[发明专利]集成真空微电子器件及其制造方法

说明书

本发明涉及一种新的集成微电子器件（VMD）及其制造方法。真空微电子器件需要有几个独特的三维结构：一个锐利的尖端、该尖端在控制栅极结构内的精确对准（最好是在真空环境内），以及一个收集由此尖端发射出电子的阳极。

本专利申请与美国专利申请第07/555，213号有关，此项申请为IBM代理文件号No.FI9-90-023，是于1990年7月18日同时提交的，其公开的内容可作为本申请的参考文献。

电子系统的设计者们多年来一直在考虑设计和改进半导体器件的方法。

一度成为电子学主要支柱的真空管存在着诸多局限性，如，用机械方法制造在玻璃外壳内的结构防碍器件的小型化和集成化，而且热电子阴极一直有高的电能消耗。近来，在这一领域已有了显著的发展，这为脱离上述限制提供了机会。半导体制造工艺能被用于发展微型的结构并把许多微型结构集成在一起，把这些微型结构与场发射电子源结合在一起，就能生产不需要热阴极的微型真空管结构。这些结构的大小为微米数量级，因而可以把许多器件集成在一个衬底上，就象把许多半导体器件制造在一个芯片上一样。

近来所用的真空微电子器件需要几个独特的三维结构，包括一个真空空间，一个锐利的、最好是半径小于100毫微米的场发射尖端，和此尖端在引出/控制电极结构内的精确对准，真空微电子器件包括一场发射阴极并增加了辅助结构，如，真空空间的延伸区域，与阴极尖端相对的阳极、以及设置在该尖端和阳极间的附加的精确对准的控制电极（该电极可有可无）。

利用这些真空微电子器件的场发射显示元件使用基本的场发射结构和附加的辅助结构，诸如真空空间的延伸区域、与阴极尖端相对的荧光表面，以及用来收集和/或控制电子电流的辅助电极。多组独立的真空微电子器件和/或显示元件能够在制造过程中互相电连接，从而形成集成电路和/或显示器。

真空微电子器件有几个独特的特性。预期它们有亚微微秒的开关速度，有些人认为它们可能是最快的电子器件。这些器件能在从绝对零度到摄氏几百度的范围内工作，该范围原则上由材料的结构所限制。这些微电子器件的结构几乎能够用任何导体和绝缘材料制成。这些器件本征幅射很强。由于它们是由电荷而不是由电流控制，所以非常有效，而使用高场发射体也排除了传统真空器件的热离子发射热丝。

在美国专利第4，721，885号，以及由Ivor    Brodie在IEEE电子器件学报Vol.36，No.11，第2641-2644页上（1989年11月）发表的文章“真空微电子器件的物理条件”中描述了一种场发射微三极管。该三极管由附在一个金属或高导半导体基极电极上的金属锥形物构成。该锥形物的高度为“h”，阴极尖端的曲率半径为“r”。金属阳极由第二绝缘层固定在离锥形物尖端距离为“d”处。锥形尖端位于半径为“a”的圆环中心，此圆环是厚度为“t”的栅极（或第一阳极）。在基极电极和栅电极之间加一合适的正电位差，就在阴极尖端处产生一电场，使电子隧穿通过此尖端进入真空空间而向阳极运动。尖端处的电场和发射出的电子数量可通过改变栅极电位来进行控制。

这些真空微电子器件几乎可以按任何尺寸制造，而且可以作为分立器件使用，不过，它们最好的性能和主要的应用预期是来自极其小型化、大的阵列，以及电路复杂的超大规模集成。

非热离子场发射体、场发射器件和场发射显示器在本领域已为人所共知。由于场发射阴极结构的制造是上述器件共同的关键元件，所以首先论述其工艺。所有材料（绝缘体和导体/场发射体）都是用相当通用的淀积和光刻工艺淀积和制造的，只有特殊的锐利边缘（刃）或点（尖端）结构除外，该结构是所有场发射阴极所共有的。该工艺可大致分为五类。这五类主要按形成锐利的刃或尖端所用的方法来分类。

第一种是最早使用的种类之一，这种方法是靠材料的直接淀积来形成阴极尖端结构的。C.A.Spindt在应用物理杂志第39卷，第7期，3504-3505页（1968）上的论文“薄膜场发射阴极”中给出了这类方法的一个例子。其中，锐利的锥形钼发射体形成在钼阴极层之上、钼阳极层之中的孔内。这两层由一绝缘层分开，该绝缘层在阳极的孔区域内已被腐蚀掉，直到阴极层。锥形物通过同时分别进行钼和铝的垂直和斜角淀积形成在包含阳极和阴极层的旋转着的衬底上。有选择地除去新淀积的铝。美国专利第3，755，704号也公开了类似的内容。