用图2说明用上边所说的柱状多晶膜2制造的发射器和冷电子发射器件的制造方法。
如上所述，在基板1上边形成了(参看图2(a))柱状多晶膜2之后，如图2(b)所示，用PCVD法或溅射法、蒸镀法等，使SiO2等的第1绝缘膜5图形化为使得在柱状多晶膜上边各个点变成为圆形形状或多角形形状。该图形化，例如，淀积200nm左右的绝缘膜，借助于光刻工序，把该绝缘膜加工成直径1微米左右的圆形形状或多角形形状的点图形。
在形成了圆形形状或多角形形状的第1绝缘膜5之后，如图2(c)所示，采用实施反应性离子刻蚀(RIE)的办法，加工柱状多晶膜2，得到发射器6。作为刻蚀气体，例如，可以使用SF6等的卤素气体。
接着，如图2(d)所示，用蒸镀法等形成SiO2等的栅极绝缘层7和Nb等的引出栅极电极8。采用控制栅极绝缘膜7膜厚的办法，就可以容易地使发射器6的顶端部分和引出栅极电极8之间的距离变化，使电场效率良好地集中于发射器6的顶端部分，可以得到电子发射效率良好的冷电子发射器件。
最后，如图2(e)所示，用剥离法从被加工成上述圆形形状或多角形形状的点图形的第1绝缘膜5部分除去上部，形成开口部分。另外，在本实施例中1中，虽然用剥离法除去栅极绝缘层7和引出电极8形成开口部分，但是也可以用溅射法形成。
如上所述，倘采用本发明，由于采用用柱状多晶膜实施刻蚀的办法制造发射器6，故在除去晶粒边界3上边的所有部分中，都可以使实施湿法刻蚀或反应性离子刻蚀时的各向同性或各向异性刻蚀速度相等。因此，可以再现性良好地制造发射器6，在大范围内形成多个发射器6时，可以得到形状的均一性。
此外，柱状多晶膜2至少含有硅，具体地说，是多晶硅膜或多晶硅锗，采用使用这些含有硅的材料的办法，就可以用500℃以下的低温工艺在大面积基板上边形成多晶硅膜。因此，可以在大面积基板上边把柱状多晶刻蚀成均一形状，即便是在大面积基板上边形成多个发射器的情况下，也可以再现性良好地得到发射器形状的均一性，同时还可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的波动。
实施例2以下，用图4说明本发明的实施例2。
图4是本发明的实施例2的柱状多晶基板的剖面图。另外，本实施例2的冷电子发射器件，仅仅在基板上边成膜绝缘膜之后，才形成沿着同一晶轴生长有柱状晶粒的柱状多晶膜2，制造发射器和冷电子发射器件这一点，与不用绝缘膜覆盖基板形成上述柱状多晶膜2的上述实施例1的冷电子发射器件不同。为此，对于那些与实施例1相同的构成要素赋予同一标号而省略说明。
在图4中，在玻璃基板1上边，成膜第2绝缘膜9。在该玻璃基板1上边成膜第2绝缘膜9的处理，例如，作为材料，使用硅烷气体与N2O气体或TEOS与氧气的混合气体，用PCVD法，在基板温度从200℃到300℃、成膜压力从0.1Pa到10Pa、RF功率从300W到500W的条件下成膜二氧化硅膜SiO2约300nm到1000nm。另外，第2绝缘膜9形成以后的工艺与上边所说的实施例1是一样的，故予以省略。
如上所述，采用在基板1上边成膜第2绝缘膜9的办法，就可以抑制含于基板1内的杂质，例如，硼或钠等的扩散，就可以提高柱状多晶膜2的结晶性。
另外，第2绝缘膜9，只要至少含有硅的绝缘膜即可，除去二氧化硅膜SiO2以外，即便是使用氮化膜SiNx或一氧化氮膜或它们的复合膜，也可以得到同样的效果。
实施例3以下，用图5说明本发明的实施例3。
图5是本发明的实施例3的在某一恒定方向上整齐划一的柱状多晶膜基板的剖面图。另外，对于那些与上边所说的实施例相同的构成要素赋予同一标号而省略说明。
在图5中，柱状晶粒4整齐地排列为使得对于基板1表面，结晶方位和结晶面变成为某一恒定的方向。10是表明各个晶粒方向的结晶方位，结晶面配向为对该结晶方位10垂直的{110}或{100}。
该柱状多晶膜柱的柱状晶粒的整齐排列，即便是在柱状多晶膜2内含有非晶相，如果其结晶化率理想地说在80％以上，也可以得到。另外，由该均一形状的柱状晶粒4构成的柱状多晶膜基板形成以后的工艺与上边所说的实施例1是一样的，故说明从略。
如上所述，倘采用本实施例3，由于柱状多晶膜2内的柱状晶粒4的构造是对基板1在某一恒定的方向上结晶方位和结晶面整齐划一，故不仅在同一晶粒内，在晶粒边界以外的所有的晶粒区域内，也可以使刻蚀的各向同性或各向异性刻蚀速度相等。因此，可以再现性良好地制造发射器，在大范围内形成多个发射器时，可以得到形状的均一性。
实施例4以下，用图6说明本发明的实施例4。
图6是用本发明实施例4的柱状多晶膜2制造的冷电子发射器件的发射器部分的剖面图。在图6中，11表示柱状晶粒的短的一方的粒径。6是发射器，12是发射器的顶端部分。另外，在图6中，对于与上边所说的实施例1相同的构成要素赋予同一标号而省略说明。
发射器顶端部分12的曲率半径，一般地说当曲率半径大于50nm时则不能效率良好地进行由引出栅极电极8(参看上述图2(e))形成的向发射器顶端部分的电场集中，为了得到在硅的情况下的电子发射所需要的电场强度106V/mm，就必须给引出栅极电极8加上50V以上的高电压。驱动电路由于理想的是栅极电压低于50V，故理想的是使发射器顶端部分12的曲率半径作成为50nm以下。
此外，一般地说，硅的冷电子发射的电场强度需要在106V/mm以上，如果设发射器和对于发射器加上正电压V(V)的引出栅极电极之间的距离为d，发射器的顶端曲率半径为r，则在发射器顶端的电场强度，可以用式(1)表示。
F=2V/r Ln(2d/r)(V/mm)…………(1)图9示出了在上述(1)中，例如，在设d=0.5×10-6(m)、V=60、80、100(V)时的电场强度F对发射器顶端曲率半径r的关系。在图中，要想使F大于106V/mm，就必须满足V＞80V、r＜50nm的条件。为此，r越大，则为了给发射器顶端加上大于106V/mm的电场强度，就越需要更大的电压，反之，r越小，则电压就越可以低。若需要高电压，则控制发射器的电路会变得复杂起来，此外，由于引出栅极电极的下部绝缘层的耐压也将成为问题，故将变成为造价高的冷电子发射器件。因此，采用使顶端曲率半径作成为50nm以下的办法，就可以提供便宜的低电压驱动电路。
然而，该发射器顶端部分12的曲率半径，若采用通常的使用卤素气体的反应性离子刻蚀或含有氟酸的湿法刻蚀，则要把曲率半径极端地说作成为50nm以下，例如数nm以下那种程度的尖的形状是非常困难的，通常会变成为50nm左右，为此，采用使柱状晶粒的短的一方的粒径11形成为100nm以上的办法，就可以实现具有均一形状的发射器顶端部分的冷电子发射器件。
此外，在已把发射器顶端部分12的曲率半径形成为50nm左右大小的情况下，如果柱状晶粒的短的一方的粒径11不比100nm小，则晶粒边界3位于发射器顶端部分的概率(可能性)增高，由于晶粒边界的缘故，就不可能再现性良好地形成具有曲率半径50nm左右的发射器顶端部分12。
再有，当在晶粒边界3上缺陷多，缺陷位于发射器顶端部分12上时，发射电子量减少。由于以上的理由，柱状晶粒的短的一方的粒径以形成为100nm以上为好。
如上所述，倘采用本实施例4，由于结果变成为上述柱状晶粒的短的一方的粒径11至少在100nnm以上，故在发射器顶端部分12上不存在刻蚀速度不同的晶粒边界，可以再现性良好地形成发射器顶端部分11。
实施例5以下，用图5和图2(e)说明本发明的实施例5。另外，在图5中，对于那些与上边所说的实施例3相同的构成，使用同一标号而省略说明。
在图5中，10是表明各个晶粒方向的结晶方位。各个晶粒4，被形成为对于基板1具有83度以上的角度。这是因为要形成发射器，最低0.1微米的粒径的柱状多晶膜2的厚度至少需要0.8微米左右，这时，为要作成为使得在发射器顶端部分附近尽可能地不存在刻蚀速度不同的晶粒边界，tan-1(0.8/0.1)83度是必要的。此外，如图2(e)所示，如果使电场集中于发射器顶端部分12以引出电子，由于电子在对于基板1大体上垂直方向上流动，如果晶粒对于基板1为83度以下，则电子将横穿晶粒边界，同时必须一直流到发射器顶端部分。另一方面，若大于83度，则电子可以在同一晶粒内一直流到发射器顶端部分，可以不必横穿缺陷多的晶粒边界，可以不减少发射电流。
如上所述，倘采用本实施例5，由于把各个晶粒形成为对于基板1具有83度以上的角度，故在发射器顶端部分不存在刻蚀速度不同的晶粒边界，可以再现性良好地形成发射器顶端部分11。此外，可以得到电子发射特性优良的冷电子发射器件。
实施例6以下，用图1、图7说明本发明的实施例6。另外，图1由于在上边所说的实施例1中已经进行了说明，故省略对各个构成要素的说明。
柱状晶粒4的结晶面，是{110}或{100}面配向。之所以作成为{110}面配向，是因为采用把柱状多晶膜2的配向面作成为{110}的办法，结晶方位和结晶面就易于整齐划一，因此，可以进行均一形状的刻蚀，在大面积基板上边实现具有均一性优良的发射器的冷电子发射器件的缘故。
再有，采用把配向面作成为{110}或{100}的办法，可以降低柱状多晶膜2中的电子在半导体层内渡越时晶粒边界所形成的电子运动的能量势垒，增大迁移率，结果是可以实现发射电子量的增多和高速应答。
之所以作成为{100}面配向，是因为与{110}面配向比较，可以降低晶粒边界的势垒，使电子易于流动的缘故，同时，还因为若作成为{100}面配向，则栅极绝缘层与半导体结晶面之间的界面处的载流子的陷阱与{110}面配向比较减少，半导体-绝缘层界面处的电子变得更加易于流动的缘故，迁移率将进一步增大，结果是可以实现发射电子量的增大和高速应答。
图7示出了在本发明中实施的来自晶体结构不同的1000个芯片的发射器的发射电子量的测定量。但是，加在引出栅极电极上的电压作成为是相同的。在图7中，用配向面{110}柱状多晶膜2形成发射器的情况下，与非晶(无定形)硅的情况比较，示出了多达2倍以上的发射电子量。发射电子量与来自荧光体的发光辉度有关，辉度与发射电子量成比例。就是说，要想得到相同的电子量(发光辉度)，在用配向面{100}柱状多晶膜2形成发射器的情况下，与无定形硅的情况下比较，可以用低的引出栅极电极，可以实现低电压化。
再有，与配向面{110}柱状多晶膜的情况下比较，配向面{100}一方增加了来自冷电子发射器件的电流量，可以实现低电压化。
如上所述，倘采用本实施例6，如果把柱状晶粒的结晶面作成为{110}或{100}面配向，则可以增大发射电子量，可以进行低电压驱动，可以形成效率良好的冷电子发射器件。
工业上利用的可能性本发明的发射器和发射器制造方法，由于采用对于在基板上边沿着晶轴生长柱状晶粒的柱状多晶膜实施刻蚀的办法，可以再现性良好地形成顶端形状齐整的发射器，故即便是在大面积基板上边形成多个发射器的情况下，也可以再现性良好地得到发射器形状的均一性。借助于此，还可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的波动。可以用做平面型图象显示装置或各种传感器、高频振荡器、超高速器件、电子显微镜、电子束曝光装置等各种电子束利用装置的电子源。
权利要求
1．一种发射器，其特征是采用下述办法形成对于在基板上边沿着同一晶轴生长了柱状晶粒的柱状多晶膜实施刻蚀。
2．一种发射器，其特征是采用下述办法形成在基板上边形成了沿着同一晶轴生长了柱状晶粒的柱状多晶膜之后，在上述柱状多晶膜上边使第1绝缘膜图形化，用上述已图形化的第1绝缘膜，对上述柱状多晶膜实施刻蚀。
3．一种发射器，其特征是采用下述办法形成在基板上边形成第2绝缘膜，在上述第2绝缘膜上边形成了沿着同一晶轴生长有柱状晶粒的柱状多晶膜之后，在上述柱状多晶膜上边使第1绝缘膜图形化，用上述已图形化的第1绝缘膜，对上述柱状多晶膜实施刻蚀。
4．权利要求1到3中的任何一项权利要求所述的发射器，其特征是构成上述柱状多晶膜的柱状晶粒，对于基板面来说结晶方位和结晶面在某一恒定方向上整齐划一。
5．权利要求1到4中的任何一项权利要求所述的发射器，其特征是上述柱状多晶膜至少含有硅。
6．权利要求1到5中的任何一项权利要求所述的发射器，其特征是上述柱状多晶膜的配向面为{110}。
7．权利要求1到5中的任何一项权利要求所述的发射器，其特征是上述柱状多晶膜的配向面为{100}。
8．权利要求1到7中的任何一项权利要求所述的发射器，其特征是采用对上述柱状多晶膜实施刻蚀的办法形成的发射器顶端的曲率半径在50nm以下。
9．权利要求1到8中的任何一项权利要求所述的发射器，其特征是构成上述柱状多晶膜的柱状晶粒，该柱状晶粒的短的一方的粒径，至少在100nm以上。
10．权利要求9所述的发射器，其特征是上述柱状晶粒与基板所构成的角度在83度以上。
11．权利要求3所述的发射器，其特征是上述第2绝缘膜至少含有氧或氮。
12．权利要求2或3所述的发射器，其特征是上述图形化的第1绝缘膜是圆形形状。
13．权利要求2或3所述的发射器，其特征是上述图形化的第1绝缘膜是多角形形状。
14．一种发射器的制造方法，其特征是具有下述工序在基板上边沿着同一晶轴生长柱状晶粒形成柱状多晶膜的工序；对上述柱状多晶膜实施刻蚀的工序。
15．一种发射器的制造方法，其特征是具有下述工序在基板上边沿着同一晶轴生长柱状晶粒形成柱状多晶膜的工序；在上述柱状多晶膜上边使第1绝缘膜图形化的工序；用上述图形化的第1绝缘膜对上述柱状多晶膜实施刻蚀的工序。
16．一种发射器的制造方法，其特征是具有下述工序在基板上边形成第2绝缘膜的工序；在上述第2绝缘膜上边形成沿着同一晶轴生长有柱状晶粒的柱状多晶膜的工序；在上述柱状多晶膜上边使第1绝缘膜图形化的工序；用上述图形化的第1绝缘膜对上述柱状多晶膜实施刻蚀的工序。
17．权利要求14到16中的任何一项权利要求所述的发射器的制造方法，其特征是构成上述柱状多晶膜的柱状晶粒，对于基板面来说结晶方位和结晶面在某一恒定方向上整齐划一。
18．权利要求14到17中的任何一项权利要求所述的发射器的制造方法，其特征是上述柱状多晶膜至少含有硅。
19．权利要求14到18中的任何一项权利要求所述的发射器的制造方法，其特征是上述柱状多晶膜的配向面为{110}。
20．权利要求14到18中的任何一项权利要求所述的发射器的制造方法，其特征是上述柱状多晶膜的配向面为{100}。
21．权利要求14到20中的任何一项权利要求所述的发射器的制造方法，其特征是对上述柱状多晶膜实施刻蚀，使得所形成的发射器顶端的曲率半径在50nm以下。
22．权利要求14到21中的任何一项权利要求所述的发射器的制造方法，其特征是构成上述柱状多晶膜的柱状晶粒，该柱状晶粒的短的一方的粒径至少在100nm以上。
23．权利要求22所述的发射器的制造方法，其特征是上述柱状晶粒与基板所构成的角度在83度以上。
24．权利要求16所述的发射器的制造方法，其特征是上述第2绝缘膜至少含有氧或氮。
25．权利要求15或16所述的发射器的制造方法，其特征是上述图形化的第1绝缘膜是圆形形状。
26．权利要求15或16所述的发射器的制造方法，其特征是上述图形化的第1绝缘膜是多角形形状。
27．冷电子发射器件的制造方法，其特征是具有下述工序用权利要求15或权利要求16所述的发射器的制造方法制造发射器的工序；在上述柱状多晶膜上边保持剩下已图形化的第1绝缘膜不变地引出第3绝缘层形成栅极电极的工序；在上述柱状多晶膜上边仅仅除去已图形化的第1绝缘膜的上部形成开口部分的工序。
全文摘要
本发明的冷电子发射器件，由采用对在基板(1)上边沿着同一晶轴生长了柱状晶粒的柱状多晶膜(2)施行刻蚀的办法形成的发射器构成。若采用这样的冷电子发射器件，则即便是在已形成了多个发射器的情况下，也可以抑制起因于发射器形状变动的电子发射特性的波动，因而可以得到在大面积基板上边具有均一发射特性的冷电子发射器件。
文档编号H01J1/30GK1318203SQ00801476
公开日2001年10月17日 申请日期2000年6月23日 优先权日1999年6月24日
发明者则兼哲也, 平中弘一, 和田直树, 佐藤安代 申请人:松下电器产业株式会社