本公開涉及一種改良的真空集成電子器件及其制造工藝。

背景技術(shù)：

眾所周知，小型化真空集成電子器件的想法可追溯至1961年。然而，由于它們在處理高電壓和高功率時的好的特性，對高速度、高功率遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的增長的需求最近給出了在微米電子學(xué)以及納米電子學(xué)領(lǐng)域研究的新動力。

因此，融合了以上優(yōu)點以及固態(tài)技術(shù)優(yōu)點的設(shè)備的可用性將打開用于遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)程通信、航空航天以及醫(yī)療系統(tǒng)的未來市場和產(chǎn)品的新的潛在場景。

不幸地，制造這種設(shè)備已經(jīng)被證明是困難的，特別是關(guān)于陰極的形狀和表面復(fù)合物。具體地，濃縮電場具有足夠的強度來通過接通電壓產(chǎn)生發(fā)射的技術(shù)已經(jīng)在研究，并且具有低功函數(shù)、好的化學(xué)、熱學(xué)、機械以及電性質(zhì)的材料已經(jīng)在研究。這些材料也必須適用于具有小半徑和大展弦比(基圓直徑和尖端高度之間的比)的技巧的實現(xiàn)。

通常，這種結(jié)構(gòu)具有圓錐形或角錐形金屬微尖陰極。

例如，圖1示出具有圓錐狀尖端的三極管的結(jié)構(gòu)。圖1的三極管包括第一、第二和第三層金屬層2、3、4，其被沉積在玻璃襯底1上電介質(zhì)層5、6分離。。第一金屬層2在玻璃襯底1上延伸并且形成陰極；第二金屬層3在第一金屬層和第三金屬層2、4之間延伸并且形成柵極，以及第三金屬層4形成陽極。腔8在電介質(zhì)層5、6中以及在第二金屬層3中形成并且并包圍尖端9，尖端9從第一金屬層2延伸指向第二金屬層3。

這里，發(fā)射是由柵極-陰極電壓引起并且發(fā)射的電子被陽極4收集。

該解決方案的制造十分復(fù)雜。

如圖2中所示出的，另一個已知的解決方案是橫向結(jié)構(gòu)，其能夠以平面的方式被制造。這里，陽極區(qū)10、陰極區(qū)11以及兩個柵極區(qū)12在單個金屬層中形成并且被成形以獲得電子的被控制的發(fā)射。橫向結(jié)構(gòu)提供了更簡單的制造工藝以及通過光刻的電極的簡單成形，但是其以大面積占用和減小的電流密度為代價。

在另一個可能的結(jié)構(gòu)中，如圖3中所示出的，電子發(fā)射不是從一個小尖端區(qū)起源，但是相反，從一個穿孔的薄金屬陰極區(qū)20的外圍邊緣14起源。陽極區(qū)21和柵極區(qū)22與圖1中的陽極區(qū)和柵極區(qū)相似。該解決方案的主要的缺點是大面積占用。

在一個備選結(jié)構(gòu)中，在編號5,463,269的美國專利中公開，真空集成微電子器件是通過在腔中絕緣材料的保形沉積被制造，因此形成了對稱的尖端，對稱的尖端能夠被用作模具來形成微尖陰極。兩個電極形成簡單的二極管，同時三個、四個或五個電極能夠分別形成三極管、四極管和五極管。由于尖端是自對齊于腔的中心，因此它也對齊于電極的中心。然而，上述真空集成微電子器件的制造具有高制造成本并且它的操作特性能夠被例如電離輻射和在功率輸出處的噪聲改變。

MI2013A000897(US 2014/0353576)描述了一種電子發(fā)射器件，其中陰極是通過在具有腔的電介質(zhì)層上沉積金屬層形成。在沉積期間，金屬材料形成水平部分，水平部分在腔之上突出并且連接以形成尖端。腔的寬度以使金屬層不掉入腔中，因此腔被金屬層密封。

盡管在很多情況中，該解決方案已經(jīng)證明是令人滿意的，但其不能被使用在所有應(yīng)用或器件中。事實上，引起電子發(fā)射啟動的電壓非常高，例如，高至20V，對于一些電子應(yīng)用，該電壓太高。另外，該電壓遠(yuǎn)高于在VLSI/ULSI技術(shù)中集成的部件的普通閾值電壓。因此，期望在普通半導(dǎo)體電壓中使用的電壓的更好的兼容性。

因此，本公開的目的是提供改進的真空集成電子器件。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本公開，提供了如權(quán)利要求1和10中分別定義的真空集成電子器件及其制造方法。

附圖說明

為理解本公開，現(xiàn)在根據(jù)附圖，描述僅作為非限制性示例的優(yōu)選的實施例，其中：

圖1是真空微三極管結(jié)構(gòu)的截面圖；

圖2是備選的真空微三極管結(jié)構(gòu)的俯視圖；

圖3是另一個備選的真空微三極管結(jié)構(gòu)的截面圖；

圖4是本電子發(fā)射結(jié)構(gòu)的透視示意截面圖；

圖5是圖4的電子發(fā)射結(jié)構(gòu)的仰視圖；

圖6A-6H是圖4的電子發(fā)射器件的后續(xù)制造步驟中半導(dǎo)體晶片的截面圖；

圖7A和7B是在中間制造步驟中圖4的電子發(fā)射器件的仰視圖；

圖8是圖4的電子發(fā)射器件的俯視圖；

圖9是本電子發(fā)射器件不同實施例的截面圖；

圖10是本電子發(fā)射器件的另一個實施例的截面圖；

圖11是本電子發(fā)射器件又一個實施例的截面圖；

圖12是圖11的電子發(fā)射器件的俯視圖；以及

圖13是本電子發(fā)射器件的不同實施例的俯視圖。

具體實施方式

圖4示意性地示出電子發(fā)射結(jié)構(gòu)或陽極50，其包括實現(xiàn)為第一和第二半錐51、52的尖端部分。如也在圖5的仰視圖中所示出的，半錐51、52在具有圓柱形狀的腔54的內(nèi)側(cè)壁53上形成。因此，電子發(fā)射結(jié)構(gòu)50具有第一尖端和第二尖端55、56，其由半錐51、52的頂點形成并且被布置鄰近于腔54的側(cè)壁53。

所描述的發(fā)射結(jié)構(gòu)50能夠生成電場，相對于已知的解決方案，由于兩個尖端55、56的非常尖的圓錐形狀，電場能夠大幅增強。

事實上，當(dāng)表面電場在大約2×10⁷V/cm^-1的范圍時，來自金屬的電子的顯著發(fā)射發(fā)生。表面電場與應(yīng)用的柵極電壓和場增強因素有關(guān)。增強因素依賴于電子發(fā)射器的幾何結(jié)構(gòu)并且與電子發(fā)射器尖端的半徑負(fù)相關(guān)。因此，尖端越尖，電場越強。

如根據(jù)圖6A-6H所描述的，圖4和圖5的電子發(fā)射結(jié)構(gòu)50可以通過以下工藝步驟被實現(xiàn)。

圖6A示出晶片100，晶片100包含襯底101(例如，高摻雜N型硅)，襯底101具有平面表面101A。(例如，二氧化硅的)第一絕緣層102在襯底101的表面101A上生長或沉積。第一絕緣層102的厚度以便其能夠抵抗柵極電極(見下文)和硅襯底101之間的電壓。例如，對于包括在200nm到600nm之間的腔54的直徑，第一絕緣層102的厚度可以被包括在300nm到1500nm之間。

然后，導(dǎo)電層103沉積在第一絕緣層102上。導(dǎo)電層103(例如，非鐵磁金屬)是高度摻雜的多晶硅或具有高導(dǎo)電率的與真空集成微電子器件的制造兼容的另一個材料。

(例如，二氧化硅的)第二絕緣層104之后沉積在導(dǎo)電層103上。第二絕緣層104的厚度取決于尖端部分51、52的垂直長度(圖4)并且可以是例如300nm-900nm之間，因此獲得圖6A的結(jié)構(gòu)。

此后，圖6B，腔54具有側(cè)壁53以及底部105是通過光刻技術(shù)，使用選擇性各向異性蝕刻形成。如所指示的，腔54是具有圓截面的柱形并且延伸向下至硅襯底101。

此后，圖6C，(例如，氮化硅的)絕緣材料106是被保形地沉積在第二絕緣層104、腔105的側(cè)壁53以及底部105上。絕緣材料106的厚度可以是20-100nm。

此后，圖6D，覆蓋腔54的底部105以及第二絕緣層104的上表面104A的絕緣層106的部分通過各向異性蝕刻被選擇性的移除，這樣為只留下覆蓋腔54的側(cè)壁53的部分，形成垂直絕緣層107。

后續(xù)地，圖6E，使用金屬沉積方法(例如蒸發(fā)、噴濺或CVD)，第一半錐51在腔54內(nèi)形成，。沉積是以傾斜的方式在真空下實現(xiàn)，引起金屬元素(例如，鈦)的原子以相對于垂直襯底101表面101A的垂直平面(圖6E的平行于YZ平面)呈30-60°角來撞擊第二絕緣層104和垂直絕緣層107。例如，沉積在10^-7-10^-5托的壓力下實現(xiàn)。因此，第一半錐51在腔54中在垂直絕緣層107上生長(同樣見圖7A的仰視圖)，其第一尖端55指向襯底101的表面101A。同時，金屬層108在第二絕緣層104上生長并且在腔54的上邊緣積聚。在第一沉積步驟結(jié)束時，金屬層108可以具有在腔直徑的一半到三分之二之間的厚度(例如，100nm-400nm)。

此后，圖6F，通過以與圖6E金屬原子的撞擊角度對稱的撞擊角度(即以圖6F的平面YZ對稱)實現(xiàn)的沉積步驟，第二半錐52在腔54內(nèi)形成。所有其他的參數(shù)都可以相同。因此，如圖7B中所示出的，第二半錐52在第一半錐51前面垂直絕緣層107上形成。因此，第二尖端56形成，指向襯底101的表面101A，并且被粗略地布置在第一尖端55的對面。

同時，隨著第二半錐52的形成，金屬層108均垂直地并且水平地從腔54的上邊緣生長，直到它閉合并且密封后者。因此，作為沉積的副作用，腔54內(nèi)保留了真空。繼續(xù)沉積直到金屬層108達(dá)到500nm的厚度。然后，圖6G，金屬層108被限定以形成閉合部分57；上絕緣層(例如，氧化硅)110被沉積；并且孔117在上絕緣層110和第二絕緣層104中形成，向下至導(dǎo)電層103。

因此，閉合部分57和半錐51、52是彼此集成的并且形成陰極109。

此后，圖6H，充當(dāng)觸點金屬層的鋁層，，沉積在金屬層108上和孔117中，形成金屬塞118。在備選實施例中，當(dāng)需要非常小的觸點區(qū)時，孔可以被另一個材料填充(例如，鎢)。在這種情況下，之后“回蝕”步驟被實現(xiàn)以將金屬塞118外部的鎢移除。如圖8中所示出的，之后，鋁層被限定來形成陰極觸點115和柵極觸點116，陰極觸點115被電力耦合至陰極109，柵極觸點116被電力耦合至金屬塞118。另外，以已知的方式(未示出)，陽極觸點結(jié)構(gòu)在襯底101下形成。

在切割后，獲得電子發(fā)射真空三極管120。

如上文所解釋的，相對于已知的解決方案，所描述的電子發(fā)射真空三極管120能夠產(chǎn)生顯著增強的電場。

通過示出所描述的電子發(fā)射真空二極管120的申請人的仿真具有大約2V的啟動電壓電壓。這個值非常適合用于高功率切換應(yīng)用并且遠(yuǎn)低于具有甚至更小尖端半徑和柵極孔的之前器件的電壓。

歸因于結(jié)構(gòu)的自動對齊與IC技術(shù)的兼容性，所描述的電子發(fā)射真空二極管120也是有利的。。另外，因為金屬層108形成陰極和陰極電極，所描述的結(jié)構(gòu)非常致密。陰極和陰極電極的通過單個金屬層的這種實現(xiàn)，允許實現(xiàn)高集成密度。電子發(fā)射真空二極管120還具有低閾值。

在本真空電子發(fā)射器件的另一個實施例中，如圖9中所示出的，尖端部分形成作為單電子發(fā)射結(jié)構(gòu)122，單電子發(fā)射結(jié)構(gòu)122實質(zhì)上在腔54的側(cè)壁53的整個圓周表面上延伸。

單電子發(fā)射結(jié)構(gòu)122可以在(例如)通過繞其軸旋轉(zhuǎn)晶片100的單沉積步驟期間形成，因此引起金屬原子(例如，鈦)在腔54的整個周圍上撞擊。所有其它參數(shù)可以與上文討論的相同。

因此，電子發(fā)射結(jié)構(gòu)122具有指向腔54底部的圓周尖端123。而且這里，類似于圖6H的實施例，閉合部分57在腔54的上邊緣之上延伸，并且密封腔54。

本真空集成電子器件也可以實現(xiàn)作為二極管、四極管、五極管。

例如，圖10示出二極管150。這里，腔54僅延伸穿過第一層絕緣層102。

圖11示出四極管155。這里，第二導(dǎo)電層156在第二絕緣層104上沉積，并且在其上，第三絕緣層157沉積。另外，第一金屬塞118連接第一導(dǎo)電層103，并且第二金屬塞158連接第二導(dǎo)電層156至四極管155的表面。圖12示出至四極管155的導(dǎo)電部分的觸點結(jié)構(gòu)。

圖13示出作為熱三極管160實現(xiàn)的真空集成電子器件的觸點結(jié)構(gòu)。熱三極管160具有與圖11的四極管155相同的截面結(jié)構(gòu)。這里，形成金屬路徑161來耦合第二導(dǎo)電層115至金屬加熱器(未示出)。金屬路徑161在相對的部分接觸導(dǎo)電層103。通過合適地偏置金屬路徑161，電流流動通過導(dǎo)電層104，導(dǎo)電層104充當(dāng)電阻器加熱。

所有的上述實施例共享上述的優(yōu)點，并且具有通過尖端55、56或圓周尖端123產(chǎn)生的增強電場。

最后，應(yīng)清楚，很多變體和修改可以實現(xiàn)為這里所描述和圖示的器件，所有變體和修改都屬于本發(fā)明的范圍。

例如，通過添加另一個絕緣層和另一個導(dǎo)電層以及相關(guān)觸點，真空集成電子器件也可是五極管。

真空集成電子器件的尖端部分可以是不同的材料，例如鉬、鋅、鍶、鈰、釹。

以上描述的各種實施例能夠被組合來提供另外的實施例。根據(jù)以上的詳細(xì)描述，實施例可發(fā)生這些變化和其他變化?？傊?，在以下權(quán)利要求中，使用的術(shù)語不應(yīng)該被解釋來限制權(quán)利要求為在說明書和權(quán)利要求中公開的的具體實施例，而應(yīng)該被解釋為包含根據(jù)此權(quán)利要求授權(quán)的等價物的全部范圍的所有可能的實施例。相應(yīng)地，權(quán)利要求不被本公開限制。