专利名称：真空场效应器件及其制作工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及微电子器件，具体涉及一种具有横向场发射源且最好具有绝缘栅的真空沟道场效应微电子器件。
本申请与以下专利有关1999年7月26日提交的美国临时申请60/145,570，1999年3月25日提交的美国专利申请09/276,198(现在的美国专利号6,004,830)和09/276,200，1999年12月13日提交的美国专利申请09/477,788和09/476,984。术语注释在说明书以及所附的权利要求书中，交替使用术语“横向发射器”或“横向场发射源”来指代与衬底平行放置的场发射源。为了表达的清楚且简单起见，此处分别用术语“水平”和“垂直”来表示与衬底平行或垂直，而并不意味着任何优选的空间取向、或与地球表面或重力方向相关的优选取向。字母缩写“VFED”和“IGVFED”分别指“真空场效应器件”和“绝缘栅真空场效应器件”。术语“绝缘衬底”和“绝缘层”中的“绝缘”是用的其普通意义，特别是指电阻率大于108Ω-cm的物质。术语“导电”指的是电阻率小于或等于108Ω-cm的物质，即包括整个导体和半导体物质的电阻率范围。
H.H.Busta等人在“横向小型化真空器件”(1989年国际电子器件会议[IEDM]技术摘要，IEEE，皮斯卡塔韦，新泽西，1989，89-533—89-536页)一文中描述了两种类型的横向场发射器三极管一种类型带有三角形金属发射器、集电极和提取电极；另一种类型带有固定在多晶硅层侧壁的钨灯丝发射器、集电极和提取电极。
W.J.Orvis等人在“利弗莫尔小型真空管计划进展报告”(1989年国际电子器件会议[IEDM]技术摘要，IEEE，皮斯卡塔韦，新泽西，1989，89-529—89-531页)一文中描述了利用Spindt型场发射器制造小型真空二极管和三极管的方法。
J.E.Cronin等人在IBM技术公告，卷32，No.5B(1989年10月)第242-243页的“场发射三极管集成电路构造方法”一文中描述了制作场发射三极管的过程，这种三极管带有与控制栅极自对准的场发射端。
B.Goodman在“发现”1990年3月，55-58页的“真空管回顾”一文中描述了真空微电子学发展的过程和出现的问题。S.Kanemura等人在IEEE电子器件学报，卷38，No.10，1991年10月，2334-2336页的“横向场发射器三极管的制作和特征”一文中描述了一种横向场发射器三极管，这种三极管带有由彼此间距10微米的170个场发射器端组成的阵列，以及柱状栅极和阳极。
W.N.Carr等人在“真空科学技术”卷A8(4)，1990年7/8月，3581-3585页的“真空微三极管特性”一文中描述了用于模拟带有V形场发射阴极的横向真空微电子器件的类似于五极真空管的I-V特性。
A.A.G.Driskill-Smith等人在“应用物理学”卷75 No.18(1999年11月1日)，2845-2847页的“‘纳米三极管’一种纳米尺度的场发射管”一文中描述了一种纳米尺度的电子管，这种电子管带有场发射阴极(半径为大约一个纳米的垂直金属“纳米柱”)、集成阳极和控制栅极，所有这些都处于大约100纳米的垂直和水平尺度内。P.Weiss在“科学新闻”卷156(1999年11月6日)“‘真空管’新图象太小而不能看到”一文中总结了Driskill-Smith等人在真空管方面的进展，并报告了该领域内其他一些技术人员的评论。“现代物理”1999年12月，9页的“真空管企图复辟”一文总结了Driskill-Smith等人文章中垂直取向器件的一些优点以及该器件设计上尚存的一些问题。
许多以前的美国专利描述了真空微电子器件(特别是场发射器件)及它们的制作工艺，它们包括Fraser，Jr的3,753,022；Spindt等人的3,755,704和3,789,471；Shelton的4,163,949；Gray等人的4,578,614；Brodie的4,721,885；Lee的4,827,177；Lee等人的4,983,878；Goronkin等人的5,007,873；Atkinson等人的5,012,153；Epsztein的5,070,282；Kane的5,079,476；Bol的5,112,436；Jones的5,126,287；Vasquez的5,136,764；Jones等人的5,144,191；Gray的5,214,347；Okaniwa的5,221,221；Hosogi的5,245,247和5,267,884；Calcatera的5,268,648；Yoshida的5,270,258和5,367,181；Liu的5,394,006；Muller等人的5,493,177；Suzuki的5,834,790和5,925,975。
大量以前的美国专利描述了带有横向场发射阴极的微电子器件结构以及这种结构的制作工艺，它们包括Lee的4,827,177；Bol的5,112,436；Jones等人的5,144,191；Gray的5,214,347；Cronin等人的5,233,263，5,308,439，5,312,777和5,530,262；Xie等人的5,528,099；Mandelman等人的5,604,399，5,629,580，5,736,810和5,751,097；Potter的5,616,061，5,618,216，5,628,663，5,630,741，5,644,188，5,644,190，5,647,998，5,666,019，5,669,802，5,691,599，5,700,176，5,703,380，5,811,929，5,831,384，5,850,123，5,872,421，5,920,148，5,965,192，6,004,830，6,005,335，6,015,324，6,015,326，6,017,257，6,037,708，6,071,633。
对超高频率电子器件的需求持续增长。目前，许多对超高频率器件的需求是由半导体器件和集成电路来满足的。因为半导体器件中的电子迁移率由于载流子与晶格原子的碰撞而减小，因此小型真空器件潜在的更佳的高频性能是很吸引人的。如果制作的足够小并能够在足够低的电压下工作，并且具有足够高而稳定的电流，那么这样的真空器件在数字和模拟领域中将会得到广泛的电子学应用。
附图简要说明
图1.为根据本发明制造的绝缘栅真空场效应器件的局部切开立体图；图2a-2j为在优选制作工艺的各个阶段中的器件的横断面侧视图；图3为一流程图，描述了根据本发明所执行的优选制作工艺的步骤。
实现本发明的方式这里公开了一种新型的超高转换速度真空场效应器件(VFED)。VFED的电荷载流源为通过Fowler-Nordheim发射来操作的电子发射源。沟道区域为真空。因为沟道区域中没有材料来散射电子并且沟道长度很短，因此电子通过沟道的时间也很短。发射源与栅极之间或漏极与栅极之间没有真空沟道。因此可以保持一个相当高的漏极电压而不会从栅极中发射电子。高的漏极电压连同短的真空沟道会使电子的迁移时间达到亚微微秒(sub-picoseconds)的数量级。另外，考虑到新型的VFED的寄生电容项很小(低于千万亿分之一法拉/微米)，深入的计算可预测到，对于0.5微米长的真空沟道，转换速度可以高达10太赫。对于0.1微米长的真空沟道，该器件的转换速度经计算接近30太赫。
对于希望减小输出阻抗的应用场合，(γp＝Vd/Id@Vg＝常数)，由于漏极电压对发射源场的影响，很短的真空沟道长度将导致漏极电流显著的变化。此处，Vd为漏极电压，Id为漏极电流，Vg为栅极电压。另外，以并联方式排列的大量单个器件将会减小有效的出端阻抗，而并不会减小转换速度。由于栅极与发射源极为接近，因此跨导(gm＝Id/Vg@Vd＝常数)将会很高。使用高介电常数的绝缘体有助于提高绝缘栅的影响，但是还应考虑到增加绝缘栅到发射源的寄生电容。介电常数的值最好大于2。在真空沟道长度大于或等于0.5微米时，由于绝缘栅对沟道电流的强烈影响，增益参数(μ＝|Vd/Vg|@Id＝常数)可以很大。
图1.(未按比例)为根据本发明制造的绝缘栅真空沟道场效应器件10的局部切开立体图。器件10制作在绝缘衬底20上。发射源层60(带有发射端85的横向场发射冷阴极)与衬底20平行。尽管图1和横断面视图2f-2j把发射端85示意性地显示为长方形，但是发射端85的实际形状可以很锋利，即具有极小的半径，这是场发射阴极领域所公知的。当为发射源60和漏极150加上合适的偏压时，漏极150聚集由源60的发射端85所发射的电子。漏极150与源60的发射端85最好横向隔开1纳米至1毫米之间的间距。栅极，更恰当地说是下栅极40和上栅极160，它们被设置成与发射源60的发射端85至少部分对准，并且延伸至与真空沟道区域120的一部分重叠。导电的下栅极触点155向下延伸并与下栅极40保持欧姆性的电接触。在图1所示的实施例中，触点155还与上栅极160相连。衬底20上为下栅极40留出的沟槽可以使下栅极40平面化，因此在下面将详细描述的优选的制作工艺中，可以提供精确的控制并且保持下栅极40上沉积的绝缘层50的厚度的均匀性。但是在其他实施例中，栅极40也可以位于衬底20的顶面上，而不用沟槽。
每个栅极与真空沟道区域之间的绝缘层防止发射源发射的任何电子到达任一个栅极，每个栅极与真空沟道区域由各个绝缘层(50或70与100的组合)完全分隔开。每个绝缘层还阻断了它所对应的栅极与漏极150之间的真空沟道，因此电子流没有可能通过任一个栅极与漏极之间的真空(例如二次电子流)。还应理解到，这一点对于具有一个栅极(而不是具有上面所图解和描述的两个栅极的优选实施例)的IGVFED也是正确的。在图1所示具有两个栅极的实施例中，连接两个栅极的导电触点155也通过绝缘体50，70和100与真空沟道区域120完全绝缘。如图1所示，真空沟道区域120的尺寸的设计使其避免了向后延伸到导电触点155的区域。
可以把常规的钝化层(未示出)沉积在器件10上，以保护器件并防止表面泄漏电流。可以形成常规的通过开口并沉积常规的电极金属(terminal metallurgy)(未示出)，以与图1所示的导电元件保持接触。
这样，本发明的一个方面是一种真空场效应器件10，它包括发射源60，该发射源60包括一个带有用于发射电子的发射端85的横向场发射器；导电漏极150，其与发射端水平分隔开；真空沟道区域120，其至少在发射源的发射端85和漏极150之间延伸；至少一个栅极40或160，其通过绝缘层50，70或100与真空沟道区域分隔开，所述绝缘层设置在栅极与真空沟道区域120之间，用于阻止由发射源发射的电子到达栅极；端子(例如140)用于提供漏极与发射源之间的偏压并为栅极提供控制信号。端子可以与它们各自的电极集成在一起，例如图1中的150和160。该器件最好有两个公共的电栅极40和160，可以用一个集成的导电栅极触点155把它们连接在一起。该器件构建在绝缘衬底20上，该绝缘衬底可以通过在导电或半导电衬底上附加绝缘膜而形成。制作工艺制作新型的太赫真空场效应器件(VFED)要比制作复合半导体或异质结半导体器件简单的多。本优选实施例中不使用半导体材料。但是，这种结构制作与标准的IC金属喷镀，钝化和互联工艺是相容的。另外，这种新型的器件可以与优选实施例制作工艺的任一变体或其他集成电路制作工艺结合在一起。
制作真空场效应器件的整体过程包括以下步骤提供一块合适的平面绝缘衬底；通过在衬底上平行设置一个横向场发射器形成发射源；在发射源的横向场发射器上形成发射端；提供一个导电漏极用于接收电子，漏极与发射端之间横向隔开一段间距；至少在发射端与漏极之间制作真空沟道区域的第一开口；设置至少一个栅极，该栅极至少与发射端部分对准，并至少与第一开口部分重叠对准；完全覆盖第一开口以形成一个封闭的真空沟道腔室；从第一开口中除去所有气体以提供真空；封闭真空沟道腔室。整个过程还可以包括步骤在栅极与真空沟道区域之间设置一个绝缘层，以阻止发射源发射的任何电子到达栅极，上述栅极由绝缘层与真空沟道区域完全分隔开。加入端子是用于在漏极与发射源之间提供偏压并为绝缘栅提供控制信号。
提供绝缘衬底这一步骤可以由以下步骤完成首先提供一个基衬底，基衬底可以有各种程度的导电性或半导性；然后在基衬底上沉积一层绝缘表面层。因此，基衬底可以为导体、半导体或任何电阻率小于108Ω-cm的物质，或者是成分上不同于沉积在其上的绝缘层的绝缘体。例如，基衬底可以是金属，硅，锗，III-V族化合物(GaAs，AlGaAs，InP，GaN等等)，导电氧化物(例如氧化锡铟，氧化铟，氧化锡，氧化铜，氧化锌)，过渡族金属氮化物或过渡族金属碳化物。
在整个制作工艺的结构中，可以对特殊的材料、特殊的工艺方法及其顺序进行多种变型。结合图2a-2j和图3，下面详细描述了一个特定的优选制作工艺。图2a-2j未按比例制图。下面的描述包括提供两个栅极的步骤，但是应当认识到，VFED器件可以制作有一个或多个栅极，并且还可以省去栅极以制作高速二极管。
图2a-2j为优选的制作工艺的各个阶段产物的一系列横断面侧视图。图3为优选制作工艺的流程图，其中各步骤用参考标号S1，…，S21来代表。对于每个步骤，所执行的操作列于表I中
在步骤S1中，提供一个合适的平面绝缘衬底20。绝缘衬底20可以包括各种合适的绝缘材料如玻璃，陶瓷，玻璃陶瓷，金刚石，石英，氧化铝，蓝宝石，二氧化硅，氮化硅，氮化铝，氧化镍，塑料，聚合体，聚酰亚胺，聚对二甲苯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，以及以上各种物质的混合物和化合物。如上所述，步骤S1中提供的平面绝缘衬底20的制作首先要提供一个导电性基衬底，如硅半导体晶片，然后在导电性基衬底上沉积一层合适的绝缘材料以形成绝缘表面。绝缘层可以是上面所列出的任一种绝缘材料。
在步骤S2中，在绝缘衬底的表面制作沟槽30(图2a)。在步骤S3中，用导电层40填充沟槽30并使其平面化(图2b)，以制作第一栅极。平面化可以通过化学-机械抛光(CMP)来完成。适于制作导电层40的材料有铝，铜，银，金，铂，钯，铋，导电氧化物，导电氮化物，难熔的过渡族金属(钛，钒，铬，锌，铌，钼，铪，钽，钨)，难熔的过渡族金属碳化物，难熔的过渡族金属氮化物，碳化硼，掺杂的氮化硼，过渡族金属硅化物，任何一种导电形式的碳(例如掺杂的金刚石，石墨，无定形碳，富勒烯，纳米管，或纳米珊瑚石)，硅(N型或P型硅，多晶硅，无定形硅，或单晶硅)，锗，以及以上各种物质的混合物、合金和化合物。选择导电性材料时要使其能够与该器件的其他材料相容。
步骤S4包括把第一绝缘层50沉积在平面化的表面上(图2c)。第一绝缘层50可包括任何合适的绝缘体，例如玻璃，玻璃陶瓷，石英，氧化铝，蓝宝石，二氧化硅，氮化硅，钛酸锶钡，氧化钛，氧化钐，氧化钇，氧化钽，氧化钛钡，氧化钽钡，氧化钛铅，氧化钛锶，氧化(锌，钛)锶，氮化铝，聚酰亚胺，聚对二甲苯，或以上各种物质的混合物和化合物。第一绝缘层50的介电常数ε最好大于2。
在步骤S5中，沉积并构图导电性材料以形成发射源层60(图2d)。在步骤S6中，沉积第二绝缘层70，使其覆盖发射源层60(图2e)。第二绝缘层70可包括任何合适的绝缘体，例如第一绝缘层50所使用的任一种材料(玻璃，玻璃陶瓷，石英，氧化铝，蓝宝石，二氧化硅，氮化硅，钛酸锶钡，氧化钛，氧化钐，氧化钇，氧化钽，氧化钛钡，氧化钽钡，氧化钛铅，氧化钛锶，氧化(锌，钛)锶，氮化铝，聚酰亚胺，聚对二甲苯，或以上各种物质的混合物和化合物)。但是，绝缘层50和70最好包括相同的绝缘材料。第二层绝缘层70的介电常数ε最好大于2。
用作真空沟道区域的的第二沟槽80的制作(步骤S7，图2f)是通过蚀刻至少第二绝缘层70和发射源层60来完成的，但是蚀刻不要向下达到第一栅极层40。沟槽80的制作是通过定向活性离子蚀刻来完成的。制作该沟槽时还要对发射源层60进行蚀刻以制作发射端85。如果必要，可以进一步蚀刻，例如用无向性湿浸法(isotropic wet etch)蚀刻或等离子体蚀刻来进一步对发射端85进行蚀刻。如场发射阴极领域所公知的，希望制作出具有极小半径的发射端85，使其具有刀刃一样锐利的形状。这一点是通过在步骤S5中沉积一层很薄的发射源层60，然后在步骤S7中对这一薄层的边缘进行蚀刻来完成的。适合于制作发射源层60的导电材料包括铝，铜，银，金，铂，钯，铋，导电氧化物，导电氮化物，难熔的过渡族金属(钛，钒，铬，锌，铌，铝，铪，钽，钨)，难熔的过渡族金属碳化物，难熔的过渡族金属氮化物，碳化硼，掺杂的氮化硼，过渡族金属硅化物，任何一种导电形式的碳(例如掺杂的金刚石，石墨，无定形碳，富勒烯，纳米管，或纳米珊瑚石)，硅(N型或P型，多晶，无定形，或单晶)，锗，以及以上各种物质的混合物、合金和化合物。在该领域已众所周知，至少要在发射源层60的发射端85，最好是使用低逸出功的材料。
在步骤S8，在第二沟槽80中填入牺牲材料90并进行平面化(图2g)。牺牲材料90可以为无机材料或有机材料如聚对二甲苯。这之后沉积第三绝缘层100(步骤S9，图2h)。第三层绝缘层100可以包括任何合适的绝缘体，例如第一绝缘层50和第二绝缘层70所使用的任何材料。绝缘层100最好使用与绝缘层50和70相同的绝缘材料，并且其介电常数ε最好大于2。
在步骤S10中，通过第三层绝缘层100开一个进入孔110，向下至少进入牺牲材料90(图2i)。进入孔110最好开在沟槽80上距离发射端85最远的那一端或附近。在步骤S11中，制作发射源通过孔130和下栅极40的通过孔(未显示)。下栅极触点155(图1所示)使用该下栅极通过孔，但该通过孔不在图2a-2j的横断面内。作为一种选择，可把步骤S10与S11合并而同时执行，如图3所示用一方括弧把这两步合并起来。在步骤S12中，通过进入孔110去除牺牲材料90(例如利用合适的溶剂溶解牺牲材料90，然后通过进入孔110除去该溶液)。例如，如果牺牲材料90是光致抗蚀剂或石蜡，则溶剂可以为丙酮。如果牺牲材料90为二氧化硅，它可以通过湿法化学蚀刻用例如HF去除。对于很多牺牲材料来说，去除过程可以利用氧等离子蚀刻来完成。除去牺牲材料之后，就留下一个空的真空沟道区域120。下面几步就要在真空环境中进行，步骤S13所提供的真空压力最好小于或等于1托。
在步骤S14中，沉积并构图导电发射源触点140。在步骤S15中，沉积并构图导电上栅极160。在步骤S16中，沉积并构图导电下栅极触点155(图1所示)。在步骤S17中，沉积并构图导电漏极150。适合于制作导电上栅极160，导电下栅极触点155和导电漏极150的导电材料包括铝，铜，银，金，铂，钯，铋，导电氧化物，导电氮化物，难熔的过渡族金属(钛，钒，铬，锌，铌，钼，铪，钽，钨)，难熔的过渡族金属碳化物，难熔的过渡族金属氮化物，碳化硼，掺杂的氮化硼，过渡族金属硅化物，任何一种导电形式的碳(例如掺杂的金刚石，石墨，无定形碳，富勒烯，纳米管，或纳米珊瑚石)，硅(N型或P型，多晶，无定形，或单晶)，锗，以及以上各种物质的混合物、合金和化合物。
在步骤S18中，填住进入孔110以密封真空沟道区域120。步骤S18最好在真空压力小于或等于1托时执行。当真空沟道区域120被密封时，该沟道区域就将是真空。步骤S14—S18最好合并在一起作为步骤S19执行，如图3中方括弧所示。在该优选的工艺中，进入孔110还限定了漏极150下部(位于真空沟道区域120内)的样式。在执行完步骤S14—S18或合并步骤S19后得到的器件，由图2j的横断面图以及图1的局部切开立体图所示。作为该工艺的另一种选择，可以利用Potter的美国专利No.5,700,176中的方法来制作导电漏极150和密封真空沟道区域120，其全部公开内容结合在此作为参考。如果希望，可以沉积一个钝化层(步骤S20)，形成通过孔，并沉积电极金属(步骤S21)。
本领域的技术人员可以认识到，只要省去那些结合控制栅元件40和160的步骤，就可以实现一个超高频率二极管的结构。如果只是省去控制栅元件40和160中的一个而保留另一个，那么该器件仍作为三极管工作。
制作本发明的真空场效应器件的尺寸和材料特性(诸如绝缘体的介电常数)的范围可以很宽。例如，根据应用场合，真空沟道长度可以在1纳米至1毫米之间。介电常数ε，漏极电压，与耦合电容的均衡(tradeoffs)，以及对操作延迟模式的增强范围都可以很宽。在绝缘层的介电常数小于或等于20时，绝缘层50以及绝缘层70与100的组合的厚度(也就是栅极与发射源层60之间的间距)最好选择在1纳米与1000纳米之间。当绝缘层的介电常数大于20时，该间距最好选择在10纳米与5000纳米之间。工业应用性这里所公开的器件对于高带宽的通讯要求特别有用。该器件的这种用途包括在芯片范围内传输和接收数据，因此它适合于短程的有线或无线内部局域网的通讯。该器件还固有高的耐热性和耐辐射性。因此适合于在苛刻的环境中应用。这些应用包括裂变或聚变反应堆的传感器，钻孔传感器，加速器传感器和仪表，在卫星，外层空间和宇宙探测器中的应用以及其他许多类似的应用。
对于本领域的技术人员而言，通过对本说明书的思考或通过对所公开的发明进行实践，本发明其他一些实施例中把该器件用于各种用途和环境就会显而易见。例如，本发明的结构中可以加入额外的栅电极。再例如，该器件可以制作在绝缘的衬底上，该衬底包括合适的塑料或其他聚合物，这些材料可以是柔性的和/或透明的，或者导电元件可以由导电聚合物来制作。另外，为了某种目的，可以改变制作工艺步骤的顺序，而且为了制作更简单的结构还可以省去一些步骤。说明书和例子只是示例性的，本发明真正的范围和精神由下面的权利要求书来限定。
权利要求
1.一种真空场效应器件，包括a)源，所述源包括一个横向场发射器，所述横向场发射器有一个用于发射电子的发射端，上述真空场效应器件的特征在于还包括b)漏极，它与所述横向场发射器的所述发射端横向隔开，所述漏极包括一个导电电极；c)真空沟道区域，其至少要位于所述横向场发射器的所述发射端与所述漏极之间；d)至少一个第一栅极，它包括一种导电材料，该导电材料由位于所述至少一个第一栅极和所述真空沟道区域之间的第一绝缘层与上述真空沟道区域完全分隔开，以防止所述源发射的任何所述电子到达所述至少一个第一栅极；和e)端子，用于在所述漏极与所述源之间提供偏压，并为所述至少一个第一栅极提供控制信号。
2.如权利要求1所述的真空场效应器件，其特征在于，该器件进一步包括一个绝缘衬底，所述发射源的所述横向场发射器平行于所述绝缘衬底放置。
3.如权利要求2所述的真空场效应器件，其特征在于，所述绝缘衬底的材料从下面的列表中选取玻璃，陶瓷，玻璃陶瓷，金刚石，石英，氧化铝，蓝宝石，二氧化硅，氮化硅，氮化铝，氧化镍，塑料，聚合体，聚酰亚胺，聚对二甲苯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，以及以上各种物质的混合物和化合物。
4.如权利要求1所述的真空场效应器件，其特征在于，所述第一绝缘层的材料从下面的列表中选取玻璃，玻璃陶瓷，石英，氧化铝，蓝宝石，二氧化硅，氮化硅，钛酸锶钡，氧化钛，氧化钐，氧化钇，氧化钽，氧化钛钡，氧化钽钡，氧化钛铅，氧化钛锶，氧化(锌，钛)锶，氮化铝，聚酰亚胺，聚对二甲苯，以及以上各种物质的混合物和化合物。
5.如权利要求1所述的真空场效应器件，其特征在于，所述第一绝缘层中包括一种介电常数大于或等于2的材料。
6.如权利要求1所述的真空场效应器件，其特征在于，所述至少一个栅极至少与所述横向场发射器的所述发射端部分对准，并且被设置成至少与所述真空沟道区域部分重叠对准。
7.如权利要求1所述的真空场效应器件，其特征在于，组成所述至少一个栅极的导电材料从以下列表中选取铝，铜，银，金，铂，钯，铋，导电氧化物，导电氮化物，难熔的过渡族金属(钛，钒，铬，锌，铌，钼，铪，钽，钨)，难熔的过渡族金属碳化物，难熔的过渡族金属氮化物，碳化硼，掺杂的氮化硼，过渡族金属硅化物，任何一种导电形式的碳(例如掺杂的金刚石，石墨，无定形碳，富勒烯，纳米管，或纳米珊瑚石)，硅(N型或P型，多晶，无定形，或单晶)，锗，以及以上各种物质的混合物、合金和化合物。
8.如权利要求1所述的真空场效应器件，其特征在于，所述横向场发射器包括设置在所述第一绝缘层上的薄膜导体。
9.如权利要求8所述的真空场效应器件，其特征在于，该器件进一步包括设置在上述薄膜导体上的第二绝缘层。
10.如权利要求9所述的真空场效应器件，其特征在于，所述第二绝缘层的材料由下面的列表中选取玻璃，玻璃陶瓷，石英，氧化铝，蓝宝石，二氧化硅，氮化硅，钛酸锶钡，氧化钛，氧化钐，氧化钇，氧化钽，氧化钛钡，氧化钽钡，氧化钛铅，氧化钛锶，氧化(锌，钛)锶，氮化铝，聚酰亚胺，聚对二甲苯，以及以上各种物质的混合物和化合物。
11.如权利要求9所述的真空场效应器件，其特征在于，所述第二绝缘层中包括一种介电常数大于或等于2的材料。
12.如权利要求9所述的真空场效应器件，其特征在于，所述第一和第二绝缘层由相同的绝缘材料构成。
13.如权利要求1所述的真空场效应器件，其特征在于，该器件还包括至少一个第二栅极，所述至少一个第二栅极由位于所述至少一个第二栅极和所述真空沟道区域之间的第三绝缘层与上述真空沟道区域完全分隔开，以防止所述源发射的任何所述电子到达所述至少一个第二栅极；该器件还包括端子，用于为所述至少一个第二栅极提供控制信号。
14.如权利要求13所述的真空场效应器件，其特征在于，所述至少一个第二栅极至少与所述横向场发射器的所述发射端部分对准，并且至少与所述真空沟道区域部分重叠对准。
15.如权利要求13所述的真空场效应器件，其特征在于，构成所述至少一个第二栅极的导电材料从下面列表中选取铝，铜，银，金，铂，钯，铋，导电氧化物，导电氮化物，难熔的过渡族金属(钛，钒，铬，锌，铌，钼，铪，钽，钨)，难熔的过渡族金属碳化物，难熔的过渡族金属氮化物，碳化硼，掺杂的氮化硼，过渡族金属硅化物，任何一种导电形式的碳(例如掺杂的金刚石，石墨，无定形碳，富勒烯，纳米管，或纳米珊瑚石)，硅(N型或P型，多晶，无定形，或单晶)，锗，以及以上各种物质的混合物、合金和化合物。
16.如权利要求13所述的真空场效应器件，其特征在于，所述至少一个第二栅极与所述至少一个第一栅极至少部分对准。
17.如权利要求13所述的真空场效应器件，其特征在于，所述至少一个第一栅极与所述至少一个第二栅极互相对准，并且关于通过所述发射源的平面对称。
18.如权利要求13所述的真空场效应器件，其特征在于，所述至少一个第二栅极与所述发射源垂直隔开第一预定间距。
19.如权利要求18所述的真空场效应器件，其特征在于，当所述第二绝缘层的介电常数小于或等于20时，上述第一预定距离在1纳米与1000纳米之间，当所述第二绝缘层的介电常数大于20时，上述第一预定距离在10纳米与5000纳米之间。
20.如权利要求13所述的真空场效应器件，其特征在于，所述至少一个第一栅极与所述发射源垂直隔开第二预定间距。
21.如权利要求20所述的真空场效应器件，其特征在于，当所述第一绝缘层的介电常数小于或等于20时，上述第二预定距离在1纳米与1000纳米之间，当所述第一绝缘层的介电常数大于20时，上述第二预定距离在10纳米与5000纳米之间。
22.如权利要求20所述的真空场效应器件，其特征在于，所述至少一个第二栅极与所述发射源垂直隔开一个与所述第二预定间距大致相等的间距。
23.如权利要求13所述的真空场效应器件，其特征在于，所述第一和第二栅极的电连接方式是相同的，并且所述第一和第二控制信号对于所述第一和第二栅极是公用的。
24.如权利要求1所述的真空场效应器件，其特征在于，组成所述发射源的导电材料从下面列表中选取铝，铜，银，金，铂，钯，铋，导电氧化物，导电氮化物，难熔的过渡族金属(钛，钒，铬，锌，铌，钼，铪，钽，钨)，难熔的过渡族金属碳化物，难熔的过渡族金属氮化物，碳化硼，掺杂的氮化硼，过渡族金属硅化物，任何一种导电形式的碳(例如掺杂的金刚石，石墨，无定形碳，富勒烯，纳米管，或纳米珊瑚石)，硅(N型或P型，多晶，无定形，或单晶)，锗，以及以上各种物质的混合物、合金和化合物。
25.如权利要求1所述的真空场效应器件，其特征在于，组成所述漏极的导电材料从下面列表中选取铝，铜，银，金，铂，钯，铋，导电氧化物，导电氮化物，难熔的过渡族金属(钛，钒，铬，锌，铌，钼，铪，钽，钨)，难熔的过渡族金属碳化物，难熔的过渡族金属氮化物，碳化硼，掺杂的氮化硼，过渡族金属硅化物，任何一种导电形式的碳(例如掺杂的金刚石，石墨，无定形碳，富勒烯，纳米管，或纳米珊瑚石)，硅(N型或P型，多晶，无定形，或单晶)，锗，以及以上各种物质的混合物、合金和化合物。
26.如权利要求1所述的真空场效应器件，其特征在于，所述漏极与所述横向场发射器的所述发射端横向隔开1纳米至1毫米之间的间距。
27.一种真空场效应器件，包括a)绝缘衬底；b)第一绝缘层；c)源，所述源包括平行于所述绝缘衬底设置的横向场发射器，所述横向场发射器包括位于所述第一绝缘层上的薄膜导体，并且所述横向场发射器有一个用于发射电子的发射端；d)导电漏极，它与所述横向场发射器的所述发射端横向隔开，所述导电漏极被设置成与所述绝缘衬底基本垂直；e)真空沟道区域，它至少设置在所述横向场发射器的所述发射端与所述导电漏极之间，从而电子就可以无障碍地从所述横向场发射器的所述发射端向所述漏极运动；f)第一和第二栅极，所述第一和第二栅极由分别置于所述第一、第二栅极与所述真空沟道区域之间的第二和第三绝缘层与所述真空沟道区域完全分隔开，以阻止从所述发射源发射的任何所述电子到达所述第一和第二栅极中的任一个；和g)端子，用于在所述漏极与所述源之间提供偏压，并分别为所述第一和第二栅极提供第一和第二控制信号。
28.如权利要求27所述的真空场效应器件，其特征在于，所述绝缘衬底包括由绝缘表面层覆盖的导电基衬底。
29.如权利要求27所述的真空场效应器件，其特征在于，所述第一和第二栅极的电连接方式相同，以便为所述第一和第二栅极提供公用的所述第一和第二控制信号。
30.一种超高频真空二极管器件，包括a)绝缘衬底b)源，所述源包括一个平行于所述绝缘衬底设置的横向场发射器，所述横向场发射器有一个用于发射电子的发射端；c)漏极，它与所述横向场发射器的所述发射端横向隔开，所述漏极包括一导电电极；d)真空沟道区域，它至少设置在所述横向场发射器的发射端与所述漏极之间；和e)端子，用于在所述漏极与所述源之间提供一个电压信号。
31.一种超高频真空二极管器件，包括a)绝缘衬底；b)第一绝缘层；c)源，所述源包括一个平行于所述绝缘衬底设置的横向场发射器，所述横向场发射器包括位于所述第一绝缘层上的薄膜导体，并且所述横向场发射器有一个用于发射电子的发射端；d)导电漏极，它与所述场发射器的所述发射端横向隔开一个1纳米至1毫米之间的间距，所述导电漏极被设置成与所述绝缘衬底基本垂直；e)真空沟道区域，它至少设置在所述横向场发射器的所述发射端与所述导电漏极之间，从而电子就可以无障碍地从所述横向场发射器的所述发射端向所述漏极运动；和f)端子，用于在所述漏极与所述源之间提供一个电压信号，以使所述电子流直接从所述发射源流向所述导电漏极。
32.一种制作真空场效应器件的工艺，包括以下步骤a)提供一绝缘衬底；b)通过使一横向场发射器平行于所述衬底来形成发射源；c)在所述发射源的所述横向场发射器上制作发射端；d)提供一个导电漏极用于接收电子，所述漏极与所述横向场发射器的所述发射端横向间隔开；e)至少在所述横向场发射器的所述发射端与所述漏极之间形成真空沟道区域的第一开口；f)设置至少一个第一栅极，该栅极至少与所述发射端部分对准，并至少与所述第一开口部分重叠对准；g)完全覆盖所述第一开口，以形成一个封闭的真空沟道腔室；h)通过第一开口除去所有气体，以在其中提供真空；以及i)封闭所述真空沟道腔室。
33.一种真空场效应器件，其特征在于，由权利要求32所述的工艺制作。
34.如权利要求32所述的工艺，其特征在于，还包括以下步骤j)在所述至少一个第一栅极与所述真空沟道区域之间设置第一绝缘层，以阻止所述发射源发射的任何所述电子到达所述至少一个第一栅极，所述至少一个第一栅极由所述第一绝缘层与所述真空沟道区域完全分隔开。
35.如权利要求32所述的工艺，其特征在于，还包括以下步骤k)形成端子，以便在所述漏极与所述发射源之间提供偏压，并为所述至少一个第一栅极提供控制信号。
36.如权利要求32的工艺，其特征在于，提供绝缘衬底的步骤(a)是通过提供一个基衬底并在所述基衬底上沉积一绝缘层来实现的，上述基衬底具有任意程度的导电性或半导电性。
37.如权利要求32所述的工艺，其特征在于，制作发射端的步骤(c)和制作第一开口的步骤(e)可以合并在一起并且基本上同时执行。
38.如权利要求37所述的工艺，其特征在于，进一步包括至少穿过所述横向场发射器进行定向蚀刻。
39.如权利要求32所述的工艺，其特征在于，提供所述导电漏极的步骤(d)和封闭所述真空沟道腔室的步骤(i)可以合并在一起并且基本上同时执行。
40.一种制作真空场效应器件的工艺，包括以下步骤a)提供绝缘衬底；b)在所述绝缘衬底中形成第一沟槽；c)用第一导电层填充所述第一沟槽，以提供下栅极并使其平面化；d)在上述绝缘衬底和所述第一导电层上沉积第一绝缘层，以使所述下栅极绝缘；e)沉积第二导电层并构图，以形成与所述衬底平行的发射源层；f)在所述发射源层上沉积第二绝缘层；g)形成真空沟道区域的第二沟槽，同时形成所述发射源层的发射端，从而完成横向场发射器源的制作；h)用牺牲材料填充所述第二沟槽并使其平面化；i)将在所述牺牲材料上延伸的第三绝缘层沉积；j)穿过所述第三绝缘层制作通向所述牺牲材料的进入孔；k)制作发射源通过孔和下栅极的通过孔；l)通过所述进入孔除去所述牺牲材料；m)提供真空环境；以及n)沉积并构图上栅极、导电源触点、下栅极触点和导电漏极，同时密封所述真空沟道区域，从而所述第三绝缘层使所述上栅极与所述真空沟道区域绝缘。
41.一种真空场效应器件，其特征在于，由权利要求40所述的工艺制作。
42.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，提供绝缘衬底的步骤(a)是通过提供一个基衬底并在所述基衬底上沉积一绝缘层来实现的，上述基衬底具有任意程度的导电性或半导电性。
43.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，提供所述真空环境的步骤(m)是通过提供小于或等于1托的真空压力来实现的。
44.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，提供所述真空环境的步骤(m)以及所述沉积和构图步骤(n)可以合并在一起并基本上同时执行。
45.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，提供所述绝缘衬底的步骤(a)包括提供一种由绝缘材料制作的衬底，所述绝缘材料可以从下面的列表中选取玻璃，陶瓷，玻璃陶瓷，金刚石，石英，氧化铝，蓝宝石，二氧化硅，氮化硅，氮化铝，氧化镍，塑料，聚合体，聚酰亚胺，聚对二甲苯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，以及以上各种物质的混合物和化合物。
46.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，制作所述第一沟槽的步骤(b)包括在所述绝缘衬底上蚀刻一个凹口。
47.如权利要求46所述的工艺，其特征在于，制作所述第一沟槽的步骤(b)包括用离子定向蚀刻。
48.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，填充所述第一沟槽的步骤(c)包括用导电材料填充所述第一沟槽，所述导电材料从下面的列表中选取铝，铜，银，金，铂，钯，铋，导电氧化物，导电氮化物，难熔的过渡族金属(钛，钒，铬，锌，铌，钼，铪，钽，钨)，难熔的过渡族金属碳化物，难熔的过渡族金属氮化物，碳化硼，掺杂的氮化硼，过渡族金属硅化物，任何一种导电形式的碳(例如掺杂的金刚石，石墨，无定形碳，富勒烯，纳米管，或纳米珊瑚石)，硅(N型或P型，多晶，无定形，或单晶)，锗，以及以上各种物质的混合物、合金和化合物。
49.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，沉积所述第一绝缘层的步骤(d)包沉积一种绝缘材料，所述绝缘材料从下面的列表中选取玻璃，玻璃陶瓷，石英，氧化铝，蓝宝石，二氧化硅，氮化硅，钛酸锶钡，氧化钛，氧化钐，氧化钇，氧化钽，氧化钛钡，氧化钽钡，氧化钛铅，氧化钛锶，氧化(锌，钛)锶，氮化铝，聚酰亚胺，聚对二甲苯，或以上各种物质的混合物和化合物。
50.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，沉积所述第一绝缘层的步骤(d)包括沉积一种介电常数等于或大于2的绝缘材料。
51.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，沉积并构图所述第二导电层以制作所述发射源层的步骤(e)包括沉积一种导电材料，所述导电材料从下面的列表中选取铝，铜，银，金，铂，钯，铋，导电氧化物，导电氮化物，难熔的过渡族金属(钛，钒，铬，锌，铌，钼，铪，钽，钨)，难熔的过渡族金属碳化物，难熔的过渡族金属氮化物，碳化硼，掺杂的氮化硼，过渡族金属硅化物，任何一种导电形式的碳(例如掺杂的金刚石，石墨，无定形碳，富勒烯，纳米管，或纳米珊瑚石)，硅(N型或P型，多晶，无定形，或单晶)，锗，以及以上各种物质的混合物、合金和化合物。
52.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，沉积所述第二绝缘层的步骤(f)包括沉积一种绝缘材料，所述绝缘材料从下面的列表中选取玻璃，玻璃陶瓷，石英，氧化铝，蓝宝石，二氧化硅，氮化硅，钛酸锶钡，氧化钛，氧化钐，氧化钇，氧化钽，氧化钛钡，氧化钽钡，氧化钛铅，氧化钛锶，氧化(锌，钛)锶，氮化铝，聚酰亚胺，聚对二甲苯，或以上各种物质的混合物和化合物。
53.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，沉积所述第二绝缘层的步骤(f)包括沉积一层介电常数等于或大于2的绝缘材料。
54.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，制作所述第二沟槽和制作发射端的步骤(g)包括用离子定向蚀刻。
55.如权利要求54所述的工艺，其特征在于，制作所述第二沟槽和形成发射端的步骤(g)进一步包括等离子蚀刻。
56.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，制作所述第二沟槽和制作发射端的步骤(g)进一步包括湿浸蚀刻。
57.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，填充所述第二沟槽并使其平面化的步骤(h)包括用有机牺牲材料填充所述第二沟槽。
58.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，填充所述第二沟槽并使其平面化的步骤(h)包括用从下面列表中选取的牺牲材料填充所述第二沟槽聚对二甲苯，光致抗蚀剂，蜡，和二氧化硅。
59.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，沉积所述第三绝缘层的步骤(i)包括沉积无机绝缘材料。
60.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，沉积所述第三绝缘层的步骤(i)包括沉积一种从下面列表中选取的绝缘材料玻璃，玻璃陶瓷，石英，氧化铝，蓝宝石，二氧化硅，氮化硅，钛酸锶钡，氧化钛，氧化钐，氧化钇，氧化钽，氧化钛钡，氧化钽钡，氧化钛铅，氧化钛锶，氧化(锌，钛)锶，氮化铝，聚酰亚胺，聚对二甲苯，以及以上各种物质的混合物和化合物。
61.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，沉积所述第三绝缘层的步骤(i)包括沉积一种介电常数等于或大于2的绝缘材料。
62.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，制作所述进入孔的步骤(j)包括通过所述第三绝缘层进行活性离子蚀刻，并至少蚀刻到所述牺牲材料。
63.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，去除所述牺牲材料的步骤(1)包括通过所述进入孔进行氧等离子蚀刻。
64.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，去除所述牺牲材料的步骤(1)包括利用溶剂溶解所述牺牲材料。
65.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，去除所述牺牲材料的步骤(1)包括通过所述进入孔进行湿法化学蚀刻。
66.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，提供所述真空环境的步骤(m)包括提供小于或等于1托的真空压力。
67.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，所述沉积和密封步骤(n)包括以下步骤o)沉积并构图上栅极，p)沉积并构图导电源触点，q)沉积并构图下栅极触点，r)沉积并构图导电漏极，以及s)密封所述真空沟道区域。
68.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，所述沉积和密封步骤(n)还包括步骤t)设置所述导电漏极，使其与所述发射源层的所述发射端横向间隔开。
69.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，还包括在上述器件上沉积一钝化层的步骤。
70.如权利要求40所述的工艺，其特征在于，还包括形成通过孔，沉积以及构图电极金属的步骤。
71.一种制作超高频真空二极管器件的工艺，包括以下步骤a)提供绝缘衬底；b)通过使一横向场发射器平行于所述衬底来形成发射源；c)在所述发射源的所述横向场发射器上制作发射端；d)提供一用于接收电子的导电漏极，该漏极与所述横向场发射器的所述发射端横向间隔开；e)至少在所述横向场发射器的所述发射端与所述漏极之间形成所述真空沟道区域的第一开口；f)完全覆盖所述第一开口，以形成封闭的真空沟道腔室；g)抽空所述第一开口；以及h)密封所述真空沟道腔室。
72.如权利要求71所述的工艺，其特征在于，提供所述绝缘衬底的步骤(a)是通过提供一个基衬底并在所述基衬底上沉积一绝缘层来实现的，上述基衬底可具有任意程度的导电或半导电性。
73.一种制作超高频真空二极管器件的工艺，包括以下步骤a)提供绝缘衬底；b)在所述绝缘衬底上沉积第一绝缘层；c)沉积第一导电层并构图，以制作平行于所述衬底的发射源层；d)在所述发射源层上沉积第二绝缘层；e)为真空沟道区域制作沟槽，同时制作所述发射源层的发射端，从而完成了横向场发射器源的制作；f)用牺牲材料填充所述沟槽，并进行平面化；g)使在所述牺牲材料上延伸的第三绝缘层沉积；h)穿过所述第三层绝缘层制作通往牺牲材料的进入孔；i)制作发射源通过孔；j)通过所述进入孔除去所述牺牲材料；k)提供真空环境；以及l)沉积并构图导电源触点和导电漏极，同时密封所述真空沟道区域。
74.一种真空场效应器件，其特征在于，由权利要求73所述的工艺制作。
75.如权利要求73所述的工艺，其特征在于，提供所述绝缘衬底的步骤(a)是通过提供一个基衬底并在所述基衬底上沉积一绝缘层来实现的，上述基衬底可具有任意程度的导电或半导电性。
全文摘要
一种超高频率真空场效应微电子器件(VFED或IGVFED),包括横向场发射源(60),漏极(150),一个或多个绝缘栅(40,160)。布置绝缘栅时,最好使其延伸端与横向场发射源的发射端(85)以及真空沟道区域(120)部分重叠对准。如果省去了绝缘栅,器件就作为超高速度二极管工作。该器件的优选制作工艺是把牺牲材料临时沉积在用于真空沟道区域的沟槽中,并覆盖一个绝缘盖子。通过盖子上的进入孔可以去除牺牲材料。作为优选的制作工艺的一部分,漏极还起到密封塞的作用,在清除真空沟道区域后,塞住进入孔,封住真空沟道区域。
文档编号H01J9/40GK1327610SQ00801522
公开日2001年12月19日 申请日期2000年7月25日 优先权日1999年7月26日
发明者迈克尔·D·波特 申请人:先进图像技术公司