电子源制造技术

本申请实施例涉及一种电子源。该电子源形成于具有相对第一表面及第二表面的硅衬底上。至少一个场发射体制备于所述硅衬底的所述第二表面上以增强电子的发射。为防止硅的氧化，使用使氧化及缺陷最小化的过程来将薄的连续硼层直接安置于所述场发射体的输出表面上。所述场发射体可呈现例如棱锥及圆形晶须的各种形状。一或若干任选栅极层可放置于场发射体尖端处或放置成略低于所述场发射体尖端的高度以实现对发射电流的快速准确控制及高发射电流。所述场发射体可经p型掺杂且经配置以在反向偏置模式中操作，或所述场发射体可经n型掺杂。杂。杂。

【技术实现步骤摘要】
电子源
[0001]本申请是申请日为2016年08月12日，申请号为“201680046423.4”，而专利技术名称为“电子源”的专利技术专利申请的分案申请。
[0002]相关申请案的交叉参考
[0003]本申请案主张2015年8月14日申请且其美国申请序号为62/205,287的临时专利申请案的优先权，所述申请案的全文特此以引用的方式并入本文中。


[0004]本专利技术大体上涉及适合在用于重检及检验样本的扫描式电子显微镜及系统中使用的电子源。特定来说，本专利技术涉及适合用于重检及检验系统(其包含用于重检及/或检验光掩模、主光罩及半导体晶片的系统)中的电子场发射体。

技术介绍

[0005]集成电路产业需要具有越来越高敏感度的检验工具来检测不断变小的缺陷及其大小可为数十纳米(nm)或更小的粒子。这些检验工具必须高速操作以在短时段内检验光掩模、主光罩或晶片的大部分或甚至100％区域。例如，用于生产期间的检验的检验时间可为一小时或更少，或用于R&D或故障排除的检验时间可为最多数小时。为快速地检验，检验工具使用大于所关注的缺陷或粒子的尺寸的像素或光点大小，且检测由缺陷或粒子引起的信号的仅小变化。最常见地，在生产中使用以UV光操作的检验工具来执行高速检验。可使用UV光或使用电子来执行R&D的检验。
[0006]一旦已通过高速检验来发现缺陷或粒子，那么通常需要产生较高分辨率图像及/或执行材料分析以确定所述粒子或缺陷的起源或类型。此过程通常被称为重检。通常使用扫描式电子显微镜(SEM)来执行重检。通常需要用于半导体制造中的重检SEM来每天重检成千上万个潜在缺陷或粒子，且每目标可最多重检数秒。
[0007]电子显微镜需要电子源来产生朝向样本引导的电子束。可将电子源分成两大群组：热离子源及场发射源。热离子源是最常见的市售电子发射体，且通常由钨或六硼化镧(LaB6)制成。在热离子发射中，当电子热能的强度足以克服表面势垒时，使电子从材料表面蒸发。热离子发射体通常需要高温(>1300K)操作，且具有例如低效电力消耗、宽能散度、短寿命、低电流密度及有限亮度的若干缺点。对更高效电子源的需求已推动肖特基(Schottky)发射体及例如电子场发射体的冷电子源的研究及开发。
[0008]在肖特基发射体中，通过归因于外加电场下的图像电荷效应的有效势垒降低来增强热离子发射。肖特基发射体通常由具有尖端的钨丝制成，所述尖端涂布有展现极低功函数(约2.9eV)的氧化锆(ZrO
X
)层。热辅助肖特基发射体需要在高温(>1000K)及高真空(～10-9
mbar)处操作，且归因于高操作温度而具有比所要电子发射能散度宽的电子发射能散度。可期望具有比肖特基发射体低的能散度、比肖特基发射体高的亮度(辐射量)及比肖特基发射体高的电流密度的电子源用于半导体晶片及掩模检验、重检及光刻，这是因为其将实现更快且更具成本效益的检验、重检及光刻。
[0009]冷电子源，特定来说，电子场发射体，已用于场发射显示器、气体离子化器、x射线源、电子束光刻及电子显微镜以及其它应用中。场发射发生于外加电场的强度足以减小尖端-真空界面上的势垒使得电子可在接近室温的温度处隧穿此势垒(即，量子力学隧穿)时。典型场发射体由具有圆形栅极孔隙的锥形发射体尖端组成。在外加电场下横跨发射体阴极、栅极及阳极建立电势差，从而导致尖端的表面处的高电场。电子隧穿窄表面势垒且朝向在比栅极大的正电势下偏置的阳极行进。可通过福勒-诺德汉(Fowler-Nordheim)理论的修改版本(其考虑归因于场发射体的场增强因子)来估计发射电流密度。
[0010]因为场发射体可接近室温操作，所以其具有低于肖特基发射体及热离子发射体的能散度，且可具有高于热离子发射体的亮度及电子流。然而，在实际使用中，场发射体的输出电流是不稳定的，这是因为污染物易于粘着到发射体的尖端且升高其功函数，这会降低亮度及电流。需要周期性闪光(即，暂时地升高尖端温度)来移除所述污染物。当使尖端闪光时，仪器无法操作。在半导体产业中，需要仪器在长期不中断的情况下连续稳定地操作，因此，肖特基发射体通常优先于冷场发射体被使用。
[0011]早期努力集中于开发金属场发射体。其中，Spindt型钼场发射体可为最熟知金属场发射体，这是因为钼具有低电阻率(在20℃时为53.4nΩ
·
m)及高熔点(2896K)。然而，金属发射体存在例如缺乏均匀性(归因于金属沉积技术)及更严重地，发射电流降级(主要归因于氧化)的若干缺点。
[0012]随着现代半导体制造技术的出现，已存在对半导体场发射体尤其是硅场发射体的研究。单晶硅是对场发射体有吸引力的材料。硅晶体可生长成具有极高纯度及极少晶体缺陷。可通过掺杂及/或施加电压来更改硅的导电性。更重要地，硅具有良好的技术基础。
[0013]图6中展示典型现有技术硅场发射体的结构。硅衬底61掺杂有杂质且可经n型掺杂或p型掺杂。锥形发射体64形成于硅衬底61上，其中任选栅极层67附接到包含一或多个绝缘层的电介质层66。任选栅极层67控制且引出发射电流。第三电极(即，阳极(未展示))面向栅极层67且与阴极间隔达约数百微米的大距离。这是典型硅场发射体三极管配置。应注意，在无栅极层67的情况下，场发射体可用作二极管。电子的量子隧穿发生于横跨发射体结构而施加偏置电压时。大电场产生于发射体尖端的表面上，且电子从尖端发射。
[0014]即使硅场发射体近年来已展现出前景，但其尚未商业化。使用硅来形成场发射体的一个严重问题在于：硅极极易起反应，且即使在约10-10
托的压力下，也可在几小时内被污染。硅极易在其表面上形成天然氧化物。即使在真空中，也会最终形成天然氧化物，这是因为存在于真空中的少量氧气及水会与硅的表面反应。硅与二氧化硅之间的界面具有缺陷(归因于悬空键)，其中电子重组的可能性非常高。此外，即使氧化物非常薄，但二氧化硅的带隙较大(约9eV)，从而产生比电子必须克服来逃脱的功函数高的额外势垒。例如，非常平滑硅表面上的天然氧化物通常为约2nm厚。在一些情形中，氧化还可改变场发射体的形状。这些上述问题可导致低亮度及电流以及发射稳定性不良、缺乏可靠性、延展性及均匀性，且已妨碍硅场发射体的商业使用。
[0015]已扩展研究工作来寻找场发射体的表面处理及涂布以针对较低接通电压、较高发射电流密度、较低噪声及改进稳定性来改进其性能。这些处理可包含：使用耐火金属、硅化物、碳化物及金刚石等等来涂布发射体尖端。然而，这些涂层材料通常受限于形成平滑且均匀涂层表面的制造工艺，及/或通常受形成于涂层表面上而产生额外能量势垒的氧化物层
的影响。由于这些原因，涂布硅场发射体尚未变得像冷电子源那样实用。
[0016]因此，需要克服现有技术的部分或全部限制的电子源。

技术实现思路

[0017]在第一实施例中，提供一种电子源。所述电子源包括：硅衬底，其具有顶面；至少一个场发射体，其直接形成于所述硅衬底的所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电子源，其包括：硅衬底，其具有顶面；至少一个场发射体，其直接形成于所述硅衬底的所述顶面上，其中所述场发射体包括棱锥或圆形晶须；硼层，其气密地安置于所述场发射体上，其中所述硼层包括大于90％的硼，且其中所述硼层从所述硅衬底到所述场发射体的尖端覆盖所述场发射体,电介质层，其邻近于所述场发射体而安置于所述顶面上；及导电栅极，其与所述衬底相对地安置于所述电介质层上，其中所述电介质层的厚度近似等于所述场发射体的高度。2.根据权利要求1所述的电子源，其中所述硼层在所述硼层与所述硅衬底之间的界面附近包括小于10％的氧。3.根据权利要求1所述的电子源，其中所述场发射体的所述尖端具有小于100nm的横向尺寸。4.根据权利要求3所述的电子源，其中所述场发射体的所述尖端具有大于20nm的横向尺寸。5.根据权利要求1所述的电子源，其中所述场发射体的所述尖端具有小于100nm的直径。6.根据权利要求1所述的电子源，其在与所述场发射体相距至少50μm的距离处进一步包括相对于所述场发射体而保持在至少500V的正电压下的电极。7.根据权利要求6所述的电子源，其中所述场发射体经配置以在反向偏置模式中操作，在所述反向偏置模式中，耗尽层因电场而产生于所述场发射体的表面处。8.根据权利要求1所述的电子源，其在与所述场发射体的顶点相距2μm或更小的距离处进一步包括相对于所述场发射体而保持在小于500V的正电压下的电极。9.根据权利要求8所述的电子源，其中所述场发射体经配置以在反向偏置模式中操作，在所述反向偏置模式中，耗尽层因电场而产生于所述场发射体的发射体表面处。10.根据权利要求1所述的电子源，其中所述场发射体以小于约10
19
cm-3
的掺杂水平来进行p型掺杂。11.根据权利要求1所述的电子源，其中所述场发射体以小于约10
14
cm-3
的掺杂水平来进行p型掺杂。12.根据权利要求11所述的电子源，其进一步包括照射所述场发射体的光源，其中所述光源包...

【专利技术属性】
技术研发人员：勇霍，
申请(专利权)人：科磊股份有限公司，
类型：发明
国别省市：