Вакуумный интегральный микроэлектронный прибор и способ его изготовления

Изобретение относится к вакуумным интегральным микроэлектронным приборам с катодами вертикального типа и обратным расположением электродов относительно подложки и устройствам на их основе: вакуумным интегральным схемам, вакуумным микроэлектронным переключателям токов, полевым эмиссионным дисплеям и др. Изобретение позволяет повысить воспроизводимость электрических характеристик приборов при изготовлении и увеличить их плотность интеграции. Сущность изобретения: вакуумный интегральный микроэлектронный прибор содержит подложку, анодный слой, разделительный слой с отверстиями, изолирующий слой с катодными отверстиями, катодный слой, эмиссионные катоды, расположенные в отверстиях изолирующего слоя. Эмиссионные катоды имеют геометрическую форму цилиндра, внешняя поверхность которого совмещена с внутренней поверхностью катодного отверстия так, что нижний край стенки цилиндра находится на одном уровне с нижней поверхностью изолирующего слоя или с верхней поверхностью разделительного слоя, а верхний край стенки цилиндра имеет электрический контакт с катодным слоем, при этом в изолирующем слое в промежутке между стенкой цилиндра эмиссионного катода и краем отверстия в разделительном слое имеется полость. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 22 ил.

 

Область техники.

Изобретение относится к приборам вакуумной микроэлектроники, в частности к интегральным микроэлектронным приборам, содержащим полевые эмиссионные катоды, управляющие электроды и анод. Такие приборы обычно имеют диодную или триодную структуру (катод-затвор-анод), но могут содержать также несколько управляющих электродов (затворов).

Уровень техники.

Достоинства интегральных микроэлектронных приборов с полевыми эмиссионными катодами и триодной структурой хорошо известны и представлены в различных работах, например US Patent №4,994,708, US Patent №5,173,634, US Patent №5,714,837, EP 0525763 B1. Обычная конструкция приборов с полевыми эмиссионными катодами имеет следующий порядок расположения электродов по вертикали на подложке: подложка-катод-затвор-анод. То есть на подложке формируются сначала катод или катоды, которые могут иметь различную форму: конусообразные, в форме лезвия, пленочного типа и другие. Далее формируется затвор или затворы и затем анод отдельный или общий. Такая конструкция широко используется в приборах вакуумной микроэлектроники. Однако при использовании указанной конструкции в полевых эмиссионных дисплеях или в вакуумных интегральных микросхемах возникают известные дополнительные технологические трудности, связанные с формированием спейсеров, поддерживающих анод на определенном расстоянии от подложки, и герметизацией всей структуры прибора.

Известны конструкции приборов с полевыми эмиссионными катодами, которые имеют обратный порядок расположения электродов по вертикали на подложке: подложка-анод-затвор-катод, US Patent №5,140,219, WO 94/17546, RU 2097869 C1, МКИ Н01J 21/10, 31/12, 1/30. В указанных работах на подложке формируют сначала анод, затем затвор и катод. Анод, затвор и катод выполнены из пленки проводящего материала и разделены между собой пленкой диэлектрика. В пленках катода, затвора, диэлектрика сформированы отверстия. Эмиссионной поверхностью служит торец катодной пленки. Структура прибора имеет латеральный тип и очень компактна по вертикали. В рассмотренной конструкции между анодом и подложкой отсутствуют спейсеры и, следовательно, отсутствуют проблемы, связанные с их формированием. Кроме того, в такой конструкции технология герметизации прибора значительно упрощается. Однако приборы латерального типа имеют недостаток, который существенно ограничивает их использование - это относительно высокая величина затворного тока.

Известна конструкция и метод формирования прибора с полевыми эмиссионными катодами вертикального типа, которая имеет обратный порядок расположения электродов на подложке и которая свободна от вышеупомянутого недостатка, WO 92/02030, МКИ H01J 1/30, 9/02. Данная структура является прототипом патентуемого изобретения. Основные технологические этапы изготовления этой структуры изображены на фиг.1 - 4. Исходная многослойная структура содержит подложку 1, анодный слой 2 из проводящего материала, разделительный слой 3, содержащий одно или несколько отверстий 4, сформированных с помощью фотолитографии и реактивного ионного травления. С использованием процесса конформного химического осаждения из газовой фазы (CVD) формируют изолирующий слой 5 так, чтобы в точке сходимости поверхностного слоя в отверстии 4 образовалась остроконечная впадина 6, как показано на фиг.2. После этого на изолирующий слой 5 осаждают катодный слой 7 из проводящего материала с низкой работой выхода электронов. При этом в точке 6 образуется эмиссионная поверхность катода с острой вершиной, которая может иметь форму либо точки, либо лезвия. В катодном слое 7, применяя литографию и реактивное ионное травление, вытравливают проходные отверстия 8 и 9 (фиг.3). После селективного травления изолирующего слоя 5 через проходные отверстия 8 и 9 получают катодное отверстие 10, в котором расположен катод 11 с острым эмиссионным конусом (или лезвием) 12. В результате имеют диодную вертикальную структуру, изображенную на фиг.3. При использовании вместо однослойного разделительного слоя 3 двухслойного, у которого один слой диэлектрик 13, а другой - проводящий материал 14 (фиг.4), получают триодную структуру вакуумного интегрального микроэлектронного прибора. При этом во время процесса травления изолирующего слоя 5 через проходные отверстия 8, 9 частично травится диэлектрический слой 13, образуя отверстие 15.

Достоинством рассмотренных структур с катодами вертикального типа и с обратным порядком расположения электродов на подложке (фиг.3, 4) является то, что вершина полевого эмиссионного катода 12 самосовмещена с центром отверстия 4. Однако рассмотренная конструкция полевого эмиссионного прибора имеет существенный недостаток, который заключается в следующем. Вершина катода 12 самосовмещена с центром отверстия 4 только по горизонтали. В вертикальном направлении позиция вершины катода 12 может иметь значительные отклонения. Эти отклонения обусловлены изменениями толщины изолирующего слоя 5, которые возникают в результате изменения физических свойств материала (например, вязкости), а также изменения параметров технологического процесса формирования изолирующего слоя 5. Отклонения в позиционировании вершины катода в вертикальном направлении вызывают изменения критических параметров структуры (расстояние анод-катод, расстояние затвор-катод), что приводит к значительному разбросу величины эмиссионного тока от прибора к прибору и, в конечном счете, к ухудшению воспроизводимости электрических характеристик вакуумных интегральных микроэлектронных приборов при их изготовлении. Кроме того, конструкция и способ изготовления вакуумных интегральных микроэлектронных приборов в рассмотренном прототипе не рассчитаны на большую плотность интеграции приборов, так как ограничиваются разрешением фотолитографических процессов, используемых для реализации структуры прибора. Так, формирование проходных отверстий 8, 9 в катодном слое 7 с использованием фотолитографии вызывает увеличение площади прибора и, следовательно, уменьшение плотности интеграции.

Раскрытие изобретения.

Целью патентуемого изобретения является создание вакуумного интегрального микроэлектронного прибора с катодами вертикального типа и обратным расположением электродов относительно подложки, конструкция которого по сравнению с существующим уровнем позволяет улучшить воспроизводимость электрических характеристик приборов при их изготовлении и увеличить плотность интеграции приборов.

Поставленная задача решается за счет того, что

- вакуумный интегральный микроэлектронный прибор, содержащий подложку (1), анодный слой (2) из электропроводящего материала на верхней поверхности упомянутой подложки, разделительный слой (3), расположенный на верхней поверхности анодного слоя (2) и содержащий одно или несколько отверстий (16), изолирующий слой (5), расположенный на верхней поверхности упомянутого разделительного слоя и содержащий одно или несколько катодных отверстий (17), совмещенных по вертикали с упомянутыми отверстиями в разделительном слое, катодный слой (18) на верхней поверхности упомянутого изолирующего слоя, выполненный из материала, способного эмитировать электроны под воздействием электрического поля, эмиссионные катоды, расположенные в упомянутых отверстиях разделительного и изолирующего слоев, отличается тем, что упомянутые эмиссионные катоды имеют геометрическую форму цилиндра (19), внешняя поверхность которого совмещена с внутренней поверхностью упомянутого катодного отверстия так, что нижний край стенки цилиндра находится на одном уровне с нижней поверхностью упомянутого изолирующего слоя или с верхней поверхностью упомянутого разделительного слоя, а верхний край стенки цилиндра имеет электрический контакт с упомянутым катодным слоем, при этом в упомянутом изолирующем слое в промежутке между стенкой цилиндра эмиссионного катода и краем упомянутого отверстия в разделительном слое имеется полость (20), глубина которой равна или меньше толщины упомянутого изолирующего слоя, а ширина больше или равна ширине упомянутого промежутка;

- подложка (1) выполнена из оптически прозрачного материала;

- анодный слой (2) выполнен из материала с высокой работой выхода электронов;

- анодный слой (2) выполнен из оптически прозрачного электропроводящего материала;

- анодный слой (2) выполнен из материала с высоким коэффициентом отражения;

- разделительный слой (3) выполнен из диэлектрического материала;

- разделительный слой (3) выполнен из электропроводящего материала;

- разделительный слой (3) и анодный слой (2) выполнены из одного материала;

- разделительный слой (3) выполнен из многослойного материала, каждый слой которого имеет одно или несколько отверстий, совмещенных по вертикали друг с другом соответственно;

- упомянутый многослойный материал состоит по крайней мере из одного электропроводящего слоя (25) и одного диэлектрического слоя (23), при этом электропроводящие слои выполняют роль управляющих электродов-затворов;

- изолирующий слой (5) выполнен из диэлектрического материала группы: оксиды кремния, нитриды кремния;

- в качестве изолирующего слоя (5) используется пленка анодного оксида алюминия, при этом самоформирующиеся наноотверстия в упомянутой пленке анодного оксида алюминия используются в качестве катодных отверстий;

- стенки цилиндра эмиссионного катода выполнены из многослойного материала (29, 30), при этом по крайней мере один слой имеет низкую работу выхода электронов;

- верхняя поверхность анодного слоя (2) покрыта слоем люминофора (31).

Поставленная задача решается также за счет того, что

- способ изготовления вакуумного интегрального микроэлектронного прибора содержит технологические этапы:

- формирование многослойной структуры, состоящей из подложки, анодного слоя, разделительного слоя, изолирующего слоя;

- формирование отверстий в упомянутом разделительном слое и упомянутом изолирующем слое соответственно;

- формирование катодного слоя;

- формирование эмиссионных катодов;

упомянутый технологический этап - формирование эмиссионных катодов - осуществляют путем осаждения материала катода на стенки катодных отверстий в изолирующем слое;

- для осаждения материала катода на стенки катодных отверстий используют отдельно или совместно методы осаждения из группы: магнетронное распыление, электрохимическое осаждение, химическое осаждение;

- после технологического этапа формирования эмиссионных катодов выполняют операцию травления изолирующего слоя в промежутке между стенкой цилиндра эмиссионного катода и краем отверстия в разделительном слое для создания полости (20);

- после технологического этапа формирования эмиссионных катодов выполняют операцию удаления остаточной пленки (22) материала катода на анодном слое;

- операцию удаления остаточной пленки выполняют с использованием отдельно или совместно методов: жидкостного травления, реактивно-ионного травления, электрохимического травления;

- после создания полости (20) выполняют операцию формирования пленки люминофора (31) на верхней поверхности анодного слоя.

Таким образом, отличительными признаками патентуемого изобретения в соответствии

- с п.1 формулы является то, что эмиссионные катоды имеют геометрическую форму цилиндра (19), внешняя поверхность которого совмещена с внутренней поверхностью упомянутого катодного отверстия так, что нижний край стенки цилиндра находится на одном уровне с нижней поверхностью упомянутого изолирующего слоя или с верхней поверхностью упомянутого разделительного слоя, а верхний край стенки цилиндра имеет электрический контакт с упомянутым катодным слоем, при этом в упомянутом изолирующем слое в промежутке между стенкой цилиндра эмиссионного катода и краем упомянутого отверстия в разделительном слое имеется полость (20), глубина которой равна или меньше толщины упомянутого изолирующего слоя, а ширина больше или равна ширине упомянутого промежутка;

- с п.2 формулы является то, что подложка (1) выполнена из оптически прозрачного материала;

- с п.3 формулы является то, что анодный слой (2) выполнен из материала с высокой работой выхода электронов;

- с п.4 формулы является то, что анодный слой (2) выполнен из оптически прозрачного электропроводящего материала;

- с п.5 формулы является то, что анодный слой (2) выполнен из материала с высоким коэффициентом отражения;

- с п.6 формулы является то, что разделительный слой (3) выполнен из диэлектрического материала;

- с п.7 формулы является то, что разделительный слой (3) выполнен из электропроводящего материала;

- с п.8 формулы является то, что разделительный слой (3) и анодный слой (2) выполнены из одного материала;

- с п.9 формулы является то, что разделительный слой (3) выполнен из многослойного материала, каждый слой которого имеет одно или несколько отверстий, совмещенных по вертикали друг с другом соответственно;

- с п.10 формулы является то, что упомянутый многослойный материал состоит по крайней мере из одного электропроводящего слоя (25) и одного диэлектрического слоя (23), при этом электропроводящие слои выполняют роль управляющих электродов-затворов;

- с п.11 формулы является то, что изолирующий слой (5) выполнен из диэлектрического материала группы: оксиды кремния, нитриды кремния;

- с п.12 формулы является то, что в качестве изолирующего слоя (5) используется пленка анодного оксида алюминия, при этом самоформирующиеся наноотверстия в упомянутой пленке анодного оксида алюминия используются в качестве катодных отверстий;

- с п.13 формулы является то, что стенки цилиндра эмиссионного катода выполнены из многослойного материала (29, 30), при этом по крайней мере один слой имеет низкую работу выхода электронов;

- с п.14 формулы является то, что верхняя поверхность анодного слоя (2) покрыта слоем люминофора (31).

- с п.15 формулы является то, что технологический этап - формирование эмиссионных катодов - осуществляют путем осаждения материала катода на стенки катодных отверстий в изолирующем слое;

- с п.16 формулы является то, что для осаждения материала катода на стенки катодных отверстий используют отдельно или совместно методы осаждения из группы: магнетронное распыление, электрохимическое осаждение, химическое осаждение;

- с п.17 формулы является то, что после технологического этапа формирования эмиссионных катодов выполняют операцию травления изолирующего слоя в промежутке между стенкой цилиндра эмиссионного катода и краем отверстия в разделительном слое для создания полости (20);

- с п.18 формулы является то, что после технологического этапа формирования эмиссионных катодов выполняют операцию удаления остаточной пленки (26) материала катода на анодном слое;

- с п.19 формулы является то, что операцию удаления остаточной пленки выполняют с использованием отдельно или совместно методов: жидкостного травления, реактивно-ионного травления, электрохимического травления;

- с п.20 формулы является то, что после создания полости (20) выполняют операцию формирования пленки люминофора (31) на верхней поверхности анодного слоя.

Использование отличительных признаков в п.1 и в п.15 в совокупности с признаками ограничительной части формулы позволяет решить поставленную задачу создания вакуумных интегральных микроэлектронных приборов, которые обладают высокой воспроизводимостью электрических характеристик приборов и высокой плотностью эмиссионного тока.

Как было указано выше, в прототипе позиция вершины катода может иметь значительные отклонения в вертикальном направлении. Эти отклонения обусловлены изменениями толщины изолирующего слоя, которые возникают в результате изменения физических свойств материала (например вязкости), а также изменения параметров технологического процесса формирования изолирующего слоя. Отклонения в позиционировании вершины катода в вертикальном направлении вызывают изменения критических параметров структуры (расстояние анод-катод, расстояние затвор-катод), что приводит к значительному разбросу величины эмиссионного тока от прибора к прибору и, в конечном счете, к ухудшению воспроизводимости электрических характеристик вакуумных интегральных микроэлектронных приборов при их изготовлении. В отличие от прототипа в патентуемом изобретении конструкция прибора и технологический процесс формирования эмиссионной острой кромки катода в соответствии с п.1 и п.15 формулы обеспечивают самосовмещение этой кромки с элементами структуры прибора (разделительные слои, электроды) и позволяют получить высокую точность позиционирования вершины катода в вертикальном направлении и, следовательно, высокую воспроизводимость электрических характеристик.

Кроме того, конструкция и способ изготовления вакуумных интегральных микроэлектронных приборов в рассмотренном прототипе не рассчитаны на большую плотность интеграции приборов, так как ограничиваются разрешением используемых фотолитографических процессов. В патентуемом изобретении для увеличения плотности интеграции приборов в соответствии с п.1, п.12 и п.15 в качестве изолирующего слоя используют пленку анодного оксида алюминия с самоформирующимися отверстиями диаметром 50-100 нм (наноотверстия), которые служат в качестве катодных отверстий для формирования эмиссионных катодов. Такая структура вакуумных интегральных микроэлектронных приборов обеспечивает более высокую плотность упаковки приборов (более 10⁹ см^-2) и, значит, более высокую плотность тока.

Таким образом, патентуемое изобретение позволяет решить поставленную задачу.

Проведенные патентные исследования подтвердили новизну изобретения, а также показали, что в литературе отсутствуют данные, указывающие на влияние отличительных признаков патентуемого изобретения на достижение технического результата. Поэтому следует считать, что патентуемое изобретение соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

Краткое описание фигур чертежей.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:

фиг.1 - поперечное сечение исходной многослойной структуры прототипа после формирования отверстий в разделительном слое.

Фиг.2 - поперечное сечение структуры фиг.1 после конформного осаждения изолирующего слоя и катодного слоя.

Фиг.3 - поперечное сечение структуры вакуумного интегрального микроэлектронного прибора-диода прототипа.

Фиг.4 - поперечное сечение структуры вакуумного интегрального микроэлектронного прибора-триода прототипа.

Фиг.5 - поперечное сечение структуры вакуумного интегрального микроэлектронного прибора-диода патентуемого изобретения.

Фиг.6 - поперечное сечение исходной многослойной структуры.

Фиг.7 - поперечное сечение исходной многослойной структуры после формирования отверстий в изолирующем и разделительном слое.

Фиг.8 - поперечное сечение структуры фиг.7 после дополнительного травления разделительного слоя.

Фиг.9 - поперечное сечение структуры фиг.8 после осаждения катодного слоя.

Фиг.10 - поперечное сечение структуры фиг.9 после травления изолирующего слоя в промежутке между стенкой цилиндра эмиссионного катода и краем отверстия в разделительном слое.

Фиг.11 - поперечное сечение структуры вакуумного интегрального микроэлектронного прибора-триода патентуемого изобретения.

Фиг.12 - поперечное сечение исходной многослойной структуры с разделительным слоем, состоящим из двух слоев, один из которых диэлектрик, второй выполнен из проводящего материала.

Фиг.13 - поперечное сечение структуры фиг.12 после формирования отверстий в изолирующем и разделительных слоях.

Фиг.14 - поперечное сечение структуры фиг.13 после дополнительного травления разделительных слоев.

Фиг.15 - поперечное сечение структуры фиг.14 после осаждения материала катода на стенки катодных отверстий изолирующего слоя и на поверхность изолирующего слоя.

Фиг.16 - поперечное сечение структуры фиг.15 после травления изолирующего слоя в промежутке между стенкой цилиндра эмиссионного катода и краем отверстия в разделительном слое, а также диэлектрика разделительного слоя.

Фиг.17 - поперечное сечение структуры вакуумного интегрального микроэлектронного прибора с двухслойным катодом.

Фиг.18 - поперечное сечение структуры вакуумного интегрального микроэлектронного прибора со слоем люминофора на анодном слое.

Фиг.19 - поперечное сечение структуры вакуумного интегрального микроэлектронного прибора, у которого разделительный слой и анодный слой выполнены из одного материала.

Фиг.20 - поперечное сечение структуры вакуумного интегрального микроэлектронного прибора, у которого разделительный слой выполнен из многослойного материала, состоящего из проводящих слоев, разделенных слоями диэлектрика.

Фиг.21 - поперечное сечение исходной многослойной структуры триода с анодизированной пленкой алюминия, используемой в качестве изолирующего слоя.

Фиг.22 - поперечное сечение структуры вакуумных интегральных микроэлектронных приборов с катодами, сформированными в самоформирующихся отверстиях анодного оксида алюминия.

Осуществление изобретения.

Пример 1.

Пример 1 характеризует осуществление изобретения в части решения задачи улучшения воспроизводимости электрических характеристик вакуумных интегральных микроэлектронных приборов с катодами вертикального типа и обратным расположением электродов относительно подложки при их изготовлении за счет улучшения точности позиционирования эмиссионной части катода относительно анода и управляющих электродов. В этом примере рассматривают двухэлектродную или диодную структуру прибора.

На фиг.5 представлено поперечное сечение конструкции вакуумного интегрального микроэлектронного прибора-диода, выполненной согласно патентуемому изобретению. Конструкция содержит подложку 1, анодный слой 2 из электропроводящего материала, разделительный слой 3, содержащий отверстия 16, изолирующий слой 5 с катодными отверстиями 17, совмещенными по вертикали с отверстиями 16, катодный слой 18, выполненный из материала, способного эмитировать электроны под воздействием электрического поля, эмиссионные катоды 19, расположенные в отверстиях 17 изолирующего слоя 5 и выполненные в форме цилиндра. Эмиссионные катоды и катодный слой изготавливаются из одного материала. Верхний край стенки цилиндра 19 контактирует с катодным слоем 18, а нижний острый край стенки цилиндра является эмиссионной поверхностью катода, которая при приложении напряжения более 10⁶-10⁷ В/см испускает электроны. В промежутке между стенкой цилиндра 19 и краем отверстия 16 в разделительном слое сформирована (протравлена) полость 20. Объем полости выбирается таким, чтобы обеспечить минимальные токи утечки между катодом и анодом. Обычно глубина полости меньше толщины изолирующего слоя 5, а глубина равна или больше ширины промежутка между стенкой цилиндра катода и отверстием 16. Преимуществом данной конструкции вакуумного интегрального микроэлектронного прибора с обратным расположением электродов является то, что нижний край стенки цилиндра эмиссионного катода 19 самосовмещен по уровню с нижней поверхностью изолирующего слоя 5 или верхней поверхностью разделительного слоя 3. Такая конструкция позволяет получить более высокую точность позиционирования эмиссионной поверхности катода относительно анода по сравнению с прототипом и значительно уменьшить разброс критических размеров прибора (расстояние анод-катод) при изготовлении. В результате это обеспечивает более высокую воспроизводимость электрических характеристик вакуумных интегральных микроэлектронных приборов.

Способ изготовления рассмотренного вакуумного интегрального микроэлектронного прибора иллюстрируется на фиг.6-10. На фиг.6 представлено поперечное сечение исходной многослойной структуры. В качестве подложки 1 применяют кремний, стекло или керамику. На подложку 1, используя осаждение или распыление, последовательно наносят анодный слой 2 из проводящего материала (Pt, Re, Nb, Al или Si*), разделительный слой 3 и изолирующий слой 5. Разделительный слой может быть выполнен из материала диэлектрика (SiO₂, Si₃N₄) или из проводящего материала (Ti, материал анода). Изолирующий слой 5 из диэлектрического материала (Si₃N₄, SiO₂,) посредством CVD (химическое осаждение из газовой фазы), осаждают на разделительный слой. Применяя фотолитографию и плазмохимическое травление, формируют отверстия 17 и 21 (фиг.7). Используя жидкостное травление, селективно травят разделительный слой 3, формируя отверстие 16 (фиг.8). Катодный слой 18 (фиг.9) из материала, способного под воздействием электрического поля эмитировать электроны (Ti, Nb, TiN, Hf, Mo), наносят на поверхность изолирующего слоя 5 и на стенки катодного отверстия 17, используя отдельно или совместно процесс вакуумного осаждения под углом и химическое осаждение. При этом на поверхности анодного слоя 2 формируется тонкая пленка 22 из материала катода. Для улучшения эмиссии катода методом жидкостного травления в промежутке между стенкой цилиндра эмиссионного катода 19 и краем отверстия 16 селективно удаляют часть материала изолирующего слоя, формируя полость 20 (фиг.10). При необходимости пленку 22 удаляют, применяя электрохимическое травление. В этом случае анодный слой 2 служит в качестве одного из электродов электрохимической ячейки.

Рассмотренный способ формирования цилиндрического катода позволяет в результате получить острое эмиссионное лезвие цилиндрической формы, которое самосовмещено с нижней поверхностью изолирующего слоя (или с верхней поверхностью разделительного слоя), что обеспечивает высокую точность позиционирования катода относительно других электродов прибора в данном случае - анода.

ПРИМЕР 2.

Пример 2 так же, как и пример 1, характеризует осуществление изобретения в части решения задачи улучшения воспроизводимости электрических характеристик вакуумных интегральных микроэлектронных приборов с катодами вертикального типа и обратным расположением электродов относительно подложки за счет улучшения точности позиционирования эмиссионной части катода относительно анода и управляющих электродов. В этом примере рассматривают трехэлектродную или триодную структуру прибора.

На фиг.11 представлено поперечное сечение конструкции вакуумного интегрального микроэлектронного прибора-триода, выполненной согласно патентуемому изобретению. Конструкция фиг.11 так же, как и конструкция фиг.5, содержит подложку 1, анодный слой 2. Но в отличие от диода в триоде используется разделительный слой, состоящий из двух слоев, один из которых 23 с отверстиями 24 выполнен из диэлектрического материала, другой слой 25 с отверстиями 26 выполнен из электропроводящего материала. Отверстия 24 и 26 совмещены друг с другом по вертикали. Слой 25 в этой структуре выполняет роль затвора (управляющего электрода). Остальная часть структуры прибора-триода: изолирующий слой 5 с катодными отверстиями 17, катодный слой 18 с цилиндрическими эмиссионными катодами 19, полость 20 - выполнены и играют такую же роль, как в предыдущем примере. В рассмотренной конструкции прибора-триода важным критическим параметром, влияющим на величину эмиссионного тока, является точность позиционирования эмиссионного острия катода относительно края отверстия 26 затвора 25. В данной структуре нижний острый край стенки цилиндра эмиссионного катода 19 самосовмещен по уровню с нижней поверхностью изолирующего слоя 5 и, следовательно, с верхней поверхностью затворного слоя 25. Такая конструкция позволяет получить более высокую точность позиционирования эмиссионной поверхности катода относительно затвора и анода по сравнению с прототипом и позволяет значительно уменьшить разброс критических размеров прибора при изготовлении. В результате это обеспечивает более высокую воспроизводимость электрических характеристик вакуумных интегральных микроэлектронных приборов.

Способ изготовления рассмотренного вакуумного интегрального микроэлектронного триода аналогичен диоду и иллюстрируется на фиг.12-16. На фиг.12 представлено поперечное сечение исходной многослойной структуры, состоящей из подложки 1, анодного слоя 2, разделительного слоя, содержащего диэлектрический слой 23 и проводящий слой 25, изолирующий слой 5. Слой 25 выполняет роль затвора в триодной структуре и может быть изготовлен из проводящего материала например: Ti, Nb, TiN, Hf, Mo. Слой 23 изготавливают из диэлектрического материала, например: SiO₂ или Si₃N₄. Применяя фотолитографию и плазмохимическое травление, получают совмещенные отверстия 17, 27 и 28 (фиг.13). Используя жидкостное травление, селективно травят затворный слой 25 и слой 23, формируя соответственно отверстие 26 и 24 (фиг.14). Аналогично рассмотренному в примере 1 формируют катодный слой 18, катоды 19 и полость 20 (фиг.15 и фиг.16) и при необходимости удаляют пленку 22.

Пример 3.

Пример 3 характеризует осуществление изобретения в части решения задачи формирования двухслойного (или многослойного) катода. Необходимость такой структуры катода возникает в случае появления требований защиты основного материала катода от внешних воздействий, повышения прочности катода или необходимости составного катода из материалов с различной работой выхода. На фиг.17 изображено поперечное сечение структуры вакуумного интегрального микроэлектронного триода с катодом, состоящим из двух слоев 29 и 30, выполненных из различных материалов. Методы нанесения упомянутых слоев могут быть либо одинаковыми, либо различными.

Пример 4.

Пример 4 характеризует осуществление изобретения в части создания конструкции прибора для использования в полевых эмиссионных дисплеях. На фиг.18 изображена конструкция прибора с тонким слоем люминофора 31 на верхней поверхности анодного слоя 2. Слой низковольтного люминофора наносится методом катодофореза.

Пример 5.

Пример 5 характеризует осуществление изобретения в части создания конструкции прибора с использованием одного материала для анодного слоя 2 и разделительного слоя 3. Поперечное сечение конструкции такого прибора приведено на фиг.19.

Пример 6.

Пример 6 характеризует осуществление изобретения в части создания конструкции прибора с несколькими управляющими электродами. На фиг.20 изображена конструкция прибора с разделительным слоем, состоящим из трех диэлектрических слоев 32, 33, 34 и трех управляющих электродов 35, 36, 37. Для изготовления такой конструкции используют способ, рассмотренный в примере 2.

Пример 7.

Пример 7 характеризует осуществление изобретения в части увеличения плотности интеграции вакуумных интегральных микроэлектронных приборов. С этой целью в исходной многослойной структуре фиг.12 вместо изолирующего слоя 5 используют пленку анодного оксида алюминия 38 с наноотверстиями 39 (фиг.21), которые формируются в процессе анодирования пленки алюминия и в дальнейшем используются как катодные отверстия. Последующий технологический маршрут вплоть до изготовления окончательной структуры прибора (фиг.22) аналогичен маршруту, рассмотренному в примере 2. Использование анодного оксида алюминия с наноотверстиями позволяет получить очень высокую плотность катодных отверстий и, следовательно, увеличить плотность интеграции приборов до более 10⁹ м^-2.

Промышленная применимость.

Данное изобретение может найти применение в вакуумных интегральных схемах, в частности в ключевых схемах с большими токами переключения, а также в приборах визуального отображения информации в телевизионной и компьютерной технике.

1. Вакуумный интегральный микроэлектронный прибор, содержащий подложку (1), анодный слой (2) из электропроводящего материала на верхней поверхности упомянутой подложки, разделительный слой (3), расположенный на верхней поверхности анодного слоя (2) и содержащий одно или несколько отверстий (16), изолирующий слой (5), расположенный на верхней поверхности упомянутого разделительного слоя и содержащий одно или несколько катодных отверстий (17), совмещенных по вертикали с упомянутыми отверстиями в разделительном слое, катодный слой (18) на верхней поверхности упомянутого изолирующего слоя, выполненный из материала, способного эмитировать электроны под воздействием электрического поля, эмиссионные катоды, расположенные в упомянутых отверстиях разделительного и изолирующего слоев, отличающийся тем, что упомянутые эмиссионные катоды имеют геометрическую форму цилиндра (19), внешняя поверхность которого совмещена с внутренней поверхностью упомянутого катодного отверстия так, что нижний край стенки цилиндра находится на одном уровне с нижней поверхностью упомянутого изолирующего слоя или с верхней поверхностью упомянутого разделительного слоя, а верхний край стенки цилиндра имеет электрический контакт с упомянутым катодным слоем, при этом в упомянутом изолирующем слое в промежутке между стенкой цилиндра эмиссионного катода и краем упомянутого отверстия в разделительном слое имеется полость (20), глубина которой равна или меньше толщины упомянутого изолирующего слоя, а ширина больше или равна ширине упомянутого промежутка.

2. Вакуумный интегральный микроэлектронный прибор по п.1, отличающийся тем, что подложка (1) выполнена из оптически прозрачного материала.

3. Вакуумный интегральный микроэлектронный прибор по п.1, отличающийся тем, что анодный слой (2) выполнен из материала с высокой работой выхода электронов.

4. Вакуумный интегральный микроэлектронный прибор по п.1, отличающийся тем, что анодный слой (2) выполнен из оптически прозрачного электропроводящего материала.

5. Вакуумный интегральный микроэлектронный прибор по п.1, отличающийся тем, что анодный слой (2) выполнен из материала с высоким коэффициентом отражения.

6. Вакуумный интегральный микроэлектронный прибор по п.1, отличающийся тем, что разделительный слой (3) выполнен из диэлектрического материала.

7. Вакуумный интегральный микроэлектронный прибор по п.1, отличающийся тем, что разделительный слой (3) выполнен из электропроводящего материала.

8. Вакуумный интегральный микроэлектронный прибор по п.1, отличающийся тем, что разделительный слой (3) и анодный слой (2) выполнены из одного материала.

9. Вакуумный интегральный микроэлектронный прибор по п.1, отличающийся тем, что разделительный слой (3) выполнен из многослойного материала, каждый слой которого имеет одно или несколько отверстий, совмещенных по вертикали друг с другом соответственно.

10. Вакуумный интегральный микроэлектронный прибор по п.9, отличающийся тем, что упомянутый многослойный материал состоит по крайней мере из одного электропроводящего слоя (25) и одного диэлектрического слоя (23), при этом электропроводящие слои выполняют роль управляющих электродов-затворов.

11. Вакуумный интегральный микроэлектронный прибор по п.1, отличающийся тем, что изолирующий слой (5) выполнен из диэлектрического материала группы: оксиды кремния, нитриды кремния.

12. Вакуумный интегральный микроэлектронный прибор по п.1, отличающийся тем, что в качестве изолирующего слоя (5) используется пленка анодного оксида алюминия, при этом самоформирующиеся наноотверстия в упомянутой пленке анодного оксида алюминия используются в качестве катодных отверстий.

13. Вакуумный интегральный микроэлектронный прибор по п.1, отличающийся тем, что стенки цилиндра эмиссионного катода выполнены из многослойного материала (29, 30), при этом по крайней мере один слой имеет низкую работу выхода электронов.

14. Вакуумный интегральный микроэлектронный прибор по п.1, отличающийся тем, что верхняя поверхность анодного слоя (2) покрыта слоем люминофора (31).

15. Способ изготовления вакуумного интегрального микроэлектронного прибора, содержащий технологические этапы:

формирование многослойной структуры, состоящей из подложки, анодного слоя, разделительного слоя, изолирующего слоя;

формирование отверстий в упомянутом разделительном слое и упомянутом изолирующем слое соответственно;

формирование катодного слоя;

формирование эмиссионных катодов;

отличающийся тем, что упомянутый технологический этап формирования эмиссионных катодов осуществляют путем осаждения материала катода на стенки катодных отверстий в изолирующем слое.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что для осаждения материала катода на стенки катодных отверстий используют отдельно или совместно методы осаждения из группы: магнетронное распыление, электрохимическое осаждение, химическое осаждение.

17. Способ по п.15, отличающийся тем, что после технологического этапа формирования эмиссионных катодов выполняют операцию травления изолирующего слоя в промежутке между стенкой цилиндра эмиссионного катода и краем отверстия в разделительном слое для создания полости (20).

18. Способ по п.15, отличающийся тем, что после технологического этапа формирования эмиссионных катодов выполняют операцию удаления остаточной пленки (22) материала катода на анодном слое.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что операцию удаления остаточной пленки выполняют с использованием отдельно или совместно методов: жидкостного травления, реактивно-ионного травления, электрохимического травления.

20. Способ по п.17, отличающийся тем, что после создания полости (20) выполняют операцию формирования пленки люминофора (31) на верхней поверхности анодного слоя.