JPH07130282A

JPH07130282A - 電子放出素子及びそれを用いた電子機器

Info

Publication number: JPH07130282A
Application number: JP15013193A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Kusunoki; 敏明楠; Mutsuzou Suzuki; 睦三鈴木; Susumu Sasaki; 進佐々木; Toshiyuki Aida; 敏之会田; Tomio Yaguchi; 富雄矢口; Tadashi Narisei; 正成清; Emiko Yamada; 絵実子山田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-06-22
Filing date: 1993-06-22
Publication date: 1995-05-19

Abstract

(57)【要約】【目的】放出電流密度が高く、単色性のよい面状の電子
放出素子を得ることにより、電子線露光装置等の電子源
を提供する。【構成】ＭＩＭ型の電子放出素子において、下部電極金
属として、その電子構造におけるフェルミ準位近傍の占
有電子状態密度が高い金属、例えばフェルミ準位直下に
ｄバンドに起因する非常に大きな占有電子状態を有する
Ｐｄ等の第８族遷移金属を下部電極として用いる。【効果】トンネル現象に寄与する電子数が増えるので放
出電流密度を大幅に向上できる。この効果により低電圧
動作が可能となり、電子線の単色化，素子の長寿命化が
可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子ビームを面状に放
出する電子放出素子およびそれを用いた電子線応用機器
に関する。

【０００２】

【従来の技術】単色性のよい面状の電子ビームを取り出
せると期待されている電子放出素子の１つに、電極間に
薄い絶縁膜を挟み込んだ多層膜のトンネル現象を利用し
たものがある。その代表的なものとして金属−絶縁体−
金属構造（ＭＩＭ構造）が挙げられる。

【０００３】図２はＭＩＭ構造を電子放出素子として動
作させたときの原理図を示す。上部電極１１と下部電極
１３の間に電圧１７（数Ｖ〜１０Ｖ）を印加すると、絶
縁膜１２内の電界のため、下部電極１３中のフェルミ準
位近傍の電子はトンネル現象により障壁を透過し、絶縁
膜１２，上部電極１１の伝導帯へ出現する。これらの電
子のうち、上部電極１１の仕事関数φ以上のエネルギー
を有する電子は、真空１０中に放出されることになる。
現在までにＡｕ−Ａｌ₂Ｏ₃−Ａｌ構造等に於てこの原理
による電子放出が観測されている（応用物理，Ｖol３
２，Ｎo.８，（１９６３）ｐ５６８）。

【０００４】このＭＩＭ構造の電子放出素子には様々な
長所がある。まず、素子が薄膜状の単純な構造であるた
め大面積化が容易であり、面状電子放出素子を作成しや
すい。また上部電極１１が平坦かつ大面積のため、針状
の電子放出端を持つ電界放射陰極アレイ等に比べ真空１
０との界面状態が安定であり、環境ガスの影響を受けに
くく、広い真空度の範囲で動作が可能である。さらに１
０Ｖ程度の低電圧の印加で電子放出が可能であり高圧電
源等を要しない点も大きな利点である。

【０００５】一方、従来の電子線描画装置は、点状電子
源を用いているため、露光面積が小さく、ウェハー全面
の描画に時間がかかり、スループットが小さい。スルー
プットを向上させる為には放射電流密度が高く、単色性
の良い面状電子源から放出された電子ビームを用いた大
面積の一括露光を可能にする必要がある。

【０００６】電子デバイスとしては、過去に用いられて
いた真空管デバイスに変わり、半導体デバイスが主流で
ある。これは、半導体デバイスの方が信頼性，集積化の
容易さの点で従来の真空管デバイスより優れていたため
である。しかしながら、デバイスの動作速度を決める電
子の飽和速度は、半導体中の２〜３×１０⁵ｍ／ｓに対
し、真空中ではほぼ光速であり、デバイスの高速化を図
れる可能性がある。この実現の為には集積化が可能な、
薄膜電子源を実現する必要がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図２の原理で電子放出
がなされる場合、理論的には放出電流密度が高く、熱陰
極に比べてエネルギー幅の十分狭い電子線が得られると
期待される。しかし従来のＭＩＭ構造の電子放出素子で
は上部電極１１に流れ込むダイオード電流に比べ、真空
１０中に放出される電子電流の割合（放射比）が低く
(１／１０⁴〜１／１０⁶）、放出電流密度が小さい。さ
らに、放出電子のエネルギー幅も大きく広がっているこ
とが報告されている。これは従来のＭＩＭ構造の電子放
出素子では、トンネルした電子が絶縁膜１２，上部電極
１１の伝導帯を走行する際の電子の散乱が大きく、大部
分の電子はエネルギーを失って上部電極１１の仕事関数
φ以下のエネルギー準位に落ち込み放射比が低くなるこ
と、また同様の散乱の効果により、電子が様々なエネル
ギー準位をとるようになり、エネルギー幅が広がるため
と考えられている。

【０００８】本発明の目的は、放出電流密度，低エネル
ギー分散化を向上させた面状薄膜電子源を供給するこ
と、およびそれを利用したスループットの高い電子線描
画装置、ならびに微小真空管デバイス等の電子応用機器
を実現することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、次の各々に
より達成できる。

【００１０】１）ＭＩＭ構造において下部電極として、
占有電子状態が電子相関によってフェルミ準位近傍に局
在し、占有電子状態密度が局所的に高くなるものを用い
て、トンネル電流密度を向上させる。

【００１１】２）ＭＩＭ構造において、フェルミ準位近
傍の占有電子状態密度が高い下部電極として、その電子
状態密度が主にｄバンド，ｆバンドによって形成される
物質を用いる。

【００１２】３）ＭＩＭ構造において、下部電極金属と
してフェルミ準位直下に、主にｄバンドに起因する非常
に高い占有電子状態密度を持つ第８族遷移金属を用い
る。

【００１３】４）第８族遷移金属としてＰｄ，Ｐｔ，Ｎ
ｉ，Ｃｏ，Ｆｅを用いる。

【００１４】５）下部電極金属として複数の第８族遷移
金属からなる合金を用いる。

【００１５】６）ＭＩＭ構造の電子放出素子の駆動電圧
を、上部電極金属の電子放出しきい値電圧＋０.５Ｖ以
下とする。

【００１６】

【作用】ＭＩＭ構造の電子放出素子は、図２に示すよう
に絶縁膜１２に、上部電極１１と下部電極１３より高電
界を印加し、実効的に薄くなった障壁をトンネルした電
子を放出させる。この場合トンネル電流密度ｊは、下部
電極１３の占有電子状態中のエネルギーＥの電子に対す
る透過確率をＴ(Ｅ)，フェルミ分布関数をｆ(Ｅ)，電子
状態密度をＤ(Ｅ)，トンネル障壁に入射する電子の速度
をｖ，電気素量をｅとした時、数１と表わされる。

【００１７】

【数１】

【００１８】ここで、∫ｄｋは、運動量空間での積分を
意味する。

【００１９】透過確率Ｔ(Ｅ)は、障壁の厚さと高さに敏
感に影響されるので、実際にはトンネルする電子はフェ
ルミ準位近傍の電子がほとんどである。従って、放出電
流密度を高くするためには、下部電極１３として、特に
透過確率Ｔ(Ｅ)が高い領域のフェルミ準位近傍（フェル
ミ準位直下〜結合エネルギー２ｅＶ）の占有電子状態密
度Ｄ(Ｅ)が高い物質を用いればよい。

【００２０】価電子帯を構成する占有電子状態数の総数
は元素によって大差はないため、フェルミ準位近傍の占
有電子状態密度を上げるには、電子相関に起因する電子
状態密度のフェルミ準位近傍での局在化を利用する。そ
れを実現する例として、その価電子帯上部の占有電子状
態が主にｄバンド，ｆバンドに起因する物質を用いれば
よい。これらは次の根拠による。

【００２１】一般にｄ電子，ｆ電子は電子相関（電子間
のクーロン相互作用）による斥力が大きく、バンド分散
が小さいためエネルギー的に局在化する。すなわち単位
エネルギー当りのバンド数が多くなるため、電子状態密
度が、あるエネルギーの近傍で局所的に非常に高くな
る。これに対し、従来のＭＩＭ電子源に、酸化膜形成の
容易さの観点から用いられてきたＡｌは、フェルミ準位
近傍がｓバンド，ｐバンドによって形成されており、電
子間のクーロン相互作用による斥力が小さいため、バン
ド分散が大きくエネルギー的に広がり、単位エネルギー
当りの電子状態密度は局所的には低くなる。この比は数
１０倍〜１００倍程度になることが光電子分光等による
電子構造の研究から明らかである。

【００２２】図３にｄバンドに起因する電子状態を持つ
Ｎｉ(１８)と、従来から用いられてきたＡｌ(１９)の光
電子スペクトルの模式図を示す（詳しくはトピックス
インアプライドフィジックス第２７巻（１９７９
年）ｐ２０４およびｐ３６９：Topicｓ in Applied Phy
sics Ｖol.２７(１９７９)ｐ２０４およびｐ３６９を参
照）。Ｎｉ(１８)はフェルミ準位直下から２ｅＶの範囲
で局在的な高い電子状態密度を持つのに対し、Ａｌ(１
９)は８ｅＶの範囲でブロードな電子状態密度を持つこ
とが明らかである。よってｄバンド，ｆバンドがフェル
ミ準位近傍の占有電子状態を形成するものをＭＩＭ構造
の電子放出素子の下部電極１３に用いれば、電子放出素
子の大幅（数１０〜１００倍）な放出電流密度の向上を
達成できる。

【００２３】具体的には第８族遷移金属はフェルミ準位
直下に主にｄバンドに起因する非常に大きな占有電子状
態を持ち有効である。第８族遷移金属中、Ｐｄ，Ｐｔ，
Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅは融点が比較的低いため蒸着法などに
よる成膜が容易であり素子作製に向く。又、下部電極１
３としては、第８族遷移金属同士の合金であるＣoＰt，
ＦｅＮｉ等や第８族遷移金属を含む化合物であるＮｉＳ
ｉ₂などを用いることもできる。

【００２４】このような手法によって高い放出電流密度
を達成したＭＩＭ型電子放出素子においては、目標の放
出電流密度を取るのに過剰な電圧をかける必要がない。
そこで、両電極にかける駆動電圧を上部電極１１の電子
放出しきい値電圧＋０.５Ｖ以下に制限すれば、フェル
ミ準位より０.５ｅＶ以上低いエネルギー準位からトン
ネルした電子、および絶縁膜１２中或いは上部電極１１
中で散乱されエネルギーを失った電子をカットできるた
め、放出電子のエネルギー幅を０.５ｅＶ以下に抑える
ことが出来る。即ち単色性の良い電子ビームを得ること
ができる。また低電圧動作のため、絶縁膜１２の破壊も
防止でき、電子放出素子の長寿命化が達成できる。

【００２５】電子線描画装置での露光時間は放出電流密
度に逆比例して短くなるから、上記のような高い放出電
流密度を持つ面状電子源を使用すれば、短時間の大面積
一括露光が可能となり、スループットを大幅に向上でき
る。また、微小真空管による信号増幅素子を作成した場
合、放出電流密度の向上により、相互コンダクタンスが
向上するため、素子の低ノイズ化，高利得化，高速化を
実現する。

【００２６】

【実施例】本発明を用いた実施例を図１を用いて説明す
る。表面を清浄化した基板１４上に下部電極１３として
Ｐｄを１０ｎｍ蒸着する。下部電極１３としてＰｔ，Ｎ
ｉ，Ｃｏ，Ｆｅなどを用いる場合には、所望の金属また
は合金を蒸着する。基板１４には、例えば、熱酸化によ
り表面に酸化シリコン膜を形成したシリコン基板を用い
るとよい。続いて同じ真空中でＡｌを４ｎｍ蒸着する。
この二層膜を陽極酸化法により上面のＡｌのみ酸化す
る。陽極酸化は３％酒石酸アンモニウム水溶液で４Ｖの
化成電圧で行う。陽極酸化によって酸化できるＡｌの膜
厚は高い精度で化成電圧に依存しているため、４Ｖの化
成電圧で４ｎｍのＡｌのみ選択的に酸化できる。このよ
うにして、Ｐｄから構成される下部電極１３上にＡｌ₂
Ｏ₃で構成される絶縁膜１２を形成出来る。Ａｌの膜厚
を４ｎｍ以外に設定した場合は、化成電圧もそれに対応
した電圧とすることは言うまでもない。次に絶縁膜１２
上に上部電極１１を形成する。上部電極１１としては、
例えばＡｕを超高真空中での蒸着により１０ｎｍ形成す
ればよい。

【００２７】本実施例において、Ａｌの酸化過程を陽極
酸化法の替わりに、気相酸化法を用いることも有効であ
る。ＡｌとＰｄの二層膜を真空槽に入れ、０.００１〜
１０Torr程度の酸素を導入して基板を加熱することによ
りＡｌを酸化し、Ａｌ₂Ｏ₃からなる絶縁膜１２を形成す
ることが出来る。絶縁膜１２として酸化シリコンＳｉＯ
₂を用いる場合には、この気相酸化法の方が有効であ
る。また、本実施例において上部電極１１として不純物
を高濃度にドープして低抵抗化した半導体を用いてもよ
い。例えば、リンＰをドープしたＳｉが有効である。

【００２８】本発明を用いた別の実施例を図４に示す。
下部電極１３および絶縁膜１２は先の実施例と同様に形
成する。次にＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃などの絶縁体を化学気
相蒸着法（ＣＶＤ法）などにより５０ｎｍ程度の膜厚で
蒸着し、保護層１５を形成する。この上に、上部電極１
１を先の実施例と同様の方法で形成する。さらに、Ａｕ
など低抵抗の材料を１００ｎｍ程度蒸着して電極端子１
６を形成する。このようにして形成したＭＩＭ電子放出
素子では、上部電極１１および下部電極１３の周辺部が
膜厚の厚い保護層１５で覆われているため、電極周辺部
への電界集中が起こるのを防ぐことができ、安定した電
子放出と電子放出素子の長寿命化が実現出来る。さら
に、電極端子１６は上部電極１１よりも膜厚が厚いため
低抵抗であり、ＭＩＭ電子放出素子を動作させる際、上
部電極１１から下部電極１３に流れる動作電流による電
圧降下を防げる。

【００２９】また、これらの実施例において下部電極１
３上に形成するＡｌをエピタキシャル膜とすると、それ
を酸化して得られる絶縁膜１２も結晶性の良いものが得
られる。このようにすると、下部電極１３から上部電極
１１へトンネルする電子の絶縁膜１２内での散乱確率が
減少するため、トンネル電流が増大し、また、真空中に
放出される電流量も増大し、また放出電子の運動エネル
ギー分布も小さくなりエネルギー分散が小さい良質な電
子ビームを得ることが出来る。また、下部電極１３をエ
ピタキシャル成長膜または単結晶膜とすると、その上に
形成するＡｌもエピタキシャル膜あるいは配向膜となり
やすくなるので、下部電極１３のエピタキシャル膜化も
有効である。

【００３０】図５は本発明による別の実施例を示したも
のである。Ｐｄ，Ｐｔなどの単結晶基板を下部電極１３
とし、その上に絶縁膜１２，保護層１５，上部電極１
１，電極端子１６を形成する。これらの形成方法は、先
の実施例と同様である。このように、下部電極１３とし
て単結晶を用いることにより、絶縁膜１２および上部電
極１１の結晶性が向上するため、放出電子の電流量が増
大し、ビーム特性も向上することは先に述べた通りであ
る。

【００３１】図６は、本発明のＭＩＭ面状電子放出素子
を電子線描画装置に搭載した例である。ＭＩＭ電子放出
素子２１から発生した面状電子線は、Ｓｉ製マスク２２
で集積回路パターンに整形される。この電子線はブラン
カ２３を通った後、電子レンズ２４により縮小し、偏向
器２５を通過して、ウェハ２６上に転写される。ウェハ
２６は可動ステージ２７に載せて露光範囲を移動させ
る。本発明の面状電子源を用いた場合、放出電流密度が
高く１回の露光時間が短いこと、また大面積の一括露光
が可能なのでステージの移動回数が少なくなり、スルー
プットの大幅な向上が可能となる。

【００３２】図７は別の電子線描画装置の例である。本
発明のＭＩＭ電子放出素子を多数の小さな格子状に形成
する。このＭＩＭ電子放出素子マトリクス２８は各々独
立に動作し、それぞれ回路パターン発生器２９により制
御され、全体として集積回路パターンに整形される。こ
の後上記と同様のシステムによってウェハ２６上に転写
される。本発明の面状電子源を用いたスループット向上
の効果は先に述べた通りである。この装置の場合、回路
パターンを電気的な任意に整形出来るので、マスクを使
用する場合より柔軟性が高く、さらにスループットを向
上できる。

【００３３】図８は、本発明のＭＩＭ面状電子放出素子
を微小真空管として適用した例である。表面に１００ｎ
ｍの熱酸化膜３０を形成した高濃度ＰドープＳｉ基板３
１にフォトリソ工程により１×１mm²のＭＩＭ形成領域
をパターニングし、酸化膜を１００ｎｍエッチングす
る。そこにメタルマスクを用い、Ｐｄを蒸着によって８
５ｎｍ形成し下部電極１３とする。この上に同様にして
Ａｌを５ｎｍ形成する。これを熱酸化法により、Ａｌを
全て酸化し絶縁膜１２とする。つづいて、Ａｕを１０ｎ
ｍ蒸着し上部電極１１を形成し、ＭＩＭ構造を完成す
る。

【００３４】次に、電子放出面の両側をＲＦスパッタリ
ング法によりＳｉＯ₂の絶縁厚膜３２を１０００ｎｍ堆
積し、その上に放出電流を取り出すアノード板３３を接
合する。これにより、微小真空管を完成する。印加電圧
１７は高濃度ＰドープＳｉ基板３１と上部電極１１の間
に印加される。上部電極１１とアノード板３３の間には
電子の引込み電圧３４として５０Ｖを印加する。印加電
圧１７を０Ｖから高めていくと、あるしきい値以上にな
ると放出電流は急激に増加する。これは、下部電極１
３，上部電極１１，アノード板３３をそれぞれソース，
ゲート，ドレインと考えるとエンハンスメント型電界効
果トランジスタと同じ特性になっている。本発明のＭＩ
Ｍ電子源を用いた場合、放出電流即ちドレイン電流が高
く、素子の相互コンダクタンスが上がるため、低ノイ
ズ，高利得，高速のデバイスとなる。

【００３５】

【発明の効果】本発明は、ＭＩＭ型電子放出素子の下部
電極金属として、フェルミ準位近傍の占有電子状態密度
が大きい金属を用いることにより、放出電流密度を大幅
に向上させることが出来る。更にその効果で低電圧動作
が可能となるため、電子線の単色化、及び絶縁破壊の防
止を行うことが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の電子放出素子の断面図。

【図２】ＭＩＭ型電子放出素子の動作原理を示す図。

【図３】Ｎｉ、およびＡｌの光電子スペクトル図。

【図４】本発明の実施例の電子放出素子の断面図。

【図５】本発明の実施例の電子放出素子の断面図。

【図６】本発明の電子放出素子を用いた電子線描画装置
の実施例の構成図。

【図７】本発明の電子放出素子を用いた電子線描画装置
の実施例の構成図。

【図８】本発明の電子放出素子を用いた微小真空管の信
号増幅素子の実施例の断面図。

【符号の説明】

１１…上部電極、１２…絶縁膜、１３…下部電極、１４
…基板、１５…保護層、１６…電極端子。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/027 49/00 (72)発明者会田敏之東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者矢口富雄東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者成清正東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者山田絵実子東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属または半導体により構成される上部電
極と下部電極との間に絶縁膜を挟んだ構造を有する電子
放出素子において、下部電極として、価電子帯全体の占
有電子状態中の内、フェルミ準位近傍（フェルミ準位直
下から２ｅＶの結合エネルギーの範囲）の占有電子状態
密度が局所的に高い物質を用いることを特徴とする電子
放出素子。
【請求項２】請求項１の電子放出素子において、下部電
極として、フェルミ準位近傍に電子相関に起因する局在
化した高い占有電子状態密度を持つ物質を用いることを
特徴とする電子放出素子。
【請求項３】請求項１，２の電子放出素子において、下
部電極のフェルミ準位近傍の占有電子状態が、主に局所
的に高い占有電子状態密度を持つｄバンド，ｆバンドに
よって形成されるものを用いることを特徴とする電子放
出素子。
【請求項４】請求項１乃至３の電子放出素子において、
下部電極として、フェルミ準位直下に、主にｄバンドに
起因する高い占有電子状態密度を持つ周期表第８族遷移
金属を用いることを特徴とする電子放出素子。
【請求項５】請求項３の第８族遷移金属として、Ｐｄ，
Ｐｔ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅを用いる事を特徴とする電子放
出素子。
【請求項６】請求項１乃至３の電子放出素子において、
下部電極として、複数の第８族遷移金属元素からなる合
金、あるいは第８族遷移金属元素を含む化合物を用いる
ことを特徴とする電子放出素子。
【請求項７】請求項１乃至６の電子放出素子において、
下部電極として、第８族遷移元素の金属または合金、或
いは第８族遷移元素を含む化合物の、単結晶あるいは単
結晶膜あるいは配向膜を用いることを特徴とする電子放
出素子。
【請求項８】請求項１乃至７の電子放出素子において、
下部電極を構成する金属上に別の金属を形成し、それを
酸化することにより絶縁膜とすることを特徴とする電子
放出素子。
【請求項９】請求項１乃至８の電子放出素子において、
上部電極と下部電極にかける駆動電圧を上部電極金属の
電子放出しきい値電圧＋０.５Ｖ以下の範囲に抑えて放
出させることを特徴とする電子放出素子。
【請求項１０】請求項１乃至９の電子放出素子と、電子
ビームを所望の位置のみ透過させてパターン化するマス
ク部と、前記パターン化した電子ビームを被露光面に投
射するための電子光学系とから構成される電子線描画装
置。
【請求項１１】請求項１乃至９の電子放出素子をマトリ
クス状に配列し、それぞれが独立に動作出来るようにし
た面状の電子放出源と、パターンデータからパターン信
号を発生し、前記電子放出源に出力するためのパターン
発生器と、前記電子放出源から放出された所望のパター
ンの電子ビームを被露光面に投射するための電子光学系
とから構成される電子線描画装置。
【請求項１２】請求項１乃至９の電子放出素子と、前記
電子放出素子から放出された電子を集める第３電極とか
ら構成された信号増幅素子。