Brevet FR2700222A1 — publié le 19940708

La présente invention concerne un émetteur à effet de champ pour émettre des électrons par effet de champ dans des sources d'électrons utilisées pour divers éléments d'affichage, sources lumineuses, dispositifs de commutation à grande vitesse, microcapteurs, etc. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un émetteur à effet de champ qui met en oeuvre une matière de placage ou un siliciure métallique sur une pointe de l'émetteur pour renforcer ou modifier la caractéristique d'émission de la pointe d'un émetteur à effet de champ de silicium. Récemment, l'attention a été attirée sur le remplacement des émetteurs thermo-ioniques inefficaces par des émetteurs à effet de champ. L'émetteur est très intéressant, car la matière émettrice n'a pas besoin d'être chauffée. L'émetteur a été utilisé comme sources de balayage dans des microscopes électroniques pendant plusieurs années et l'émetteur est à présent en cours de développement comme source de dispositifs micro-électronique sous vide, d'affichages à écran plat et de tubes cathodiques à rendement et fréquence élevés. L'émetteur à effet de champ peut avoir un rendement lumineux et une luminance très élevés en intégrant au plus haut niveau un point de la matière émettrice à effet de champ, dont le rayon est inférieur à environ 100 manomètres, à 104 - 105 pointes par mm2 et l'on pense qu'il peut constituer un dispositif d'af fi- chage très valable pour la réalisation d'appareils de télévision muraux en raison de sa faible consommation de tension. Une pointe émettrice a de manière générale une structure de forme conique et ses procédés de fabrication sont divisés en quatre catégories comme suit. Un premier type de procédé est le tout premier procédé dans lequel la pointe de l'émetteur est formée par dépôt direct de la matière. La réalisation de ce premier procédé est décrit aux pages 3504 à 3505, n0 7, Vol. 39, Journal of Applied Physics, dans un article de C. A. Spint "THIN FILM FIELD EMISSION CATHO DE", et un procédé similaire à celui que l'on vient de mentionner est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3.755.704. Un deuxième procédé consiste à procéder à la gravure anisotropique d'une matière monocristalline à titre de silicium comme décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique n0 3.669.241. Un troisième procédé consiste à procéder à une gravure isotropique pour former la structure mentionnée ci-dessus. La réalisation de ce troisième procédé est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3.998.678. Un quatrième procédé consiste à former la pointe en oxydant la matière émettrice. La réalisation de ce quatrième procédé est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3.970.887. En résumé, comme montré dans la structure de l'émetteur à effet de champ typique représentée dans la Fig. 1, on réalise un émetteur à micro-pointe de forme conique. La notation de référence 11 désigne un substrat de silicium dopé par des impuretés de haute densité et ayant un taux de conductivité élevé. De même, l'émetteur de forme conique 17 est formé à l'intérieur d'une cavité 15 ménagée dans une couche isolante 13 du substrat de silicium. Par ailleurs, l'émetteur est enveloppé par une électrode de commande et d'extraction et par une électrode de porte 19. Tous les émetteurs à effet de champ de silicium fabriqués par les quatre types de procédés mentionnés ci-dessus ont certaines limitations. En effet, pour obtenir une émission par effet de champ de haut rendement, deux conditions doivent être remplies, notamment, une première condition qui exige que le composant de la pointe émettrice ait une faible fonction de travail et une seconde condition structurelle qui exige que l'ouverture de la porte soit petite. Cependant, le rendement de l'émission ne peut qu'être faible du fait que les émetteurs à micro-pointe de silicium sont soumis à une série de facteurs qui empêchent la première condition - un faible point de fusion, une faible conductivité électrique et une fonction de travail élevée.En outre, la pointe de l'émetteur de silicium qui est une pointe aiguë peut s'user ou ne plus fonctionner du fait que la pointe de silicium est sensible aux impuretés et n'a pas de résistance mécanique. A ce point de vue, comme montré dans la Fig. 2, pour renforcer et modifier la caractéristique de l'émetteur (afin d'améliorer la fonction de travail), on a fait récemment une étude sur un émetteur à effet de champ de conception nouvelle 17 dans lequel une couche de siliciure de métal réfractaire 20 est formée sur la partie supérieure de l'émetteur. Mais cet émetteur a également un problème. En effet, lorsque la matière métallique qui est destinée à former la couche de siliciure est déposée, la matière métallique se dépose également sur la paroi de la couche isolante 13 dans la cavité 15 ainsi que sur toute la surface de l'émetteur 17.Dans le procédé de recuit utilisé pour former la couche de siliciure qui est un composé de métal et de silicium traité thermiquement, la matière métallique se diffuse donc aisément vers la couche isolante si bien que cela entraîne une réduction de l'effet d'isolation électronique, une augmentation des courants de fuite et une réduction de la tension de coupure (se référer à l'article d'IVMC 92 "Gated Silicon Field Emitter Tip Technology" de R. B. Marcus et al.). Un objet de l'invention vise un procédé de fabrication d'un émetteur à effet de champ de silicium qui peut porter au maximum le rendement de l'émission en renforçant la caractéristique d'un émetteur d'électrons et en réduisant la fonction de travail de la matière émettrice tout en maximisant l'effet d'isolation par élimination des impuretés métalliques sur les couches isolantes. Pour atteindre cet objectif, un procédé de formation d'au moins un émetteur à effet de champ en silicium comprend les étapes suivantes on forme des masques d'oxyde par photogravure après oxydation thermique d'un substrat en silicium à haut niveau de dopage, on effectue la gravure à sec du substrat en silicium et un procédé d'oxydation d'affinement pour former des émetteurs en forme de cône centrés sur un point, on grave les couches d'oxyde selon les masques, on dépose des couches isolantes multiples sur le substrat et sur la partie supérieure de l'émetteur, on grave en plusieurs étapes les couches isolantes sur l'émetteur pour exposer l'émetteur en forme de cône, on dépose un métal pour former une électrode de porte sur les couches isolantes et un mince film métallique sur la pointe de l'émetteur par évaporation sous faisceau électronique selon une inclinaison inférieure à 45 vis-à-vis de l'horizontale, et on recuit pour former une couche de silicium métallique sur la pointe de l'émetteur. L'invention sera à présent décrite plus en détail en se référant aux dessins ci-annexés dans lesquels la Fig. 1 est une vue en coupe illustrant la structure de l'émetteur à effet de champ de silicium de la technique antérieure, la Fig. 2 est une vue en coupe illustrant une structure de l'émetteur à effet de champ de silicium qui renforce la caractéristique de l'émetteur de la Fig. 1, la Fig. 3 est une vue en coupe illustrant une structure d'un émetteur à effet de champ de silicium selon la forme de réalisation de l'invention, et les Fig. 4A à 4H sont des vues en coupe illustrant les stades de fabrication d'un émetteur à effet de champ de silicium selon la forme de réalisation de la présente invention. Description détaillée de la forme de réalisation préférée On se réfère à la Fig. 3 où est représenté un émetteur à effet de champ de silicum selon la forme de réalisation de la présente invention qui comprend des couches isolantes à structures multiples formées sur un substrat de silicium à haut niveau de dopage 31, c'est-àdire un film de nitrure 32 de 1.000 à 2.200 , un film d'oxyde 33 d'environ 5.000 à 9.000 et un film diélectrique 34 d'environ 3.000 à 5.000 . Une couche de siliciure de métal réfractaire 40 de faible fonction de travail, un composé de métal et de silicium traité à chaud sont formés sur seulement une pointe d'un émetteur en forme de cône 37, qui constitue en fait la zone d'émission électronique proprement dite, et une électrode de porte 39 est formée autour de la couche de siliciure 40. Les Fig. 4A à 4H sont des vues en coupe illustrant les stades de fabrication d'un émetteur à effet de champ de silicium selon la forme de réalisation de la présente invention. Une première étape consiste à former un masque d'oxyde 41 (Fig. 4A). Un substrat monocristallin 31, par exemple, un substrat de silicium de type N à haut niveau de dopage ayant une résistivité de plusieurs ohmcm est oxydé à chaud pour former un film d'oxyde d'environ 1.200 et le masque d'oxyde 41 qui s'aligne automatiquement lors de l'opération de gravure suivants est ensuite formé par photogravure. Une deuxième étape consiste à graver le substrat de silicium par gravure avec des ions réactifs afin de permettre le contrôle du rapport topographique de l'émetteur et former un émetteur en forme de cône à l'aide du masque d'oxyde 41 (Fig. 4b). Le substrat monocristallin 31 qui se trouve sous le masque d'oxyde 41 est gravé de manière sélective dans les directions horizontale et verticale à une vitesse prédéterminée. La configuration de l'émetteur de silicium qui présente un bord pointu ou pointe de structure conique est déterminée par la vitesse de gravure sélective et la forme du masque. Une troisième étape est constituée par réside dans un procédé d'oxydation d'affinement pour former un film d'oxyde thermique 42 afin d'affiner l'émetteur ayant une pointe plane (Fig. 4B). Le profil du film d'oxyde thermique 42 est le même que le profil de la gravure sélective et, dans l'opération suivante, le film d'oxyde thermique 42 est éliminé pour laisser le profil de la pointe aiguë de l'émetteur de silicium. Une quatrième étape est constituée par réside dans un procédé de gravure humide pour éliminer le film d'oxyde thermique 42 et le masque d'oxyde 41, sauf l'émetteur en forme de cône 37 formé avec le substrat 31 à titre de corps au cours des étapes mentionnées cidessus, comme montré dans la Fig. 4C. Une cinquième étape consiste à former des couches isolantes multiples sur le substrat 31 et sur la partie supérieure de l'émetteur 37 par un procédé de dépôt en phase vapeur chimique. Tout d'abord, un film de nitrure 32 est formé sur le substrat 31 et la partie supérieure de l'émetteur 37 par dépôt d'une couche de Si3N4 de 1.000 à 2.200 par un procédé de dépôt en phase vapeur chimique basse pression, puis un oxyde de film 33 de 0,5 à 0,9 pm et un film diélectrique 34 de 1 à 2 pm sont formés sur le film de nitrure 32 par dépôts successifs de SiO2 et d'un polyimide par un procédé CVD à plasma ou un procédé de revêtement à rotation. Une sixième étape consiste à réaliser un procédé de gravure en plusieurs stades pour exposer l'émetteur en forme de cône 37. Tout d'abord, comme monté dans la Fig. 4E, le film diélectrique 34 est gravé sur 3.000 à 5.000 pour exposer la couche de SiO2 33. En second lieu, une fois que le film d'oxyde 33 et le film de nitrure 32 ont été gravés par voie humide en utilisant le film diélectrique restant 34 à titre de masque, l'émetteur à effet de champ 37 est exposé comme montré dans la Fig. 4F. L'ouverture d'une cavité formée à ce stade est déterminée par la vitesse de gravure sélective ou l'état de gravure de chacune des couches isolantes. Une septième étape consiste à former une électrode de porte 39 en déposant selon une certaine inclinaison un métal de porte selon un angle de moins de 450 vis-à-vis de l'horizontale et à former un mince film métallique 47 qui sera transformé en composé traité à chaud avec le silicium via un procédé de recuit sur la pointe de l'émetteur 47 Fig. 4G). A ce stade, l'angle de dépôt peut être modifié selon l'ouverture de la cavité. Dans la forme de réalisation préférée de la présente invention, l'angle de dépôt est réglé à environ 25 à 300 par rapport à l'horizontale. En conséquence, la struc ture de l'électrode de porte 39 a une forme qui réduit le diamètre de l'ouverture conformément à l'angle de dépôt, c'est-à-dire qu'elle est configurée par la forme de la projection inclinée dans la direction du métal 47 de la pointe et celui-ci peut se former autour de la pointe aiguë, c'est-à-dire la zone proprement dite où les électrons sont émis. Dans l'intervalle, un des métaux ayant un point de fusion élevé choisi parmi Cr, Mo, Mb, Ta, Ti, W et Zr peut être appliqué comme métal de porte dans le procédé mentionné ci-dessus. Une étape finale consiste à former une couche de siliciure de métal 40 à la limite du métal 47 de la pointe et de l'émetteur de silicium par recuit dans un four à haute température, comme montré dans la Fig.4H. La couche de siliciure formée à ce stade dépend du type de métal de porte et l'on peut choisir entre le CrSi2, le MoSi2, le TaSi2, le WSi2 et le ZrSi2. Par suite, il est possible de renforcer efficacement la caractéristique d'émission de l'émetteur et, simultanément, on dispose d'un émetteur à effet de champ qui peut bloquer le passage du composant métallique vers les couches isolantes. Comme décrit ci-dessus, la présente invention a certains avantages dans la mesure où l'on forme une matière à base de siliciure ayant un point de fusion élevé et une faible fonction de travail à la pointe de l'émetteur, la zone émettrice d'électrons, si bien que l'on renforce la caractéristique de l'émetteur et on maximise le rendement de l'émission; en outre, comme la matière à base de de siliciure est formée à distance prédéterminée du film des couches isolantes, les courants de fuite peuvent être réduits en raison de l'absence d'impuretés métalliques dans les couches isolantes. REVENDICATIONS 1.- Procédé de formation d'un émetteur (37) à effet de champ en silicium, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: on forme des masques d'oxyde (41) par photogravure après oxydation thermique d'un substrat (31) en silicium à haut niveau de dopage, on effectue la gravure à sec du substrat (31) en silicium et un procédé d'oxydation d'affinement pour former des émetteurs (37) en forme de cône centrés sur un point, on grave les couches d'oxyde (42) selon les masques, on dépose des couches isolantes multiples (32, 33, 34) sur le substrat et sur la partie supérieure de l'émetteur (37), on grave en plusieurs étapes les couches isolantes (32, 33, 34) sur l'émetteur pour exposer l'émetteur (37) en forme de cône, on dépose un métal pour former une électrode de porte (39) sur les couches isolantes (32, 33, 34) et un mince fi1mmét#i# (47)sur la pointe de l'émetteur (37) par évaporation sous faisceau électronique selon une inclinaison inférieure à 450 vis-a-vis de l'horizontale, et on recuit pour former une couche de silicium métallique (40) sur la pointe de l'émetteur (37). 2.- Procédé de formation d'un émetteur à effet de champ en silicium selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites couches isolantes multiples (72, 33, #4) sont formées par une structure à trois étages de polyimide, de 5102 et de Si 3.- Procédé de formation d'un émetteur à effet de champ en silicium selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite couche (34) de Si3N4 est de 1.000 à 2.200 4.- Procédé de formation d'un émetteur à effet de champ en silicium selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle de dépôt a une inclinaison de 20 à 300.