提高spindt型场发射冷阴极阵列发射均匀性的方法

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1、 第19卷第6期 半 导 体 学 报 Vol . 19,No. 6 1998年6月 CH I N ESE JOURNAL OF SEM ICONDUCTORS June, 1998 3 国家自然科学基金资助项目 张友渝 男, 1941年出生,高级工程师,从事真空微电子学研究 江泽流 男, 1939年出生,高级工程师,从事微细加工技术研究 宗婉华 女, 1955年出生,工程师,从事超高速GaA s单片数字电路研究 1997203229收到, 1997206210定稿提高Spindt型场发射冷阴极阵列 发射均匀性的方法3张友渝 江泽流 宗婉华 王文喜 张大立 王民娟(河北半导体研究所 石家庄 05

2、0051)摘要 本文提出采用栅孔直径整匀法以及改进的纵向高阻Si镇流电阻法,提高了Spindt型场发射冷阴极阵列的发射均匀性.EEACC:2560Z, 2320, 2340E1 引言Spindt型场发射冷阴极阵列(FEA)是一种阴极电流密度很高的冷阴极.它也是真空微 电子器件(场发射真空平板显示器、微波真空微电子器件、 真空微电子传感器等)较为理想 的电子源.进一步提高场发射冷阴极阵列的电流密度及降低栅极阈值电压仍然是目前真空 微电子学研究的主要领域之一. 实践表明,在一定的栅极提拉电压Vgs下,场发射冷阴极阵列的阴极电流并不与阵列的 大小成正比.一般认为,在成千上万个尖锥组成的Spindt型

3、场发射冷阴极阵列中,只有一部分尖锥发射电子1, 2.这种发射电流不均匀现象,一方面,限制了场发射冷阴极阵列的阴极电 流及阴极电流密度的提高.另一方面,阵列中个别尖锥发射电流过大,也是引起场发射冷阴 极阵列烧毁的原因之一3.因此,解决场发射冷阴极阵列内各单元电子均匀地发射成为提高 阴极电流密度及可靠性的关键和难点. 图1给出场发射冷阴极阵列(FEA)的结构示意图.根据金属场发射的Fow ler2Nord2hei m理论4,场发射冷阴极阵列中,第j个尖锥的发射电流可以用公式表达为ij1. 5410- 6sj2 j 7exp (-6. 8310773?2j(3. 3910- 4j 7)(1)j=jV

4、gkj(2)图1 FEA结构示意图其中 sj为尖锥顶部的有效发射面积;j是尖锥顶部的电 场强度;7 为尖锥金属的功函数,(y)是Nordhei m函数;Vgkj为栅2尖锥之间的电压;j为场强倍增因子,它的大小取决于栅2尖锥之间的几何结构和尺寸.由(1)式和(2)式, 可以看出,产生场发射冷阴极阵列(FEA)内各单元发射 电流不均匀的原因是:1.场发射冷阴极阵列各单元的几何尺寸不可能绝对 地均匀一致(栅孔直径的大小、 尖锥曲率半径及尖锥高度 等的起伏).而尖锥顶部的场强与该发射单元的几何尺寸密切相关,该单元的发射电流又是 尖锥顶部场强的指数函数.因此各发射单元之间,微小的几何尺寸方面的差别,将导

5、致发射 电流的巨大差异.2.尖锥顶部表面状态的差异(晶粒的大小,晶面指向分布,表面吸附等)产生尖锥顶部 有效功函数的起伏,而场发射电流对于尖锥顶部表面的有效功函数的值又是十分敏感.因 此,尖锥顶部表面状态的差异,也是造成场发射冷阴极阵列发射不均匀的原因之一.Itoh等人5指出,在一定的尖锥成型工艺条件下,尖锥高度和尖锥顶的曲率半径均与栅 孔直径有关.由于光刻版图的不均匀性及光刻工艺过程本身引入栅孔直径的起伏,将导致尖锥高度和尖锥顶的曲率半径的不均匀. Bestui等人6为了克服光刻圆阵列图形直径的分散, 人为地采用由直径分别为1100、1105、1110和1115m的子阵列组成的圆阵列光刻掩模

6、,以 克服光刻工艺过程本身引入的圆阵列直径的起伏.虽然这种方法可以确保每个子阵列总有 一个尖锥正常发射电子,提高了整个场发射冷阴极阵列发射的均匀性,但确降低了整个阵列 的点阵密度.Borel等人7和M eyer8分别提出采用纵向和侧向串联电阻法,以改善阴极阵列内各单 元之间发射电流的均匀性. Itoh等人指出9,采用侧向串联电阻法时,由于电流路经的不同, 与各个尖锥串联的电阻其阻值与尖锥在阵列中的位置有关.此外,与侧向串联电阻连接的金 属互连网格需要占据一定的面积,降低了阵列点阵密度,这对进一步提高阴极阵列的电流密 度十分不利.为此,一方面,我们采用栅孔直径整匀术,改善栅孔直径本身的均匀性以及

7、尖锥高度和 尖锥顶部曲率半径的均匀性,以便减少各发射单元伏安特性曲线的分散.另一方面,为进一 步提高阴极阵列内各单元之间发射电流的均匀性,我们在每一个尖锥下制作一个纵向串联 电阻R. L evine10指出,当采用微米量级厚度的电阻层时,由于侧向串联电阻的电长度较纵 向串联电阻长,侧向串联电阻的热击穿和电击穿强度均高于纵向串联电阻,因此认为侧向串联电阻法优于纵向串联电阻法.为了克服纵向串联电阻法的这个缺点,我们采用了几十微米 厚的高阻Si作为纵向串联电阻层.采用纵向串联电阻结构,不需要设置与之互连的金属网 格.因而在点阵间距一定的条件下,可获得最高的点阵密度.而且各个纵向串联电阻的阻值 均匀一

8、致.此串联电阻产生的电流负反馈作用,可进一步改善阵列内各单元之间发射电流的 均匀性.234 半 导 体 学 报 19卷2 实验原理2. 1 栅孔直径整匀法 图2(见图版I)给出了采用倾角旋转蒸发法提高栅孔直径均匀性的原理图. W Si栅金属图3 Si O2光刻窗口直径 的分布图层上的Si O2作为补偿层.首先,在Si O2层上用光刻 法制作栅孔阵列图形.假设其孔径分布为高斯分布, 如图3所示. Si O2层上直径为 j的圆孔的概率p1(j) 为p1(j) =1 2 1exp (-(j-0)2221)(3)其中 j为阵列中第j个圆孔的直径;0为圆孔直径 的平均值;1为方差.然后,采用倾角为 的旋

9、转蒸发 法,在片子上蒸发薄的N i层(0)的圆孔,在以倾角为 的旋转蒸发N i层之后,未被N i蒸发层复盖的小孔直径为 2,则 2的值为:(1+2)?2 =htg ()(5)2= 2htg () -1= 20-1(6)0-2=0-(20-1) =1-0(7)由(7)式可知,凡直径大于 0的Si O2圆孔.在蒸发N i层之后,W Si栅金属裸露部分的直径为 2.在图3中,2的位置正是以 0为对称轴时 1的对称点.对于 10的Si O2孔,则2仍等于原孔径 1.因此,在倾斜蒸发N i层之后,用N i层作掩蔽层刻蚀出的W Si栅孔阵列,其直径的分布类似于截断的半高斯分布:在0j0区域内,p2(j)

10、=2 21exp (-(j-0)2221)(8)在 j0区域内p2(j) = 0(9)显然,这种分布提高了场发射冷阴极阵列栅孔直径的均匀性.通常Spindt场发射冷阴极阵列的尖锥是以栅孔为模板,采用自封闭尖锥成形法制作的.所以,尖锥高度和尖锥顶的曲率半径不仅与所采用的工艺设备和工艺条件有关,而且与栅孔直径 j、 栅金属的厚度t以及Si O2介电隔离层高度有关.因此,在一定的栅金属厚度t和Si O2介电隔离层高度H0情况下,我们可以假设尖锥顶的曲率半径rj与 j栅孔直径成正比:rj=j(10)根据文献11,尖锥顶的场强可以近似地表示为:3346期 张友渝等: 提高Spindt型场发射冷阴极阵列发

11、射均匀性的方法 j=Vgkj rjln (4j?t)(11)其中 t为栅金属的厚度.阴极电流I可以表达为:I=nj= 1p(j)ij(j)(12)其中 n是场发射冷阴极阵列的点阵数.由于一般场发射冷阴极阵列的n值很大,所以(12) 式可以近似地表达为I=0np(j)ij(j)dj(13)根据(1)(3)式和(8)(13)式,根据我们所用的光刻掩模、 光刻设备和工艺条件,我 们取常数 0= 018m、 = 0105m、 7= 411eV、 010125m、t= 0125m、n= 2500代入上述图4 FEA阴极电流分布图各式,可以得到场发射冷阴极阵列中所有栅孔直 径为 j单元的发射电流之和IE与

12、栅孔直径的关 系(图4).图4中,曲线a为栅孔直径的高斯分布 曲线p1(j);曲线b表示栅孔直径 j为高斯分布 时的np1(j)ij(j)与 j关系.曲线c表示栅孔直径j为截断的半高斯分布时np2(j)ij(j)与 j的关系.曲线b和曲线c所包围的面积分别表示栅孔 直径为高斯分布和栅孔直径为截断的半高斯分布 时的阴极电流.从图4中可以看出,曲线c所包围 的面积比曲线b所包围的面积大,而且栅孔直径 大于 0的单元对阴极总电流的贡献甚少.这说明采用栅孔整匀法可以提高阴极电流和阴极电流密 度.粗略地讲,假设栅孔直径 j0的单元不发射电子,而只有栅孔直径 j0的单元发射电子,那末,经过栅孔整匀之后,栅

13、孔直径 j0的单元数将增加约一倍.因此,在同样栅压Vg下,阴极电流最大可增加约一倍.2. 2 Si电阻的镇流原理 为了进一步提高阵列内各发射单元发射电流的均匀性,在发射极尖锥下设置一个高阻Si层,作为每个阴极尖锥与地之间的串联电阻.图5(见图版I)给出阵列内各个发射单元的 伏安特性曲线的示意图.当栅2阴之间电压Vgs为一定值时,各个发射单元的发射电流分别为ij,则在电阻R两端的电压为ijR.在各个栅2尖锥之间的电压为Vgkj,则有VgsVgs=Vgkj+iR(14)ij=Vgs-Vgkj R(15)因此,在图5中,斜率为- 1?R的直线a与各个发射单元的伏安特性曲线交点的纵坐标即为各个发射单元

14、的发射电流ij,阴极的总电流I应为:I=nj= 1ij(16)其中 n为阵列的点阵数. 由图5可以看出,引入串联电阻R,明显地减少了各个发射单元之间的发射电流的差434 半 导 体 学 报 19卷.异.也限制了个别单元发射过大的电流.当串联电阻R的值越大,则各个发射单元之间的发射电流的差别越小.但是过大的R值将过分地减少Vgkj的值.因此选择适当的串联电阻R 的值,是十分重要的.3 实验方法实验样品采用N-?N+硅外延片,外延高阻N-层作为纵向电阻.其电阻率 3008 cm ,厚度为60m.厚度0186m的热氧化法生长的Si O2层,作为栅2阴之间的介质隔离层. 采用磁控溅射法,在热氧化法生长

15、的Si O2上,淀积0125m厚的W Si合金层和01275m厚的Si O2层. W Si合金层作为栅金属,W Si上的Si O2作为光刻的补偿层.采用接触式曝光法和R IE干法刻蚀工艺,在Si O2层上光刻出栅孔阵列图形.在小样品上,用扫描电镜测定Si O2层上园孔直径的平均值 0,确定旋转蒸发的倾角 ,然后,在电阻加热蒸发台内,倾角旋转蒸发N i .以N i层作为掩蔽层,用R IE干法刻蚀工艺,在W Si层上刻蚀出栅孔阵列.以W Si为掩膜,用缓冲HF酸溶液,将W Si栅孔内的Si O2介质隔离层腐蚀干净(补偿层同时也 被腐蚀干净).倾角旋转蒸发A l牺牲层,再淀积M o金属尖锥.最后,用盐酸溶液剥离掉W Si 层上的M o,制成Spindt型场发射冷阴极阵列.4 实验结果图6(见图版I)给出采用本文的两种技术和未采用两种技术制作的Spindt型FEA伏安特性的比较.由图6可以看出,用常规Spindt法制作的FEA ,在同样的Vgs下,其电流较小,而用本法制作的FEA ,电流较大;由于用本法制作的FEA ,存在串联电阻,所以其伏安特性 的微分电阻较前者大.测定每组阵列的电特性,其伏安特性一致性较好.在栅压40伏下,阴极电流为1mA ,阴极电流密度达116A?cm2.未采用上述两种方法的样品,阴极电流密度仅为015018A?cm2,这说明采用上述两种技术可以