专利名称：具有低行列漏电流的场致发射器件的制造方法
技术领域：
本发明涉及场致发射器件，尤其涉及包含类金刚石碳(diamond-like-carbon)表面发射体的三极场致发射器件。
场致发射器件在技术上已为人所知。一种结构为二极场致发射器件，包括两个电极阴极和阳极；另一种常见的结构为三极场致发射器件，包括三个电极阴极、栅极和阳极。
图1所示是现有技术的场致发射器件(FED)100，为三极结构。FED 100包含一个栅抽取极(gate extraction electrode)150(又称行)，其与导电层130(又称列)之间被绝缘层140隔开。导电层130在支撑衬底110上形成。绝缘层140阻止栅抽取极150与导电层130之间导电。与栅抽取极150分离开的是由导电材料制成的阳极180。绝缘层140有侧面，由此形成发射阱160。电子发射体170安置在发射阱160中，并可以有锥尖(spindt tip)。FED 100工作时，如典型三极管通常的工作方式，适当的电压加在栅抽取极150、导电层115和阳极180上，用于把电子从发射体170抽取出来，并把它们导向阳极。FED 100的失效机理之一就是绝缘层140内出现缺陷145。缺陷145可以包括在栅抽取极150和导电层130之间延伸的裂缝和空洞，这样就在二者之间提供了导电通路，从而破坏了所希望的电气绝缘。如果电压源185在栅抽取极150和导电层130之间提供一个电势差，串联在电路中的电流表190将测出一个电流，该电流是由不希望发生的缺陷145造成的。在采用发射膜(例如类金刚石碳膜)的三极场致发射器件的研制过程中，观察到了类似的缺陷。
这样，就需要一种用于制造采用场致发射膜的场致发射器件的方法，能够防止在绝缘层中形成缺陷，减少行列电流泄漏。
参照附图图1为现有技术的场致发射器件的剖面图2为场致发射器件的剖面图；图3为图2中场致发射器件的部分区域的放大图；图4-8为图2和图3中场致发射器件形成过程中得到的结构的剖面图；图9为按照图2所示方法制造的场致发射器件的行列漏电流的图形表示；图10-15是按照本发明提出的用于制造具有低行列漏电流的场致发射器件的方法中，完成不同步骤所获结构的剖面图；图16为场致发射器件的另一种实施方式的一个像素(pixel)的剖面图，该器件是按照本发明的用于制造具有低行列漏电流场致发射器件的方法中，完成各步骤而获得的；图17为图16中场致发射器件的阴极的一部分的顶视图；以及图18为图16和17中的场致发射器件加上不同的电势差时，测出的行列漏电流的图形表示；图2为场致发射器件200的剖面图。场致发射器件200包含一个阴极276，该阴极包括支撑衬底210，该衬底可由玻璃如硼硅酸盐玻璃或硅制成。在支撑衬底210的主面上，用合适的导电材料如铝或钼形成列导体230。发射结构220做在列导体230上。发射结构包括三层镇流电阻265，淀积在列导体230上，其中含有电阻性材料，如掺杂的无定形硅；表面发射体270，做在镇流电阻265上，由合适的场致发射材料如类金刚石碳，立方氮化硼或氮化铝制成；场整形器275，安置在表面发射体270的部分区域上，由电阻性材料如无定形硅制成。绝缘层240做在场整形器275上，内有作为发射阱260的侧面。绝缘层240由合适的绝缘材料如二氧化硅制成。表面发射体270构成了置于发射阱260中的发射表面。行导体250淀积在绝缘层240上，与表面发射体270分离。阳极280与行导体250分离开。场致发射器件的工作为在列导体230、行导体250和阳极280上加合适的电压，以在表面发射体270上产生电子发射，经适当的加速将抽出的电子导向阳极280。场整形器帮助把表面发射体270附近的电场整形。镇流电阻265在表面发射体270和列导体230之间提供适当的电阻，以防止表面发射体270和阳极280之间形成电弧。
图3描绘了场致发射器件200部分区域的放大图，其中包括发射结构220的端部。在发射结构220的端部，绝缘层240和表面发射体270的一端272之间有一空洞295。据观察，空洞295是在形成发射结构220的过程中，由于场致发射材料的过刻蚀导致的，这一点将在后面详细介绍。空洞295使绝缘层240中产生应力，导致其中产生裂缝245。裂缝245在行导体250和列导体230之间构成了漏电通路，导致场致发射器件200工作时产生不希望的行列漏电。当电压源285产生的电势差加在行导体250和列导体230之间时，由裂缝245造成的漏电流将会被电路中的电流表290测出。现在来说明空洞295的形成。
图4-8画出了场致发射器件200(图2和3)的发射结构220的制成过程中，获得的多个结构254、255、256、257和258的剖面图。第一步，在列导体230上淀积镇流电阻层264，其中包含一层硼掺杂浓度为1016cm-3的无定形硅。其后，在镇流电阻层264上淀积一层类金刚石碳269。然后，在层269上形成无定形硅的场整形层274。然后，把层264、269和274图形化，构成列导体230上的场致发射结构220。这包括首先，在场整形层274上形成图形化的光刻胶层221，以获得图4中所画的结构254；然后，用化学药品如SF6刻蚀场整形层274，形成场整形器层277，从而获得图5所示结构255；其后，用例如氧等离子体刻蚀层269，产生图6所示结构256；最后，刻蚀镇流电阻层264，形成镇流电阻265，从而获得图7所示结构257。采用的光刻胶为普通品种，由Hoechst Celanese提供，产品号AZ5214，适用于包括氧等离子体的刻蚀剂。如前所示，氧等离子体对类金刚石碳来说，同样也是刻蚀剂。但是，氧等离子体对类金刚石碳的刻蚀速率远大于对光刻胶的。因此，如图6所示，类金刚石碳在列导体230外面的部分，在光刻胶被刻完之前就被刻蚀干净了。刻蚀镇流电阻层264之后，用氧等离子体刻掉光刻胶层221，产生图8所示结构258。氧等离子体同时刻蚀场致发射材料的暴露端，从而形成表面发射体270的凹进端面272，如图8所示。当绝缘材料淀积在结构258上时，不能与发射结构220的不齐整的端面相吻合，从而形成空洞295，如图3所示。
图9为按图2所示方法制造的场致发射器件的行列漏电流的图形表示400、410。电流测量按图3所示方法进行，寻址一个像素或一个行列交叉点时，有9个发射阱，每个大约直径4微米，深1微米。图形400、410由在场致发射器件的像素阵列内不同像素上进行的测量组成。图形410中所画的漏电流较大，在行列电势差为70V(通常使用值)的情况下，约为20微安。这个漏电流水平是不可接受的。图形400所示的漏电流显示了在电压高于30V情况下的可测漏电。
图10-15为按照本发明的用于制造具有低行列漏电流的场致发射器件300(图15)的方法中，完成不同步骤所获多个结构354、355、356、357和358(图10-14)的剖面图。结构354包括一个支撑衬底310，衬底可由玻璃如硼硅酸盐玻璃或硅制成。在支撑衬底310的主面上形成列导体330，列导体被图形化形成中央阱区332。列导体330上淀积镇流电阻层364。在这个特别的实施例中，镇流电阻层364包含一层电阻率100Ωcm-10,000Ωcm范围内的掺杂无定形硅。这可以通过对无定形硅进行硼离子注入达到，硼浓度1010-1018cm-3，最好1016cm-3，能量30kev。其他合适的镇流电阻材料，电阻率在前面提到的范围内，也可以用来形成镇流电阻层364。其后，在镇流电阻层364上形成厚度为1000埃的类金刚石碳层369。可采用其他场致发射材料，包括场致发射碳基材料。碳基材料包括类金刚石碳的场致发射膜的制作方法，在技术上已为人知。例如，采用气态源，如环己烷，n-己烷和甲烷，通过等离子增强化学汽相淀积，可以淀积无定形氢化碳膜。Wang等人在文献“Lithography Us-ing Electron Beam Induced Etching of a Carbon Film”，J.Vac.Sci.Technol.Sept/Oct 1995，PP.1984-1987中叙述了一种这样的方法。Dreifus等人在美国专利No.5,420,443题为“MicroelectronicStructure Having an Array of Diamond Structures on a NondiamondSubstrate and Associated Fabrication Methods”，发表于05/30/95中叙述了金刚石膜的淀积方法。Seth等人在文献“Lithographic Appli-cation of Diamond-like Carbon Films”，Thin Solid Films，1995，PP.92-95中进一步叙述了类金刚石碳膜的淀积方法。层369形成后，对准列导体330的中央阱区332，在层369上形成约1000埃厚的图形化硬掩模368，从而得到图10所示结构354。用氧等离子体干法刻蚀类金刚石碳，形成大致与中央阱区332对准的表面发射体370，从而得到图11所示结构355。为获得图12中的结构356，先把硬掩模368从结构355(图11)上去掉。其后，在表面发射体370和镇流电阻层364上，形成无定形硅的场整形层374，厚约2000埃。刻蚀场整形层374和镇流电阻层364，直至大体上覆盖列导体330。这是通过在场整形层374上附着一层图形化的光刻膜层321，采用合适的刻蚀剂，例如SF6或氯/氧等离子体，刻蚀层374和364来完成，从而获得图13所示结构357。镇流电阻层364和场整形层374对于前面提到的刻蚀剂，有几乎相等的刻蚀速率，因此列导体330的相对边缘、镇流电阻层365和场整形层377的相对边缘，形成了相对的光滑连续的表面371。其后，用氧等离子体把光刻胶层321去掉。在这一步骤中，表面发射体370，包括端部372，被保护着不受刻蚀剂刻蚀。这种结构防止了在表面371的非一致刻蚀。如图14所示，当在这之后淀积绝缘层341时，绝缘层容易与表面371吻合，从而防止了导致裂缝的空洞的形成。绝缘层341淀积厚度约1微米。然后导电层351如钼淀积在绝缘层341上，从而得到结构358。其后，如图15所示，通过有选择的刻蚀，刻掉部分导电层351、绝缘层341和场整形层377，形成发射阱360，从而形成行导电层350、绝缘层340和场整形器375。发射阱360大致覆盖中央阱区332，与构成发射阱360的底面的表面发射体370对准。发射结构320由场整形器375、表面发射体370和镇流电阻365组成。FED300还包括一个与阴极376的行导体350分开的阳极380。FED300的工作为在列导体330和行导体350上施加合适的电压(用电压源，图上未画)，用于把电子从表面发射体上抽取出来，在阳极380上施加高正电压，用于把抽出的电子加速送到阳极。例如一个合适的电压配置为列导体330接地，行导体350加+80V电压；阳极加+4000V电压。
在本发明的另一个实施方式中，镇流电阻层由场致发射材料做成，该场致发射材料的电阻率在镇流电阻层所要求的范围内。在这个实例中，镇流电阻层被图形化，形成有相对边缘的镇流电阻，相对边缘朝中央阱区内倾，安置在列导体的金属部分上。在这之后，在镇流电阻上形成场整形层时，场整形层覆盖了镇流电阻的相对边缘。然后有选择地刻蚀场整形层，直至还能覆盖列导体为止，场整形层与列导体的相对边缘，一起构成绝缘层能够吻合的光滑表面。这样，在场整形层的图形化步骤中，发射材料被保护起来。通过有选择地刻蚀绝缘层和场整形器层，露出镇流电阻的部分发射材料，形成表面发射体，从而形成发射阱。
参照图16和17，图16为场致发射器件800的一个像素的剖面图，该器件是根据本发明，按照用于制造具有低行列漏电流的场致发射器件的方法制造出来的，图17为图16中场致发射器件800的阴极876的一个像素的顶视图。场致发射器件800是按照图10-15所示方法制造的，所有元素的引用与图中一致，只是以“8”开头。在这个特别的实施例中，一个列导体830包括3个中央阱区部分832，其上形成三个发射阱860，每一个中都安置一个表面发射体870。场致发射器件800的每一个像素，如图17所示，在行导体850和列导体830的每一个重叠区，都包含9个发射阱860。场致发射器件800包含一个32×32的行、列导体阵列，构成了1024个如图16和1 7所示的像素。
图18为场致发射器件800(图16和17)的阴极876的1024个格点的行列漏电流(微安)的图形表示700、710。漏电流测量按图3所示方法进行。图形700和710包含了在两个结构相同但分别制造的阵列上进行的测量。这些测量包含了比图9所示的要多约1000倍的像素的漏电流的总和。图形700显示在所有电压下没有可测漏电流；图形710显示，在50伏电势差下，漏电流约为7微安，或大约每像素7纳安。这个漏电流水平是可接受的。采用本发明的方法制造的场致发射器件800，其漏电流比采用图17所示像素结构，并按图4-8所示方法制造的场致发射器件(图9)的漏电流小约3个数量级。
本发明的用于制造场致发射器件的方法在还包括另外的工艺步骤的工艺中是有用的。淀积表面发射体之后，在附加的步骤中引入同样会刻蚀场致发射材料，从而形成绝缘材料无法与之吻合的发射结构端面的化学药品。通过覆盖表面发射体的端面，使之在后续的工艺中得到保护。同样，本方法可以包括其他容易被表面发射体形成之后的工艺步骤破坏的场致发射膜成分。另外，场整形器和镇流电阻的类似的成分，对于给定的刻蚀剂，保证了几乎相等的刻蚀速率，从而形成光滑连续的发射结构端面。绝缘层能够容易地与发射结构的端面吻合，从而防止空洞的形成。
当我们展示、描述完本发明的特定实施例的时候，对于熟练的技术人员进一步的修改和改进将会出现。因此我们希望大家明白，本发明并不局限于所展示的特殊形式，而是受覆盖不脱离本发明的精神与范围的所有修改的后附的权利要求书所限。
权利要求
1.制造具有低行列漏电流的场致发射器件(300，800)的方法，其特征在于包括以下步骤提供一个有主面的支撑衬底(310，810)；在支撑衬底(310，810)的主面上形成导电层；图形化导电层，形成有中央阱区(332，832)和相对边缘的列导体(330，830)；在列导体(330，830)上形成镇流电阻层(364)；在镇流电阻层(364)上形成场致发射材料层(369)；图形化场致发射材料层(369)，形成表面发射体(370，870)，其相对边缘与列导体(330，830)的中央阱区(332，832)对准；在表面发射体(370，870)和镇流电阻层(364)上形成场整形层(374)；用第一刻蚀剂图形化场整形层(374)，以形成有相对边缘的场整形器层(377)；用第二刻蚀剂图形化镇流电阻层(364)，以形成镇流电阻(365，865)，其相对边缘与场整形器层(377)的相对边缘以及列导体(330，830)的相对边缘对齐；列导体(330，830)的相对边缘、镇流电阻(365，865)的相对边缘以及场整形器层(377)的相对边缘，形成光滑连续的表面(371，871)；在场整形器层(377)和光滑连续的表面(371，871)上形成绝缘层(341)；在绝缘层(341)上形成行导体(350，850)；有选择地刻蚀绝缘层(341)和场整形器层(377)，形成场整形器(375，875)和发射阱(360，860)，阱与列导体(330，830)的中央阱区(332，832)对准；提供与行导体(350，850)分离开的阳极(380，880)，二者之间形成间隙区。
2.如权利要求1所述的制造具有低行列漏电流的场致发射器件(300，800)的方法，其中，场致发射材料包括碳基材料。
3.如权利要求2所述的制造具有低行列漏电流的场致发射器件(300，800)的方法，其中，碳基材料包括类金刚石碳。
4.如权利要求1所述的制造场致发射器件(300，800)的方法，其中，场整形层(374)和镇流电阻层(364)，由对第二刻蚀剂的刻蚀速率基本相等的材料制成。
5.具有低行列漏电流的场致发射器件(300，800)，其特征在于包括有主面的支撑衬底(310，810)；在支撑衬底(310，810)上形成的有中央阱区(332，832)和相对边缘的列导体(330，830)；发射结构(320，820)，包括安置在列导体(330，830)上的镇流电阻(365，865)，其相对边缘与列导体(330，830)的相对边缘对齐，表面发射体(370，870)，其相对边缘与列导体(330，830)的中央阱区(332，832)对准，并与镇流电阻(365，865)的相对边缘分离开，具有相对边缘的场整形器(375，875)，配置在镇流电阻(365，865)上，并限定表面发射体(370，870)，场整形器(375，875)的相对边缘与镇流电阻(365，865)的相对边缘对齐；绝缘层(340，840)，配置在场整形器(375，875)、列导体(330，830)的相对边缘、镇流电阻(365，865)的相对边缘和场整形器(375，875)的相对边缘上；在绝缘层(340，840)上形成的行导体(350，850)；行导体(350，850)、绝缘层(340，840)、场整形器(375，875)和表面发射体(370，870)，形成了发射阱(360，860)，发射阱与列导体(330，830)的中央阱区(332，832)对准；以及与行导体(350，850)分离开的阳极(380，880)，二者之间形成间隙区；从而场整形器(375，875)的相对边缘、镇流电阻(365，865)的相对边缘和列导体(330，830)的相对边缘，形成了光滑连续的表面(371，871)，绝缘层(340，840)与之吻合，使得在光滑连续表面(371，871)上的绝缘层(340，840)中不会存在空洞。
6.如权利要求5所述的具有低行列漏电流的场致发射器件(300，800)，其中，表面发射体(370，870)由碳基材料制成。
7.如权利要求6所述的具有低行列漏电流的场致发射器件(300，800)，其中，碳基材料包括类金刚石碳。
8.如权利要求5所述的具有低行列漏电流的场致发射器件(300，800)，其中，场整形器(375，875)由无定形硅制成。
9.如权利要求5所述的具有低行列漏电流的场致发射器件(300，800)，其中，镇流电阻(365，865)由电阻率在100Ωcm-10,000Ωcm范围之间的材料制成。
10.如权利要求9所述的具有低行列漏电流的场致发射器件(300，800)，其中，镇流电阻(365，865)由硼掺杂浓度在1010-1018cm-3范围之间的无定形硅制成。
全文摘要
用于制造类金刚石碳场致发射器件的方法包括步骤:(i)在列导体上形成镇流电阻层,(ii)在镇流电阻层上,对准列导体的中央阱区,做出由类金刚石碳制成的表面发射体,(iii)在镇流电阻层和表面发射体上,形成场整形层,(iv)图形化镇流电阻层和场整形层,以形成镇流电阻和场整形层,二者的相对边缘与列导体的相对边缘,一起构成光滑连续的表面,(v)淀积覆盖绝缘层,(vi)在列导体的中央阱区的上方,形成发射阱。
文档编号H01J1/304GK1193834SQ9712545
公开日1998年9月23日 申请日期1997年12月11日 优先权日1996年12月13日
发明者约汉·宋, 托马斯·尼尔森 申请人:摩托罗拉公司