JPH08138530A

JPH08138530A - 電界放出型電子銃及びその製造方法

Info

Publication number: JPH08138530A
Application number: JP28104594A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Takemura; 久武村
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-11-16
Filing date: 1994-11-16
Publication date: 1996-05-31
Anticipated expiration: 2013-07-02
Also published as: KR960019378A; JP2770755B2; US5666020A; KR100231748B1

Abstract

(57)【要約】【目的】シリコンを主成分とするエミッタを有する電
界放出型電子銃において、容易に高抵抗層をエミッタの
一部に形成し素子の電流安定を高めることと、大電流発
生時の素子破壊を抑制することを目的とする。【構成】シリコン基板１上に形成されたエミッタの一
部に酸素を含む多結晶シリコン膜２よりなる高抵抗層を
形成する。この高抵抗層はエミッタ先端に形成された構
成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電界放出型電子銃及びそ
の製造方法に関し、特に半導体基板上に形成されたシリ
コンを主成分とする先端が尖鋭化されたエミッタを有す
る電界放出型電子銃及びその製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の電界放出型電子銃として
は、エミッタ材料としてモリブデンを使用したものがあ
り、ジャーナルオブアプライドフィジックス、１９７６
年、第４７巻、５２４８ページに開示されている。この
装置では、導電性基板の上にモリブデンを円錐状に形成
する必要があり、高い加工精度が必要である。そこで、
近年、エミッタを加工性の良いシリコンで形成する方法
が検討され実用化されており、特開平４−９４０３３号
公報や特開平６−５２７８８号公報等に開示されてい
る。一般に、電界放出型電子銃の電流特性の安定化に
は、エミッタに直列に高抵抗を形成する方法が採用され
ており、上記したエミッタをシリコンとする構造におい
ても、この方法が採用されてきている。

【０００３】図７に従来の第一の電界放出型電子銃（特
開平６−２０５９２号公報）の実施例の断面図を示す。
シリコン基板１表面に円錐状のエミッタが形成され、そ
の先端部に不純物濃度の高い低抵抗の多結晶シリコン膜
よりなるエミッタチップ９が形成され、電流制御用のゲ
ート電極膜６がシリコン基板１上に形成された絶縁膜６
上に形成されている。この方法では、エミッタ先端のエ
ミッタチップ９を低抵抗とし熱の発生を制御し、電流の
安定化にはエミッタチップ下・根本のシリコン基板１を
高抵抗部として使用している。

【０００４】図８に従来の第二の電界放出型電子銃（特
開平５−３６３４５号公報）の実施例の断面図を示す。
この実施例では、シリコン基板１上に抵抗率の高い高抵
抗エピタキシャルシリコン層１０を形成し、更に低抵抗
エピタキシャルシリコン層１１を形成し、この積層部を
エミッタとして加工し、リソコン基板１から絶縁膜５を
介してゲート電極層６を形成してある。

【０００５】これらの例のように、従来は電子を放出す
るエミッタ先端部は低抵抗のシリコン膜で形成し電流安
定用の高抵抗をエミッタ下部に添加された不純物濃度の
低いシリコン層（あるいは多結晶シリコン層）で形成し
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】電流値を安定化するた
めには、高抵抗層をエミッタに直列に形成することが有
効であることはすでに述べたが、その抵抗値を制御する
ことが素子設計上重要となっている。抵抗値を大きくす
ることにより電流値は安定化するため、電流値制御には
ある程度以上の抵抗値となるように設計すればよい。し
かし、抵抗層はエミッタに電流が流れる際に電圧低下を
もたらすことになり、その電圧低下分だけゲート印加電
圧を上げる必要が生じてくる。従って、抵抗値のばらつ
きはゲート電圧のばらつきとなるため、抵抗層は高抵抗
率を有しかつ高抵抗域で安定である必要がある。

【０００７】従来の方法では、シリコン基板を抵抗とし
た方法（従来の第一の例）やエピタキシャルシリコン層
を抵抗層とした方法（従来の第二の例）が採用されてい
たが、この単結晶シリコンの不純物濃度を制御し抵抗値
を設定する方法では所望の抵抗率を実現するには、不純
物濃度を１０¹⁴ｃｍ^-3以下と非常に低濃度化する必要が
あり、濃度制御性を高め抵抗率を均一にすることは困難
であった。

【０００８】その他の方法としては、多結晶シリコン膜
を用いる方法があるが、多結晶シリコン膜は熱処理温度
によりグレインサイズが異なりそれが抵抗率に大きく影
響を与えるため、グレインサイズを制御して高抵抗域で
の制御性をさらに向上させる必要があった。

【０００９】また、従来の例ではエミッタ先端の抵抗率
を小さく設定しエミッタ先端の熱破壊を防止していた。
しかし電界放出型電子銃の問題点の一つにエミッタとゲ
ート間の放電による破壊がある。放電現象ではエミッタ
に瞬間的に大電流が流れるため、エミッタ先端部の抵抗
率を小さくし熱破壊を防止してもエミッタ根本の高抵抗
域で熱破壊が生じ、高抵抗層が破壊されシリコン基板と
ゲート電極膜が短絡しゲート電圧が事実上印加されなく
なるということが生じることがあった。

【００１０】本発明の目的は、容易に高抵抗層をエミッ
タの一部に形成し、電流安定性を高め得ると共に、大電
流発生時の素子破壊を抑制することが可能な電界放出型
電子銃及びその製造方法を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、半導体
基板上に形成されたシリコンを主成分とする先端が尖鋭
化されたエミッタを有する電子放出型電子銃であって、
前記エミッタの少なくとも一部が酸素を含むシリコン層
であることを特徴とする電界放出型電子銃が得られる。

【００１２】また、本発明によれば、半導体基板上に形
成されたシリコンを主成分とする先端が尖鋭化されたエ
ミッタを有する電子放出型電子銃であって、前記エミッ
タの先端部に高抵抗層を有することを特徴とする電界放
出型電子銃が得られる。

【００１３】更に、本発明によれば、半導体基板上に形
成されたシリコンを主成分とする先端が尖鋭化されたエ
ミッタを有する電子放出型電子銃の製造方法であって、
半導体基板上に酸素を含む多結晶シリコン層を形成する
工程と、この酸素を含む多結晶シリコン層を前記エミッ
タの少なくとも一部として尖鋭化加工する工程とを含む
ことを特徴とする電界放出型電子銃の製造方法が得られ
る。

【００１４】更にはまた、本発明によれば、半導体基板
上に形成されたシリコンを主成分とする先端が尖鋭化さ
れたエミッタを有する電界放出型電子銃の製造方法であ
って、先端が尖鋭化されたエミッタを形成する工程と、
このエミッタを覆って絶縁膜を形成する工程と、前記絶
縁膜上に導電膜を形成する工程と、前記導電膜上に平坦
化膜を形成する工程と、この平坦化膜をエッチバックし
て前記導電膜を露出する工程と、前記平坦化膜をマスク
として露出した前記導電膜を除去し前記エミッタ先端を
露出させる工程と、この露出した前記エミッタ先端をシ
リサイド膜に変換する工程とを含むことを特徴とする電
界放出型電子銃の製造方法が得られる。

【００１５】

【作用】エミッタの少なくとも一部に酸素を含む多結晶
シリコン層によりなる高抵抗層を形成することにより、
高抵抗層が容易に実現でき、素子の電流安定性が高まる
と共に、大電流発生時の素子破壊が防止できる。

【００１６】また、エミッタ先端部の抵抗率を下げるた
めに、先端部の多結晶シリコンの不純物濃度を大とする
か、先端部をシリサイド層にすることにより、エミッタ
の仕事関数を下げ、電子放出特性がより高まる。

【００１７】

【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して
説明する。

【００１８】図１は本発明の第一の実施例の断面図であ
る。図２は図１に示した第一の実施例の製造工程順の断
面図である。始めに、図２（ａ）に示すように、ｎ型の
シリコン基板１の表面にＣＶＤ法で多結晶シリコン膜を
形成する条件にＮ₂Ｏなどのガスを添加して酸素を含ん
だ多結晶シリコン膜２を約３００ｎｍ厚形成し、さらに
窒化膜３をＣＶＤ法により約１００ｎｍ厚に成長する。
酸素を含んだ多結晶シリコン膜２中には例えばイオン注
入法により原子などの不純物原子を添加しておく。

【００１９】次に図２（ｂ）に示すように、レジストな
ど（図示なし）をマスクとして窒化膜３をエッチング
し、酸素を含む多結晶シリコン膜２をＳＦ₆などのガス
により等方的エッチングする。この工程によりエミッタ
領域の形状は凸型となる。

【００２０】次に図２（ｃ）に示すように、シリコン基
板１の表面を１００ｎｍ〜４００ｎｍ程度の膜厚になる
ように熱酸化し酸化膜４を形成する。この工程において
エミッタ形状は尖鋭化され円錐状となり、エミッタ先端
に酸素を含む多結晶シリコン膜が配置される。

【００２１】次に図２（ｄ）に示すように、蒸着法によ
り例えば酸化膜よりなる絶縁膜５を３００ｎｍ〜６００
ｎｍの暑さに堆積し、さらに例えばモリブデンなどのゲ
ート電極膜６を約２００ｎｍ〜３００ｎｍ厚に堆積す
る。

【００２２】次に図１に示すように、リン酸などの溶液
中で窒化膜３をエッチング除去する。この工程におい
て、窒化膜３上の絶縁膜５およびゲート電極膜６は剥離
される。次に、弗酸により酸化膜４をエッチングしエミ
ッタを露出させ電界放出型電子銃を形成する。

【００２３】このように、本実施例で示した電界放出型
電子銃は酸素を含む多結晶シリコン膜により高抵抗層を
形成しているために、通常の多結晶シリコン膜よりもグ
レインサイズは小さく抑制されグレインサイズの影響に
よる抵抗値の変化はなくなる。さらに酸素を含むことに
より、その抵抗値はシリコン基板や多結晶シリコン膜よ
りも高濃度の不純物原子の添加でも高抵抗値に設定でき
この点においても安定化に有効である。

【００２４】また、エミッタ先端を高抵抗層とすること
により、放電などの瞬間的な大電流に対してエミッタ先
端がまず熱により変形し電界集中しなくなるため、ある
程度以上の破壊は生じなくなる。これによりエミッタと
ゲートの短絡による素子全体の破壊は防止できる。しか
しながら単数のエミッタではエミッタが変形するとエミ
ッション電流が得られなくなるため、多数個のエミッタ
アレイで電子銃を構成しておけば局所的な放電に対し
て、部分的なエミッタ破壊で電子銃としての素子性能は
保持できる。

【００２５】本実施例では、ＣＶＤ法により酸素を添加
したがこれはイオン注入など他の方法でもかまわない。
また、エミッタ先端を高抵抗として放電等の大電流発生
時に局所的に熱破壊させ素子破壊を防止するためだけに
は、精度の高い抵抗層形成は必要ないため、エミッタ先
端層を酸素を含んだ多結晶シリコン膜と限定する必要は
なく他の高抵抗材料を使用してもかまわない。

【００２６】次に第二の実施例について説明する。図３
は本発明の第二の実施例の断面図である。図３に示すよ
うに、ｎ型のシリコン基板上１に、図のように、先端が
尖鋭なエミッタを上部に形成しｎ型の不純物原子を１０
¹⁵ｃｍ^-3以上の濃度に含有した酸素を含む多結晶シリコ
ン膜２を形成しエミッタ部に開口を有する酸化膜４およ
び絶縁膜５を形成する。さらに図のように。ゲート絶縁
膜６を形成している。

【００２７】本実施例ではエミッタ部およびエミッタ下
部のシリコン基板上領域が酸素を含む多結晶シリコン膜
により形成されている。エミッタ部の抵抗値はエミッタ
先端になるほどパターンサイズが小さくなるため高くな
る。これにより放電等で大電流が流れた際エミッタ先端
が熱破壊し、エミッタ根本からの大規模な破壊によるエ
ミッタとゲート間の短絡は生じにくくなる。またエミッ
タ先端とゲートが短絡した場合においてもエミッタ根本
に高抵抗部となる酸素を含む多結晶シリコン膜があるの
で、この層で電位差が生じエミッタとゲート間に電圧が
かかり素子は動作し信頼性はさらに高まる。

【００２８】次に第三の実施例について説明する。図４
は本発明の第三の実施例の断面図である。この実施例で
はエミッタはエミッタ根本の酸素を含む多結晶シリコン
膜２と抵抗率が低くなるように不純物濃度を高く添加し
てある多結晶シリコン膜７により構成されている。エミ
ッタ先端部の抵抗率を下げることは仕事関数を下げ電子
放出特性を高めるために有効な手法である。第一および
第二の実施例で述べた放電による大電流の対策には、放
電発生の対策としてエミッタ周辺の真空度を高めるなど
の外部対策を立てることも可能である。

【００２９】この実施例の方法では、従来の方法の多結
晶シリコン膜を用いた場合と比較して、容易に安定な高
抵抗を実現できることにある。

【００３０】図５に酸素を含む多結晶シリコン膜と通常
の多結晶シリコン膜の抵抗率のリンのイオン注入量依存
性を示す。酸素を含む多結晶シリコン膜の抵抗率は同じ
注入量で通常の多結晶シリコン膜よりも１桁高い値を得
ることが可能となる。また１０¹³ｃｍ^-2オーダー以下の
注入量では比較的濃度変化に対して安定な高抵抗値を得
ることが可能である。

【００３１】図６（ａ）〜（ｅ）に本発明の第四の実施
例の工程順断面図を示す。図６（ａ）は図２（ｃ）と同
一工程の図であり、この工程までは第一の実施例と同様
の工程で制作する。次に図６（ｂ）に示すように、窒化
膜３をリン酸で選択的に除去し、例えばモリブデンある
いはタングステン膜よりなるゲート電極膜６を２００ｎ
ｍ程度の膜厚にＣＶＤ法あるいはスパッタ法により堆積
し、レジストを平坦になるまでの膜厚に塗布し、エッチ
バックを施しエミッタ上のゲート電極膜６を露出させ
る。

【００３２】次に図６（ｃ）に示すように、レジスト７
をマスクとしてゲート電極膜６をエッチングし、レジス
ト７を除去する。次に図６（ｄ）に示すように、ＨＦ溶
液などの等方性エッチングで酸化膜４をエッチングし、
酸素を含む多結晶シリコン膜２よりなるエミッタ先端を
露出させる。

【００３３】次に図６（ｅ）に示すように、例えば白金
膜を３０ｎｍ程度の膜厚にスパッタなどの方法で堆積
し、５００℃〜６００℃の熱処理により露出したエミッ
タ先端をシリサイド膜８に変換し残った白金膜を王水で
除去し電界放出型電子銃を制作する。この方法では白金
膜でシリサイドを形成する方法を示したが、これは特に
限定されるものでなく、チタン膜でもタングステン膜な
どの金属膜でもかまわない。

【００３４】本実施例ではエミッタ先端部のみを選択的
にトリサイド膜として直下のエミッタを酸素を含む多結
晶シリコン膜の高抵抗層とすることが可能であり、エミ
ッション特性の向上と電流安定性の向上とを容易に両立
することが可能である。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ま
ず第一に電流安定用の高抵抗層を酸素を含む多結晶シリ
コン膜とするこにとにより、高抵抗を容易に形成するこ
とが可能となり素子電流安定化に有効である。また、第
二にエミッタ先端を高抵抗層とすることにより、放電な
どの大電流発生時にエミッタ先端を局所的に破壊しエミ
ッタとゲートが短絡するような素子破壊を防止すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の断面図である。

【図２】本発明の第一の実施例の製造工程順の各断面図
である。

【図３】本発明の第二の実施例の断面図である。

【図４】本発明の第三の実施例の断面図である。

【図５】本発明で採用した酸素を含んだ多結晶シリコン
膜と通常の多結晶シリコン膜の抵抗率のリンイオン注入
依存性の説明図である。

【図６】本発明の第四の実施例の製造工程順の各断面図
である。

【図７】従来の第一の例の断面図である。

【図８】従来の第二の例の断面図である。

【符号の説明】

１シリコン基板２酸素を含む多結晶シリコン膜３窒化膜４酸化膜５絶縁膜６ゲート電極膜７多結晶シリコン膜８シリサイド膜９エミッタチップ１０高抵抗エピキシャルシリコン層１１低抵抗エピキシャルシリコン層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に形成されたシリコンを主
成分とする先端が尖鋭化されたエミッタを有する電子放
出型電子銃であって、前記エミッタの少なくとも一部が
酸素を含むシリコン層であることを特徴とする電界放出
型電子銃。
【請求項２】前記シリコン層は多結晶シリコンである
ことを特徴とする請求項１記載の電界放出型電子銃。
【請求項３】前記エミッタの先端部が選択的にシリサ
イド層で形成されていることを特徴とする請求項１また
は２記載の電界放出型電子銃。
【請求項４】半導体基板上に形成されたシリコンを主
成分とする先端が尖鋭化されたエミッタを有する電子放
出型電子銃であって、前記エミッタの先端部に高抵抗層
を有することを特徴とする電界放出型電子銃。
【請求項５】前記高抵抗層が酸素を含むシリコン層で
あることを特徴とする請求項４記載の電界放出型電子
銃。
【請求項６】半導体基板上に形成されたシリコンを主
成分とする先端が尖鋭化されたエミッタを有する電子放
出型電子銃の製造方法であって、半導体基板上に酸素を
含む多結晶シリコン層を形成する工程と、この酸素を含
む多結晶シリコン層を前記エミッタの少なくとも一部と
して尖鋭化加工する工程とを含むことを特徴とする電界
放出型電子銃の製造方法。
【請求項７】半導体基板上に形成されたシリコンを主
成分とする先端が尖鋭化されたエミッタを有する電界放
出型電子銃の製造方法であって、先端が尖鋭化されたエ
ミッタを形成する工程と、このエミッタを覆って絶縁膜
を形成する工程と、前記絶縁膜上に導電膜を形成する工
程と、前記導電膜上に平坦化膜を形成する工程と、この
平坦化膜をエッチバックして前記導電膜を露出する工程
と、前記平坦化膜をマスクとして露出した前記導電膜を
除去し前記エミッタ先端を露出させる工程と、この露出
した前記エミッタ先端をシリサイド膜に変換する工程と
を含むことを特徴とする電界放出型電子銃の製造方法。
【請求項８】先端が尖鋭化されたエミッタを形成する
工程において、酸素を含む多結晶シリコン膜により前記
エミッタを形成することを特徴とする請求項７記載の電
界放出型電子銃の製造方法。