金属绝缘体金属或金属绝缘体半导体电子源的结构和制造方法

摘要

一种MIM/MIS电子源包括第一导电层101,形成在第一导电层101上的绝缘层103,和形成在绝缘层103上的第二导电层104,在第一和第二导电层101、104之间施加电压,使得在绝缘层103中产生沟道电流,其中绝缘层103的膜厚度和第二导电层104的膜厚度是均匀的。

说明书

本发明涉及MIM或MIS电子源(以下称为MIM/MIS电子源)的结构及其制造方法，更具体地说涉及发射所需的电子分布和均匀发射电子的MIM/MIS电子源的结构和制造方法。

MIM(金属-绝缘体-金属)/MIS(金属-绝缘体-半导体)电子源是一种具有三层结构的表面发射型电子源，其中绝缘层被金属或半导体所夹。这种电子源在很大的表面区域能够均匀地发射电子，由于它能够避免受到表面杂质的影响，所以适用于电子束写装置和显示器这样的场合。图7表示这种电子源的组成结构。将电压施加在中间夹有绝缘层601的金属或半导体602和603的两侧，电子608穿过绝缘禁止带604形成Fowler-Nordheim沟道(沟道效应)，并在绝缘导电带605中形成电场，使电子加速和从高电子势的金属或半导体602向低电子势的金属603运动。一部分电子穿过半导体603，发射进入真空606。

过去，已经采用了各种材料。例如，在“应用物理”第8版(1963)第32卷568页揭示了Al-Al₂O₃-Au的结构，在“真空科学与技术”杂志B14期(1996)第2096页揭示了nSi-SiO₂-nonSi-nSi的结构。

除了上述引用的内容，在“电子工程11”(1990)的第359页和在“真空科学与技术”杂志B12期(1994)第801页还揭示了三层结构的形状。具体地说，在“电子工程11”(1990)的第359页和在“真空科学与技术”杂志B13期(1994)第2201页揭示了得到图8所示的所需截面形状的结构。

在图8中，参考号702表示第一导电层，701表示形成在第一导电层702上的绝缘层，703表示形成在绝缘层701上的第二导电层。在这种MIM/MIS电子源中，只有电子708允许从中间绝缘层701的薄的部分释放。在日本未审查专利公开(KOKAI)H8-315722中揭示了形成上述三层结构的例子。

然而在上述的现有技术中，由于在形成电子束边缘形状的金属或半导体层中存在台阶，所以膜厚度的改变将引起电子束边缘形状的改变，因此很难获得所需的图案形状。

在日本未审查专利公开(KOKAI)H8-315722的例子中，采用了微粒子，由于很难使两种粒子均匀分布，并且在电子束发射的所有方向在都对三层结构进行微小定位，所以很难得到所需电子束形状的均匀电子发射。

因此，本发明的一个目的是为了克服现有技术的上述缺点，具体地说，是为了提供一种MIM/MIS电子源结构和制造该电子源的方法，电子源获得均匀的能量，并且获得所需图案的电子束。

本发明的另一个目的是提供一种提高了电子束边缘形状的分辨率的电子源结构和制造该电子源的方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下基本的技术方案。

具体地说，根据本发明的第一方面的MIM/MIS电子源包括第一导电层，形成在第一导电层上的绝缘层，和形成在绝缘层上的第二导电层，在第一和第二导电层之间施加电压，使得在绝缘层中产生沟道电流，其中绝缘层的膜厚度和第二导电层的膜厚度是均匀的。

根据本发明的第二方面，在第一导电层中形成有一个台阶。

根据本发明的第三方面，MIM/MIS电子源包括第一导电层，形成在第一导电层上的绝缘层，和形成在绝缘层上的第二导电层，在第一和第二导电层之间施加电压，使得在绝缘层中产生沟道电流，其中绝缘层至少由两种材料形成，该材料从费米电势到导电带面具有不同的势能。

根据本发明的第四方面，MIM/MIS电子源包括第一导电层，形成在第一导电层上的绝缘层，和形成在绝缘层上的第二导电层，在第一和第二导电层之间施加电压，使得在绝缘层中产生沟道电流，其中第二导电层的膜厚度是均匀的，并且其表面是平的。

根据本发明的第五方面，绝缘膜是至少两种绝缘层的叠层。

根据本发明的第六方面，第一导电层的第一表面部分由第一绝缘层覆盖，其第二表面部分由第二绝缘层覆盖。

根据本发明的第七方面，绝缘层和第二导电层之间的界面是平的。

根据本发明的第八方面，第一导电层由硅或铝制成，绝缘层由氧化铝或氧化硅制成。

根据本发明的制造MIM/MIS电子源的方法的第一方面，该电子源包括第一导电层，形成在第一导电层上的绝缘层，和形成在绝缘层上的第二导电层，在第一和第二导电层之间施加电压，使得在绝缘层中产生沟道电流，方法包括：形成第一导电层的台阶的第一步骤；将绝缘材料淀积在第一导电层上的第二步骤；用CMP或蚀刻暴露第一导电层的第三步骤；在绝缘材料和第一导电层上形成第二绝缘层的第四步骤；以及在第二绝缘层上形成第二导电层的第五步骤。

根据本发明的制造MIM/MIS电子源的方法的第二方面，该电子源包括第一导电层，形成在第一导电层上的绝缘层，和形成在绝缘层上的第二导电层，在第一和第二导电层之间施加电压，使得在绝缘层中产生沟道电流，方法包括：在第一导电层上淀积第一绝缘层的第一步骤；处理第一绝缘层的第二步骤；在第一绝缘层上淀积第二绝缘层的第三步骤；用CMP或蚀刻暴露第一绝缘层的第四步骤；以及在第一和第二绝缘层上形成第二导电层的第五步骤。

根据本发明的制造MIM/MIS电子源的方法的第三方面，第二导电层的膜厚度是均匀的，并且其表面是平的。

根据本发明的一种MIM/MIS电子源包括第一导电层，形成在第一导电层上的绝缘层，和形成在绝缘层上的第二导电层，在第一和第二导电层之间施加电压，使得在绝缘层中产生沟道电流，其中绝缘层的膜厚度和第二导电层的膜厚度是均匀的，其结果在通过电子的部分厚度是均匀的，因此能够在绝缘层内在通过电子的部分中形成均匀的沟道。此外，由于第一导电层的膜厚度是均匀的，所以就能使从绝缘层注入到真空中的电子是均匀的，使发射的电子束具有一致的能量和良好的方向性。

此外，根据本发明的一种MIM/MIS电子源包括第一导电层，形成在第一导电层上的绝缘层，和形成在绝缘层上的第二导电层，在第一和第二导电层之间施加电压，使得在绝缘层中产生沟道电流，其中绝缘层至少由两种材料形成，该材料从费米电势到导电带面具有不同的势能，由于在电子发射部分的底部采用形成沟道的可能性大的材料，而在不发射电子的部分的底部采用形成沟道的可能性小的材料，两种绝缘材料具有不同的Fowler-Nordheim形成沟道的可能性，所以其结果是能够形成这样一种导电层，该导电层是平的，在绝缘层的整个表面上具有均匀的膜厚度。

因此，能够使发射的电子束具有一致的能量和良好的方向性。

图1表示本发明的第一实施例的结构；

图2表示本发明的第一实施例的制造工艺；

图3表示本发明的第二实施例的结构；

图4是表示本发明的第二实施例的位势图；

图5表示本发明的第二实施例的制造工艺；

图6表示图5所示工艺之后的制造工艺；

图7是表示现有技术的势能图；以及

图8表示现有技术的结构。

下面参照附图详细地描述本发明的最佳实施例。

图1和图2表示本发明的MIM/MIS电子源及其制造方法的第一实施例。该MIM/MIS电子源包括第一导电层101，形成在第一导电层101上的绝缘层103，和形成在绝缘层103上的第二导电层104，在第一和第二导电层101、104之间施加电压，使得在绝缘层103中产生沟道电流。在这种MIM/MIS电子源中，绝缘层103的膜厚度和第二导电层104的膜厚度是均匀的。

更具体地说，例如用n型杂质充分掺杂的硅作为下导电层101，在下导电层101上形成的凸出部分101a作为电子发射部分，形成10至100nm的台阶D，在导电层101上形成凹下部分101b作为非电子发射部分。在由中间绝缘层102和103形成的平面上，形成5至100nm的金层作为导电层。通过电子的绝缘层103的厚度为5至20nm。在导电层之间施加了一个电源，其电压是5至20伏，上导电层104接正极，下导电层101接负极，因此从下导电层的凸出部分101a提供的电子通过绝缘层103，形成Fowler-Nordheim沟道，然后完全通过上导电层104，从其表面进入真空部分。

制造上述结构的方法的一个实施例示于图2。

用n型杂质充分掺杂的硅衬底201上涂有光刻胶，用平板印刷术形成图案，用SF₆或O₂等气体进行干蚀刻，如(a)所示。在衬底201上形成CVD SiO₂或SOG膜202，以便覆盖其整个表面，如(b)所示。然后采用CMP或蚀刻等使其平整，同时暴露硅衬底201的凸出部分201a，如(c)所示。此外，形成Al₂O₃或SiO₂以后，形成上导电层204，如(d)所示。绝缘层203的材料不限于SiO₂或Al₂O₃,上导电层204的材料也不限于铝或金，任何能够形成Fowler-Nordheim沟道的材料都可以采用。

上述结构的特征是绝缘层由至少两层绝缘层的叠层构成。此外，第二导电层的表面是平的。

另外，绝缘层103和第二导电层104之间的界面K是平的。

根据本发明的制造MIM/MIS电子源的方法包括形成第一导电层101的台阶的第一步骤；将绝缘材料102淀积在第一导电层101上的第二步骤；用CMP或蚀刻暴露第一导电层101的第三步骤；在绝缘材料102和第一导电层101上形成第二绝缘层103的第四步骤；以及在第二绝缘层103上形成第二导电层104的第五步骤。

接下来，参照图3至6描述本发明的第二实施例。

这些图表示本发明的第二实施例的结构，这是一种MIM/MIS电子源，包括第一导电层302，形成在第一导电层302上的绝缘层304和303，和形成在绝缘层上的第二导电层305，在第一导电层302和第二导电层303之间施加电压，使得在绝缘层中产生沟道电流，其中绝缘层由绝缘层304和303形成，至少由两种材料形成，这些材料从费米电势到导电带面具有不同的势能。

更具体地说，在本发明的第二实施例中，下导电层302是通过铝302的气相沉积在石英衬底301上形成的。

铝的厚度大约为100nm至10μm，氧化铝制成的绝缘层303形成在产生沟道电流的部分上。绝缘层303和304的膜厚度是5至20nm，在通过电子和部分303和周围部分之间是均匀的，其表面是平的。厚度为5至100nm的金层作为上导电层305。在这两层导电层之间，施加了一个电源306，其电压是5至20伏，上导电层305接正极，下导电层302接负极，因此从下导电层302提供的电子通过绝缘层303，形成Fowler-Nordheim沟道，然后完全通过上导电层305，从其表面进入真空部分。

图4是电子位势图。适当的电压施加在导电层402和405之间，形成一个电势梯度，方向如层之间的连线所示，氧化铝403的禁止带407很薄，足以形成沟道，因此从下导电层402至绝缘导电带之间形成电子沟道。此外，电子通过绝缘层导电带加速，穿过上导电层405，从其表面进入真空部分。由于氧化硅404的导电带面408处于1.2eV的电势，高于氧化铝导电带面409，所以在氧化硅中不会出现Fowler-Nordheim沟道。结果，电子有选择地仅通过采用氧化铝的绝缘层部分。

图5和图6表示制造上述结构的例子。采用CVD、气相沉积或溅射等在石英衬底301上形成铝导电层302，如图5(a)所示。接下来，得到的表面进行阳极化处理或热氧化处理，以便仅氧化表面，如图5(b)所示。然后用平板印刷形成图案，这之后进行蚀刻，形成绝缘层303，如图5(c)所示。采用CVD，在导电层302和绝缘层303上形成SiO₂或SOG膜304，以便覆盖其整个表面，如图6(a)所示。然后采用CMP或蚀刻等使绝缘层303和304平整，暴露氧化铝绝缘层303，如图6(b)所示。最后，在图6(c)的绝缘层的整个表面上形成上导电层305。绝缘层303和304的材料不限于SiO₂或Al₂O₃，上导电层的材料也不限于铝或金，任何能够形成Fowler-Nordheim沟道的材料都可以采用。

在本发明的第二实施例中，其特征在于第二导电层305的膜厚度是均匀的，305a的表面是平的。另一特征是第一表面部分302a被第一绝缘层303覆盖，第二表面部分302b被第二绝缘层304覆盖。

根据本发明的这一实施例的制造MIM/MIS电子源的方法包括在第一导电层302上淀积第一绝缘层303的第一步骤；处理第一绝缘层303的第二步骤；在第一绝缘层上淀积第二绝缘层304的第三步骤；用CMP或蚀刻暴露第一绝缘层303的第四步骤；以及在第一和第二绝缘层303和304上形成第二导电层305的第五步骤。

在根据本发明的MIM/MIS电子源结构及其制造方法中，由于绝缘层的膜厚度和第二导电层的膜厚度是均匀的，因此在通过电子的部分中能够形成沟道的绝缘层是均匀的。此外，由于上导电层的膜厚度是均匀的，因此从绝缘层注入到真空部分的电子通过比率是均匀的。结果，能够得到具有一致能量和良好方向性的电子束。

此外，由于绝缘层由至少两种材料形成，这些材料从费米电势到导电带面具有不同的势能，两种不同的绝缘材料具有不同的

Fowler-Nordheim形成沟道的可能性，因此，在电子发射部分的底部采用形成沟道的可能性大的材料，而在不发射电子的部分的底部采用形成沟道的可能性小的材料，就能使在绝缘层的整个表面上具有均匀的膜厚度。

因此，能够得到具有一致能量和良好方向性的电子束。