专利名称：具有改进的发射区域的平面电子发射器装置及其制造方法
技术领域：
发射器件的另一个申请在美国专利申请号为_______(HP案卷号10004242-1)，名称为“用于数据存储的改进的电子发射器件及其制造方法”的共同转让的一并待审的美国专利申请中描述了，该专利申请的内容被包括在此作为参考。
本发明一般涉及一种用于超高密度存储系统中的发射器件，更具体地说，本发明涉及一种改进的固态发射器，其使得在中心位置的电子发射最佳，从而改善聚集精度。
背景技术：
这些年来，从首先使用磁带到使用硬磁盘驱动器和现在的光盘驱动器以及改进的快速存储器例如S-RAM和D-RAM，许多存储系统取得了惊人的进展。一种最近的发展在超高密度存储器件内利用场发射电子发射器。场发射发射器一般制成具有尖端的几何形状，其从该尖端的端部的锐点发射电子束。利用电子束读写位于场发射器附近的存储介质。一个场发射器阵列可以和存储介质内的一个存储区域的阵列匹配，或者可以使一个较小的场发射器阵列相对于存储介质移动，以便在存储介质的存储位置上进行存取。
利用场发射器技术的超高密度存储器件的例子在美国专利5557596中披露了。每个场发射器一般产生投射到一个存储区域上的电子束，从而产生一个信号电流。每个存储区域可以处于几个不同的状态中的一个状态，最一般的是由高位或者低位表示的或者是1或者是0的二进制状态。由投射到存储区域上的束电流产生的信号电流的幅值取决于存储区域的状态。因而，通过测量信号电流的幅值便可以读出在存储区域内存储的信息。
也可以利用电子束在存储区域内写入信息。可以增加每个电子束的功率，以便改变电子束投射到的存储区域的状态。通过改变存储区域的状态，根据电子束的强度，便可以在存储区域内存储或擦除一个信息位。
信息存储、恢复、和存取的速度和精度极大地依赖于场发射器的效率。此外，用于生产和制造场尖端发射器所需的制造步骤是极其复杂的。另外，因为存储介质是和用于从中读写信息的场发射器分开的，需要把这些元件置于高真空度下的保护壳体内，真空度一般为10-7托或更低，以便保护发射器尖端和存储阵列的精密的表面不受环境的影响。高真空度是昂贵的，并且难于实现。
此外，在平面电子发射器技术中，当在发射电极上涂覆均匀的半导体层时，因为由于提取电极的几何结构而导致的电场的集中，使得电子发射趋于在发射器的边缘发生。这是不希望的，因为这使得在该区域中的电力线严重弯曲，这导致电子束成为发散的而不是基本上准直的。使电子发射主要在发射器的中心发生是有利的，在该中心位置，提取电场的电力线基本上是直的。
在场发射发射器技术领域中需要一种具有比现有技术较高的效率的场发射电子发射器，其可以更一贯地用比现有技术较低的费用制造，并且更不易受环境的影响，而且不需要现有技术所需的高真空环境，并且在平面电子发射器件的中心区域比现有技术具有较大的发射效率。
发明内容
按照本发明，披露了一种用于超高密度存储系统中的场发射器件。该场发射器件是一种平面电子发射器，其包括发射电极，提取电极，以及和该发射电极、提取电极电连接的平面发射器电子发射层。该平面电子发射器的构型使得偏重于发射层的中心区域的电子发射，这比其外部区域的电子发射更优先。实现该偏重的一个例子通过这样制造平面发射器电子发射层来实现，使得该平面发射器电子发射层具有沿深度方向比平面发射器发射层的内部较厚的外周边，当在发射电极和提取电极之间施加电场时，这减少了在外周边的电子束发射。在内部区域比在外周边区域，电场以较高的速率从平面发射器电子发射层的表面朝向提取电极汲取电子。该平面发射器件还包括和该平面电子发射器电连接的聚集电极。为实现在中心区域的改进的电子发射速率，该平面电子发射器件具有基本上呈凹形的顶面。
在另一个实施例中，平面发射器发射层包括金属的第一层和沉积在该金属第一层上的半导体的第二层。该金属层可以利用铂、金、银或金属半导体复合层制造，而该半导体第二层包括宽带隙半导体，并且是导电性非常弱的n型。此外，按照权利要求1所述的平面电子发射器件，还包括置于发射电极和提取电极之间的电介质，以及置于提取电极和聚集电极之间的另一个电介质。
一种用于制造在超高密度存储装置中使用的平面电子发射器的方法包括以下步骤形成发射电极层，形成提取电极层，通过除去提取电极层的至少一部分暴露发射电极层，以及以这种方式在发射电极上方沉积半导体材料，从而得到从沉积的半导体材料的中心部位向沉积的半导体材料的外周边部分延伸的被控制的厚度梯度。该方法还包括，在形成提取电极层之前，在发射电极层上形成金属层，其中该沉积步骤把半导体材料置于该金属层上。预计还可以包括和实现上述的平面电子发射器件一致的附加的处理步骤。其中包括这样制造该平面电子发射器，使得沉积在发射电极上方的半导体材料形成凹形的顶面，并这样形成聚集电极，使其具有所需的绝缘介电层。
尤其是，该平面电子发射器件旨在用于一种存储装置中，该存储装置具有带存储区域的存储介质，该存储区域处于多个状态中的一种状态，从而表示在该存储区域中存储的信息。该场发射器产生电子束流，利用该电子束流读写在该存储区域存储的信息。
由下面结合附图进行的说明，本领域技术人员可以清楚地看出本发明的特征和优点，其中图1是平面场发射电子发射器件的衬底的截面图，其上涂覆有多晶层；图2是按照图1的平面场发射电子发射器件的截面图，在多晶层上沉积有金属层；图3是按照图2的平面场发射电子发射器件的截面图，其中在金属层上方形成有绝缘半导体层，从而形成肖特基金属-半导体势垒；图4是按照图3的平面场发射电子发射器件的截面图，其中按照本发明形成有附加的绝缘层和金属层；图5是按照本发明的制成后的平面场发射电子发射器件的截面图，其中具有形成的开口，用于暴露半导体层的表面；图6是按照本发明的平面场发射电子发射器件的截面图，其具有厚度改变的半导体层；以及图7和图8是说明用于制造图6所示的平面场发射电子发射器件的方法和阶段的截面图。
具体实施例方式
在图1-5中示出了一种改进的平面场发射电子发射器的结构，其一般用于超高密度存储装置内。发射器结构100利用固态机构增强和改善电子发射以便用于一些结构中，例如用于超高密度存储装置中，这种存储装置在以前的美国专利5557596中披露了，该专利在此引为参考；并用于基于场发射的显示系统中，例如在美国专利5587628中披露的那种显示系统，该专利在此引为参考。这种结构还基于2000年11月23日公开的专利WO 00/70638和法国专利FR 9906254说明和示出的结构。
该固态机构利用置于平面场发射电子发射器件的发射电极上的薄的金属层。接着，在金属层上设置一薄层宽带隙半导体材料，其形成肖特基金属-半导体结，用于增强电子束形成和发射。因为电子束的形成在被保护免受环境影响的界面上发生，该发射器结构对环境因素例如污染不太敏感。因此，在现有技术的发射器结构中，由于没有肖特基金属-半导体结而通常发现分子解吸附作用和吸附作用，这些作用导致的发射的电子束在时间和空间上的不稳定性被减到最小。此外，固态机构降低了发射电子所需的场，借以减少一直成为使用平面发射器几何结构的限制的驱动电压要求，并且还可以使得不需要现有技术中需要的本征低材料功函数材料。
该势垒还提供高的抗扰性，防止在和发射器尖端结构有关的强电场梯度下迁移的杂质。该电场梯度沿发射区域的方向被减小，借以减少材料的杂质的运动。此外，在平面发射器几何结构中的噪声也由于在一个比尖端几何结构中另外提供的发射区域更大的发射区域上平均的电流而减到最小。通过利用肖特基金属-半导体结和降低发射电子所需的电场，也使得这种平面发射器几何结构成为可能。保护势垒也减少了在最后的制造阶段期间对于高真空的需要，这是因为一直困扰着现有技术的杂质现在只有很小的影响。这进一步降低了制造成本，并改善了采用本发明的技术制造的器件的寿命。
每个平面场发射电子发射器结构还包括用于从场发射电子发射器的表面进行电子提取的附加电极。提取电极和聚集电极一般相互结合操作，从而提供用于首先提取电子束，然后使电子束聚集或者用于以其它方式控制发射的电子束所需的合适的电场。一般地说，平面发射器几何结构提供基本上准直的电子束，而尖端发射器几何结构提供发散的电子束。
改进的平面场发射电子发射器结构利用熟知的半导体制造技术制造，例如使用由本领域技术人员实施的那些技术。一般地说，例如，所述的方法和结构在硅衬底上实施，但是也可以容易地利用其它半导体材料代替，例如使用镓的砷化物或锗代替硅，或者该衬底可以是非导体的例如玻璃或者蓝宝石衬底。现在结合图1-5说明一种制造方法，其中说明在平面场发射电子发射器的制造过程的各个阶段以及在完成阶段得到的结构。
图1表示平面发射器器件100的截面图，从衬底110开始，在衬底上按照本领域技术人员熟知的技术和工序用各种半导体材料层、金属材料层或氧化物层制造发射器。首先，在第一衬底110上用导电材料制造电极层112。衬底的顶面可以利用通常采用的方法例如化学-机械抛光(CMP)被平面化。层112一般由金属或者掺杂的多晶硅构成，作为在按照本发明的平面场发射电子发射器件100中使用的发射电极的第一部分。导电层112在一些实施例中是可以选择的。
接着，如图2所示，利用本领域技术人员熟知的常规的金属沉积技术在电极层112的表面上沉积金属薄层114。金属薄层114可以由高导电率的抗腐蚀的金属构成(铂，钨，钼，钛，铜，金，银，钽等，以及它们的任何合金及其多层膜)，这些材料可以和半导体结合而形成肖特基金属-半导体势垒。导电层112的厚度范围为0.1-0.5微米，金属层114的厚度范围为10-100纳米(nm)，最好是20纳米。此外，层112和114可被组合而由构成层114的材料制成，其厚度使得具有合适的导电性。
接着，如图3所示，在金属层114上沉积第二半导体层116。半导体层116一般由宽带隙半导体材料构成，例如氧化钛(TiO2)。其它类型的宽带隙半导体材料也是合适的，其中包括碳化硅(SiC)，金刚石例如碳，SiO2，Al2O3，钽的五氧化物等。
金属-半导体边界提供固态的肖特基金属-半导体势垒。当施加电场时，电子被注入薄的半导体层116内的一个电场控制的低的或者负的电子亲和性区域。发射器件100利用金属层作为电子容器，并且包括覆盖该金属层的超薄的半导体材料层。该半导体材料被这样制造，使得其用于提供当对该结构施加电场时而引起的负的电子亲和性表面区域。例如半导体层116可以由下述材料构成硅，铝，钛，钽，钨，铪，锆，钒，铌，钼，铬，钇，钪的氧化物、氮化物和氮氧化物，以及它们的组合物，但不限于此。来自金属层114的电子穿过该金属层表面附近的薄的半导体层116，并从层116的顶部发射。
选择绝缘的半导体层116的厚度，使得在施加电场时实现负的电子亲和性状态。厚度的下边界由产生这种区域所需的最小厚度确定。半导体层116的厚度的上边界由使电子在层116内迁移所需的电位确定。半导体层116越厚，则所需的电位越高。因而，半导体层116的厚度范围为2-8纳米，最好是5纳米。
在形成肖特基金属-半导体势垒之后，按照本发明进行如图4所示的附加的常规处理步骤。这些步骤包括在发射器100的表面上提供接近平面场发射电子发射器件表面的电极。还形成介电层，用于提供和发射器表面以及在附加的电极层之间的隔离和绝缘。此外，在其它结构形成之后，形成肖特基金属-半导体势垒。
使用本领域技术人员熟知的常规的产生氧化物和制造技术，在发射器100的表面上生成一个绝缘的介电层118。例如，介电层118可以由下述的材料构成，但不限于此，这些材料是硅，铝，钛，钽，钨，铪，锆，钒，铌，钼，铬，钇，钪的氧化物、氮化物和氮氧化物，以及它们的组合物。介电层118可被这样形成，使得该绝缘层和层112是共形的。该层118的厚度范围为0.5-5微米。
接着，使用本领域技术人员熟知的常规处理技术在氧化物层118上沉积导电层120。该导电层120可以由金属(铝，钨，钼，钛，铜，金，银，钽等，以及它们的任何合金或其多层膜)、掺杂的多晶硅、石墨等，或者金属和非金属例如C的组合物膜构成。导电层120一般在发射器结构100中用作提取电极。
接着，在形成导电层120之后，在层122内涂覆介电材料构成的隔离和绝缘层。层122可以和层118相同，并且用相同的方式制造，或者用类似的物质制造，以便提供在电极金属层120和随后的导电层124之间的介电绝缘。
使用和用于形成层114以及120的技术类似的熟知的制造技术，在介电层122的表面上制造导电层124。层124也可以利用和层114以及120相同的金属制造，但是也可以利用本领域技术人员一般使用的不同的导电金属制造。此外，导电层124作为聚集电极，例如用于把在操作期间从发射器的表面发射的电子聚集到其附近的存储介质上。
进行最后的图案化和刻蚀，以便在半导体层116上开孔，以便暴露出发射器表面。这些技术是本领域技术人员熟知的，并用于形成通过导电层120和124的开孔，并用于以这种方式刻蚀后面的绝缘介电层118和122，使得当被用于它们的功能结构中时提供使电子通过的开孔。这些孔一般具有大约为0.1-10微米的直径。
介电层122的厚度一般大约是孔的直径的一半，其范围为0.05-5微米。金属层120一般具有大约0.05-0.3微米的厚度。同样，导电层124的厚度范围一般为0.05-0.3微米。此外，虽然已经说明，导电层120用作提取电极，并且导电层124用作聚集电极，但是它们的操作可以组合，使得一前一后地提取和聚集电子。在另一个实施例中，直到提取电极120和124以及相关的介电层118和122被沉积并且形成孔之后，才形成宽带隙半导体层116以及可能的金属层114。此时，通过这些孔在电极112上直接沉积层114和116。
还可以设想，不是一次制造一个发射器结构100，而是通常制造这种发射器件100的一个阵列。例如，可以制造100×100个发射器100的阵列，用于在前述的超高密度存储系统内进行读写操作。此外，也可以在场发射显示屏中利用这种发射器件的大的阵列。
虽然已经说明发射器结构100具有电极层112，但是这种层是选择的，使得半导体衬底110正确地、充分地被掺杂，使得其作为发射电极，其上沉积有金属层114。此外，关于制造技术和图1-5所示的所得的结构已经说明，按照本发明该发射器是一种平面电子发射器，但是也可以具有利用肖特基金属-半导体势垒方法的其它的几何结构。使用肖特基金属-半导体势垒还使得能够形成关于聚集发射电极以及提取电极的较小的几何结构。图5所示的平面电子发射器具有直径基本上为2微米的聚集电极和提取电极，其范围为1-10微米。聚集电极提供在阳极上的一个小点(10-50纳米)内收集电子的能力。不使用聚集电极，对于平面电子发射器，发射角大约为±10°。
图6示出了本发明的一个实施例，其中被设置在金属层214上的半导体层216被这样制造，使得半导体材料的外边沿216a比其内部216b较厚。具体地说，外边沿216a具有范围为10-15纳米的厚度，而中心部分216b具有大约为5纳米的厚度。在外边沿上的较厚的半导体材料禁止电子束在外周边上发射，而在中心区域的较薄的半导体材料提供比外周边增强的电子发射。和现有技术相比，这还大大改善了发射器的发射效率和使电子束聚集的能力。
半导体材料的较厚的外周边按照图7-8所示的步骤制造。图7是在半导体层沉积之前，在加工步骤中按照本发明的另一个方面的电子发射器的第二实施例的截面图。
第二实施例包括许多对照图1-5所述的相同的特征。此时，形成如最初对照图1所述的半导体发射电极212，并在电极层212上提供金属层214。接着，在金属层214的表面上形成交替的绝缘氧化物材料层和金属层。此后，进行掩盖步骤和钝化步骤，以便在氧化物和电极层的下方在金属层214的正上方形成开口区域。这样，如图7所示，具有一个底部衬底层210，在其上已经形成有发射电极电子供应层212，并且在该层212上形成有金属层214。这些步骤和前面对照图1和图2说明的步骤一致。接着，形成氧化物层218，并除去其中的一部分，以便暴露下面的金属层214。接着形成用作提取电极220的第二金属层。在提取电极220上形成由二氧化硅或其等效物构成的第二绝缘层。接着，在半导体绝缘层222上形成最后的金属层224。在随后的处理步骤中，这些层的每一层再次被开口，从而暴露金属层214的表面。按照顺序交替地沉积层218到224，并用一个步骤通过这些层形成通入层214的孔。
接着，如图7所示，除去敞开的金属层214之外，在所有的表面上制造分开层226。分开层226一般由铝或其它合适的分开材料制成，首先通过围绕垂直于衬底的表面的轴线使整个衬底旋转，并产生一个其方向相对垂直于该表面的轴线成一定角度的分开材料的准直的束来形成该分开层226。除去被通入孔的几何形状掩盖的金属层214的表面之外，分开层226涂覆整个表面。
在把分开层226设置在合适的位置时，有些分散的半导体材料束228被引导到衬底上，如图8的截面图所示，从而在分开层226上以及在形成有绝缘的半导体层216的金属层214的暴露的表面上生成绝缘的半导体层，例如二氧化钛层。在沉积期间该材料束相对于垂直轴线以一定角度被引导，并且使衬底围绕该轴线旋转。分开层226能够在本领域技术人员熟知的除去步骤期间使剩余的二氧化钛或者不需要的半导体材料被除去。因为半导体材料扩散在涂覆的材料的有些发散的材料束内，所以层216在外部生成的外周边比中心部分厚，这是因为半导体衬底的旋转和材料束施加的角度造成的。
此后，整个晶片被淹没在用于除去分开层和过量的半导体材料或者对其施加的二氧化钛的分开层溶剂中。因为半导体层216在物理上和金属层214结合，所以其能够耐受分开层溶剂，从而形成图6所示的结构。这得到具有相对于中心区域较厚的外部区域的半导体层216。在外部区域增加的厚度禁止电子从这些区域发射，而半导体材料的较薄的厚度使得更容易进行电子发射，因而增加了中心区域的效率，这改善了电子束在存储介质上的聚集，因而使得在利用图5和图6所示的平面场发射电子发射器件的大容量存储器的读写操作期间更精确地进行读写。
按照本说明的讨论或者按照其中披露的本发明的实施方法，本领域技术人员显然可以作出其它的实施例。其中说明的这些例子只能认为是例子而已，本发明的真正的范围由下面的权利要求限定。
应当理解，上述的结构只用于说明本发明的原理的应用。不脱离本发明的范围和构思，本领域技术人员可以作出许多改变和改型，所附的权利要求旨在覆盖这些改变和改型。因而，虽然上面以目前认为是优选的实施例说明了本发明的细节并在附图中示出了这些细节，但是显然，对于本领域普通技术人员，不脱离权利要求中提出的本发明的范围和构思，可以作出许多改变和改型，其中包括但不限于在尺寸、材料、形状、形式、功能以及操作、装配和使用方式方面的改变。
权利要求
1.一种平面电子发射器件，该平面电子发射器件包括发射电极；提取电极；以及场控制的固态电子发射器，其具有肖特基金属-半导体结，该肖特基金属-半导体结被制造在该发射电极上并和该提取电极电气相连，使得在发射电极和提取电极之间设置的电位引起从肖特基金属-半导体结的暴露的表面产生电子的场发射，其中该肖特基金属-半导体结的半导体层包括在深度上比半导体层的内部更厚的外周边部分，借以减少外周边部分的电子束发射，其中在发射电极和提取电极之间施加的电场在内部比在外周边部分以更高的速率从该平面电子发射器的表面朝向该提取电极汲取发射的电子。
2.如权利要求1所述的平面电子发射器件，还包括和该平面电子发射器电气相连的聚集电极。
3.如权利要求1所述的平面电子发射器件，其中该平面电子发射器具有基本上呈凹形的顶面。
4.如权利要求1所述的平面电子发射器件，其中该平面电子发射器包括金属的第一层和沉积在该金属的第一层上的半导体的第二层。
5.如权利要求1所述的平面电子发射器件，还包括设置在该发射电极和该提取电极之间的电介质。
6.如权利要求2所述的平面电子发射器件，还包括设置在提取电极和聚集电极之间的第二电介质。
7.如权利要求4所述的平面电子发射器件，其中该半导体的第二层包括宽带隙半导体。
8.一种用于制造平面电子发射器的方法，包括形成发射电极层；形成提取电极层；通过除去该提取电极层的至少一部分暴露该发射电极层；在发射电极的上方用这种方式沉积半导体材料，从而得到从沉积的半导体材料的中心部位向沉积的半导体材料的外周边部分延伸的被控制的厚度梯度。
9.一种存储装置，包括具有至少一个存储区域的存储介质，该存储区域处于多个状态中的一个状态，从而表示在该存储区域中存储的信息；至少一个平面电子发射器件，用于产生用来读写在该存储区域存储的信息的电子束流；该平面电子发射器件包括发射电极；提取电极；以及平面电子发射器，其与该发射电极以及提取电极电气相连，并具有在深度上比该平面电子发射器的内部更厚的外周边部分。
10.一种平面场发射电子发射器件，该场发射电子发射器件包括发射电极；提取电极；以及平面电子发射器，其与该发射电极以及该提取电极电气相连，从而提供用于汲取从该平面电子发射器的表面发射的电子的电场，其中该平面电子发射器的构型使得偏重于中心区域的电子发射，这比外部区域的电子发射更优先。
全文摘要
本发明披露了一种场发射平面电子发射器件(100)，其具有发射电极(112)，提取电极(120)，以及和该发射电极、提取电极电连接的平面发射器电子发射层(214)。该平面电子发射器(214)的构型使得优先于其外部区域的电子发射而偏重其中心区域的电子发射。实现该偏重的一个例子通过这样制造平面发射器电子发射层来实现，使得该平面发射器电子发射层具有沿深度方向比其内部(216b)较厚的外周边(216a)，当在发射电极和提取电极之间施加电场时，这减少了在外周边的电子发射。在内部区域比在外周边区域，电场以较高的速率从平面发射器电子发射层的表面朝向提取电极汲取电子。该平面发射器件(100)还包括和该平面电子发射器(216)电连接的聚集电极(124)。
文档编号H01J1/304GK1433011SQ03101080
公开日2003年7月30日 申请日期2003年1月9日 优先权日2002年1月9日
发明者H·比雷基, V·T·宾 申请人:惠普公司