(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極と、
前記下部電極上に２つの端部を含む上面部を有して形成される強誘電体層と、
前記強誘電体層の上面部で２つの端部を除く領域に形成される挿入電極と、
前記強誘電体層及び挿入電極の上面部に形成され、上面部に所定パターンを有する誘電体層と、
前記強誘電体層に対向して誘電体層の一側部に形成されるダミー上部電極と、から構成されることを特徴とする強誘電体エミッタ。
【請求項２】
前記誘電体層は、２つの端部を備えた上面部を有し、この２つの端部を除く誘電体層の上面部に所定パターンが形成されて構成されることを特徴とする請求項１に記載の強誘電体エミッタ。
【請求項３】
前記ダミー上部電極は、誘電体層から着脱自在に形成されることを特徴とする請求項１に記載の強誘電体エミッタ。
【請求項４】
前記ダミー上部電極は、所定パターンが形成されたパターン形成部を除く誘電体層の領域に形成されることを特徴とする請求項１に記載の強誘電体エミッタ。
【請求項５】
下部電極と、
前記下部電極上に２つの端部を含む上面部を有して形成される強誘電体層と、
前記強誘電体層の上面部の２つの端部を除く領域に形成される挿入電極と、
前記強誘電体層及び挿入電極の上面部に形成され、２つの端部を含む領域が突出して形成される第１誘電体層と、
前記第１誘電体層の突出した端部を含む領域を除く上面部に形成される第２誘電体層と、
前記第１誘電体層の突出した一側部上に形成されるダミー上部電極と、から構成されることを特徴とする強誘電体エミッタ。
【請求項６】
前記第１誘電体層の誘電率は、前記第２誘電体層の誘電率よりも高いことを特徴とする請求項５に記載の強誘電体エミッタ。
【請求項７】
前記ダミー上部電極は、前記第１誘電体層から着脱自在に形成されることを特徴とする請求項５に記載の強誘電体エミッタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強誘電体エミッタに係り、詳しくは、半導体リソグラフィー工程に好適な、多層構造を有する強誘電体エミッタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、強誘電体のスイッチングによる強誘電体からの電子放出（以下、「エレクトロンエミッション」という。）の原理を利用した強誘電体エミッタは、特にリソグラフィーの分野で工程を簡素化できるという点から注目されている。これまで、磁場雰囲気中で強誘電体エミッタをスイッチングすることにより、リソグラフィーに適した電子が得られる技術が開発されている。しかしながら、従来の一般的な強誘電体エミッタにおいては、２つの電極間の距離が広過ぎたり、狭過ぎたりすると、適切なエレクトロンエミッションを実現させることが困難であるという問題があった。
【０００３】
たとえば、前記従来の強誘電体エミッタにおいて、２つの電極間の距離が広過ぎる場合には、充分な強度の電場が強誘電体エミッタの中央部まで形成されず、このような強誘電体の中央部を含む領域では、スイッチングの効果が発現されない。
一方、前記従来の強誘電体エミッタにおいて、２つの電極間の距離、またはマスクパターンの間隔が狭過ぎる場合には、強誘電体エミッタの強誘電体層に形成されたマスクパターンが、エレクトロンエミッションの際に電子を吸収するため、その結果、パターン形成されたマスクを通して電子が流れるようになる。
さらに、前記マスクパターンがドーナツ状に孤立して形成されたパターンである場合には、２つの電極が互いに連結されていないため、このマスクパターンではスイッチングが不可能になるという問題が発生する。
【０００４】
このような強誘電体のスイッチングに対して、ピロ電気（焦電体）のエレクトロンエミッションの場合には、マスクパターンの間隔の特性によらず、均一なエレクトロンエミッションを実現することが可能である。ここで、ピロ電気（ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ）とは、温度変化によって電気的分極状態をつくり出す結晶の性質のことである。この性質により、物質が温度変化を受けると、自発分極の大きさが変化して束縛電荷に影響を及ぼし、その結果、上部電極と下部電極との間に電流が流れるようになる。
【０００５】
エミッタが真空中で加熱されると、エミッタの表面でスクリーニングされた束縛電荷が真空中に放出されるという現象が起こるが、この現象は、いわゆる「ピロ電気エミッション」と呼ばれている。この場合、マスクパターンの間隔によらず、均一なエレクトロンエミッションが具現化される。さらに、このピロ電気エミッションは、ドーナツ状に孤立して形成されたパターンにおいても、均一なエレクトロンエミッションを可能にする。しかしながら、このようなピロ電気エミッションは、エレクトロンエミッションを容易にする一方で、電子の再放出を行なわせるために、エミッタをリポーリング（ｒｅ−ｐｏｌｉｎｇ）したり、あるいはキュリー温度以上に加熱したりすることが必要になるという問題がある。
【０００６】
【発明が解決ようとする課題】
前記の問題点を解決するための本発明の目的は、マスクパターンの間隔によらず、均一なエレクトロンエミッションが行なわれることを保証し、しかもドーナツ状に孤立して形成されたパターンであっても、キュリー温度以上に加熱する必要がなく、均一なエレクトロンエミッションを行なうことが可能な、強誘電体のスイッチングによるエレクトロンエミッションを利用したリソグラフィーを行なうための強誘電体エミッタを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、下部電極と、前記下部電極上に２つの端部を含む上面部を有して形成される強誘電体層と、前記強誘電体層の上面部の２つの端部を除く領域に形成される挿入電極と、前記強誘電体層及び挿入電極の上面部に形成され、所定パターンを有する誘電体層と、前記強誘電体層に対向して誘電体層の一側部に形成されるダミー上部電極とから構成されることを特徴とする強誘電体エミッタを提供する（請求項１）。
【０００８】
前記の本発明に係る強誘電体エミッタおいて、誘電体層は、２つの端部を備えた上面部を有し、この２つの端部を除く誘電体層の上面部に所定パターンが形成されて構成されることことが望ましい（請求項２）。
また、前記強誘電体エミッタにおいて、ダミー上部電極は、誘電体層から着脱自在に形成されることが望ましい（請求項３）。
さらに、前記強誘電体エミッタにおいて、ダミー上部電極は、パターンが形成されたパターン形成部を除く誘電体層の領域に形成されることが望ましい（請求項４）。
【０００９】
また、前記課題を解決するために、本発明は、下部電極と、前記下部電極上に２つの端部を含む上面部を有して形成される強誘電体層と、前記強誘電体層の上面部の２つの端部を除く領域に形成される挿入電極と、前記強誘電体層及び挿入電極の上面部に形成され、側部と上面部とを有すると共に、側部が突出して形成される第１誘電体層と、前記第１誘電体層の突出した側部を除く上面部に形成される第２誘電体層と、前記第１誘電体層の突出した一側部上に形成されるダミー上部電極とから構成されることを特徴とする強誘電体エミッタを提供する（請求項５）。
【００１０】
前記の本発明に係る前記強誘電体エミッタおいて、第１誘電体層の誘電率は、第２誘電体層の誘電率よりも高いことが望ましい（請求項６）。
また、前記強誘電体エミッタにおいて、上部電極は、第１誘電体層から着脱自在に形成されることが望ましい（請求項７）。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照しながら本発明の望ましい実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明に係る強誘電体エミッタの構造を模式的に示す断面図である。図１に示すように、本発明に係る強誘電体エミッタは、強誘電体層１１の上面部に挿入電極１２が形成されている。
また、強誘電体層１１の上面部の２つの端部、及び挿入電極１２の上面部には、所定パターンが形成された誘電体層１３が形成されている。このように、強誘電体層１１及び誘電体層１３はいずれも、各々異なる構成の２つの端部を備えた上面部を有している。また、挿入電極１２の上面部及び２つの側部は、誘電体層１３で囲繞された構造を有している。
【００１２】
誘電体層１３は、強誘電体層１１及び挿入電極１２の上面部に形成された構造を有しているので、強誘電体層１１の上面部に形成された部分の層の厚さが、挿入電極１２の上面部に形成された部分の層の厚さよりも厚く形成されている。挿入電極１２の上に配置される誘電体層１３の上面部の所定部位には、所定パターンが形成されている。
また、誘電体層１３の上には、ダミー上部電極１４が形成されている。このダミー上部電極１４は、本発明に係る強誘電体エミッタが作動する際に容易に分離できるように、着脱自在に形成されている。このダミー電極１４は、誘電体層１３の上面部でパターンが形成されていない部位に形成されている。
【００１３】
強誘電体層１１の下面部には下部電極１５が形成されている。この下部電極１５は、本発明に係る強誘電体エミッタを作動させる際に、外部電荷を加えるためのものである。
強誘電体層１１の上に形成された挿入電極１２は、下部電極１５とダミー上部電極１４との間に配置されている。この挿入電極１２は、電場が印加されると、それに伴って中央部及びその近傍部にある強誘電体層１１を分極させる役割を果たす。また、挿入電極１２は、ダミー上部電極１４が分離されると、前記誘電体層１３のパターンの間に電荷を集めるように作用する。
なお、図１には、本発明に係る強誘電体エミッタの外部にコレクタ１６が示されているが、このコレクタ１６は本発明に係る強誘電体エミッタが作動する際に、誘電体層１３から放出された電子が到達する部分である。
【００１４】
図２から図４は、図１に示された構造を有する本発明に係る強誘電体エミッタにおいて、強誘電体のスイッチングによるエレクトロンエミッションを利用したリソグラフィーを行なうための方法を説明するための模式的な断面図である。
まず、図２を参照しながら本発明に係る強誘電体エミッタでエレクトロンエミッションを行なうための初期化段階について説明する。まず、下部電極１５とダミー上部電極１４との間に所定電圧を印加する。すなわち、正の束縛電荷を下部電極１５に集め、また負の束縛電荷をダミー上部電極１４に集めるために、本発明に係る強誘電体エミッタを分極させる（参照番号２１）。この初期化段階では、電場がダミー上部電極１４と挿入電極１２との間に誘起される。また、電場は挿入電極１２と下部電極１５との間にも誘起される。さらに、強誘電体層１１は挿入電極１２の面積に相当する領域が分極される。
【００１５】
つぎに、図３を参照しながら、前記初期化段階に引き続いて行なわれるスクリーニング段階について説明する。パターンが形成された誘電体層１３の上部に形成されているダミー上部電極１４（図２参照）を誘電体層１３から分離すると、ダミー上部電極１４内にある負の束縛電荷が強誘電体エミッタから急速に消滅する。そして、この負の束縛電荷と入れ替わって、真空中の電子２２が、誘電体層１３でパターンが形成された部分に集まる。
【００１６】
このとき、誘電体層１３の層の厚さが比較的厚く形成された部分よりも比較的薄く形成された部分の方に電子２２がより多く集まるので、誘電体層１３の中央部及びその近傍部付近に電子２２が集まるようになる。この電子２２が集まる程度は、強誘電体の自発分極が大きい程、また誘電体層１３の層の厚さが薄い程大きくなる。
【００１７】
前記スクリーニング段階までは、強誘電体のスイッチングによるエレクトロンエミッションを利用したリソグラフィーとピロ電気によるエレクトロンエミッションを利用したリソグラフィーとは実質的にほぼ同様のプロセスで行なわれる。しかしながら、つぎに説明するエレクトロンエミッション段階では、前記両者のプロセスは異なる。
【００１８】
以下、図４を参照しながら、本発明に係る強誘電体エミッタにおける、強誘電体のスイッチングによるエレクトロンエミッションを利用したリソグラフィーについて説明する。強誘電体のスイッチングによるエレクトロンエミッションを利用したリソグラフィーのエレクトロンエミッション段階では、前記初期化段階とは逆に、ダミー上部電極１４と下部電極１５との間に負の電圧を印加する。したがって、この段階では、ダミー上部電極１４には正の束縛電荷が集まり、下部電極１５には負の束縛電荷が集まって、強誘電体層１１の分極の方向が前記初期化段階とは反対となる（参照番号２３）。
【００１９】
このとき、ダミー上部電極１４には正電荷が束縛され、下部電極１５には負電荷が束縛され、これに伴って誘電体層１３の上面部に集められていた電子２４は誘電体層１３の上面部から放出され、コレクタ１６側に向けて移動する。このようにして、電子２４が放出され、強誘電体のスイッチングによるエレクトロンエミッションを利用したリソグラフィーが行なわれる。
【００２０】
つぎに、ピロ電気によるエレクトロンエミッションを利用したリソグラフィーについて説明する。図５から図８は、図１に示す構造を有する本発明に係る強誘電体エミッタにおいて、ピロ電気によるエレクトロンエミッションを利用したリソグラフィーの方法を説明するための模式的な断面図である。
【００２１】
まず、図５を参照しながら、ピロ電気によるエレクトロンエミッションを実行するための初期化段階について説明する。この初期化段階では、下部電極１５とダミー上部電極１４との間に所定電圧を印加する。すなわち、正の束縛電荷を下部電極１５に集め、また負の束縛電荷をダミー上部電極１４に集めるべく、強誘電体エミッタを分極させる（参照番号３１）。すなわち、この初期化段階では、電場が、ダミー上部電極１４と挿入電極１２との間に誘起される。また、別の電場が、挿入電極１２と下部電極１５との間に誘起される。さらに、強誘電体層１１は、挿入電極１２の面積と同程度の領域が分極される（参照番号３１）。
【００２２】
つぎに、図６を参照しながら、前記初期化段階に引き続いて行なわれるスクリーニング段階について説明する。まず、パターンが形成された誘電体層１３の上面部に形成されたダミー上部電極１４を、誘電体層１３から分離する。このとき、ダミー電極１４の分離によってダミー上部電極１４内にあった負の束縛電荷がエミッタから急速に消滅する。そして、この負の束縛電荷と入れ替わって、真空中の電子３２が、誘電体層１３でパターンが形成された部分に集まる。
【００２３】
このとき、誘電体層１３で、層の厚さが比較的厚く形成された部分よりも層の厚さが比較的薄く形成された部分の方に電子がより多く集まるので、誘電体層１３でパターンが形成された中央部及びその近傍部に電子３２が集まる。この電子３２が集まる程度は、強誘電体の自発分極が大きい程、また誘電体層１３が薄い程大きくなる。
【００２４】
このようなピロ電気によるエミッションを利用したリソグラフィーは、前記初期段階及びスクリーニング段階までは、前記の強誘電体のスイッチングによるエレクトロンエミッションを利用したリソグラフィーとほぼ同様のプロセスで進行する。しかしながら、つぎに説明するエレクトロンエミッション段階では前記両者のプロセスには差異がある。すなわち、強誘電体のスイッチングによるエレクトロンエミッションを利用したリソグラフィーのプロセスにおけるエレクトロンエミッション段階は、その初期化段階とは異なって負の電圧を印加する方法を採用しているが、ピロ電気によるエレクトロンエミッションを利用したリソグラフィーのプロセスにおけるエレクトロンエミッション段階は、強誘電体エミッタに熱を加える方法を採用している。
【００２５】
以下、図７を参照しながら、本発明に係る強誘電体エミッタにおいて、ピロ電気によるエレクトロンエミッションを利用したリソグラフィーを行なう方法について説明する。前記した強誘電体のスイッチング段階を経た後、このエレクトロンエミッション段階では、外部に備えられた加熱手段（図示省略）を用いて本発明に係る強誘電体エミッタの強誘電体層１１を加熱する。このような外部の加熱手段としては、ヒーター、レーザーまたは赤外線等の各種の加熱手段を用いることができる。
【００２６】
前記のような加熱の過程を経た後、前記強誘電体エミッタに含まれる強誘電体層１１の温度が上昇するにつれて、分極の度合いが次第に減少する（参照番号３３）。このように分極の度合いが次第に減少する過程において、分極の度合いが減少していく程度に比例して誘電体層１３から電子３４が放出され、コレクタ１６に向かって移動する。このような過程を通して、本発明に係る強誘電体エミッタにおいて、強誘電体のスイッチングによるエレクトロンエミッションを利用したリソグラフィーでは強誘電体エミッタに所定電圧を印加する代わりに、ピロ電気によるエレクトロンエミッションを利用したリソグラフィーでは強誘電体エミッタに熱を加えることによって電子が放出される。
【００２７】
つぎに、図８を参照しながら、本発明に係る強誘電体エミッタの他の実施形態について説明する。図８に示す本発明に係る強誘電体エミッタは、図１に示される本発明に係る強誘電体エミッタとは異なり、パターンが形成された部分の誘電体物質（第２誘電体層）４４が、パターンが形成されていない部分の誘電体物質（第１誘電体層）４３とは異なる誘電体物質で構成されている。
【００２８】
強誘電体層４１の上面部の中央部及びその近傍部には、挿入電極４２が形成されている。また、強誘電体層４１及び挿入電極４２の上面部には、第１誘電体層４３が形成され、その２つの端部を含む領域が突出した構造を有している。したがって、挿入電極４２の上面部及び２つの側部は、第１誘電体層４３で囲繞された構造を有している。このように第１誘電体層４３は、強誘電体層４１及び挿入電極４２の上面部に形成された構造を有する。したがって、強誘電体層４１の上にある部分の層の厚さは、挿入電極４２の上にある部分の層の厚さよりも厚くなって構成されている。第１誘電体層４３の突出した、２つの端部を含む領域を除く部分には、第２誘電体層４４が所定パターンに形成されている。そして、下部電極４６が強誘電体層４１の下面部に設けられている。
【００２９】
また、第１誘電体層４３の誘電率は、第２誘電体層４４の誘電率とは異なる誘電率を備えて構成されている。本発明に係る強誘電体エミッタにあっては、第１誘電体層４３の誘電率が第２誘電体層４４の誘電率よりも高いことが望ましい。第１誘電体層４３で突出した一側部の上には、ダミー上部電極４５が形成されている。このダミー上部電極４５は、本発明に係る強誘電体エミッタが作動する際に、容易に分離できるように、着脱自在に構成される。
【００３０】
図８に示す本発明に係る強誘電体エミッタを作動させる方法は、図１に示す本発明に係る強誘電体エミッタの作動方法と基本的に同一である。すなわち、図２から図７に示されるように、強誘電体のスイッチングによるエレクトロンエミッションとピロ電気によるエレクトロンエミッションとは、ほぼ同一プロセスで行なわれる。
【００３１】
なお、前記スクリーニング段階において、電子は、第１誘電体層４３で、突出した端部を除く、上面部に形成された第２誘電体層４４のパターンの間に集められる。そして、強誘電体のスイッチングによるエレクトロンエミッション、またはピロ電気によるエレクトロンエミッションによって電子が放出される。
【００３２】
【発明の効果】
以上、説明した通りに構成される本発明によれば、強誘電体のスイッチングによるエレクトロンエミッションを利用したリソグラフィーにおいて、マスクパターンの間隔、すなわちマスクパターンの間隔が広い部位または狭い部位によらず、均一なエレクトロンエミッションが行なわれ、さらにドーナツ状に孤立して形成されたパターンでも、均一なエレクトロンエミッションが行なわれることが保証される強誘電体エミッタを提供することができる。このような強誘電体エミッタは、ピロ電気によるエレクトロンエミッションでリポーリングが容易となるので、各種分野での応用性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る強誘電体エミッタの構造を模式的に示す断面図である。
【図２】強誘電体のスイッチングによるエレクトロンエミッションを利用したリソグラフィーを行なうための本発明に係る強誘電体エミッタに、ダミー上部電極を設けた状態で所定電圧を印加した初期化段階を模式的に示す断面図である。
【図３】図２に示す初期化段階を経た、強誘電体のスイッチングによるエレクトロンエミッションを利用したリソグラフィーを行なうための本発明に係る強誘電体エミッタに、ダミー上部電極を分離したスクリーニング段階を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、図３に示すスクリーニング段階を経た、強誘電体のスイッチングによるエレクトロンエミッションを利用したリソグラフィーを行なうための本発明に係る強誘電体エミッタに、ダミー上部電極を設けた状態で負電圧を加えるエレクトロンエミッション段階を模式的に示す断面図である。
【図５】ピロ電気によるエレクトロンエミッションを利用したリソグラフィーを行なうための本発明に係る強誘電体エミッタに、ダミー上部電極を設けた状態で、所定電圧を印加した初期化段階を模式的に示す断面図である。
【図６】図５に示す初期化段階を経た、ピロ電気によるエレクトロンエミッションを利用したリソグラフィーを行なうための本発明に係る強誘電体エミッタで、ダミー上部電極を分離したスクリーニング段階を模式的に示す断面図である。
【図７】図６に示すスクリーニング段階を経た、ピロ電気によるエレクトロンエミッションを利用したリソグラフィーを行なうための本発明に係る強誘電体エミッタに、ダミー上部電極を設けた状態で負電圧を印加したエレクトロンエミッション段階を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明に係る強誘電体エミッタの他の実施形態の構成を模式的に示す図面である。
【符号の説明】
１１、４１  強誘電体層
１２、４２  挿入電極
１３  誘電体層
１４、４５  ダミー上部電極
１５  下部電極
１６  コレクタ
１７  強誘電体のスイッチングによりコレクタに移動する電子
１８  強誘電体の焦電体効果によりコレクタに移動する電子
２２、２４、３２、３４  電子
２１、２３、３１、３３  分極の方向
４３  第１誘電体層
４４  第２誘電体層
【図１】
0004050015.tif 000002
【図２】
0004050015.tif 000003
【図３】
0004050015.tif 000004
【図４】
0004050015.tif 000005
【図５】
0004050015.tif 000006
【図６】
0004050015.tif 000007
【図７】
0004050015.tif 000008
【図８】
0004050015.tif 000009