DE69027611T2

DE69027611T2 - Herstellungsverfahren und struktur einer integrierten vakuum-mikroelektronischen vorrichtung

Info

Publication number: DE69027611T2
Application number: DE69027611T
Authority: DE
Inventors: Stephen Zimmerman
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1990-07-18
Filing date: 1990-10-17
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2010-10-18
Also published as: WO1992002030A1; MY106893A; AU7849391A; DE69027611D1; US5569973A; US5463269A; TW209304B; KR950001486B1; CN1058294A; EP0544663A1; EP0544663B1; JPH0799666B2; CN1023162C; JPH05507579A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein neues integriertes mikroelektronisches Vakuum-Bauelement (VMD) und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Mikroelektronische Vakuum-Bauelemente erfordern verschiedene charakteristische dreidimensionale Strukturen: eine spitz zulaufende Feldemissionsspitze, eine präzise Justierung der Spitze innerhalb einer Steuergitterstruktur vorzugsweise in einer Vakuumumgebung und eine Anode, um von der Spitze emittierte Elektronen zu sammeln.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Konstrukteure von elektronischen Systemen haben viele Jahre lang über Wege zur Konstruktion und Verbesserung von Halbleiterbauelementen nachgedacht. Die Vakuumröhre, einst die Hauptstütze der Elektronik, besaß Beschränkungen, wie die mechanisch hergestellten Strukturen innerhalb der Glasumhüllung, die eine Miniaturisierung und Integration verhinderten, und die thermionische Kathode, welche die Leistungsaufnahme hoch hielt. In letzter Zeit gab es beträchtliche Entwicklungen auf diesem Gebiet, welche die Möglichkeit bieten, von den vorstehenden Einschränkungen loszukommen. Halbleiterfertigungstechniken können nun dazu verwendet werden, Strukturen in Mikrominiaturform zu entwickeln und viele derselben zusammen zu integrieren. Bei Kombination dieser Mikrominiaturstrukturen mit einer Feldemissionselektronenquelle können nunmehr Mikrominiatur-Vakuumröhrenstrukturen erzeugt werden, die keine geheizten Kathoden erfordern.
Diese Strukturen, deren Abmessung in der Größenordnung von Mikrometern liegt, erlauben die Integration vieler Bauelemente auf einem einzigen Substrat, ebenso wie viele Halbleiterbauelemente auf einem einzigen Chip erzeugt werden.
Die mikroelektronischen Vakuum-Bauelemente, die gegenwärtig in Gebrauch sind, erfordern verschiedene charakteristische dreidimensionale Strukturen, die einen Vakuumraum, eine spitz zulaufende Feldemissionsspitze mit einem Radius von vorzugsweise weniger als 100 nm und die präzise Justierung der Spitze innerhalb einer Extraktions-/Steuerelektrodenstruktur beinhalten. Mikroelektronische Vakuum-Bauelemente beinhalten eine Feldemissionskathode und fügen zusätzliche Strukturen hinzu, wie eine Erweiterung des Vakuumraums und eine Anode, die der Kathodenspitze gegenüberliegt, und es können zusätzliche präzise justierte Steuerelektroden zwischen der Spitze und der Anode angeordnet sein oder auch nicht.
Die Feldemissions-Anzeigeelemente, die diese mikroelektronischen Vakuum-Bauelemente einsetzen, verwenden die grundlegende Feldemissionsstruktur und fügen zusätzliche Strukturen hinzu, wie eine Erweiterung des Vakuumraums, eine Phosphor-Oberfläche, die der Kathodenspitze gegenüberliegt, und zusätzliche Elektroden, um den Elektronenstrom zu sammeln und/oder zu steuern. Gruppen von einzelnen mikroelektronischen Vakuum-Bauelementen und/oder Anzeigeelementen können während der Fertigung elektrisch miteinander verbunden werden, um integrierte Schaltkreise und/oder Anzeigevorrichtungen zu bilden.
Mikroelektronische Vakuum-Bauelemente weisen verschiedene charakteristische Merkmale auf. Es wird von ihnen erwartet, daß die Schaltgeschwindigkeiten im Subpikosekundenbereich besitzen, und es wird von einigen angenommen, daß sie die schnellstmöglichen elektronischen Bauelemente sind. Sie arbeiten bei Temperaturen, die im Bereich von nahe dem absoluten Nullpunkt bis zu hunderten von Grad Celsius liegen, prinzipiell nur durch ihre Herstellungsmaterialien beschränkt. Diese Strukturen können aus nahezu jeglichem Leiter- und Isolatormaterial bestehen. Sie sind intrinsisch strahlungsbeständig. Außerdem sind sie sehr effizient, da die Steuerung durch Ladung und nicht durch einen Stromfluß erfolgt, und die Verwendung von Hochfeldemittern eliminiert die Heizelemente für die thermionische Emission traditioneller Vakuum-Bauelemente.
Im US-Patent Nr. 4 721 885 und außerdem in einem von Ivor Brodie veröffentlichten Artikel "Physical Considerations in Vacuum Microelectronics Devices", IEEE Transactions on Electron Devices, Bd. 36, Nr. 11, Seiten 2641 bis 2644 (November 1989) ist eine Feldemissions-Mikrotriode beschrieben. Die Triode besteht aus einem Metallkegel, der an einer Basiselektrode aus Metall oder einem Halbleiter hoher Leitfähigkeit angebracht ist. Die Höhe des Kegels ist als "h" gegeben, der Krümmungsradius an der Kathodenspitze ist "r". Eine Metallanode ist durch eine zweite isolierende Schicht in einem Abstand "d" von der Spitze des Kegels gehalten. Die Kegelspitze befindet sich im Mittelpunkt einer kreisförmigen Öffnung mit einem Radius "a" in einer Gate-(oder ersten Anoden-) Elektrode mit der Dicke "t". Wenn die geeignete positive Potentialdifferenz zwischen der Basis-Elektrode und der Gate-Elektrode angelegt wird, wird ein elektrisches Feld an der Kathodenspitze erzeugt, das es Elektronen erlaubt, durch die Spitze in den Vakuumraum zu tunneln und in Richtung der Anode zu wandern. Das Feld an der Spitze und folglich die Menge an emittierten Elektronen kann durch Variieren des Gate-Potentials gesteuert werden.
Während diese mikroelektronischen Vakuum-Bauelemente in nahezu jeder Größe gefertigt werden können und Anwendungsmöglichkeiten als diskrete Bauelemente haben können, wird angenommen, daß ihre beste Leistungsfähigkeit und Hauptanwendung für extreme Miniaturisierung, große regelmäßige Anordnungen und komplexe Höchstintegration von Schaltkreisen vorliegt.
Nicht-thermionische Feldemitter, Feldemissionsbauelemente und Feldemissions-Anzeigen sind auf dem Fachgebiet sämtlich bekannt. Da die Fertigung der Feldemissionskathodenstruktur ein kritisches Element ist, das den erwähnten Bauelementen gemeinsam ist, wird auf ihr Fachgebiet zuerst eingegangen. Das Material (Isolatoren und Leiter/Feldemitter) wird durch relativ übliche Depositions- und lithographische Prozeßtechniken aufgebracht und bearbeitet, mit der einzigen Ausnahme einer speziellen scharfkantigen (Klingen-) oder punktförmigen (Spitzen-) Struktur, die allen Feldemissionskathoden gemeinsam ist. Die Technik kann grob in fünf Kategorien eingeteilt werden, und diese Kategorien werden hauptsächlich durch die zur Bildung dieser scharfen Klinge oder Spitze verwendeten Verfahren unterschieden.
Die erste Kategorie ist eine der frühesten Kategorien, bei der die Kathodenspitzenstruktur durch die direkte Deposition des Materials erzeugt wird. Ein Beispiel dieses Typs ist in einer Veröffentlichung von C. A. Spindt, IVA Thin-Film Field-Emission Cathode", J. Appl. Phys., Bd. 39, Nr. 7, Seiten 3504 bis 3505 (1968) veranschaulicht, in der spitz zulaufende, kegelförmige Emitter aus Molybdän innerhalb von Öffnungen in einer Anodenschicht aus Molybdän und auf einer Kathodenschicht aus Molybdän gebildet werden. Die zwei Schichten sind durch eine isolierende Schicht getrennt, die in den Gebieten der Öffnungen in der Anodenschicht bis hinunter zu der Kathodenschicht weggeätzt wurde. Die Kegel werden durch gleichzeitige Deposition von Molybdän beziehungsweise Aluminiumoxid senkrecht und in steilem Winkel auf das rotierende Substrat, das die Anoden- und Kathodenschichten enthält, erzeugt. Das neu aufgebrachte Aluminiumoxid wird selektiv entfernt. Eine ähnliche Arbeit wurde außerdem im US-Patent Nr. 3 755 704 offenbart.
Eine zweite Kategorie ist die Verwendung von orientierungsabhängigem Ätzen von einkristallinen Materialien, wie Silicium. Das Prinzip des orientierungsabhängigen Ätzvorgangs besteht darin, vorzugsweise eine spezielle kristallographische Fläche eines Materials anzugreifen. Durch Verwenden von einkristallinen Materialien, die mit einem Maskierungsmaterial strukturiert sind, werden die anisotrop geätzten Gebiete durch die langsam geätzten Flächen begrenzt, die sich an gut definierten Kanten und Punkten der grundlegenden kristallographischen Form des Materials schneiden. Eine geeignete Kombination von Ätzen, Material und Orientierung kann zu sehr scharf definierten Punkten führen, die als Feldemitter verwendet werden können. Das US-Patent Nr. 3 665 241, das für Spindt et al. erteilt wurde, ist ein Beispiel für dieses Verfahren, bei dem eine Ätzmaske mit einer oder mehreren Inseln über einem einkristallinen Material angeordnet wird, das dann unter Verwendung eines Ätzmittels geätzt wird, das einige der kristallographischen Ebenen des Materials schneller ätzt als die anderen, was Ätzprofile erzeugt, die durch die langsam geätzten Ebenen begrenzt sind (ein orientierungsabhängier Ätzvorgang). Da die langsam geätzten Ebenen unter dem Mittelpunkt der Maske zusammenlaufen, werden geometrische Formen mit mehreren Facetten mit spitz zulaufenden Kanten und Punkten gebildet, deren Gestalt durch das Atzmittel, die Orientierung des Kristalls und die Gestalt der Maske festgelegt ist. Ein orientierungsabhängiger aniostroper Ätzvorgang kann auch, wenngleich ein eingeführtes Verfahren zur Erzeugung von Spitzen, dadurch einen nachteiligen Effekt haben, daß es diese spitz zulaufenden Spitzen stumpf macht (oder den Radius der Kathodenspitze reduziert), wodurch ihre Effektivität als Feldemitter reduziert wird, wie von Cade, N. A. et al. "Wet Etching of Cusp Structures for Field-Emission Devicesvv, IEEE Transactions on Electron Devices, Bd. 36, Nr. 11, Seiten 2709 bis 2714 (November 1989) erörtert.
Eine dritte Kategorie verwendet isotrope Atzvorgänge, um die Struktur zu erzeugen. Isotrope Ätzvorgänge ätzen gleichmäßig in allen Richtungen. Bei Maskierung wird die Maskenkante der Mittelpunkt eines Bogens, der das klassische isotrope Ätzprofil unter dem Maskierungsmaterial umreißt. Der Radius des Bogens ist gleich der Ätztiefe. Ätzen um eine isolierte maskierte Insel herum erlaubt es dem Ätzprofil, zum Mittelpunkt der Maske hin zusammenzulaufen, wobei eine spitz zulaufende Spitze aus dem ungeätzten Material zurückbleibt, die als ein Feldemitter verwendet werden kann. Ein Beispiel dafür ist im US-Patent Nr. 3 998 678 veranschaulicht, das für Shigeo Fukase et al. erteilt wurde. Ein Emittermaterial wird unter Verwendung von Inseln aus einem lithographisch gebildeten und ätzbeständigen Material maskiert. Das Emittermaterial wird mit einem isotropen Ätzmittel geätzt, das ein isotropes Ätzprofil erzeugt (kreisförmiges vertikales Profil mit einem Radius, der sich von der Kante aus unter das Resist erstreckt). Wenn das Ätzprofil unter dem Mittelpunkt der Maske von allen Seiten her zusammenläuft, ergibt sich ein spitz zulaufender Punkt oder eine spitz zulaufende Spitze.
Eine vierte Kategorie verwendet Oxidationsprozesse zur Bildung des mikroelektronischen Vakuum-Bauelementes. Oxidationsprozesse erzeugen eine Spitze durch Oxidieren des Emittermaterials. Oxidationsprofile unter Oxidationsmasken sind im Grunde genommen identisch mit isotropen Ätzprofilen unter Masken und bilden die gleiche Spitzenstruktur, da die Profile unter einer kreisförmigen Maske zusammenlaufen. Wenn das oxidierte Material entfernt ist, kann die nicht oxidierte Spitze als ein Feldemitter fungieren. Das US-Patent Nr. 3 970 887, das für Smith et al. erteilt wurde, veranschaulicht diesen Prozeß. Es wird ein Substrat aus einem Elektronenemissionsmaterial, wie Silicium, verwendet. Eine thermisch aufgewachsene Oxidschicht wird auf dem Substrat aufgewachsen und wird dann lithographisch strukturiert und geätzt, um zu einer oder mehreren Inseln aus Siliciumdioxid zu führen. Das Substrat wird dann reoxidiert, wobei während dieses Vorgangs die Inseln aus zuvor gebildetem Oxid dahingehend wirken, daß sie die Oxidation des Siliciums unter ihnen signifikant verzögern. Das resultierende Oxidationsprofil ist dem isotropen Ätzprofil sehr ähnlich und läuft in ähnlicher Weise unter den Inseln zusammen, wobei ein spitz zulaufendes Punktprofil im Silicium zurückbleibt, das durch Entfernen des Oxides freigelegt werden kann. Ein anderes Maskierungsmaterial, wie Siliciumnitrid, kann dazu verwendet werden, in ähnlicher Weise die Oxidation zu verzögern und das gewünschte Profil mit spitz zulaufender Spitze zu erzeugen.
Eine fünfte Kategorie ätzt eine Vertiefung, die das Inverse der gewünschten spitz zulaufenden Gestalt darstellt, in ein Opfermaterial, das als Form für das Emittermaterial verwendet und dann durch Ätzen entfernt wird. Das US-Patent Nr. 4 307 507, das für Gray et al. erteilt wurde, veranschaulicht eine begrenzte Ausführungsform dieser Technik. Es werden lithographisch Öffnungen in einem Maskierungsmaterial auf einem einkristallinen Siliciumsubstrat erzeugt. Das Substrat wird durch die Maskenöffnungen orientierungsabhängig geätzt, wobei Atzvertiefungen mit dem Inversen der gewünschten spitz zulaufenden Gestalt erzeugt werden. Die Maske wird entfernt, und eine Schicht aus Emissionsmaterial wird über der Oberfläche aufgebracht; wobei die Vertiefungen gefüllt werden. Das Silicium der Form wird dann weggeätzt, wobei die spitz zulaufenden Ebenbilder der Vertiefungen freigelegt werden, deren spitz zulaufende Punkte als Feldemitter verwendet werden können.
Alle oben erwähnten Techniken zur Emittererzeugung weisen verschiedene Beschränkungen auf. Ein orientierungsabhängiger Ätzvorgang erfordert die Verwendung eines Substrates aus einkristallinem Emittermaterial. Die allermeisten von ihnen erfordern, daß das Substrat aus dem Emittermaterial gefertigt oder mit demselben beschichtet ist. Die allermeisten von ihnen bilden zuerst den Emitter, was die Fertigung der nachfolgenden Elektrodenschichten und des Vakuumraums, der für ein vollständig funktionierendes mikroelektronisches Vakuum-Bauelement benötigt wird, komplizierter macht.
Manchmal erzeugt das verwendete Verfahren oder der spezielle Prozeßbereich keine Feldemissionsspitzen mit ausreichend kleinem Radius. Das Fachgebiet umfaßt einige Verfahren, durch welche die Spitze geschärft werden kann, um diesen Radius weiter zu reduzieren. In einer Veröffentlichung von Campisi et al., "Microfabrication Of Field Emission Devices For Vacuum Integrated Circuits Using Orientation Dependent Etching", Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Bd. 76, Seiten 67 bis 72 (1987) wird die Schärfung von Siliciumspitzen durch langsames Ätzen derselben in einem isotropen Ätzmittel berichtet. Eine weitere Veröffentlichung mit dem Titel "A Progress Report On The Livermore Miniature Vacuum Tube Project" von W. J. Orvis et al., IEDM 89, Seiten 529 bis 531 (1989) berichtet die Schärfung von Siliciumspitzen durch thermisches Oxidieren derselben und anschließendes Weggätzen des Oxides. Das US-Patent Nr. 3 921 022 offenbart außerdem ein neuartiges Verfahren zur Bereitstellung von mehreren Spitzen oder von Spitzensätzen an der Spitze eines kegelförmigen oder pyramidenförmi gen Feldemitters.
Auf dem Fachgebiet wurde über verschiedene Prozesse berichtet, die VMD-Strukturen mit zwei oder drei Elektroden erzeugen. Als ein Beispiel beschreibt eine Veröffentlichung mit dem Titel "A Progress Report On The Livermore Miniature Vacuum Tube Project" von Orvis et al., IEDM, Seiten 529 bis 531 (1989) einen Prozeß, bei dem Siliciumemitter, die entweder durch orientierungsabhängiges oder isotropes Ätzen erzeugt wurden, verwendet werden. Lithographisch strukturierte Anoden- und Gitterschichten aus dotiertem Polysilicium sind durch Schichten aüs Glas mit niedriger Dichte von dem Emitter und voneinander getrennt.
Es ist nunmehr möglich, wie in Busta, H. H. et al. "Field Emission from Tungsten-Clad Silicon Pyramids", IEEE Transactions on Electron Devices, Bd. 36, Nr. 11, Seiten 2679 bis 2685 (November 1989) veranschaulicht, eine Beschichtung oder Verkleidung auf diesen Kathodenspitzen oder -pyramiden zu verwenden, um die Eigenschaften der Kathodenspitze zu verbessern oder zu modifizieren.
In diesem Entwicklungsfeld von mikroelektronischen Vakuum-Bauelementen wurde auf dem Fachgebiet außerdem begonnen zu zeigen, wie diese Feldemissionskathoden und Extraktionselektroden in einer praktischen Anwendung, wie in einer Anwendung für eine Anzeige, verwendet werden können. Das US-Patent Nr. 4 857 799, das für Spindt et al. erteilt wurde, erläutert, wie ein Substrat, das Feldemitter und Extraktionselektroden enthält, mit einen separaten, transparenten Fenster verbunden werden kann, das Anodenleiterelemente und Phosphorstreifen enthält, wobei diese sämtlich zusammenarbeiten können, um eine Farbanzeige zu bilden. Eine weitere Farbanzeigevorrichtung, die eine Struktur vom vakuum-mikroelektronischen Typ verwendet, wurde im US-Patent Nr. 3 855 499 patentiert.
Diese Patentanmeldung offenbart außerdem einen Ätzprozeß, der die unerwünschte Unterätzung für ein mikroelektronisches Vakuum-Bauelement signifikant reduzieren kann, während er weiterhin die Bildung von Brückenstrukturen erlaubt.
Zusammengefaßt bestehen typische mikroelektronische Vakuum-Feldemissionsbauelemente aus einer spitz zulaufenden Kathode, die von einer Steuer- und/oder Extraktionselektrode umgeben ist und zu einer Anodenoberfläche hin weist. Die Kathodenspitze kann ein Spitzen- oder ein Klingen-Profil besitzen. Eine der Schlüsseltechnologien bei der Fertigung dieser Bauelemente ist die Bildung der spitz zulaufenden Feldemissions(Kathoden)-Spitze, die vorzugsweise einen Radius in der Größenordnung von 10 nm bis 100 nm aufweist. Die üblichsten Verfahren zur Bildung umfassen orientierungsabhängiges Ätzen, isotropes Atzen und thermische Oxidat ion.

ZUSAMMENFASSUNG UND AUFGABEN DER ERFINDUNG

In einem Aspekt offenbart diese Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von wenigstens einem integrierten mikroelektronischen Vakuum-Bauelement, wie in Anspruch 1 dargelegt.
In einem weiteren Aspekt offenbart diese Erfindung ein integriertes mikroelektronisches Vakuum-Bauelement, wie in Anspruch 10 dargelegt.
Das integrierte mikroelektronische Vakuum-Bauelement dieser Erfindung kann außerdem wenigstens eine Emitterspitze aufweisen, die von einer weiteren Spitze elektrisch isoliert ist, oder es kann wenigstens eine Spitze mit einer weiteren elektronischen Komponente elektrisch verbunden sein. In ähnlicher Weise kann die Anode ein Teil einer elekronischen Anzeigevorrichtung sein, oder das Bauelement selbst kann in einer elektronischen Anzeigevorrichtung verwendet werden.
Außerdem kann ein Produkt durch das Verfahren dieser Erfindung gefertigt werden.
Eine Aufgabe dieser Offenbarung besteht darin, ein oder mehrere mikroelektronische Vakuum-Bauelemente zu fertigen, die aus einer Feldemitterspitze bestehen, die innerhalb einer Steuerelektrode (Gate) und diametral entgegengesetzt zu einer Elektronensammelelektrode (Anode) justiert ist.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, den grundlegenden Prozeß zu modifizieren, um einfachere Diodenstrukturen zu erzeugen, die ohne Gate-Strukturen funktionieren.
Noch eine weitere Aufgabe besteht darin, zusätzliche Gate-Strukturen hinzuzufügen, um komplexere Bauelemente zu bilden, wie zum Beispiel Tetroden (zwei Gates), Pentoden (drei Gates), um ein paar wenige zu nennen.
Noch eine weitere Aufgabe besteht darin, die unproduktive Unterätzung dieses Verfahrens durch Verwenden einer neuartigen zweistufigen Ätzabfolge zu begrenzen.
Und noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, wenigstens eines der VMD-Bauelemente in integrierte Schaltkreise hinein zu verbinden.
Noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, wenigstens eines der VMD-Bauelemente mit einem weiteren elektronischen Bauelement zu verbinden.
Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung können unter Verwendung eines neuartigen Fertigungverfahrens gelöst werden, bei dem die konforme Deposition eines Isolators in einer Öffnung eine symmetrische Spitze erzeugt, die als eine Form verwendet werden kann, um eine punktförmige oder spitz zulaufende Feldemissionsspitze zu bilden. Da es lediglich die physikalische Öffnung ist, die es erlaubt, daß die Spitze gebildet wird, kann die Öffnung aus irgendeinem beliebigen stabilen Material heraus erzeugt werden, das geschichtete, alternierende Stapel aus Leitern und Isolatoren umfaßt, die als die Elektroden des fertiggestellten Bauelementes wirken können. Zum Beispiel bilden zwei Elektroden (Anode und Emitter) eine einfache Diode, während drei, vier und fünf Elektroden eine Triode, Tetrode beziehungsweise Pentode bilden. Des weiteren ist die Spitze, da sie innerhalb der Mitte der Öffnung selbstjustiert ist, außerdem zur Mitte dieser Elektroden justiert. Die grundlegende Bauelementstruktur wird durch Füllen der Spitze mit einem Material, das in der Lage ist, unter dem Einfluß eines elekrischen Feldes Elektronen zu emittieren, oder mit einem Elektronen emittierenden Material fertiggestellt. Zugriffsöffnungen, die in dem Elektronen emittierenden Material erzeugt wurden, erlauben die Entfernung des Isolators der die Spitze bildenden Schicht aus der Öffnung und von unterhalb des Emittermaterials, wodurch ein Raum gebildet und die spitz zulaufende Spitze des Emitters (Feldemissionskathode), die durch die Spitze geformt wurde, freigelegt wird.
Das Verfahren ist nicht auf irgendeinen speziellen Satz von Emitter-, Leiter- oder Isolatormaterialien beschränkt. Viele verschiedene Materialien und Materialkombinationen können mit diesem Prozeß ohne weiteres verwendet werden.
Die Entfernung des Spitzenisolatormaterials zur Erzeugung einer sauberen Enitterspitze resultiert in der Entfernung von Material von unter dem Emitter, um die Spitze freizulegen, was die Verwendung zum Beispiel eines isotropen Ätzvorgangs erfordert. Die alleinige Verwendung von isotropem Ätzen würde eine übermäßige, unproduktive Unterätzung erzeugen. Diese unproduktive Unterätzung dient lediglich dazu, die Struktur zu schwächen und unnötigen Raum einzunehmen. Um diese Beschränkung zu eliminieren, wird ein neuartiger zweistufiger Ätzprozeß verwendet, um diese unproduktive Unterätzung zu minimieren. Bei diesem Prozeß werden zwei Zugriffsöffnungen, eine auf jeder Seite der Emitterbrücke, die den Vakuumraum überspannt, hergestellt. Diese Zugriffsöffnungen überlappen absichtlich mit der Vakuumraumöffnung. Diese Zugriffsöffnungen erlauben des weiteren, daß die Ätzmittel für den Spitzenisolator den Vakuumraum ausräumen. Ein reaktiver Ionenätzvorgang (RIE) wird verwendet, um den Isolator bis ganz hinunter zum Boden der Vakuumraumöffnung ohne Unterätzung selektiv zu ätzen Ein selektiver isotroper Ätzvorgang (naß oder mit Plasma) wird dann dazu verwendet, die Isolatorzwischenwand von unter der Brücke zu entfernen, wodurch die Emitterspitze freigelegt und die Öffnung für den Vakuumraum erzeugt oder eine Kammer gebildet wird. Die resultierende Unterätzung auf weiteren freigelegten Isolatorkanten ist auf ein Maß beschränkt, das gleich der Hälfte der Dicke der Zwischenwand ist, da sie von beiden Seiten geätzt wird.
Da die Elektroden aus einfachen Leitern bestehen, kann die Bauelementverbindung unter Verwendung der gleichen Schichten und vertikal durch Durchkontaktlöcher in den Isolatoren ausgeführt werden. Dies eliminiert die zusätzlichen Verdrahtungsschichten und vereinfacht Gesamtfertigung, Durchlaufdauer und Bauelementfläche durch Reduzieren der durchschnittlichen Anzahl von Bauelementkontaktöffnungen beträchtlich.
Passive Bauelemente sind ebenfalls leicht herstellbar. Zum Beispiel können Kondensatoren über die normalen isolierenden Schichten hinweg hergestellt werden, was sogar eine vertikale kapazitive Kopplung von Schichten erlaubt (z.B. die Platte eines Bauelements mit der Gitterebene eines anderen), und können außerdem in einem Substrat unter Verwendung von Grabentechniken integriert werden. Die Verwendung von Metalloxiden ist ein gutes Beispiel für Widerstandselemente und diese können ebenfalls zwischen vertikalen Leiterebenen oder als separate Elemente gefertigt werden.
Weitere Vorteile und Merkmale werden offensichtlich, wenn die vorliegende Erfindung durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung unter Betrachtung in Verbindung mit den be gleitenden Zeichnungen besser verständlich wird.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Merkmale der Erfindung, die als neuartig angesehen werden, und die Elemente, die charakteristisch für die Erfindung sind, sind in Ausführlichkeit in den beigefügten Ansprüchen dargelegt. Die Zeichnungen dienen lediglich der Erläuterung und sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Die Erfindung selbst ist jedoch sowohl hinsichtlich der Ausgestaltung als auch des Betriebsverfahrens am besten durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung verständlich, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen zu sehen ist, in denen:
Figur 1A eine Querschnittsansicht einer Basis eines VMD mit einer leitfähigen Schicht über einem isolierenden Substrat ist.
Figur 1B eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer Basis eines VMD mit einer leitfähigen Schicht und einer Isolatorschicht über einem leitfähigen Substrat ist.
Figur 2 eine Querschnittsansicht der Basis von Figur 1A mit einem Gitterisolator und einem Gitterleiter darüber zeigt.
Figur 3 eine Querschnittsansicht mit einem Teil der VMD-Struktur ist, der geätzt ist.
Figur 4 eine Querschnittsansicht ist, welche die Deposition eines eine Spitze bildenden Materials zeigt.
Figur 5 eine Querschnittsansicht ist, welche die Deposition eines Elektronen emittierenden Materials zeigt.
Figur 6 eine Querschnittsansicht ist, welche die Zugriffsöffnungen durch das Elektronen emittierende Material zeigt.
Figur 7A eine Querschnittsansicht einer fertiggestellten VMD- Triode als ein Resultat eines isotropen Ätzvorgangs ist.
Figur 7B eine Querschnittsansicht einer VMD-Triode als ein Resultat eines anisotropen Ätzvorgangs ist.
Figur 8 eine Querschnittsansicht einer fertiggestellten VMD- Triode als ein Resultat eines isotropen Ätzvorgangs der Struktur von Figur 7B ist.
Figur 9A eine Querschnittsansicht einer VMD-Diode ist, die gemäß den Lehren dieser Erfindung hergestellt wurde.
Figur 9B eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer VMD-Diode ist, die gemäß den Lehren dieser Erfindung hergestellt wurde.
Figur 9C eine Querschnittsansicht noch einer weiteren Ausführungsform einer VMD-Diode ist, die gemäß den Lehren dieser Erfindung hergestellt wurde.
Figur 9D eine Querschnittsansicht noch einer weiteren Ausführungsforn einer VMD-Diode ist, die gemäß den Lehren dieser Erfindung hergestellt wurde.
Figur 10 eine Querschnittsansicht eines fertiggestellten Pentoden-VMD ist, das gemäß den Lehren dieser Erfindung hergestellt wurde.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Diese Erfindung beschreibt eine neuartige, neue Technik und Struktur für die integrierte Fertigung von einem oder mehreren integrierten mikroelektronischen Vakuum-Bauelementen.
Eines der Hauptelemente bei der Fertigung des integrierten mikroelektronischen Vakuum-Bauelements ist die Fertigung der Spitze, die durch die konforme Deposition in einer runden Öffnung erzeugt wird. Andere symmetrische Öffnungsformen führen ebenfalls zu einer einzelnen punktförnigen Spitze, eine rund geformte Öffnung führt jedoch zu einer optimalen Spitze.
Die aus leitfähigem Material bestehende Schicht kann auch aus zusammengesetzten Schichten aus leitfähigem Material gefertigt werden, was dazu führt, daß die Spitze aus einem geschichteten oder zusammengesetzten Material besteht.
Sobald diese Form unter Verwendung eines isotropen Ätzvorgangs weggeätzt ist, der gleichzeitig den Vakuumraum erzeugt, entsteht eine Emitterspitze. Diese Spitze sollte vorzugsweise den erforderlichen kleinen Radius (zum Beispiel zwischen 10 nm und 100 nm) besitzen, der von dem Bauelement gefordert wird, wenn notwendig kann die Spitze jedoch durch einen isotropen Ätzvorgang oder durch Oxidieren einer geringen Menge der Leiterspitze weiter geschärft werden, um jeden beliebigen gewünschten Spitzenradius zu erzielen.
Es ist wichtig zu erwähnen, daß viele verschiedene Kombinationen von Materialien, Depositionstechniken (Sputtern, CVD, Plattieren etc.) und Ätztechniken (Naß-, Trocken-, Ionenätzen etc.) oder zusätzliche Techniken zur Strukturerzeugung in den Eertigungsschritten verwendet werden können.
Ein weiteres Verfahren vertikaler Integration ist das Stapeln von ganzen Bauelementschichtsätzen übereinander. Da diese Bauelemente nicht von speziellen Materialien, wie einkristallinem Silidum, abhängig sind, können diese Bauelementschichtsätze auch oben auf anderen Technologien, wie Halbleitern und mehrschichtigen Keramikpackungen integriert werden.
Die detaillierte Beschreibung der mikroelektronischen Vakuum-Bauelementstruktur und des Verfahrens zu deren Herstellung, wie unten beschrieben, wurde durch Verwenden verschiedener vordefinierter und bezeichneter Prozeßsequenzen oder Definitionen, auf die wiederholt verwiesen wird, vereinfacht.
Der Ausdruck VMD oder mikroelektronisches Vakuum-Bauelement, wie er hierin verwendet wird, bedeutet nicht nur eine Diode sondern auch eine Triode, Tetrode, Pentode oder ein beliebiges anderes Bauelement, das unter Verwendung dieses Verfahrens hergestellt wird, einschließlich dessen Zwischenverbindung. Im Grunde ist ein VMD ein beliebiges Bauelement mit wenigstens einer spitz zulaufenden Emitter(Kathoden)-Spitze und einem Kollektor (einer Anode) mit einem Isolator, der den Emitter getrennt hält, und es liegt vorzugsweise eine direkte Transmission von Elektronen von dem Emitter zu dem Kollektor vor.
Der Ausdruck "lithographisch definiert" bezieht sich auf eine Prozeßsequenz der folgenden Prozeßschritte. Zuerst wird eine Maskierungsschicht, die in einem positiven oder negativen Sinn für irgendeine Form von aktinischer Strahlung, zum Beispiel Licht, Elektronenstrahlen und/oder Röntgenstrahlen, sensitiv ist, auf die interessierende Oberfläche aufgebracht. Als zweites wird diese Schicht strukturweise mit der geeigneten aktinischen Strahlung belichtet und entwickelt, um die maskierende Schicht selektiv zu entfernen und die darunterliegende Oberfläche in den erforderlichen Strukturen freizulegen. Als drittes wird die freigelegte Oberfläche geätzt, um das gesamte oder einen Teil des darunterliegenden Materials, wie erforderlich, zu entfernen. Als viertes werden die verbliebenen Gebiete der Maskierungsschicht entfernt.
Alternativ kann sich der Ausdruck "lithographisch definiert" auf den folgenden "Liftoff-Prozeß" beziehen. Es werden die gleichen geforderten Strukturen in einer Materialschicht erzeugt, wie sie in dem zuvor beschriebenen Prozeß hergestellt wurden. Dieser Prozeß beginnt auf der Oberfläche, welche die gewünschte strukturierte Materialschicht aufzunehmen hat. Als erstes wird eine Maskierungsschicht, die in einem positiven oder negativen Sinn für irgendeine aktinische Strahlung, zum Beispiel Licht, Elektronenstrahlen und/oder Röntgenstrahlstrahlen, sensitiv ist, auf der Oberfläche aufgebracht. Als zweites wird diese Schicht mit der geeigneten aktinischen Strahlung strukturweise belichtet und entwickelt, um die Maskierungsschicht selektiv zu entfernen und die darunterliegende Oberfläche in Strukturen dort freizulegen, wo die gewünschte Materialschicht zu verbleiben hat. Der Depositions-, Belichtungs- und Entwicklungsprozeß wird in einer derartigen Weise gesteuert, daß die Kanten des verbliebenen Maskenbildes ein negatives oder Unterätzungsprofil aufweisen. Als drittes wird das gewünschte Material sowohl über den offenen als auch den maskenbedeckten Gebieten durch einen Sichtlinien-Depositionsprozeß, wie Aufdampfung, aufgebracht. Schließlich wird das Maskenmaterial zum Beispiel dadurch entfernt, daß es aufgelöst und jegliches Material über demselben freigelegt wird und daß ermöglicht wird, daß es weggewaschen wird.
Der Ausdruck "leitfähiges Material" oder "Leiterschicht" oder "leitfähiges Substrat" bezieht sich auf ein beliebiges einer breiten Vielfalt von Materialien, die elektrische Leiter sind. Typische Beispiele umfassen die Elemente Mo, W, Ta, Re, Pt, Au, Ag, Al, Cu, Nb, Ni, Cr, Ti, Zr und Hf, Legierungen oder feste Lösungen, die zwei oder mehr dieser Elemente enthalten, dotierte und undotierte Halbleiter, wie Si, Ge oder jene, die gemeinhin als III-V-Verbindungen bekannt sind, sowie nicht halbleitende Verbindungen, wie verschiedene Nitride, Boride, Cubide (zum Beispiel LaB&sub6;) und einige Oxide (zum Beispiel von Sn, Ag, InSn).
Der Ausdruck "isolierendes Material" oder "Isolatorschicht" oder "isolierendes Substrat" bezieht sich auf eine breite Vielfalt von Materialien, die elektrische Isolatoren sind, insbesondere Gläser und Keramiken. Typische Beispiele umfassen Elemente wie Kohlenstoff in einer Diamantform (kristallin oder amorph), einkristalline Verbindungen wie Saphir, Gläser und polykristalline oder amorphe Verbindungen wie einige Oxide von Si, Al, Mg und Ce, einige Fluoride von Ca und Mg, einige Carbide und Nitride von Silicium sowie Keramiken wie Aluminiumoxid oder Glaskeramik.
Der Ausdruck "Elektronen emittierendes Material" oder "Emitterschicht" oder "Emittermaterial" bezieht sich auf ein beliebiges Material, das in der Lage ist, unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes Elektronen zu emittieren. Typische Beispiele umfassen jeden beliebigen der elektrischen Leiter, wie die oben aufgelisteten Beispiele, sowie Boride der Elemente der Seltenen Erden, feste Lösungen, die aus 1) einem Bond einer Seltenen Erde oder eines Erdalkalimetalls (wie Ca, Sr oder Ba) und 2) einem Bond eines Übergangsmetalls (wie Elf oder Zr) bestehen. Das Emittermaterial kann eine Struktur mit einer einzelnen Schicht, eine zusammengesetzte oder eine mehrschichtige Struktur sein. Ein Beispiel für einen mehrschichtigen Emitter kann die Hinzufügung von einem oder mehrerem des Folgenden umfassen: einer die Austrittsarbeit vergrößernden Schicht, einer stabilen Emitterschicht, einer sputterbeständigen Schicht, einer elektrisch leitfähigen Hochleistungsschicht, einer thermisch leitfähigen Schicht, einer physikalisch verstärkenden Schicht oder einer versteifenden Schicht. Dieses mehrschichtige komposit kann sowohl Emitter- als auch Nicht-Emitter-Materialien enthalten, die sämtlich synergistisch zusammenwirken können, um die Emitterleistungsfähigkeit zu optimieren. Ein Beispiel dafür ist in Busta, H. H. et al. "Field Emission from Tungsten-Clad Silicon Pyramids", IEEE Transactions on Electron Devices, Bd. 36, Nr. 11, Seiten 2679 bis 2685 (November 1989) erörtert, wo die Verwendung einer Beschichtung oder Verkleidung dieser Kathodenspitzen oder -pyramiden zur Verbesserung oder Modifizierung der Eigenschaften der Kathodenspitze gezeigt ist.
Diese Beschichtung oder Verkleidung kann auch in Situationen verwendet werden, in denen man die gewünschte Spitzenstruktur nicht erzeugen kann oder in denen es schwierig ist, die gewünschte Spitzenstruktur für den Kathodenemitter zu bilden.
Der Ausdruck "aufgebracht" bezieht sich auf ein beliebiges Verfahren zur Bildung von Schichten, das für das Material geeignet ist, wie es allgemein in der gesamten Halbleiterindustrie praktiziert wird. Eines oder mehrere der folgenden Beispiele für Depositionstechniken kann mit den zuvor erwähnten Materialien verwendet werden, wie Sputtern, chemische Gasphasenabscheidung, Elektroplattieren oder stromloses Plattieren, Oxidation, Aufdampfung, Sublimation, Plasmadeposition, anodische Oxidation, anodische Deposition, Molekularstrahldeposition oder Photodeposition.
Der Ausdruck "Spitze", wie er hierin verwendet wird, bedeutet nicht nur einen punktförmig zulaufenden Vorsprung sondern auch eine Klinge. Manchmal werden statt punktförmigen andere Feldemitterformen als Spitzen wie Klingen verwendet. Klingen werden unter Verwendung der gleichen Verfahren erzeugt, mit der Ausnahme, daß die Öffnung ein schmales, langgestrecktes Segment ist. Die Form der scharfen Kante der Klinge kann linear oder kreisförmig oder ein lineares Segment oder ein gekrümmtes Segment sein, um ein paar wenige zu nennen.
Die Öffnung, die dazu verwendet wird, möglicherweise die Spitze aus dem die Spitze bildenden Material zu erzeugen, kann durch einen Prozeß gebildet werden, der aus einer Gruppe ausgewählt wird, die Ablation, Bohren, Atzen, lonenätzen oder Gießen beinhaltet. Die Öffnung kann auch unter Verwenden von Ätztechniken geätzt werden, die aus einer Gruppe ausgewählt werden, die anisotropes Ätzen, Ionenstrahlätzen, isotropes Ätzen, reaktives lonenätzen, Plasmaätzen oder Naßätzen beinhaltet. Die Öffnung kann ein Profil besitzen, bei dem die Abmessungen der Öffnung mit der Tiefe konstant sind oder bei dem die Abmessungen der Öffnung mit der Tiefe variieren können.
Das die Spitze bildende Material wird vorzugsweise konform aufgebracht. Das die Spitze bildende Material kann ein isolierendes Material sein, oder es kann aus mehreren Schichten bestehen.
Die Zugriffsöffnung, die erzeugt wird, um das Material von unterhalb der Elektronenemitterspitze zu entfernen, kann durch ein Verfahren gebildet werden, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die Ablation, Bohren, Ätzen oder Ionenätzen beinhaltet. Die Zugriffsöffnung kann auch unter Verwendung von Ätztechniken geätzt werden, die aus einer Gruppe ausgewählt werden, die anisotropes Ätzen, Ionenstrahlätzen, isotropes Ätzen, reaktives Ionenätzen, Plasmaätzen oder Naßätzen beinhaltet. In ähnlicher Weise kann das Material unter der Spitze durch ein Verfahren entfernt werden, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Auflösen oder Ätzen beinhaltet.
Das Substrat kann ein Isolator sein und als Teil der Isolierung zwischen benachbarten elektrischen Strukturen dienen. Isolierende Substrate sind bei der Minimierung einer parasitären Kapazität besonders nützlich, was wiederum die Frequenzantwort des Bauelements beträchtlich verbessern kann. Transparente isolierende Substrate sind bei Anzeige-Anwendungen besonders nützlich, bei denen das Substrat auch als das Anzeigefenster dienen kann, auf dem sowohl lichtemittierende Strukturen als auch Steuerschaltkreise zusammen integriert werden können.
Das Substrat kann aus einem leitfähigen Material bestehen. Ein leitfähiges Substrat kann als Teil der funktionellen Struktur, wie als eine übliche Anode (Platte) oder als ein üblicher Vorspannungsleiter, dienen. Ein leitfähiges Substrat kann außerdem durch die einfache Hinzufügung einer isolierenden Schicht von den elektrischen Bauelementen isoliert werden.
Das Substrat dient unabhängig davon, ob es aus einem leitfähigen Material oder einem isolierenden Material gefertigt ist, in erster Linie als physischer Träger für nachfolgende funktionelle Schichten und den nachfolgenden Verfahrensablauf.
Die Figuren 1A und 1B stellen die Bauelementbasisstruktur dar. Wenn das mikroelektronische Vakuum-Bauelement auf einem isoherenden Substrat 10 zu bilden ist, dann wird ein Film oder eine Schicht einer leitfähigen Anode 13 direkt auf dem isolierenden Substrat 10 aufgebracht, wie in Figur 1A dargestellt. Das isolierende Substrat 10 kann aus Siliciumdioxid-Material bestehen, es können jedoch auch andere Materialien verwendet werden, wie früher erörtert. Dotiertes Polysilicium ist ein typisches Material für die Anode 13, es können jedoch auch andere elektrisch leitfähige Materialien verwendet werden, wie an anderer Stelle erörtert.
Wenn ein leitfähiges Substrat als eine übliche Anode verwendet wird oder ein dotiertes Halbleitermaterial mit irgendwelchen gewünschten Isolationen ist, die durch elektrisch vorgespannte pn-Übergänge gebildet werden, kann jenes Substrat direkt verwendet werden. Wenn ein nicht halbleitendes leitfähiges Substrat (oder ein dotiertes Halbleitersubstrat ohne pn-Übergänge) von den elektrischen Bauelementen zu isolieren ist, dann wird eine isolierende Schicht aufgebracht, gefolgt von der Deposition einer leitfähigen Anodenschicht.
Wenn ein elektrisch isolierbares VMD-Bauelement auf einem leitfähigen Substrat 11 zu bilden ist, wie in Figur 1B gezeigt, dann wird auf dem leitfähigen Substrat 11 ein isolierender Film oder eine isolierende Schicht 12 aufgebracht. Eine Schicht oder ein Film einer leitfähigen Anode 13, die aus dotiertem Polysilicium bestehen kann, wird dann auf der Isolatorschicht 12 aufgebracht. Das Material für das leitfähige Substrat 11 kann Silicium-Material sein. Die isolierende Schicht 12 kann durch Oxidieren des Silicium-Materials des Substrates 11 gebildet werden oder durch andere, auf dem Fachgebiet bekannte Mittel aufgebracht werden. Weitere Materialien, die in gleicher Weise für das leitfähige Substrat 11 oder die isolierende Schicht 12 akzeptabel sind, wurden bereits früher erörtert.
Wenn bezüglich der Basissubstratstruktur eine Entscheidung getroffen wurde, dann können die nachfolgenden Schritte die gleichen sein. Zur Darstellung der besten Art, um diese Erfindung auszuführen, wird die Substratkonfiguration von Figur 1A verwendet, auch wenn sich ein ähnliches Bauelement ergeben würde, wenn die Substratkonfiguration von Figur 1B verwendet wird.
Wie in Figur 2 gezeigt, kann auf der leitfähigen Anodenschicht 13, eine Gitterisolatorschicht 15 zum Beispiel durch Oxidieren des dotierten Polysiliciums der Schicht 13 oder durch Aufbringen einer isolierenden Glasschicht, um ein paar wenige zu nennen, hergestellt werden. Oben auf den Gitterisolator 15 wird eine Gitterleiterschicht 17 durch ein beliebiges der früher erörterten Verfahren aufgebracht. Das Material für den Gitterleiter 17 kann zum Beispiel dotiertes Polysilicium sein, es können jedoch auch andere, an anderer Stelle erörterte Materialien verwendet werden.
Dieses Verfahren zur Bildung zusätzlicher isolierender oder leitfähiger Materialien wird für jede Steuerelektrodenstruktur, die in dem endgültigen aktiven Bauelement gewünscht ist, wiederholt.
Der nächste Schritt besteht darin, die Vakuumöffnung oder den Raum 19 zu erzeugen, wie in Figur 3 gezeigt. Der Vakuumraum 19 wird lithographisch definiert und durch Verfahren geätzt, die auf dem Fachgebiet allgemein bekannt sind. Die Form des Ätzvakuumraums 19 kann quadratisch, rund, oval etc. sein. Der Radius oder die Hälfte der maximalen Querschnittsbreite des geätzten Vakuumraumes 19 sollte kleiner als die Dicke der Summe der Schichten sein, die über dem Anodengitterleiter 17 aufgebracht oder gebildet sind. Anisotropes reaktives Ionenätzen RIE (reaktives Ionenätzen) ist das bevorzugte Ätzverfahren, es können jedoch auch andere, auf dem Fachgebiet bekannte Verfahren verwendet werden. Die vertikalen oder nahezu vertikalen Wände der Öffnung weisen ein minimales laterales Ätzen auf. Dies hält die Elektrodenöffnungen klein und gleichmäßig und minimiert außerdem die Gesamtfläche, die von dem Bauelement eingenommen wird. Dieser Vorgang erzeugt Öffnungen durch sämtliche Steuerelektrodenleiter- und Isolatorschichten hindurch und erzeugt letzten Endes die Vakuumräume für jedes der mikroelektronischen Vakuum-Bauelemente. Der Ätzvorgang wird durch die leitfähige Gitterschicht 17 und die Gitterisolatorschicht 15 hindurch fortgesetzt, bis wenigstens ein Teil der Anodenschicht 13 freigelegt ist. Der Vakuumraum 19 braucht sich nicht bis ganz zu der Oberseite des leitfähigen Materials oder der Anode 13 erstrecken, wenn etwas von dem übriggebliebenen Material des Gittermaterials oder des Isolators 15 bei dem nachfolgenden Ätzvorgang für den Vakuumraum herausgeätzt wird. Es ist zu erwähnen, daß die verwendete Basisschicht oder das verwendete Substrat von ausreichender Dicke ist, um die geeignete Bildung der Öffnung oder des Vakuumraums 19 zu erlauben.
Wie in Figur 4 gezeigt, wird eine isolierende Schicht 21 mit ausreichender Dicke konform aufgebracht, um den Ätzvakuumraum 19 in Figur 3 zu schließen und eine Spitze 23 zu bilden. Die isolierende Schicht 21 ist zum Zwecke der Erläuterung ein Siliciumdioxid-Material. Die isolierende Schicht 21 kann zum Beispiel durch einen konformen chemischen Gasphasenabscheidungsprozeß (CVD) gebildet werden. Typischerweise wird eine konforme CVD- Deposition verwendet, jedoch können auch andere Verfahren wie anodische Oxidation und sogar marginal konforme Prozesse wie Sputtern akzeptable Ergebnisse hervorbringen. Die Deposition wird fortgesetzt, bis die Seitenwandbeschichtungen zusammenlaufen und die Vakuumraumöffnung 19 schließen. Dieses Zusammenlaufen bildet die symmetrische Spitze 23 mit einem sehr feinen Konvergenzpunkt am Boden, der zum Mittelpunkt der Vakuumraumöffnung 19 selbstjustiert ist.
Ein Elektronen emittierendes Material oder eine Elektronen emittierende Schicht 25 wird durch irgendwelche Mittel aufgebracht, die erlauben, daß das Material die Spitze 23 füllt. Diese Deposition kann, wie in Figur 5 gezeigt, zum Beispiel durch CVD, Aufdampfung, Sublimation, Sputtern, stromlose Deposition oder Plattieren ausgeführt werden. Die Elektronen emittierende Schicht 25 fungiert während des Betriebs des Bauelements als eine Kathode, und die spitz zulaufende Spitze 27 wirkt als der Kathodenemitter. Das Elektronen emittierende Material 25 kann zum Beispiel durch Verwenden von dotiertem Polysilicium oder Wolfram erzeugt werden, es können jedoch auch andere Materialien verwendet werden, wie an anderer Stelle erörtert.
Die Emitterschicht 25 wird nun mit einer oder mehreren Zugriffsöffnungen 29 und 30, welche die Isolatorschicht 21 freilegen, lithographisch strukturiert, wie in Figur 6 gezeigt. Zwei oder mehr Öffnungen pro Bauelement sind wünschenswert, um den Ätzzugriff zu verbessern und die Unterätzung zu steuern, wie unten erläutert wird. Die Zugriffsöffnung(en) sind so positioniert, daß sie mit der Vakuumraumöffnung 19 partiell überlappen, daß sie jedoch nicht mit der Spitze 23 überlappen.
Die Isolatorschicht 21 wird nun selektiv vollständig aus dem Vakuumraum 19 herausgeätzt, wobei die leitfähigen Schichten 25, 17 und 13 intakt belassen werden. Dies beläßt eine Brücke 37 der Emitterschicht 25, die den neu erzeugten Vakuumraum oder die Öffnung oder Kammer 39 überspannt und die spitz zulaufende Emitterspitze 27 über der freiliegenden Anode 13 trägt. Der selektive Ätzvorgang kann den Gitterisolator 15 ohne Schaden an dem fertiggestellten Bauelement ätzen. Der selektive Ätzvorgang kann ein einstufiger isotroper (Naß- oder Plasma-) Ätzvorgang sein, der zu einem fertiggestellten Bauelement 45 führt, wie in Fig. 7A gezeigt.
Das Bauelement 45 in Fig. 7A ist ein funktionell akzeptables Triodenbauelement mit einer Emitterspitze 27, die sich selbstjustiert in der Gitterelektrode 17 befindet und der Anode 13 direkt gegenüberliegt. Es zeigt jedoch eine übermäßige, nicht funktionelle Unterätzung 40, die nicht nur die Bauelementstruktur schwächt, sondern auch das Bauelement vergrößert und die Schaltkreisdichte nachteilig beeinflußt.
Ein zweistufiger Ätzprozeß minimiert diese unnötigen Begleiterscheinungen. Zuerst wird ein selektiver anisotroper Ätzvorgang verwendet, um die Schicht 21 ohne Unterätzung bis ganz zum Boden der Vakuumöffnung 19 zu ätzen, wie in Fig. 7B gezeigt. Dies ist möglich, da die Zugriffsöffnungen 29 und 30 mit dem Vakuumraum oder der Öffnung 19 überlappen. Dies beläßt nur eine dünne Zwischenwand oder einen Steg 31 unter der Emitterbrücke 37, wenn zwei Zugriffsöffnungen 29 und 30, eine auf jeder Seite der Brükke 37, verwendet werden. Dann wird ein selektiver isotroper Ätzvorgang (Naß- oder Plasmaätzvorgang) verwendet, um die Isolatorzwischenwand 31 von unter der Brücke 37 zu entfernen, wodurch die spitz zulaufende Emitterspitze 27 freigelegt und die Öffnung des Vakuumraumes oder der Vakuumkammer 39 fertiggestellt werden, wie in Figur 8 gezeigt. Die resultierende Unterätzung 41 auf anderen freiliegenden Isolatorkanten ist auf ein Maß begrenzt, das gleich der Hälfte der Dicke der Zwischenwand 31 ist, da sie von beiden Seiten geätzt wird. Das resultierende fertiggestellte Bauelement so ist in Fig. 8 gezeigt.
Es muß daran erinnert werden, daß die Zugriffsöffnungen 29 und 30, wie in Figur 7B gezeigt, zweidimensional sind und daß das Ätzen zur Erzeugung der Zugriffsöffnungen 29 und 30 unter Verwendung isolierter Öffnungen ausgeführt wurde, und daher sind sowohl die Zwischenwände 31 als auch die Brücke 37 weiterhin ein Teil der isolierenden Schicht 21 beziehungsweise der leitfähigen Schicht 25.
Die Entfernung des Materials unter der Brücke 37 ist üblicherweise der letzte Vorgang, der durchgeführt wird, um die Verunreinigung jenes Raumes zu minimieren oder das Problem der Entfernung zukünftiger Prozeßmaterialien von jenem begrenzten Gebiet zu vermeiden.
Die spitz zulaufende Emitterspitze 27, die durch die Spitze 23 geformt wird, kann im allgemeinen so gesteuert werden, daß sie die gewünschte Spitze mit kleinem Radius besitzt, ohne eine weitere Bearbeitung zu erfordern. Wenn jedoch ein kleinerer Spitzenradius gewünscht wird oder wenn ein spezieller Satz von wünschenswerten Materialien, Prozeßtechniken und/oder Prozeßbedingungen einen größeren Spitzenradius als gewünscht erzeugt, dann kann die Spitze geschärft werden. Dieses Schärfen (die Verringerung des Spitzenradius) kann zum Beispiel durch langsames Ätzen der Spitze mit einem isotropen Ätzvorgang oder die Oxidation der Spitze gefolgt von der Entfernung der Oxidschicht durchgeführt werden.
Der obige Prozeß, der zu einem mikroelektronischen Vakuum-Triodenbauelement 45 oder 50 führt, kann ohne weiteres zur Erzeugung anderer Konfigurationen angepaßt werden. In den Figuren für die folgenden Beispiele wird der zweistufige Ätzprozeß dargestellt, wie er zur Entfernung der Schicht 21 von der Öffnung 19 zur Erzeugung des Vakuumraumes 39 verwendet wurde, wie er zur Erzeugung des Triodenbauelementes 50 verwendet wurde.
Die Figuren 9A, 9B, 9C und 9D stellen einige wenige Ausführungsformen einer Diode dar, die gemäß den Lehren dieser Erfindung hergestellt wurden. Ein Beispiel für eine Diodenprozeßsequenz wird erzeugt, wobei mit der grundlegenden Triodenprozeßsequenz durch den Gitterisolator 15 begonnen wird. Die Gitterleiterschicht 17 wird eliminiert. Die verbleibenden Prozeßschritte, die normalerweise die Triode 50 erzeugen würden, erzeugen nunmehr eine VMD-Diode 60, die in Fig. 9A dargestellt ist. Die fiktive Grenze der Vakuumraumöffnung 19 ist fest, wenn der selektive Ätzvorgang für die konforme Schicht 21 die Schicht 15 nicht angreift, oder geht verloren, wie gezeigt, wenn sie von dem selektiven Ätzprozeß angegriffen wird.
Figur 9B zeigt die einfachste Form einer Diodenstruktur, die durch Ätzen einer Vakuumöffnung 79, die der Öffnung 19 ähnlich ist, direkt in ein leitfähiges Substrat 11 hergestellt werden kann. Die Schicht 11 muß ausreichend dick sein, um die Bildung der Öffnung 79 zu erlauben. Beginnend mit der Deposition der konformen Schicht 21 fährt der Prozeßablauffort, wie früher erörtert. Sobald der Prozeß beendet ist, resultiert eine VMD-Diode 65, wie in Fig. 9B dargestellt.
In ähnlicher Weise ist in Figur 9C eine Diodenstruktur offenbart, die auf einem isolierenden Substrat 10 erzeugt werden kann, das mit der Anodenschicht 13 bedeckt wurde. Die Schicht 13 muß ausreichend dick sein, um die Bildung der Öffnung 79, die der Öffnung 19 ähnlich ist, zu erlauben. Der Prozeßablauf fährt fort, wie früher erörtert, und bei Beendigung ist das Resultat eine VMD-Diode 70, wie in Fig. 9C gezeigt.
Eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung ist in Figur 9D dargestellt, in der das isolierende Substrat 10 zuerst mit einer Öffnung 79 strukturiert wird und dann leitfähiges Anodenmaterial oder eine Schicht 86 konform aufgebracht wird. Es wird nach dem grundlegenden Prozeß, der mit der konformen Deposition einer Isolatorschicht 21 beginnt, wie früher erörtert, weiter verfahren, und das Endresultat ist eine VMD-Dide 75, wie in Fig. 9D dargestellt.
Viele Variationen von komplexeren mikroelektronischen Vakuum- Bauelementen können außerdem durch Erweitern des grundlegenden Triodenprozesses erzeugt werden. Ein Beispiel dieser Variation ist ein VMD-Pentodenbauelement 90, wie in Fig. 10 gezeigt. Das Bauelement 90 kann aus der grundlegenden Triodenprozeßsequenz durch Verfolgen der grundlegenden Triodenbauelementsequenz durch die Deposition der Gitterleiterschicht 17 und anschließendes Hinzufügen von Schritten zur Deposition eines Gitterisolators 93 auf den Gitterleiter 17, zur Deposition einer Gitterleiterschicht 94 auf die Schicht 93, zur Deposition einer Gitterisolatorschicht 95 auf die Schicht 94 und zur Deposition einer Gitterleiterschicht 96 auf die Schicht 95 erzeugt werden. Der grundlegende Triodenprozeß wird in dieser Stufe durch Erzeugen der Öffnung 19 fortgesetzt. In diesem Fall wird die Öffnung 19 durch alle Schichten hindurch geätzt, bis die Oberseite des leitfähigen Materials oder der Schicht 13 freigelegt ist. Wenn mit der grundlegenden Triodenprozeßsequenz, die normalerweise zu dem Bauelement 50 führen würde, von diesem Punkt aus weiter verfahren wird, führt dies zu einem Pentodenbauelement 90.
Die Isolator- und Leiterschichten, die oben verwendet werden, um die beschriebenen mikroelektronischen Vakuum-Bauelemente zu erzeugen, können auch dazu verwendet werden, eine Mehrzahl von elektronischen Bauelementen oder Komponenten in drei Dimensionen zu isolieren und zu verbinden, wobei Schaltkreise dieser Bauelemente zum gleichen Zeitpunkt, zu dem die Bauelemente hergestellt werden, integriert werden. Dies ist nicht dargestellt, kann jedoch durch lithographische Strukturierung jeder leitfähigen und isolierenden Schicht erreicht werden, nachdem sie aufgebracht ist und bevor zum nächsten Schritt weitergegangen wird. Leitermaterial wird dort entfernt, wo Isolierungen gewünscht sind, und zu Inseln und Pfaden strukturiert, um Zwischenverbindungen zwischen verschiedenen Bauelementen, zwischen Bauelementen und Durchkontakten und zwischen verschiedenen Durchkontakten herzustellen. Isolatorschichten können mit einem Muster von Durchkontaktöffnungen zu der darunterliegenden leitfähigen Schicht strukturiert werden. Tatsächliche Durchkontaktverbindungen können entweder durch die Bildung eines Stiftes (eines leitfähigen Steckerelementes, das durch eine Anzahl von herkömmlichen Verfahren erzeugt wird) hergestellt oder durch die direkte deckende Deposition der nächsten leitfähigen Schicht gefüllt werden, wodurch vertikale Zwischenverbindungspfade durch die Struktur hindurch erzeugt werden.
Jegliche Zwischenverbindungsstrukturen, die auf der Emitterebene erzeugt werden, können zur gleichen Zeit hergestellt werden, zu der die Zugriffsöffnungen 29 und 30 gefertigt werden, da jedoch der Isolator unter denselben weggeätzt wird, wenn der Vakuumraum geätzt wird, stellt die Unterätzung dieser Zwischenverbindungen eine Begrenzung für die Größe dieser Strukturelemente dar. Der zweistufige Ätzvorgang minimiert diese Unterätzung beträchtlich, genau wie er es auch in dem Bauelement selbst tut, eine weitere Verbesserung dieses Prozesses kann jedoch die Unterätzung überall eliminieren, mit Ausnahme der Vakuum-Bauelementfläche. Um dies zu bewerkstelligen, wird ein separater oder ein zweiter lithographischer Schritt verwendet, um jegliche Zwischenverbindungen von Isolationen auf Emitterebene und Zugriffsöffnungen zu strukturieren. Die zweite lithographische Strukturierung schützt alle Zwischenverbindungs- und Isolationsstrukturelemente und legt lediglich die Zugriffsöffnungen frei. Der folgende Atzvorgang für den Vakuumraum verwendet den zuvor beschriebenen zweistufigen Ätzvorgang, und das geringe Maß an auftretender Unterätzung ist allein auf das Vakuumraumgebiet beschränkt.
Viele Kombinationen von Isolatoren und Leitern können in den Fertigungsprozeduren und Bauelementstrukturen, die beschrieben wurden, verwendet werden. Spezielle Anwendungen können spezielle Materialeigenschaften vorschreiben, wie spezifischer elektrischer Widerstand, Dielektrizitätskonstante, thermische Stabilität, physikalische Festigkeit etc., im allgemeinen gibt es jedoch drei grundlegende Anforderungen für Kompatibilität. Erstens müssen die Materialien mit dem zur Herstellung erforderlichen Verfahrensablauf kompatibel sein, was einige Materialkombinationen in bestimmten Fertigungsbereichen beschränken kann. Zweitens muß eine adäquate Haftung zwischen aneinandergrenzenden Schichten vorliegen. Drittens müssen die Materialien stabil sein und dürfen die Betriebsumgebung der Vakuum-Bauelemente nicht kontaminieren, die typischerweise ein moderates Vakuum bis Hochvakuum ist. Diese letzte Anforderung ist in gewissem Sinne offen, da einige dieser Bauelemente in der Lage sein können, in bis zu 1 Atmosphäre oder mehr eines Gases mit hohem Ionisationspotential, wie He, zu arbeiten. Dies kann möglich sein, da ihre mikroskopischen Abmessungen sehr kleine Pfadlängen bereitstellen und die Verwendung von niedrigen Extraktionsspannungen erlauben.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von wenigstens einem integrierten mikroelektronischen Vakuumbauelement (60, 70, ...), dadurch gekennzeichnet, daß es die Schritte umfaßt:

a) Bereitstellen einer Struktur, die eine Schicht (13) aus elektrisch leitfähigem Material beinhaltet, die auf einem Substrat ausgebildet ist;

b) Aufbringen einer Schicht (15) aus einem isolierenden Material auf die Schicht (13) aus elektrisch leitfähigem Material;

c) Erzeugen einer Öffnung (19) in der Schicht aus isolierendem Material, um einen Teil der leitfähigen Schicht freizulegen;

d) konformes Aufbringen einer weiteren Schicht (21) aus isolierendem Material über der Struktur mit der Öffnung, um eine Spitze (23) im wesentlichen an dem Ort des Mittelpunkts der Öffnung zu bilden;

e) konformes Aufbringen einer Emissionsschicht (25) aus einem Material, das dazu in der Lage ist, Elektronen unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes zu emittieren, auf die weitere isolierende Schicht (21), wodurch eine Feldemissionsspitze (27) in der Spitze gebildet wird;

f) Erzeugen von wenigstens einer Zugriffsöffnung (29, 30) in der Emissionsschicht, um die darunterliegende weitere Schicht aus isolierendem Material freizulegen; wobei die wenigstens eine Zugriffsöffnung dazu dient, die Entfernung der weiteren isolierenden Schicht zu erleichtern; und

g) Entfernen des isolierenden Materials wenigstens unterhalb der Emissionsspitze, wodurch eine Kammer oder ein Vakuumraum (39) zwischen dem freigelegten Bereich und der Emissionsspitze definiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zwischen den Schritten b) und c) des weiteren den Schritt umfaßt:

h) Aufbringen einer zusätzlichen Schicht (17) aus elektrisch leitfähigem Material.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Struktur aus der Schicht (13) aus elektrisch leitfähigem Material besteht, die auf einem isolierenden Substrat (10) gebildet wurde

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Struktur aus einem leitfähigen Substrat (11) besteht, das selbst gleichzeitig die Schicht aus elektrisch leitfähigem Material bildet.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte b) und c) durch den Schritt ersetzt werden:

i) Bilden einer Öffnung in der Schicht (13) aus einem elektrisch leitfähigen Material.

6. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Schritte b) und h) wenigstens einmal wiederholt werden.

7. Verfahren nach irgendeinem obigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß es des weiteren den Schritt umfaßt:

j) Ätzen der emittierenden Schicht gemäß einem gegebenen Muster.

8. Verfahren nach irgendeinem obigen Anspruch, wobei die Schicht (13) aus elektrisch leitfähigem Material ein Halbleitermaterial beinhaltet.

9. Verfahren nach irgendeinem obigen Anspruch, wobei die Schicht (13) aus elektrisch leitfähigem Material eine Anode des Bauelementes bildet.

10. Integriertes, mikroelektronisches Vakuumbauelement, das auf einem Substrat eine Anodenschicht (13, ...), die aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, wenigstens eine darauf ausgebildete isolierende Schicht (21) und eine obere Schicht (25) beinhaltet, die aus einem elektronenemittierenden Material besteht; wobei die elektronenemittierende Schicht wenigstens eine Feldemissionsspitze (27) und wenigstens eine Zugriffsöffnung (29) aufweist, die in eine Kammer (39) führt, so daß die Feldemissionsspitze einem Bereich der Anodenschicht zugewandt ist und davon durch den Vakuumraum (19), der durch die Kammer definiert ist, getrennt ist.