專利名稱：自對(duì)準(zhǔn)電子源裝置的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及使用電子源裝置產(chǎn)生電子束。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及用于自對(duì)準(zhǔn)電子源裝置的新結(jié)構(gòu)和新材料，所述電子源裝置從被包括由介質(zhì)層分開(kāi)的分離和聚焦電極的空腔共軸圍繞的復(fù)合發(fā)射體產(chǎn)生電子束。
這里提出的文章和出版物提供其中所包含的信息不承認(rèn)任何這些信息為法定的“先有技術(shù)”并且我們保留建立關(guān)于任何這類信息的在先發(fā)明人資格(priorinventorship)的權(quán)利。
盡管Spindt型場(chǎng)致發(fā)射體(下文稱場(chǎng)致發(fā)射體)已經(jīng)用于諸如平板顯示器的一些技術(shù)中，但是當(dāng)用于諸如高密度存儲(chǔ)技術(shù)的其他技術(shù)時(shí)，對(duì)于場(chǎng)致發(fā)射體的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有幾個(gè)不利之處。
在典型的FED中，顯示器中每個(gè)像素由連接到公共發(fā)射電極的各個(gè)場(chǎng)致發(fā)射體的陣列服務(wù)，后者通常是非常大的一組。每個(gè)像素包括可響應(yīng)入射在該像素上的電子束而發(fā)出可見(jiàn)光的熒光體涂層。來(lái)自單個(gè)發(fā)射體的電子束將在像素的方向上發(fā)散(擴(kuò)展)。但是，像素的面積大于來(lái)自單個(gè)發(fā)射體的電子束的寬度。因此，需要發(fā)射體陣列以從便像素產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的光。而且，發(fā)射體陣列保證發(fā)射體冗余以防一個(gè)或一個(gè)以上的場(chǎng)致發(fā)射體無(wú)法工作。另一方面，高密度存儲(chǔ)技術(shù)需要能把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)媒介的小的、極小尺寸的區(qū)域以及從該區(qū)域檢索數(shù)據(jù)的窄聚焦的電子束。因而，用于FED的散粒(shotgun)(寬束)方法在高密度存儲(chǔ)應(yīng)用中是不可取的。可在以下已頒發(fā)的美國(guó)專利5447596中發(fā)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)致發(fā)射體及其在高密度存儲(chǔ)裝置中的使用的一般討論。
靜電聚焦電子束是本領(lǐng)域中眾所周知的技術(shù)。例如，可以用負(fù)偏置聚焦電極來(lái)使電子束向著射束軸靜電偏轉(zhuǎn)。得到會(huì)聚成更窄射束的電子束。靜電聚焦的另一實(shí)例是使用共軸地環(huán)繞電子束走過(guò)的路徑的介質(zhì)層。電子束的自然發(fā)散使電子束打在介質(zhì)層上由此在介質(zhì)層中產(chǎn)生負(fù)靜電荷。最終，產(chǎn)生的電荷達(dá)到發(fā)射電極的電位。因此，靜電荷導(dǎo)致電子束的寬度向內(nèi)朝著射束軸線收縮。最后，用于聚焦電子束的另一方法包括使用位于發(fā)射體陣列的相對(duì)側(cè)的聚焦隆起線。隆起線被偏置到接近或等于發(fā)射體電壓的電位。隆起線對(duì)來(lái)自陣列的電子束的軌跡產(chǎn)生靜電影響，使得目標(biāo)像素中的熒光體基本上被所有發(fā)射的電子撞擊。在以下已頒發(fā)的美國(guó)專利5070282、5235244和5528103中可以發(fā)現(xiàn)在FED中準(zhǔn)直電子束的一般討論。以上提到的聚焦技術(shù)用來(lái)充分地縮窄電子束、使得它以足以產(chǎn)生所需強(qiáng)度的光的電子束寬度打在目標(biāo)像素上。盡管那些聚焦技術(shù)將電子束變窄了，但電子束對(duì)于用在高密度存儲(chǔ)應(yīng)用中仍然太寬。而且，在聚焦元件和發(fā)射體的射束軸之間的不對(duì)準(zhǔn)將導(dǎo)致電子束的一些偏斜，但是這種偏斜不會(huì)使FED的適當(dāng)操作失效。另一方面，在高密度存儲(chǔ)裝置中希望具有能準(zhǔn)確地指向存儲(chǔ)媒介的非常狹窄和精確對(duì)準(zhǔn)的電子束。
本領(lǐng)域中還知道通過(guò)使用微電子制造技術(shù)以在場(chǎng)致發(fā)射體上形成非常尖銳的尖頭和/或通過(guò)對(duì)整個(gè)場(chǎng)致發(fā)射體或僅對(duì)場(chǎng)致發(fā)射體的尖頭使用低逸出功材料，減小從發(fā)射體的尖頭產(chǎn)生電子發(fā)射所需的電位。根據(jù)應(yīng)用，用于場(chǎng)致發(fā)射體的材料的逸出功可在從大約0.3eV到大約6.0eV的范圍。例如，通過(guò)使用諸如各種類型的碳涂層的材料可獲得在1.0eV以下的逸出功?？梢栽谙铝泄_(kāi)的美國(guó)專利5702281中發(fā)現(xiàn)對(duì)FED場(chǎng)致發(fā)射體材料及其逸出功的一般討論。因?yàn)镕ED可以用于便攜顯示器應(yīng)用場(chǎng)合，所以希望通過(guò)使用低逸出功材料來(lái)減少電極間偏置電壓以減少功耗。但是，低逸出功材料的不利之處是用于制造顯示器的微電子制造工藝可能使發(fā)射體材料的逸出功變化。通常，逸出功從其已知值增加到更高值。因此，逸出功可能從發(fā)射體到發(fā)射體不等，導(dǎo)致FED的各發(fā)射體中電子束電流不同。
因此，需要下述電子源裝置適合于發(fā)射單一、窄聚焦的電子束；包括具有統(tǒng)一的錐形和非常尖銳的尖頭的發(fā)射體結(jié)構(gòu)；具有由逸出功不會(huì)在裝置的微電子制造過(guò)程中變化的材料的組合制成的發(fā)射體；以及具有與裝置的電極自對(duì)準(zhǔn)的發(fā)射體。
上述與聚焦電子束相關(guān)的不利之處通過(guò)提供與發(fā)射體的頂點(diǎn)自對(duì)準(zhǔn)的空腔、使得裝置的電極與發(fā)射體的射束軸同軸地對(duì)準(zhǔn)來(lái)解決。與發(fā)射體的不穩(wěn)定逸出功相關(guān)的問(wèn)題通過(guò)使用新的材料組合從而得到穩(wěn)定逸出功來(lái)解決。對(duì)于發(fā)射體的統(tǒng)一錐形和尖頭通過(guò)使用材料合成以形成發(fā)射體來(lái)解決。
概括地說(shuō)，本發(fā)明包括在用于產(chǎn)生電子束的自對(duì)準(zhǔn)電子源裝置中。所述裝置包括其上形成有發(fā)射電極的第一介質(zhì)層。在發(fā)射電極上形成第二介質(zhì)層，隨后在第二介質(zhì)層上形成引出電極。接著，在引出電極上形成第三介質(zhì)層，隨后在第三介質(zhì)層上形成聚焦電極。通過(guò)單一的光刻步驟隨后單一的蝕刻步驟來(lái)形成空腔?？涨回灤┚劢闺姌O、第三介質(zhì)層、引出電極和第二介質(zhì)層?？涨辉诎l(fā)射電極處終止。最終，在發(fā)射電極上形成復(fù)合發(fā)射體。復(fù)合發(fā)射體包括形成于發(fā)射電極上的基座和形成于基座上的基本為圓錐形的尖頭。尖頭在頂點(diǎn)終止而形成尖銳的點(diǎn)。空腔設(shè)置成關(guān)于復(fù)合發(fā)射體對(duì)稱并且與尖頭的頂點(diǎn)同軸地對(duì)準(zhǔn)，使得空腔以經(jīng)過(guò)尖頭的頂點(diǎn)的射束軸為中心且空腔與復(fù)合發(fā)射體互為基準(zhǔn)基本上自對(duì)準(zhǔn)，產(chǎn)生關(guān)于復(fù)合發(fā)射體的射束軸對(duì)稱的靜電透鏡組件(包括引出和聚焦電極)。
通過(guò)在裝置的電極間加上特定用途的偏置電壓，可以由引出電極把位于尖頭頂點(diǎn)附近的電子引出并且由聚焦電極會(huì)聚成更小的電子束。該電子束可用來(lái)把數(shù)據(jù)寫入包括超高密度存儲(chǔ)裝置的先進(jìn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)和從其讀出數(shù)據(jù)。
在以下將要詳細(xì)描述的本發(fā)明的實(shí)施例中，可用包括耐熔金屬、金屬合金、硅合金、可電鑄成型金屬、碳化物或氮化物的各種導(dǎo)電材料制成復(fù)合發(fā)射體的尖頭。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在襯底上形成第一介質(zhì)層。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，可用包括形成于粘附層上面的細(xì)粒非晶形敷層的導(dǎo)電合成材料制成電極中的任何一個(gè)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射電極是由重?fù)诫s半導(dǎo)體材料制成的。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，復(fù)合發(fā)射體的基座是由鈦、鉻或摻雜硅制成的。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第二和第三介質(zhì)層中任何一個(gè)包括蝕刻終止介質(zhì)層和在蝕刻終止介質(zhì)上形成的后移介質(zhì)層。后移介質(zhì)層包括用來(lái)減少在介質(zhì)層面對(duì)空腔的部分上的電荷積累的后移(pull-back)表面輪廓。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，尖頭由可電鑄成形的金屬制成使得尖頭的頂點(diǎn)形成原子級(jí)尖頭。
本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點(diǎn)將從結(jié)合附圖、以舉例的方式說(shuō)明本發(fā)明原理的以下詳細(xì)描述中變得清楚。
附圖簡(jiǎn)介

圖1是按照本發(fā)明的自對(duì)準(zhǔn)電子發(fā)射裝置的橫剖視圖。
圖2是說(shuō)明按照本發(fā)明的相對(duì)于所述引出電極的上表面和下表面的頂點(diǎn)的位置的橫剖視圖。
圖3是說(shuō)明按照本發(fā)明的電鑄成型的原子級(jí)尖銳頂點(diǎn)的橫剖視圖。
圖4是說(shuō)明按照本發(fā)明、在朝著聚焦電極方向上具有反斜面的空腔的裝置的橫剖視圖。
圖5和圖6是說(shuō)明按照本發(fā)明、具有后移表面輪廓的介質(zhì)層的橫剖視圖。
圖7是說(shuō)明按照本發(fā)明的具有蝕刻終止介質(zhì)層和后移介質(zhì)層的第二和第三介質(zhì)層的橫剖視圖。
圖8是說(shuō)明蝕刻到圖7的介質(zhì)層中的后移表面輪廓的橫剖視圖。
圖9是說(shuō)明按照本發(fā)明由導(dǎo)電復(fù)合材料制成的電極的橫剖視圖。
圖10是說(shuō)明按照本發(fā)明的相對(duì)于聚焦電極處的空腔直徑的復(fù)合發(fā)射體高度與第二介質(zhì)層高度之間的關(guān)系的橫剖視圖。
圖11是按照本發(fā)明在電氣上配置成可逐一地或成組地啟動(dòng)的自對(duì)準(zhǔn)電子發(fā)射裝置的陣列的俯視平面圖。
圖12是說(shuō)明用于按照本發(fā)明的尖頭的金屬合金和硅合金的表。
詳細(xì)描述在以下詳細(xì)描述和附圖的幾幅圖中，相似的元件以類似的標(biāo)號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)。
如附圖中所示，為了說(shuō)明，本發(fā)明包括在自對(duì)準(zhǔn)電子源裝置中，所述裝置包括其上形成有發(fā)射電極的第一介質(zhì)層；在發(fā)射電極上形成的第二介質(zhì)層；在第二介質(zhì)層上形成的引出電極；在引出電極上形成的第三介質(zhì)層；以及在第三介質(zhì)層上形成的聚焦電極。在所述裝置中形成貫穿聚焦電極、第三介質(zhì)層、引出電極和第二介質(zhì)層的空腔且空腔在發(fā)射電極處終止。在空腔中形成復(fù)合發(fā)射體且復(fù)合發(fā)射體包括形成于發(fā)射電極上的基座和形成于基座上且在頂點(diǎn)終止的、基本上圓錐形的尖頭?？涨灰詮?fù)合發(fā)射體為中心且空腔與經(jīng)過(guò)頂點(diǎn)的射束軸共軸對(duì)準(zhǔn)，使得復(fù)合發(fā)射體與空腔大體上相互自對(duì)準(zhǔn)。引出電極和聚焦電極形成靜電透鏡組件，后者適用于從復(fù)合發(fā)射體的尖頭引出電子并且把電子聚焦成沿著復(fù)合發(fā)射體的射束軸的窄射束。
通過(guò)單個(gè)光刻步驟和單個(gè)干刻蝕步驟形成空腔，從而消除可能增加制造復(fù)雜性、成本、還可能引入降低產(chǎn)量的缺陷或污染的多個(gè)制作布線圖案和蝕刻的步驟。另外，隨后用于復(fù)合發(fā)射體的基座和尖頭的材料的淀積導(dǎo)致空腔與發(fā)射體之間的自對(duì)準(zhǔn)。
復(fù)合發(fā)射體，尤其是尖頭，可由所選材料來(lái)制造以產(chǎn)生不會(huì)在裝置的制造過(guò)程中改變的穩(wěn)定逸出功。另外，基座和尖頭可由不同材料制成，可選擇這些材料以產(chǎn)生在其頂點(diǎn)具有尖銳的尖端的光滑錐形尖頭。
在圖1中，自對(duì)準(zhǔn)電子源裝置10包括第一介質(zhì)層11。在第一介質(zhì)層11上形成導(dǎo)電的發(fā)射電極13。在發(fā)射電極13上形成第二介質(zhì)層15。在第二介質(zhì)層15上形成引出電極17。在引出電極17上形成第三介質(zhì)層19。在第三介質(zhì)層19上形成聚焦電極21。通過(guò)蝕刻貫穿除發(fā)射電極13之外的所有上述電極和介質(zhì)層來(lái)形成空腔23，使得空腔23在發(fā)射電極13處終止。在形成空腔23之后，在空腔23中形成復(fù)合發(fā)射體1。復(fù)合發(fā)射體1包括形成于發(fā)射電極13上的基座3和形成于基座3上的基本上錐形的尖頭5。尖頭5在頂點(diǎn)V終止。最好是，尖頭5在頂點(diǎn)V處有一個(gè)尖銳的尖端。在頂點(diǎn)V處的尖銳尖端增大了在頂點(diǎn)V處的場(chǎng)強(qiáng)，由此增強(qiáng)了從尖頭5的電子發(fā)射。
空腔23對(duì)稱地環(huán)繞復(fù)合發(fā)射體1(即空腔23以復(fù)合發(fā)射體1為中心)，如箭頭S1和S2所示，并且與通過(guò)頂點(diǎn)V的射束軸B(如虛線所示)同軸對(duì)準(zhǔn)，使得空腔23與復(fù)合發(fā)射體1相互之間基本上自對(duì)準(zhǔn)?？涨?3可具有基本上垂直的側(cè)壁面47使得空腔23大體上具有圓柱形。
可以把自對(duì)準(zhǔn)電子源裝置10裝在部分真空的箱內(nèi)(未示出)，使得空腔23處于部分真空狀態(tài)下。一般，空腔23處在至少10-5torr(乇)或更小氣壓的部分真空狀態(tài)下。
空腔23與復(fù)合發(fā)射體1之間的自對(duì)準(zhǔn)關(guān)系的好處是由引出電極17從頂點(diǎn)V引出的電子(未示出)被聚焦電極21聚焦成基本上沿著射束軸B的會(huì)聚電子束(未示出)。實(shí)質(zhì)上，聚焦電極21使電子束的橫截面寬度變窄。這些電子可打在處于對(duì)著聚焦電極的位置的存儲(chǔ)媒體(未示出)上的預(yù)定目標(biāo)位置。例如，電子束可用來(lái)在存儲(chǔ)媒體上存儲(chǔ)及訪問(wèn)信息。在尖頭5的頂點(diǎn)V與存儲(chǔ)媒體之間的距離以及在目標(biāo)位置的電子束寬度將是專用的。
可通過(guò)單個(gè)光刻步驟和單個(gè)干刻蝕步驟來(lái)形成空腔23。例如，可用半導(dǎo)體工業(yè)中傳統(tǒng)的反應(yīng)離子蝕刻(RIE)工藝來(lái)形成空腔23。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可在襯底25上形成第一介質(zhì)層11。襯底25可為半導(dǎo)體襯底。例如，襯底25可為硅。使用半導(dǎo)體作為襯底25的好處是可以在襯底25中形成用于對(duì)復(fù)合發(fā)射體1尋址的有源電路。其他適用于襯底25的材料包括玻璃和石英。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，如圖2中所示，尖頭5的頂點(diǎn)V位于引出電極17的上表面31和下表面33(都以虛線表示)之間的中間位置。盡管頂點(diǎn)V可位于上表面31之上或下表面33之下，但是，在最佳實(shí)施例中，從尖頭5最有效地抽取電子是由于把頂點(diǎn)V定位在引出電極17的上表面31和下表面33之間的中間位置。
復(fù)合發(fā)射體1的基座3不必具有如圖1中所示的大體上圓柱形。基座3可具有如圖2所示的弓形或錐形?；?的實(shí)際形狀取決于為基座3所選的材料以及用以形成基座3的淀積過(guò)程。
可用本領(lǐng)域中眾所周知的傳統(tǒng)半導(dǎo)體集成電路制造工藝來(lái)制造裝置10。例如，可用傳統(tǒng)光刻和蝕刻技術(shù)來(lái)形成空腔23?？捎美鏡IE來(lái)蝕刻空腔23?？捎脗鹘y(tǒng)的薄膜淀積技術(shù)來(lái)形成介質(zhì)層和電極?？衫谜舭l(fā)技術(shù)來(lái)淀積基座3和尖頭5以形成復(fù)合發(fā)射體1。
用于復(fù)合發(fā)射體1的基座3的材料包括鈦(Ti)、鉻(Cr)、鈮(Nb)以及電阻性材料如摻雜硅(Si)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可用耐熔金屬制造復(fù)合發(fā)射體1的尖頭5。用于尖頭5的耐熔金屬包括但不限于下面表1中所示的那些。
表1在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，可用金屬合金或硅合金制成復(fù)合發(fā)射體1的尖頭5。用于尖頭5的合金包括但不限于下面表2中所列出的合金。
表2圖12說(shuō)明用于尖頭5的合金的矩陣并且包括表2的金屬合金和硅合金。在圖12中，適用于尖頭5的合金由在行與列的交叉點(diǎn)的記號(hào)√指明。在圖12中，列號(hào)從左至右增加如箭頭C所示，行號(hào)從上至下增加如箭頭R所示。例如，在第10行的硅(Si)可與第5列中的鋯(Zr)結(jié)合以形成用于尖頭5的硅鋯(SiZr)合金。類似地，在第7行的鎢(W)可與第8列中的鉻(Cr)結(jié)合以形成鎢鉻(WCr)合金。如可從圖12中看出的，用于尖頭5的金屬合金包括在上面表1中列出的耐熔金屬。因此，可用圖12中列出的任何兩種不同材料(硅(Si)除外)制成金屬合金。而且，可用圖12中列出的任何兩種不同材料制成硅合金。
用于由圖12的合金形成尖頭5的一種方法是采用共同蒸發(fā)工藝。例如，為形成如在第10行第1列的√指明的硅鈦(SiTi)合金，可同時(shí)蒸發(fā)硅(Si)源和鈦(Ti)源以形成尖頭5。另一方面，可蒸發(fā)同時(shí)包括硅(Si)和鈦(Ti)的源以形成尖頭5。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，如圖3中所示，由可電鑄成形的金屬制成復(fù)合發(fā)射體1的尖頭5。用于低溫電鑄尖頭5的工藝在本領(lǐng)域中是眾所周知的。例如，可通過(guò)首先把用于尖頭5的材料淀積在基座3上來(lái)電鑄尖頭5。接著，將裝置10加熱到大約為用于尖頭5的金屬的熔點(diǎn)的一半的溫度。以低于從尖頭5引出電子所需場(chǎng)強(qiáng)的場(chǎng)強(qiáng)把引出電場(chǎng)加在引出電極17上。用于尖頭5的材料開(kāi)始在分離電場(chǎng)的作用下流動(dòng)。結(jié)果在尖頭5的頂點(diǎn)V形成原子級(jí)尖銳的尖端。
適用于可電鑄成形金屬的材料包括但不限于下面表3中列出的那些。
表3在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，可用碳化物(C)制成復(fù)合發(fā)射體1的尖頭5。用于尖頭5的碳化物(C)包括但不限于下面表4中所示的導(dǎo)電碳化物。
表4在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，可用氮化物(N)制成復(fù)合發(fā)射體1的尖頭5。用于尖頭5的氮化物(N)包括但不限于下面表5中所示的導(dǎo)電氮化物。
表5第一介質(zhì)層11、第二介質(zhì)層15和第三介質(zhì)層19可由介質(zhì)材料制成，后者包括但不限于氧化硅、氮化硅、碳化硅、在碳化硅上的氧化硅以及在氮化硅上的氧化硅。
發(fā)射電極13、引出電極17和聚焦電極21可用導(dǎo)電材料制成，后者包括但不限于鋁(Al)、鎢(W)、金(Au)、鉑(Pt)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鋁鉭(TaAl)、氮化鈦(TiN)、氮化鎢(WN)、氮化鉭(TaN)、氮化鎢鉭(TaWN)、碳化鈦(TiC)、碳化鋁(AlC)、碳化鉭(TaC)和碳化鎢(WC)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射電極13是由包括重?fù)诫s半導(dǎo)體的導(dǎo)電材料制成的。所述重?fù)诫s半導(dǎo)體可以是硅(Si)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，如圖4所示，至少部分的空腔23在向著聚焦電極21的方向上具有反斜面41(即空腔在聚焦電極21的方向上變窄)。反斜面41可減少第二介質(zhì)層15和第三介質(zhì)層19的面向空腔23的表面上的電荷積累。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，如圖5中所示，第二介質(zhì)層15和/或第三介質(zhì)層19分別包括面向空腔的部分43和45，后者具有可通過(guò)使這些部分遠(yuǎn)離空腔23的膛來(lái)減小分別在面向空腔的部分43和45上的電荷積累的后移表面輪廓40。發(fā)射電極13和引出電極17用作第二介質(zhì)層15和/或第三介質(zhì)層19的蝕刻終止層，如箭頭49所示。
后移表面輪廓40可為如圖5所示的弓形或者后移表面輪廓40可為斜坡形(未示出)?？涨?3可具有如圖5所示的基本垂直的側(cè)壁面47或者空腔23可具有如圖6所示并且在上文參照?qǐng)D4討論的反斜面41?？涨?3還可具有在向著聚焦電極21的方向上的正斜面(未示出)。后移表面輪廓40的其他形狀也是可能的，并且后移表面輪廓40的形狀取決于所用的蝕刻工藝。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，如圖7中所示，第二介質(zhì)層15和第三介質(zhì)層19可分別包括氮化硅(SiN)或碳化硅(SiC)的介質(zhì)與機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)層15a和19a，以及形成于介質(zhì)與機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)層15a和19a上的氧化硅(SiO2)的后移介質(zhì)層15b和19b。
介質(zhì)與機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)層15a和19a增加了在裝置10的高壓工作中的抗介質(zhì)擊穿性。另外，介質(zhì)與機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)層15a和19a機(jī)械上加強(qiáng)了形成發(fā)射電極13和引出電極17的相鄰金屬層。
后移介質(zhì)層15b和19b可包括后移表面輪廓40，如圖8中所示。后移介質(zhì)層15b和19b的厚度可以是從大約100納米到大約2000納米。蝕刻終止介質(zhì)層15a和19a可具有從大約50納米到大約200納米的厚度。后移表面輪廓40可為如圖8所示的弓形或者后移表面輪廓40可具有斜面形。例如，弓形或斜面形在聚焦電極21的方向上可具有正或負(fù)的斜率。后移表面輪廓40的其他形狀也是可能的，并且后移表面輪廓40的形狀取決于所用的蝕刻工藝。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，如圖9中所示，發(fā)射電極13、引出電極17和聚焦電極21可分別由包括分別形成于粘附層13a、17a和21a上的細(xì)粒非晶形敷層13b、17b和21b的導(dǎo)電復(fù)合材料制成。細(xì)粒非晶形敷層13b、17b和21b可為具有小顆粒結(jié)構(gòu)、即類似鋼化玻璃的非晶結(jié)構(gòu)的金屬。具體來(lái)講，通過(guò)把細(xì)?；蚍蔷畏髮佑糜诎l(fā)射電極13，基座3可淀積在不具有最佳晶體取向的細(xì)粒或非晶形敷層13b上。產(chǎn)生其上面可生成尖頭5的光滑表面?；?的光滑表面使得可以生成具有光滑、統(tǒng)一且在頂點(diǎn)V的尖銳尖端處終止的對(duì)稱錐形尖頭5。
用于細(xì)粒非晶形敷層13b、17b和21b的材料包括(但不限于)在用于粘附層13a、17a和21a的以下材料鈦(Ti)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鎢(W)和鉻(Cr)中任何一種上面的氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)和氮化鎢(WN)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，如圖2中所示，第一介質(zhì)層11、第二介質(zhì)層15和第三介質(zhì)層19中任何一個(gè)的電極對(duì)接面22可以被平面化以形成大體上平坦的表面?？捎闷矫婊幚碇T如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)來(lái)使介質(zhì)層平面化。平面化產(chǎn)生在其上面淀積電極的光滑和平坦的表面。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射電極13、引出電極17和聚焦電極21具有大約50納米到大約200納米的厚度。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，如圖10中所示，第二介質(zhì)層15具有基本上等于復(fù)合發(fā)射體1在尖頭5的頂點(diǎn)V處的高H的厚度。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，如圖10中所示，空腔23在聚焦電極21處具有基本上等于復(fù)合發(fā)射體1在尖頭5的頂點(diǎn)V處的高H的直徑W。
第二介質(zhì)層15的厚度和空腔23的直徑W將由關(guān)于裝置10的專用參數(shù)來(lái)確定，并且可以通過(guò)用于制造裝置10的光刻、淀積和蝕刻步驟來(lái)控制。
圖11說(shuō)明陣列20的俯視平面圖。裝置10在陣列20中重復(fù)了四次(10a、10b、10c和10d)。但是，不要把圖11看成限制構(gòu)成如所示的陣列中的裝置10的數(shù)量。例如，陣列20可包括但不限于裝置10的10*10陣列。陣列20包括安排在行Rn和Rn＋1中的兩個(gè)發(fā)射電極13和安排在兩列Cn和Cn＋1中的兩個(gè)引出電極17。盡管僅表示出兩行和兩列，但陣列20可包括行與列的任何組合。為了激活一個(gè)或一個(gè)以上的裝置10，可在發(fā)射電極13與引出電極17上加上適當(dāng)?shù)钠秒妷?。例如，為了激活裝置10b以便從其復(fù)合發(fā)射體1中引出電子(未示出)，行Rn的發(fā)射電極13可連接到相對(duì)于列Cn＋1中的引出電極17的較低的電壓，以產(chǎn)生將從尖頭5的頂點(diǎn)V引出電子至量子隧道中的分離電場(chǎng)。例如，可把行Rn的發(fā)射電極13連接到電源的地端(未示出)而把在列Cn＋1中的引出電極17連接到電源的正端(未示出)。聚焦電極可連接到地端或某個(gè)其他負(fù)電壓源。在圖11中，通過(guò)聚焦電極21上的空腔23，可以看到復(fù)合發(fā)射體1和發(fā)射電極13的一部分。圖11中還說(shuō)明了復(fù)合發(fā)射體1與空腔23之間的對(duì)稱性。
另外，圖11說(shuō)明用于實(shí)現(xiàn)電極13、17和21的各種金屬層之間的關(guān)系。例如，發(fā)射電極13可用金屬一層ml來(lái)實(shí)現(xiàn)，引出電極17可用金屬二層m2來(lái)實(shí)現(xiàn)，而聚焦電極21可用金屬三層m3來(lái)實(shí)現(xiàn)。金屬層的數(shù)量由用于制造裝置10的半導(dǎo)體工藝及該工藝所用的布局設(shè)計(jì)規(guī)則來(lái)確定。
另外，裝置10a、10b、10c和10d可具有他們各自的分別連接到有源開(kāi)關(guān)元件(未示出)如場(chǎng)效應(yīng)管(FET)的電極，這使陣列20中的裝置可以通過(guò)使用數(shù)字邏輯門來(lái)控制他們各自的FET的門節(jié)點(diǎn)以轉(zhuǎn)換成“接通”(發(fā)射電子)或“斷開(kāi)”(無(wú)電子發(fā)射)。FET可為例如金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
例如，裝置10b可使其發(fā)射電極13直接形成于FET的漏極節(jié)點(diǎn)上。可把FET的門節(jié)點(diǎn)連接到適合于“接通”或“斷開(kāi)”FET的數(shù)字信號(hào)源上?？砂袴ET的源節(jié)點(diǎn)連接到電源的地節(jié)點(diǎn)上。可用在FET的門節(jié)點(diǎn)上的適當(dāng)數(shù)字信號(hào)來(lái)“接通”或“斷開(kāi)”裝置10b。當(dāng)裝置10b接通時(shí)，發(fā)射電極13基本上處在地電位。通過(guò)對(duì)引出電極17加上相對(duì)發(fā)射電極13的正電壓偏置可以啟動(dòng)從裝置10b的發(fā)射體1的電子發(fā)射，使得電子機(jī)械地穿過(guò)量子隧道從發(fā)射體1的尖頭5中出來(lái)?？砂袴ET的漏極節(jié)點(diǎn)用例如鎢插頭連接到發(fā)射電極。相反地，電極13可直接地形成于FET的源極節(jié)點(diǎn)上而且可把FET的漏極節(jié)點(diǎn)連接到電源的地節(jié)點(diǎn)。
盡管已經(jīng)公開(kāi)和說(shuō)明了本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例，但是本發(fā)明并不限于這樣描述和說(shuō)明的各部分的特定形式或安排。本發(fā)明僅由權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種自對(duì)準(zhǔn)電子源裝置10，它包括第一介質(zhì)層11；形成于所述第一介質(zhì)層11上的發(fā)射電極13；包括形成于所述發(fā)射電極13上的基座3和形成于所述基座3上并且在頂點(diǎn)V處終止的基本上錐形的尖頭5的復(fù)合發(fā)射體1；形成于所述發(fā)射電極13上的第二介質(zhì)層15；形成于所述第二介質(zhì)層15上的引出電極17；形成于所述引出電極17上的第三介質(zhì)層19；以及形成于所述第三介質(zhì)層19上的聚焦電極21，所述聚焦與引出電極(21，17)和所述第二與第三介質(zhì)層(15，19)包括從所述聚焦電極21穿出并且在所述發(fā)射電極13終止的空腔23，所述空腔23對(duì)稱地圍繞所述復(fù)合發(fā)射體1并且與所述尖頭5的頂點(diǎn)V同軸地對(duì)準(zhǔn)使得所述空腔23與所述復(fù)合發(fā)射體1基本上互為基準(zhǔn)地自對(duì)準(zhǔn)。
2.權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述復(fù)合發(fā)射體1的所述尖頭5是由耐熔金屬制成的并且所述耐熔金屬包括從由鉬、鈮、鉿、鋯、鉭、鎢和釩組成的組中選擇的材料。
3.權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述復(fù)合發(fā)射體1的所述尖頭5是由金屬合金制成的并且所述金屬合金包括從由鈦、鉬、鈮、鉿、鋯、釩、鎢、鉻和鉭組成的組中選擇的任何兩種不同材料的組合。
4.權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述復(fù)合發(fā)射體1的所述尖頭5是由可電鑄成形的金屬制成的且所述頂點(diǎn)V形成原子級(jí)尖銳的尖端，并且所述可電鑄成形的金屬包括從由錫、錫合金、銦、銦合金、鎂和鎂合金組成的組中選擇的材料。
5.權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述復(fù)合發(fā)射體1的所述尖頭5是由導(dǎo)電的碳化物制成的并且所述導(dǎo)電碳化物包括從由碳化硅、碳化鈦、碳化鎢、碳化鉭、碳化鈮、碳化鉿、碳化鋯和碳化鉬組成的組中選擇的材料。
6.權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述復(fù)合發(fā)射體1的所述尖頭5是由導(dǎo)電的氮化物制成的并且所述導(dǎo)電氮化物包括從由氮化硅、氮化鈦、氮化鎢、氮化鉭、氮化鉿、氮化鈮、氮化鋯和氮化鉬組成的組中選擇的材料。
7.權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述復(fù)合發(fā)射體1的所述基座3是從由鈦、鉻、鈮和摻雜硅組成的組中所選的材料。
8.權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述介質(zhì)層(11，15，19)中任何一個(gè)是由從由氧化硅、氮化硅、碳化硅、在碳化硅之上的氧化硅和在氮化硅之上的氧化硅組成的組中選擇的材料制成的。
9.權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述電極(13，17，21)中任何一個(gè)是由從由鋁、鎢、金、鉑、銅、鉻、鈦、鉭、鋁鉭、氮化鈦、氮化鎢、氮化鉭、氮化鎢、碳化鈦、碳化鉭、碳化鎢和碳化鋁組成的組中選擇的導(dǎo)電材料制成的。
10.權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述電極(13，17，21)中任何一個(gè)是由包括形成于粘附層(13a，17a，21a)之上的細(xì)粒非晶層(13b，17b，21b)的導(dǎo)電復(fù)合材料制成的，所述細(xì)粒非晶層(13b，17b，21b)是從由氮化鈦、氮化鉭和氮化鎢組成的組中選擇的材料，以及所述粘附層(13a，17a，21a)是從由鈦、鋁、鉭、鎢和鉻組成的組中選擇的材料。
11.權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述發(fā)射電極13是由包括重?fù)诫s半導(dǎo)體的導(dǎo)電材料制成的。
12權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述第二和第三介質(zhì)層(15，19)中任何一個(gè)包括面向空腔的部分(43，45)，后者具有可減小在面向空腔的部分(43，45)上的電荷積累的后移表面輪廓40，并且所述后移表面輪廓40包括從由斜面形和弓形組成的組中選擇的形狀。
13.權(quán)利要求12的裝置，其特征在于所述第二和第三介質(zhì)層(15，19)中任何一個(gè)包括介質(zhì)與機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)層(15a，19a)和形成于所述介質(zhì)與機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)層(15a，19a)之上的氧化硅的后移介質(zhì)層(15b，19b)，所述后移介質(zhì)層(15b，19b)包括后移表面輪廓40，以及所述介質(zhì)與機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)層(15a，19a)是用從由氮化硅和碳化硅組成的組中選擇的材料制成的。
14.權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述空腔23的至少一部分具有在向著聚焦電極21的方向上的反斜面41。
15.權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述復(fù)合發(fā)射體1的尖頭5是由硅合金制成的。
16.權(quán)利要求15的裝置，其特征在于所述硅合金是硅與從由鈦、鉬、鈮、鉿、鋯、釩、鎢、鉻和鉭組成的組中選擇的材料的組合物。
17.權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述發(fā)射電極13是直接形成于從由漏極節(jié)點(diǎn)和源極節(jié)點(diǎn)組成的組中選擇的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的節(jié)點(diǎn)上的。
全文摘要
包括用于電子發(fā)射裝置的新結(jié)構(gòu)和新材料的自對(duì)準(zhǔn)電子源裝置10可用于高級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)。裝置10包括由介質(zhì)層(11,15,19)分開(kāi)的發(fā)射電極13、引出電極17和聚焦電極21。通過(guò)單個(gè)光刻步驟和蝕刻處理形成貫穿各電極和介質(zhì)層并且在發(fā)射電極13終止的單個(gè)空腔23。在空腔23中形成包括設(shè)置在發(fā)射電極13上的基座3和設(shè)置在基座3上并且在頂點(diǎn)V處終止的錐形尖頭5的復(fù)合發(fā)射體1。基座3可由包括鈦、鉻或摻雜硅的材料制成。尖頭5可由包括耐熔金屬、金屬合金、硅合金、碳化物、氮化物或可電鑄成形金屬的各種材料制成?？涨?3與復(fù)合發(fā)射體1互為基準(zhǔn)地自對(duì)準(zhǔn)。介質(zhì)層可后移蝕刻以減小或消除在介質(zhì)層的面向空腔的部分(43,45)上的電荷積累。
文檔編號(hào)H01J3/00GK1334582SQ0112305
公開(kāi)日2002年2月6日 申請(qǐng)日期2001年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月17日
發(fā)明者S·T·拉姆, H·比雷基, H·P·郭, S·L·納貝爾惠斯 申請(qǐng)人:惠普公司