DE4304103C2

DE4304103C2 - Verfahren zum Bilden selbstausgerichteter Gatestrukturen

Info

Publication number: DE4304103C2
Application number: DE4304103A
Authority: DE
Inventors: Trung T Doan; Tyler A Lowrey; J Brett Rolfson; David A Cathey
Original assignee: Micron Technology Inc
Current assignee: Micron Technology Inc
Priority date: 1992-02-14
Filing date: 1993-02-11
Publication date: 2002-02-14
Anticipated expiration: 2013-02-12
Also published as: US5372973A; US5229331A; JPH0684454A; DE4304103A1; JP2836802B2; JPH10188784A; JP3098483B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Feldemissionsvorrichtungen und betrifft im spezielleren ein Verfahren zum Bilden einer selbstausge richteten Gatestruktur um eine Kathodenemitterspitze herum.

Kathodenstrahlröhren-Anzeigen des Typs, wie sie bei Bildschirmen von Arbeitsplatzcomputern allgemein verwendet werden, arbeiten auf der Basis eines von einem Elektronenstrahler abgegebenen abtastenden Elek tronenstrahls, der auf Leuchtstoffe auf einem relativ weit entfernten Schirm auftrifft. Die Elektronen erhöhen das Energieniveau der Leucht stoffe. Wenn die Leuchtstoffe auf ihr normales Energieniveau zurück kehren, setzen sie die Energie von den Elektronen als Licht-Photon frei, das durch die Glasscheibe des Bildschirms zu dem Betrachter übertragen wird.

Flachschirmanzeigen finden immer größere Bedeutung bei Geräten, bei denen leichte, tragbare Bildschirme erforderlich sind. Zur Zeit verwen den solche Bildschirme die Elektroluminiszenz- oder die Flüssigkristall technologie. Eine vielversprechende Technologie besteht in der Verwen dung eines matrixmäßig ansteuerbaren Feldes aus Kaltkathodenemis sionsvorrichtungen zum Erregen von Leuchtstoff auf einem Bildschirm.

Die Druckschrift US 3 875 442 mit dem Titel "Display Panel" von Wasa et al. offenbart eine Anzeigetafel mit einer transparenten gasdich ten Umhüllung, zwei planaren Hauptelektroden, die parallel zueinander im Inneren der gasdichten Umhüllung angeordnet sind, sowie eine Ka thodenluminiszenz-Tafel. Bei der einen der beiden Hauptelektroden handelt es sich um eine kalte Kathode, während es sich bei der anderen um eine Anode, ein Gate oder ein Gitter mit jeweils niedrigem Potential handelt. Die Kathodenluminiszenz-Tafel kann aus einer transparenten Glasplatte, einer auf der transparenten Glasplatte ausgebildeten trans parenten Elektrode sowie einer auf der transparenten Elektrode aufge brachten Leuchtstoffschicht bestehen. Die Leuchtstoffschicht besteht z. B. aus Zinkoxid, das sich mit Elektronen niedriger Energie erregen läßt.

Feldemissionskathodenstrukturen sind in den Druckschriften US 3 665 241, US 3 755 704, US 3 812 559 sowie US 4 874 981 von Spindt et al. beschrieben. Zur Erzeugung der gewünschten Feldemission wird eine Potentialquelle vorgesehen, deren positiver Anschluß mit dem Gate oder Gitter und deren negativer Anschluß mit der Emitterelektrode (Kathodenleitersubstrat) verbunden wird. Die Potential quelle kann zum Zweck der Steuerung des Elektronenemissionsstroms variabel ausgebildet sein. Bei Anlegung eines Potentials zwischen den Elektroden wird ein elektrisches Feld zwischen den Emitterspitzen und dem ein niedriges Potential aufweisenden Anodengitter hergestellt, wo durch eine Emission der Elektronen von den Kathodenspitzen durch die Löcher in der Gitterelektrode hindurch hervorgerufen wird.

Ein Feld aus Punkten in Ausrichtung mit Löchern in Anodengittern niedrigen Potentials ist für die Herstellung von Kathoden adaptierbar, die in eine oder mehrere Spitzen enthaltende Bereiche unterteilt sind, an denen in separater Weise Emissionen durch das Anlegen geeigneter Potentiale an diese ausgelöst werden können.

Die Auflösung einer Feldemissionsanzeige ist eine Funk tion von mehreren Faktoren wie Emitterspitzenschärfe, Ausrichtung und Beabstandung der Gates oder Gitteröffnungen, die die Spitzen umgeben, Bildelement-(Pixel)-Größe sowie Kathoden-Gate-Spannung und Katho den-Bildschirm-Spannung. Diese Faktoren stehen außerdem in wechsel seitiger Beziehung zueinander. Z. B. ist die für eine Elektronenemission von den Emitterspitzen erforderliche Spannung eine Funktion sowohl der Kathoden-Gate-Beabstandung als auch der Spitzenschärfe. Ein Vorteil des offenbarten Verfahrens besteht darin, daß eine sehr enge Kathoden- Gate-Beabstandung möglich ist, wodurch sich Schwellenspannungen verwenden lassen, die wenigstens eine Größenordnung niedriger als die in früheren Berichten zu findenden Schwellenspannungen sind. Da der emittierte Strom bei einer gegebenen Emitter-Gate-Spannung proportio nal zu der Differenz aus der angelegten Emitter-Gate-Spannung und der Emissionsschwellenspannung ist, führt eine niedrigere Schwellenspan nung zu einem höheren Strom.

Die Gate-Ätzmasken früher Feldemissionsanzeigen wurden von Hand mit den Emitterspitzen in Ausrichtung gebracht. Eine manuelle Ausrichtung führt eine Veränderlichkeit in das Verfahren ein, die häufig zu geringe ren als optimalen Elektronenemissionsmustern führt. Die Druckschrift US 3 970 887 mit dem Titel "Micro-Structure Field Emission Elec tron Source" lehrt eine Selbstausrichtung von Emitterspitzen. Die selbst ausgerichtete, Ausbildung von Emitterspitzen und Gates führt zu einer beträchtlichen Verringerung der Verfahrensveränderlichkeit, reduziert die Herstellungskosten und führt außerdem zu einer Anzeige mit grö ßerer Bildschärfe. Weitere Strukturen von Belang sind in Tech. Digest IEDM, 1990, Seiten 7.4.1 bis 7.4.4, sowie in den Druckschriften US 4 943 343, US 3 921 022 und US 5 057 047 offenbart.

Aus der Druckschrift: Sokolich, M. et al.: "Field Emission from Sub micron Emitter Arrays", Proc. Int. Electron Devices, 1990, ist ein Verfahren zum Bilden einer Gatestruktur um eine Elektronenemissions spitze herum bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird die Ober fläche eines mit mindestens je einer isolierenden und einer leitfähigen. Schicht versehenen Substrates nicht unter Verwendung einer chemisch- mechanischen Planarisierung eingeebnet, sondern es wird eine Photore sist-Schicht als Ätzmaske aufgebracht, die hinterher entfernt wird. Ein Plasmaätzvorgang dient dazu, diese Photoresist-Maske unter Verwen dung von Sauerstoffelektronen herzustellen.

Aus der Druckschrift US 5 057 047 ist ein Verfahren zum Bilden einer Gatestruktur um eine Elektronenemissionsspitze herum bekannt.

Bei diesem Verfahren wird eine Planarisierungsschicht abgeätzt, um einen Teil einer leitfähigen Schicht freizulegen. Dies geschieht unter Verwendung einer herkömmlichen Ätztechnik, wie beispielsweise Plas maätzen, Naßätzen oder reaktivem Ionenätzen (vergl. ebda, Spalte 5, Zeilen 35-47).

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten selbstausgerichteten Verfahrens zum Bilden einer selbstaus gerichteten Gatestruktur um eine Kathodenemitterspitze herum, welches zur Herstellung von Feldemissionsanzeigen einsetzbar ist und die ge nannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren.

Gemäß einem Gesichtspunkt verwendet ein Verfahren mehrere selektiv ätzbare dielektrische Schichten in Kombination mit einem chemisch- mechanischen Planarisierungsvorgang zum Erzeugen einer extrem feinen Gate-Spitzen-Beabstandung, die zu Emissionsschwellenspannungen führt, die wenigstens eine Größenordnung niedriger als die zuvor in der Litera tur beschriebenen Emissionsschwellenspannungen sind. Da bei einer gegebenen Emitter-Gate-Spannung der emittierte Strom proportional zu der Differenz aus der angelegten Emitter-Gate-Spannung und der Emis sionsschwellenspannung ist, führt eine niedrigere Schwellenspannung zu einem höhereren Strom.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unter ansprüchen 2 bis 15.

Die Erfindung und Weiterbildungen werden im folgenden anhand der zeichnerischen Darstellungen eines Ausführungsbeispiels unter Bezug nahme auf die Begleitzeichnungen noch näher erläutert. In den Zeich nungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Flachbildschirms unter Darstellung einer Elektronenemissionsspitze oder Feldemissionskathode, umgeben von den selbstausgerichteten Gatestrukturen bei Ausbildung gemäß dem Verfahren der vor liegenden Erfindung;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Elektronenemitter spitze, auf der eine konforme Isolier schicht und eine fließfähige Isolier schicht aufgebracht sind;

Fig. 3 eine Darstellung der Elektronenemitter spitze der Fig. 2 nach einer Wiederver flüssigungs-Erwärmung der fließfähigen Isolierschicht bei ca. 1000°C;

Fig. 4 eine Darstellung der Elektronenemitter spitze der Fig. 3 nach dem Aufbringen der leitfähigen Gateschicht auf diese;

Fig. 5 eine Darstellung der Elektronenemitter spitze der Fig. 4 nach einem chemisch- mechanischen Planarisierschritt;

Fig. 6A und 6B eine Darstellung der Elektronenemitter spitze nach Fig. 5, nachdem die Isolier schicht einem Naßätzvorgang zum Freilegen der Emitterspitze unterzogen worden ist, wobei Fig. 6A das Ergebnis zeigt, wenn es sich bei der Isolierschicht um ein Oxid handelt und Fig. 6B das Ergebnis zeigt, wenn es sich bei der Isolierschicht um ein Nitrid handelt;

Fig. 7 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Schritte, die bei dem erfindungsgemäßen Gatebildungsverfahren verwendet werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist eine Feldemissions anzeige dargestellt, die eine kalte Kathode verwen det. Das Substrat 11 kann z. B. aus Glas oder ir gendeinem anderen von vielen verschiedenen geeigne ten Materialien bestehen. Bei dem bevorzugten Aus führungsbeispiel dient eine einkristalline Sili ziumschicht als Substrat 11, auf dem eine Schicht 12 aus leitfähigem Material, wie z. B. dotiertes polykristallines Silizium aufgebracht ist. An einer Feldemissionsstelle ist eine Mikrokathode 13 oben auf dem Substrat 11 ausgebildet worden. Bei der Mikrokathode 13 handelt es sich um eine Erhebung, die viele verschiedene Formen, wie pyramidenförmig, konisch oder eine andere Geometrie mit einer feinen Mikrospitze für die Emission von Elektronen aufwei sen kann. Die Mikrokathode 13 umgebend ist eine Anoden-Gatestruktur 15 für niedriges Potential vorgesehen. Wenn eine Spannungsdifferenz durch eine Quelle 20 zwischen der Kathode 13 und dem Gate 15 angelegt wird, wird ein Elektronenfluß 17 in Richtung auf einen mit Leuchtstoff beschichteten Bildschirm 16 emittiert. Bei dem Bildschirm 16 handelt es sich um eine Anode. Die Elektronen emissionsspitze 13 ist mit dem einkristallinen Halbleitersubstrat 11 einstückig ausgebildet und dient als Kathodenleiter. Das Gate 15 dient als eine niedriges Potential aufweisende Anode oder Gitterstruktur für ihre zugehörige Kathode 13. Eine dielektrische Isolierschicht 14 ist auf der leit fähigen Kathodenschicht 12 aufgebracht. Außerdem besitzt der Isolator 14 eine Öffnung an der Feld emissionsstelle.

Die Erfindung ist am besten unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 7 zu verstehen, in denen die durch eine Reihe erfindungsgemäßer Herstellungs schritte gebildeten anfänglichen, während der Herstellung gebildeten und sich letztendlich ergebenen Strukturen dargestellt sind.

Es gibt verschiedene Verfahrensweisen, durch die sich die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ver wendeten Elektronenemissionenspitzen bilden lassen. Beispiele solcher Verfahrensweisen finden sich in der US 3 970 887 mit dem Titel "Micro-structure Field Emission Electron Source".

Vorzugsweise verwendet man einen einkristallinen p- leitenden Siliziumwafer, in dem durch eine geeigne te bekannte Dotiervorbehandlung eine Reihe läng licher, parallel zueinander verlaufender und einan der gegenüberliegender n-leitender Bereiche oder Wannen gebildet sind. Jeder n-leitende Streifen besitzt eine Breite von ca. 10 µm und eine Tiefe von ca. 3 µm. Die Beabstandung der Streifen ist beliebig wählbar und kann zur Unterbringung einer gewünschten Anzahl von auf einem Siliziumwafersub strat bestimmter Größe auszubildenden Feld emissionskathodenstellen festgesetzt werden. Die Bearbeitung des Substrats zur Schaffung der p-lei tenden und der n-leitenden Bereiche kann durch allgemein bekannte Halbleiterbearbeitungstechniken erfolgen, wie z. B. durch Aufwachsen durch Diffusion und/oder epitaktisches Aufwachsen. Falls gewünscht, können die p-leitenden und n-leitenden Bereiche selbstverständlich durch Verwendung eines geeigne ten Ausgangssubstrats sowie entsprechender Dotier stoffe hinsichtlich ihres Leitfähigkeitstyps um gekehrt ausgebildet werden.

Die mit Ionen implantierten Wannen bilden die Stel le der Emitterspitzen. Eine Feldemissionskathoden- Mikrostruktur kann unter Verwendung eines darunter liegenden Halbleitersubstrats hergestellt werden. Das Halbleitersubstrat kann entweder p-leitend oder n-leitend sein und wird auf einer seiner Oberflä chen dort maskiert, wo Feldemissionskathodenstellen gebildet werden sollen. Die Maskierung erfolgt derart, daß die maskierten Bereiche Inseln auf der Oberfläche des darunterliegenden Halbleitersub strats bilden. Danach führt eine selektive seit liche Entfernung der darunterliegenden, umgebenden Randbereiche des Halbleitersubstrats unter den Rändern der maskierten Inselbereiche zur Erzeugung einer zentral angeordneten, erhöhten Halbleiter- Feldemitterspitze in dem Bereich unmittelbar unter jedem eine Feldemissionskathodenstelle bildenden maskierten Inselbereich. Es ist bevorzugt, daß das Entfernen der darunterliegenden umgebenden Randbe reiche des Halbleitersubstrats durch Oxidation der die maskierten Inselbereiche umgebenden Oberfläche des Halbleitersubstrats eng gesteuert wird, wobei die Oxidationphase ausreichend lang durchgeführt wird, um ein seitliches Wachsen der resultierenden Oxidschicht unter den Rändern der maskierten Be reiche in einem Ausmaß zu erzeugen, wie es erfor derlich ist, damit nur eine nicht-oxidierte Spitze des darunterliegenden Substrats unter der Insel maske verbleibt. Danach wird die Oxidschicht wenig stens in den die maskierten Inselbereiche unmittel bar umgebenden Regionen differenzmäßig weggeätzt, so daß an jeder gewünschten Feldemissionskathoden stelle eine einstückig mit dem darunterliegenden Halbleitersubstrat ausgebildete, zentral angeord nete, erhöhte Halbleiter-Feldemitterspitze ent steht.

Vor Beginn des Gatebildungsverfahrens kann die Spitze 13 des Elektronenemitters durch einen Oxi dationsvorgang geschärft werden, wie dies in Fig. 7 angedeutet ist. Die Oberfläche des Siliziumwafers (Si) 11 und die Emitterspitze 13 werden zur Bildung einer nicht gezeigten Oxidschicht aus SiO₂ oxi diert, die dann zum Schärfen der Spitze 13 geätzt wird. Zur Bildung der SiO₂-Schicht sowie zum Ätzen der Spitze 13 kann irgendein herkömmlicher, bekann ter Oxidationsvorgang verwendet werden.

Bei dem nächsten Schritt wird gemäß Fig. 7 eine Schicht 18 aus einem selektiv ätzbaren Material aufgebracht. Bei dem Verfahren gemäß dem bevorzug ten Ausführungsbeispiel wird eine konform nieder geschlagene Siliziumnitridschicht 18 verwendet. Obwohl auch andere Materialien verwendet werden können (z. B. SiO₂ und Silizium-Oxynitrid), die in bezug auf die anderen Isolierschichten 14 selektiv ätzbar sind, ist eine Nitridschicht 18 besonders wirksam gegen eine Sauerstoffdiffusion und kann somit für Schichten verwendet werden, die nur 100 nm dünn sind, jedoch vorzugsweise stärker als 100 nm sind. Dies ist besonders vorteilhaft, da geringe Abstände vom Gate 15 zu der Kathode 13 zu niedrigeren Emittertreiberspannungen führen. Die Dicke der isolierenden dielektrischen Schicht 18 bestimmt den Abstand vom Gate 15 zu der Kathode 13. Bei der in Fig. 2 gezeigten isolierenden Nitrid schicht 18 handelt es sich vorzugsweise um eine konforme Isolierschicht. Die Nitridschicht wird auf der Emitterspitze 13 derart niedergeschlagen, daß die Nitridschicht 18 der Form der Kathodenemitter spitze 13 entspricht.

Als nächstes erfolgt die Aufbringung einer weiteren Isolierschicht 14, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.

Bei dieser weiteren Isolierschicht handelt es sich vorzugsweise um eine fließfähige Schicht 14, die gebildet sein kann aus Aufschleuderglas, Borophos phosilikatglas oder einem Polyimid oder einem an deren geeigneten Material, wie z. B. anderen Auf schleuder-Dielektrika oder fließfähigen Dielektrika, wobei diese Materialien jedoch nicht als aus schließlich verwendbare Materialien zu verstehen sind. Unter bestimmten Bedingungen fließen solche Materialien einfach über die Oberfläche des Wafers, wodurch eine planar ausgebildete Schicht entsteht.

Die Dicke der Isolierschicht 14 zusammen mit der Schicht 18 bestimmt den Abstand zwischen dem Gate 15 und dem Substrat 11; die konforme Schicht 18 alleine bestimmt im wesentlichen den Abstand zwi schen dem Gate 15 und der Kathode 13. Die Tiefe der Isolierschicht 14 ist somit abhängig von der Menge des Raumes zwischen der Spitze 13 und dem Substrat 11. Wenn die Schicht 18 sehr dick ist, kann die Isolierschicht 14 überflüssig sein. Bei dem bevor zugten Ausführungsbeispiel sind jedoch beide Schichten 14 und 18 vorhanden. Die Isolierschicht 14 wird vorzugsweise auf einem Niveau über der Spitze 13 niedergeschlagen, doch sie kann auch auf einem Niveau unter der Spitze niedergeschlagen werden. In letzterem Fall würde der Fließschritt wahlweise erfolgen.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird Boro phosphosilikatglas zur Bildung der Schicht 14 ver wendet. Die Borophosphosilikatglasschicht 14 kann zu Beginn durch eine Technik wie chemische Abschei dung aus der Dampfphase bzw. Dampfphasenabscheidung niedergeschlagen werden, bei der eine Phosphorquel le, wie z. B. Phosphin-(PH₃-)Gas verwendet wird. Die Waferoberfläche kann auch einer Borquelle, wie z. B. Diboran-(B₂H₆)Gas ausgesetzt werden. Die resultie rende Borophosphosilikatglasschicht 14 überdeckt zu Beginn im wesentlichen die Kathodenspitze 13 und kann dann verflüssigt werden.

Im allgemeinen erfolgt die Borophosphosilikatglas- Verflüssigung bei einer Temperatur im Bereich von 700°C bis 1100°C. In der Praxis wird die Obergrenze der Wiederverflüssigungstemperatur durch die Effek te der Wiederverflüssigung auf dem Substrat sowie weiteren zugehörigen Strukturen gesteuert. Alterna tiv hierzu kann die Wiederverflüssigung auch durch schnelle thermische Bearbeitung erfolgen.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Borophosphosilikatglasschicht 14 auf eine Tempera tur von ca. 1000°C erwärmt, um eine Verflüssigung des fließfähigen Isoliermaterials 14 hervorzurufen, wobei dies vorzugsweise auf ein im wesentlichen gleichmäßiges Niveau unterhalb der Emitterspitze 13 erfolgt, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.

Eine in der US 4 732 658 beschriebene Technik erläutert die Verwendung eines chemischen Dampf phasenabscheidungsverfahrens. Ein Silkatglas, wie z. B. Borophosphosilikatglas, wird über einem Be reich eines Halbleiterwafers als Schicht mit einer ungefähr gleichmäßigen Dicke niedergeschlagen. Das Glas wird dabei durch eine chemische Dampfphasenab scheidung in einem atmosphärischen System niederge schlagen. Eine Übersicht über atmosphärische chemi sche Dampfphasenabscheidungssysteme findet sich in der RCA-Review von W. Kern, G. L. Schnable, Band 43, Seiten 423 bis 457, vom September 1982.

Eine Variation der atmosphärischen chemischen Dampfphasenabscheidungssysteme ist ebenfalls in der Schrift von W. Kern angegeben, wobei diese Schrift durch Bezugnahme zu einem Bestandteil der vorliege nden Anmeldung gemacht wird. Zum Niederschlagen des Silikatglases könnte auch eine plasmaverstärkte chemische Dampfphasenabscheidung (PECVD) verwendet werden. Die plasmaverstärkte chemische Dampfphasen abscheidung ist ausführlicher beschrieben in:
"Process and Film Characterization of PECVD Borophosphosilicate Films for VLSI Applications" von J. E. Tong, K. Schertenleib und R. A. Carpio in Solid State Technology, Seiten 161-170 vom Januar 1984. Zum Niederschlagen des Silikatglases können auch andere Niederschlagverfahren, wie bei niedri gem Druck erfolgende chemische Dampfphasenabschei dung, verwendet werden.

Wie in Fig. 7 gezeigt ist, kann eine weitere Schicht 18 aus isolierendem Nitridmaterial oben auf dem fließfähigen Isoliermaterial 14 aufgebracht werden, um den Abstand zwischen dem Gate 15 und der Spitze 13 weiter einzustellen.

Bei einer alternativen Ausführungsform wird die Aufbringung der konformen dielektrischen Schicht 18 bis zu diesem Stadium des Gatebildungsverfahrens verzögert, d. h. sie erfolgt erst nach dem Aufbrin gen und der Wiederverflüssigung der fließfähigen Isolierschicht 14. Mit anderen Worten wird die fließfähige Isolierschicht 14 zuerst niedergeschla gen, wonach dann die konforme Isolierschicht 18 niedergeschlagen wird. Nach der Wiederverflüssigung ist die Emitterspitze 13 freigelegt, wodurch sich eine Gelegenheit ergibt, eine konforme Isolier schicht 18 vor dem Niederschlagen der Schicht 15 aus leitfähigem Gatematerial niederzuschlagen.

Als nächster Schritt erfolgt gemäß Fig. 7 die Auf bringung des leitfähigen Gatematerials 15. Das Gate 15 wird aus einer leitfähigen Schicht gebildet. Bei der leitfähigen Schicht 15 kann es sich um ein Metall, wie Chrom oder Molybdän, handeln, wobei jedoch dotiertes Polysilizium als bevorzugtes Material für dieses Verfahren betrachtet wird.

In diesem Stadium des Herstellungsvorgangs kann gemäß Fig. 7 ein nicht gezeigtes Puffermaterial aufgebracht werden, um die tiefer liegenden Berei che der leitfähigen Gateschicht 15 während des nachfolgenden chemisch-mechanischen Poliervorgangs zu schützen. Es ist zu betonen, daß es sich bei der Aufbringung einer Pufferschicht um einen wahlweise erfolgenden Schritt handelt. Die Pufferschicht kann anschließend verbleiben oder entfernt werden, je nachdem, wie dies erwünscht ist.

Ein geeignetes Puffermaterial ist eine dünne Schicht aus Si₃N₄. Diese Nitrid-Pufferschicht hat den Effekt, die Spitze 13 zu schützen, und dies ist ein bei der Ausführung dieses wahlweisen Schrittes auftretender Vorteil. Die Pufferschicht verzögert im wesentlichen das Eindringen des chemisch-mecha nischen Planarisiervorgangs in die Schicht, auf der das Puffermaterial niedergeschlagen ist, und dient als künstliche Schicht. Alternativ hierzu kann auch ein Fotoresist-Material als Pufferschicht verwendet werden.

Bei dem nächsten Schritt in dem Gatebildungsverfah ren handelt es sich gemäß Fig. 7 um die chemisch- mechanische Planarisierung, die man auch als che misch-mechanischen Poliervorgang bezeichnet. Durch die Verwendung von chemischer Technik und Schleif technik werden das Puffermaterial sowie jegliche andere sich über der Emitterspitze 13 erstreckende Schichten (z. B. die leitfähige Schicht 15, die konforme Isolierschicht 18) "wegpoliert".

Im allgemeinen beinhaltet das chemisch-mechanische Planarisieren oder Polieren das Halten oder Drehen eines Wafers aus Halbleitermaterial gegen eine benetzte Polierfläche unter kontrollierten Bedin gungen hinsichtlich chemischer Aufschlämmung, Druck und Temperatur. Eine chemische Aufschlämmung, die ein Poliermittel, wie Aluminiumoxid oder Silizium oxid, enthält, kann als Abriebmedium verwendet werden. Außerdem kann die chemische Aufschlämmung chemische Ätzmittel enthalten. Der bevorzugte pH- Wert der Aufschlämmung liegt bei über 7,5, wobei das bevorzugte Ausführungsbeispiel einen pH-Wert von 12 besitzt.

Dieses Verfahren kann zur Herstellung einer Ober fläche mit einem gewünschten Endpunkt oder einer gewünschten Dicke verwendet werden, wobei diese Oberfläche poliert und planarisiert ist. Solche Vorrichtungen zum Polieren sind in der US 4 193 226 sowie US 4 811 522 offenbart. Eine weitere sol che Vorrichtung wird von der Firma Westech En gineering unter der Bezeichnung Model 372 Polisher hergestellt.

Die chemisch-mechanische Planarisierung wird im wesentlichen über die gesamte Waferfläche und bei einem hohen Druck durchgeführt. Zu Beginn erfolgt die chemisch-mechanische Planarisierung beim Ent fernen der Spitzen mit einer sehr hohen Geschwin digkeit, und nachdem die Spitzen im wesentlichen entfernt worden sind, wird die Geschwindigkeit drastisch reduziert. Die Entfernungsgeschwindigkeit der chemisch-mechanischen Planarisierung steht in Proportion zu dem Druck und der Härte der planari sierten Oberfläche.

Fig. 5 zeigt einen mittleren Schritt bei dem Gate bildungsverfahren, und zwar nach der chemisch-me chanischen Planarisierung. Es ist eine im wesent lichen planare Oberfläche vorhanden, und die kon forme Isolierschicht 18 ist somit freigelegt. Fig. 5 zeigt die Mittel, durch die die konforme Isolier schicht 18 den Abstand zwischen dem Gate 15 und der Kathode 13 definiert, sowie die Mittel, durch die das Gate 15 selbstausgerichtet wird.

Bei dem nächsten Verfahrensschritt handelt es sich gemäß Fig. 7 um einen Naßätzvorgang der Schicht 18 aus selektiv ätzbarem Material zum Freilegen der Emitterspitze 13. Die Isolierschicht 18 ist in bezug auf die Schicht 14 aus fließfähigem Material selektiv ätzbar. Die Fig. 6A und 6B zeigen die Feldemittervorrichtung nach dem auf diese Weise erfolgten Ätzen des Isolierhohlraums. Fig. 6A zeigt dabei die sich ergebende Struktur, wenn es sich bei der Isolierschicht 18 um ein Oxid handelt, während Fig. 6B die resultierende Struktur zeigt, die sich bei Verwendung eines Nitrids als Isolierschicht 18 ergibt.

Falls gewünscht, kann die Kathodenspitze 13 wahl weise mit einem Material mit geringer Austritts arbeit beschichtet werden, wie dies in Fig. 7 ange deutet ist. Materialien mit geringer Austritts arbeit beinhalten Cermet (Cr₃Si + SiO₂), Cäsium, Rubidium, Tantalnitrid, Barium, Chromsilizid, Titancarbid, Molybdän und Niobium, wobei diese Materialien jedoch nicht ausschließlich zu ver stehen sind.

Eine Beschichtung der Emitterspitzen kann in vielen verschiedenen Weisen erfolgen. Das eine geringe Austrittsarbeit aufweisende Material oder dessen Vorläufer kann durch Aufstäuben oder ein anderen geeignetes Mittel auf die Spitzen 13 niedergeschla gen werden, Bestimmte Metalle (z. B. Titan oder Chrom) kann man zur Bildung von Silizid während eines schnellen thermischen Bearbeitungsschrittes mit dem Silizium der Spitzen reagieren lassen. Nach der schnellen thermischen Bearbeitung wird jegli ches unreagierte Metall von der Spitze 13 entfernt. In einer Stickstoffumgebung kann aufgebrachtes Tantal während einer raschen thermischen Bearbei tung in Tantalnitrid, ein Material mit besonders niedriger Austrittsarbeit, umgewandelt werden. Die Beschichtungsprozess-Variationen sind nahezu end los. Dies führt zu einer Emitterspitze 13, die nicht nur schärfer als eine einfache Siliziumspitze sein kann, sondern auch eine höhere Widerstands fähigkeit gegen Erosion sowie eine geringere Aus trittsarbeit besitzt. Das Silizid wird durch die Reaktion des hitzebeständigen Metalls mit dem dar unterliegenden Polysilizium in einem Wärmebehand lungsschritt gebildet.

Alle vorstehend genannten US-Patente werden hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme zu einem Bestandteil der vorliegenden Anmeldung ge macht.

Claims

1. Verfahren zum Bilden einer selbstausgerichteten Gatestruktur (15) um eine Kathodenemitterspitze (13) herum, mit folgenden Schritten:

a) Bilden einer Kathodenemitterspitze (13) auf einem Substrat (11),
b) Bilden von mindestens einer isolierenden Schicht (18, 14) mit mindestens einer leitfähigen Schicht (15) oben auf der Katho denemitterspitze (13),

gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) chemisch-mechanische Planarisierung des mit den Schichten versehenen Substrates (11), und
b) Entfernen eines die Kathodenemitterspitze (13) umgebenden Teils der Isolierschichten (14, 18) zur Freilegung der Katho denemitterspitze (13).

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schrit te:

a) Bilden mindestens einer Gate-Kathoden-Abstandsschicht (18) über der Kathodenemitterspitze (13), und
b) Niederschlagen einer Isolierschicht (14) oben auf der Abstands schicht (18).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch den fol genden Schritt:

- Wiederverflüssigung der Isolierschicht (14) unterhalb der Spitze (13).

4. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 3, gekennzeichnet durch den folgenden Schritt.

- Niederschlagen einer leitfähigen Gateschicht (15) oben auf der Isolierschicht (14).

5. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die chemisch-mechanische Planarisierung zum Freilegen der Abstandsschicht (18) ausgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab standsschicht (18) entfernt wird, wodurch die Spitze (13) freigelegt wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den folgenden Schritt:

- Schärfen der Spitze (13) durch Oxidation.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgenden Schritt:

- Beschichten der Spitze (13) mit einem Material mit einer gerin geren Austrittsarbeit als Silizium.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Abstandsschicht (18) in Bezug auf die Schicht (14) selektiv ätzbar ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Abstandsschicht (18) um wenigstens ein Element aus der Gruppe bestehend aus Si₃N₄, SiO₂ sowie Siliziumoxinitrid handelt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht (15) Polysilizium enthält.

12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß der chemisch-mechanische Planarisierungsvorgang unter Verwendung einer Polier-Aufschlämmung durchgeführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pufferschicht auf der leitfähigen Schicht (15) niedergeschlagen wird, bevor das beschichtete Substrat dem Planarisierungsschritt unter zogen wird.

14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schicht (14) ein fließfähiges Material auf weist, wobei das fließfähige Material mindestens eine Substanz aus der aus Borophosphorsilikatglas (BPSG), Aufschleuderglas (SOG), Polyimid, Aufschleuder-Dielektrikum und fließfähigem Dielektrikum bestehenden Gruppe aufweist.

15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kathodenspitze (13) in ein eine Anzeige bildendes Feld gleichartiger Kathoden integriert ist.