(57)【要約】【課題】半導体デバイス設計、特に発光表示デバイス設計において、集積化・モジュール化に際し、さらに微細化、機能の向上が求められている。この要請に応えうる手段を提供しようというものである。【解決手段】シリコン基板を異方性エッチング処理することにより、〈１１１〉面によって構成される逆ピラミッド状エッチピットを形成し、酸化膜を介してエッチピットに発光素子等、能動素子を埋込むことによって設計し、微細化、集積化に寄与しようというものである。【選択図】            図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板に異方性エッチングにより形成された〈１１１〉面によって構成された逆ピラミッド状の任意の大きさのピットに発光素子を埋め込んだことを特徴とする発光表示デバイス。
【請求項２】
シリコン基板に異方性エッチングにより形成された逆ピラッミド状の任意形状のピットに発光素子を埋み込み、該発光素子を駆動制御するドライバー回路を同じシリコン基板に形成したことを特徴とする発光表示デバイス。
【請求項３】
該エッチピットとその中に充填され埋め込まれる発光素子がドットマトリックス型に格子状に多数配列してなる請求項１または２記載の表示デバイス。
【請求項４】
該発光素子がＺｎＯである請求項１ないし３記載の何れか１項記載の表示デバイス。
【請求項５】
異方性エッチングにより形成された逆ピラミッド状エッチピットを酸化処理あるいは酸化物成膜処理し、当該エッチピットに形成する能動素子間の絶縁分離を図ったことを特徴とするデバイス作製に供されるシリコン半導体基板。
【請求項６】
異方性エッチングにより形成された逆ピラミッド状エッチピットを酸化処理あるいは酸化物成膜処理し、当該エッチピットに形成する能動素子間の絶縁分離を図り、かつエッチピットに形成する能動素子の動作制御のための電極を当該酸化膜の上にさらに形成したことを特徴とするデバイス作製に供されるシリコン半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン基板に蛍光体等発光素子を埋め込んでなるあるいはさらにそのドライブ回路を一体に取り付けてなる表示デバイスに関する。さらに、各種能動素子を埋め込み型に設定するデバイス作製に供されるシリコン半導体基板あるいはさらにそのドライブ回路を一体に取り付ける電極を形成してなるデバイス作製に供されるシリコン半導体基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高精彩、マルチカラーという観点から液晶／ＴＦＴが表示素子として多用されているが、一方で蛍光表示管は、高輝度、低電圧駆動、高視認性、高信頼性を有することから、家電機器、車載表示素子、工場計測器などに広く利用されている。  蛍光表示管は、開発初期においては、真空管の中に封入された一桁の表示機能であったが、セラミックス基板に多桁の表示セグメントを形成してなる陽極基板に、格子電極及び陰極を組み立て、これを真空容器内に封入するタイプのものが現れ、蛍光体の発光効率の飛躍的な向上と相まって、多桁管として成功した。
【０００３】
その後、半導体発光素子、ＬＥＤとの市場競争の中で、基板にガラスを使用し、これに厚膜印刷技術により発光セグメントの電極及び配線を形成してこのガラス基板を真空容器の一部とするガラス製平型管が現在の蛍光表示管の基本的な構造であり、情報量の増大と高精彩をはかるために、その表示部はドットマトリックス型になり、この表示部の発光素子を駆動制御するドライバー回路を内蔵したり、ドライバー回路が形成されたシリコン基板に蛍光体を配置したモジュールタイプのものが幅広く使用されるに至っている。
【０００４】
しかしながら、モバイル機器に夜間でも視認性の高い超小型高精彩表示機器が求められることを考慮すると、配線、蛍光素子の微細化に更なる改善が求められており、そのためドライバー回路など半導体シリコンプロセスと親和性の高い製造プロセスの登場が待たれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記発光・表示デバイスをはじめとする各種デバイスがシリコン半導体との集積化・モジュール化に際し、さらに微細化、機能の向上が求められているところから、これらの要請に応えようというものであり、その解決手段を提供しようというものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そのため本発明者等において、鋭意研究した結果、シリコン基板を異方性エッチングすることにより、〈１１１〉面によって逆ピラミッド状エッチピットが制御可能に容易に形成されること、このエッチピットに発光素子を充填し、埋め込むことによって簡単に表示素子を形成することが出来ることを知見し、その作製に成功したものである。本発明は、この知見、成功に基づいてなるものであり、その構成は以下のとおりである。
（１）  シリコン基板に異方性エッチングにより形成された〈１１１〉面によって構成された逆ピラミッド状の任意の大きさのピットに発光素子を埋め込んだことを特徴とする発光表示デバイス。
（２）  シリコン基板に異方性エッチングにより形成された逆ピラッミド状の任意形状のピットに発光素子を埋み込み、該発光素子を駆動制御するドライバー回路を同じシリコン基板に形成したことを特徴とする発光表示デバイス。
〈３）  該エッチピットとその中に充填され埋め込まれる発光素子がドットマトリックス型に格子状に多数配列してなる請求項１または２記載の表示デバイス。
（４）  該発光素子がＺｎＯである請求項１ないし３記載の何れか１項記載の表示デバイス。
（５）  異方性エッチングにより形成された逆ピラミッド状エッチピットを酸化処理あるいは酸化物成膜処理し、当該エッチピットに形成する能動素子間の絶縁分離を図ったことを特徴とするシリコン半導体基板。
（６）  異方性エッチングにより形成された逆ピラミッド状エッチピットを酸化処理あるいは酸化物成膜処理し、当該エッチピットに形成する能動素子間の絶縁分離を図り、かつエッチピットに形成する能動素子の動作制御のための電極を当該酸化膜の上にさらに形成した各種デバイス用シリコン半導体基板。
【０００７】
【実施例】
本発明を、以下に記載する実施態様に基づいて具体的に説明する。但しこの実施態様は、あくまでも本発明を容易に理解するための一助として開示するものであり、これによって本発明を限定する趣旨ではない。
【０００８】
実施態様その１；
シリコン基板に異方性エッチングより形成された〈１１１〉面によって構成された逆ピラミッド状エッチピット上にシリコン酸化膜を形成し、該酸化膜上にアルミニウム膜のアノード電極を成した後、該ピットに酸化亜鉛蛍光体を充填した構造を持つ蛍光表示装置の１実施例の構造を図１に、その製造工程を図２に示す。
▲１▼  まず、１０ｎｍ程の極めて薄いシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）が表面に形成されてなるＰ型（１００）シリコンウェファーに、電子線を走査して１辺がそれぞれ５００ｎｍの四角形を複数個格子状（アレイ状）に区画形成し、電子線照射によって照射された区画領域のシリコン酸化膜の改善処理を行った。この時使用した電子線のビーム径は約４ｎｍであり、加速電圧は３０ｋｅＶ、照射量は４０ｐＣ／ｄｏｔであった。
その後、前記改善処理をした部分の選択的エッチングを行った。エッチングは、Ｂｕｆｆｅｒｅｄ  ＨＦ（ＢＨＦ：ＨＦとＮＨ４Ｆとの混合溶液）により行った。
▲２▼  その後、前記電子線照射領域形状に選択エッチング、酸化膜除去されたウエハーは、次いでヒドラジン１水和物（エッチング温度；１１０℃、エッチング時間；１５秒）によりシリコンの選択エッチングを行った。その結果、図１（ａ）、（ｂ）に示すような一辺が約５００ｎｍの逆ピラミッド状エッチピットアレイがマトリックス状に複数個配列したシリコンウエハーを得ることが出来た。この選択エッチングにより、図１（ｂ）に示すようにシリコン基板面に対して５４．７°の角度でエッチングされ、その各稜のなす角度が７０．６°の交点に至る自己停止（Ｓｅｌｆ  ｓｔｏｐ）点までエッチングを行うことが出来る。
▲３▼  次に、このマトリックス状に複数個形成されてなるエッチピットアレイを有するシリコンウエハーに酸化処理を行い、ピット上に図２（ａ）に示すようにピット内部表面に酸化膜を形成する。シリコン基板の酸化にあたっては、Ｎ２でＨ２Ｏをバブリングさせた雰囲気中で１０５０℃に加熱を行って酸化レートを５０ｎｍ／ｍｉｎ程度にコントロールして、２０ｎｍの酸化膜を形成した。
▲４▼  さらにアノード電極として機能する金属アルミ層を図２（ｂ）に示すようにスパッタリング等により２００ｎｍの厚さに成膜した。
▲５▼  その後、図２（ｃ）に示すように、金属アルミ膜の上にＣＶＤ法により酸化亜鉛膜を形成した。この酸化亜鉛膜の成膜操作は、亜鉛ソースとしてＺｎアセチルアセトナートを使用し、この化合物をアルゴン気流中（２．００ｓｃｃｍ）、８５℃で気化させ、気化してなるガスをチャンバー内、リングインジェクターにて基板に向けて噴射（基板距離４ｃｍ）した。この時酸化源として酸素をＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）ソースを通して基板に向け噴射（基板距離１５ｃｍ）した。この時の酸素流量は８．００ｓｃｃｍ、ＥＣＲのパワーソースはマイクロ波で２００Ｗであった。
▲６▼  その後、図２（ｄ）に示すように、逆ピラミッド状のピットを完全に充填するように成膜した酸化亜鉛薄膜は、ピット充填部分以外を除去するために、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；化学機械研磨）装置により酸化亜鉛が成膜された基板の表面研磨を行った。
その結果、該図２（ｄ）に示すように当該ピットと連続して表面に形成された基板表面アルミ電極に到達する深さまで研磨を行い、シリコン酸化膜によってシリコンウェファーとは完全に分離され、かつアルミ電極により電気的に接続され、かつアルミ電極により電気的に接続されかつ前述のピットに充填埋設された逆ピラミッド状酸化亜鉛半導体のアレイが作製される。
▲７▼  表面に露出したアルミ電極は、アノード電極の分離形成のため、感光性ポジレジスト塗布、パターンニング照射、アルカリ液洗浄後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ；ＢＣｌ３、１０Ｐａ、１０ｓｃｃｍ）にてエッチング処理し、図３に示されているような態様に、発光表示マトリックスに対応した形でアノード電極を分離形成した。以上によって、酸化亜鉛蛍光体がピットに充填されたシリコン基板は、複数個のドットマトリックス表示が行えるような大きさにスクライバで切断し、図４に示すようにカソード電極、グリッドを形成後、カバーガラスを接着し、次いで真空封止処理を行うことによって、蛍光表示素子とし、筺体から引き出されたアノード線、グリッド線に、それぞれアノードドライバー回路、データ（グリッド）ドライバー回路を接続して表示デバイスを得、これらを制御することによって、蛍光ドットマトリックスの発光制御を行うことが出来る。
【０００９】
実施形態その２；
本形態は、前記実施形態１において説明された蛍光表示デバイスにおいて、ドライバー回路を同一シリコンウェファー上に形成することで、筺体の真空封止後にドライバー回路を改めて接続する工程を合理化した、酸化亜鉛蛍光体を異方性エッチングにより形成された逆ピラミッド状ピットに埋設したことを構造的特徴とする蛍光体素子の応用例であり、図２（ｄ）に示されるようにアノード電極となるアルミ電極がＣＭＰ平坦化処理により表面露出したシリコンウエハーの当該蛍光表示ドットマトリックスとなる部分の周囲に、グリッド線、アノード線に対応して半導体プレーナー技術により、それぞれのドライバー回路を形成する。形成するにあたっては、形成部分に予め窒化シリコン膜をシリコンウエハー上に形成しておき、図１で示されるような酸化膜形成時には蛍光体表示ドットマトリックス部をマスキングした上で、窒化シリコン膜を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等で除去して、所定の半導体回路形成プロセスを行えば良い。蛍光体表示ドットマトリックス部に対してドライバー回路は、図５に示すような位置関係にて形成、ウエハープロセスにより蛍光体表示ドットマトリックス部と接続して制御回路として機能する。
【００１０】
実施形態３；
本形態は、実施形態１において使用されたシリコン酸化物に被覆された逆ピラミッド型のエッチピットを有するシリコンウェファーに発光素子のアレイ形成する応用例の一つである。すなわち図２（ｄ）のようにアルミ電極を形成されたエッチピットに酸化亜鉛を実施形態１と同様に充填、平坦化処理を行い、この酸化亜鉛の充填部をエキシマレーザードーピング法（Ｔ．Ａｏｋｉ，Ｙ．Ｈａｔａｎａｋａ，ａｎｄＤ．Ｃ．Ｌｏｏｋ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７６  ３２５７，２０００）によりｐ型半導体層を形成し、これによりｐ−ｎ接合を当該充填された酸化亜鉛に形成する。酸化亜鉛表面部に発光面の電極として、ＩＴＯ（ＳｎドープＩｎ２Ｏ３）透明導電膜を形成して、金ワイヤーの超音波接合により引き出し電極を形成する（図６）。これによりｐ−ｎ接合面で光らせることが出来、ピットごとに発光させることが出来るようになる。このようにしてバイアス電流をピットに充填した酸化亜鉛に印可できるようにして紫外発光の表示アレイを形成する。
【００１１】
【発明の効果】
本発明により以下に記載するような技術的効果、あるいは技術的意義が期待される。
１．シリコン基板に異方性エッチングによりエッチピットを形成し、このエッチピットに酸化絶縁膜を形成したものを基本構造として利用するため、素子間の絶縁分離が容易に行われる。これによって、発光素子、高周波集積回路、高出力集積回路等の半導体集積回路設計において、その微細化設計あるいはプロセス設計に大いに寄与、貢献するものと期待され、今後、広くデバイス設計において極めて効果的に応用展開し、普及するものと期待される。
２．シリコン（１００）基板における異方性エッチングにより、任意の大きさ、深さで、かつ絶縁分離された逆ピラミッド型の三次元的なエッチング構造物を、簡単なプロセスによって再現性良く形成することが出来る。
３．シリコン以外の機能性材料に充填して応用することが可能である。
４．具体的かつ有用な応用例として微細ドットの蛍光あるいは発光表示素子が有り、任意の配列、形状で微細な発光ドットを形成して極めて高解像度で視認性の高い表示デバイスを提供することが出来る。
５．上記の発光素子はシリコンウェファーに異方性エッチングにより形成されたピットに作られているため、そのシリコンウエハー自体に表示デバイスのコントロールに必要なドライバー回路等を製作することも可能でドライバー回路等の後付け作業が合理化できる上、極めてコンパクトに最終表示デバイスをまとめることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１にかかるシリコンウエハー（１００）面に形成された逆ピラミッド状エッチピットの構造を示す図。
【図２】（ａ）前記実施形態の逆ピラミッド状エッチピット上に酸化シリコン膜を生成した時の構造を示す図。
（ｂ）前記実施形態の酸化膜を生成した逆ピラミッド状エッチピットにアノード電極及び表面平坦部への配線層を形成するため、アルミニウムにてメタライゼーション処理を行った後の構造を示す図。
（ｃ）酸化亜鉛蛍光体を前述のアノード電極を形成されたエッチピットを完全に充填する形態で成膜した構造模式図。
（ｄ）前記（ｃ）図４における酸化亜鉛蛍光体を成膜されたシリコンウェファーをＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；化学機械研磨）により平坦化処理を行い酸化亜鉛蛍光体をエッチピット完全に埋設した構造を示す図。
【図３】フォトレジスト、エッチング処理により、アルミニウム金属を部分的に除去してアノード電極を形成した状態を示す図。
【図４】実施形態１の表示デバイスとして、図３のアノード電極を形成されたシリコンウェファーを基板として電子源を供給するカソード、カソードで発生させられた電子を加速放射するグリッド、発光面のカバーガラス等の配置を示した図。
【図５】図４に示した表示デバイスの電気回路を示す概要図。
【図６】ｐ−ｎ接合面でピットに充填したＺｎＯ蛍光体を発光させる態様を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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