CN1215571C - 半导体器件、电路衬底、光电装置和电子设备 - Google Patents

半导体器件、电路衬底、光电装置和电子设备 Download PDF

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Abstract

目的在于在半导体器件中，抑制因在半导体膜端部产生的电场强度·载流子密度增加而引起的随着时间的劣化。使栅极的宽度比半导体膜的宽度窄。具备连接栅极、位于从半导体膜到栅极一侧而比栅极远的副栅极，并使副栅极的宽度比半导体膜的宽度宽。另外，在半导体膜的端部具备未掺杂掺杂物的本征半导体区。

Description

半导体器件、电路衬底、 光电装置和电子设备
技术领域
本发明涉及一种半导体器件，具体而言，是涉及一种应用于防止器件性能随着时间劣化的半导体器件。
背景技术
图1表示作为现有半导体器件例子的薄膜晶体管。图1(a)是现有多晶硅薄膜晶体管的平面图，图1(b)是平面图在bb线上的剖面图，图1(c)是平面图在cc线上的剖面图。如图1所示，作为多晶硅晶体管，通常构造成顶栅极型(液晶显示技术，松本正一编著，产业图书)。
图2是表示典型多晶硅薄膜晶体管的制作工序的图。首先，如图2(a)所示，在玻璃衬底51上，通过使用SiH4的PECVD或使用Si2H6的LPCVD来成膜非晶硅。通过激元激光器等激光器照射或固相生长，使非晶硅再结晶，形成多晶硅膜52。接着，如图2(b)所示，对多晶硅52制图成岛状后，成膜栅极绝缘膜53，成膜并成图栅极54。之后，如图2(c)所示，使用栅极54自我调整地向多晶硅膜52打入磷或硼等杂质，进行活性化，形成CMOS结构的源、漏极区55。成膜夹层绝缘膜56，开孔接触孔，通过成膜和成图来形成源、漏极57。
发明内容
以前，当长时间驱动MOS元件等半导体器件时，存在器件性能随着时间的经过而劣化的问题。这种随着时间劣化被列举为例如用作有源层的半导体膜端部或半导体膜和绝缘膜的界面中电场集中的一个主要原因。缘于该原因的随着时间劣化在例如薄膜晶体管这样在绝缘膜上设置薄膜厚半导体膜用作有源层的半导体器件中，尤为显著。
在薄膜晶体管中，在半导体膜的端部，电场集中，电场强度变高。另外，因为半导体膜的膜厚小，所以载流子密度也见到有变高的趋势。
图3中表示在多晶硅薄膜晶体管中，器件模拟的电场强度分布和载流子密度分布的分析结果。在图3(a)所示的电场强度分布中，相对于半导体膜的大体中央部的电场强度4.5×105V/cm，在半导体膜的最前端部显示6.6×105V/cm的高值。与此对应，如图3(b)所示，相对于半导体膜大体中央部的载流子密度2.7×1017cm-3，半导体膜最前端部为1.6×1020cm-3。
因此，本发明的目的在于提供一种可应用于使半导体膜端部的电场强度或载流子密度降低，防止随着时间劣化的半导体器件。
本发明的第一半导体器件为一种半导体器件，包括半导体膜，在所述半导体膜上的至少一部分中形成的栅极绝缘膜和在所述栅极绝缘膜上形成的栅极，其特征在于：所述栅极与所述半导体膜的端部不重合地形成，而且在与源极区和漏极区之间流过的电流方向垂直的方向上，所述栅极的宽度比所述半导体膜的宽度小。在本说明书中，所谓半导体膜的端部，也可以是为了分离元件而设置的电场绝缘膜与半导体层邻接的部分。
本发明的第二半导体器件为一种半导体器件，包括具有源极区和漏极区的半导体膜，在所述半导体膜上的至少一部分中形成的栅极绝缘膜和在所述栅极绝缘膜上形成的栅极，其特征在于：在与源极区和漏极区之间流过的电流方向垂直的方向上，所述栅极的宽度比所述半导体膜的宽度小。其中，半导体膜的宽度和栅极的宽度被定义成垂直于源极区和漏极区之间的电流方向的方向上的长度。那就是，所述半导体器件具有半导体膜从栅极向外侧延伸的外观。
在本发明的第一和第二半导体器件中，因为在半导体膜的端部上方不形成栅极，所以可避免作为随着时间劣化原因之一的在半导体膜端部中的电场集中。因此，这些半导体器件可经过长时间后维持制造时的器件性能。
本发明的第三半导体器件的特征在于，在上述半导体器件中，还具备连接于所述栅极的副栅极。
本发明的第四半导体器件的特征在于，在上述半导体器件中，在所述栅极上配置所述副栅极。
因为本发明的第三和第四半导体器件具备副栅极，所以可高精度地控制流过半导体膜的载流子。
本发明的第五半导体器件的特征在于，在上述半导体器件中，所述副栅极与所述半导体膜的端部重合地配置。在该半导体器件中，因为半导体端部载流子的控制由副栅极进行，所以该半导体器件具有适于可同时降低半导体膜端部的电场强度或载流子密度和降低截止电流的结构。另外，不止于将所述副栅极与所述半导体膜的端部重合地配置，所述副栅极还向所述半导体膜的外侧延伸则更好。
本发明的第六半导体器件，包括有半导体膜、在所述半导体膜上的至少一部分中形成的栅极绝缘膜，和在所述栅极绝缘膜上形成的栅极，其特征在于，在所述半导体膜的端部，具备由未掺杂掺杂物的本征半导体形成的区。设置在该半导体器件的半导体膜端部上的由本征半导体形成的区，不利于载流子的移动。因此，在由本征半导体形成的区中，即使产生高强度的电场或高密度的载流子，也可抑制器件性能的随着时间劣化。另外，在整个说明书中，所谓“由未掺杂掺杂物的本征半导体形成的区”不仅意味着完全未掺杂掺杂物的半导体，而且还意味着掺杂量比其它半导体区少的区。
本发明的第七半导体器件，包括有半导体膜、在所述半导体膜上的至少一部分中形成的栅极绝缘膜，和在所述栅极绝缘膜上形成的栅极，其特征在于，在所述半导体膜，具备由未掺杂掺杂物的本征半导体形成的、向所述栅极外侧延伸的区。该半导体器件具有适于防止在驱动时或通电时半导体膜因加热而劣化的结构。若将该半导体器件用作组装在例如，移位寄存器、电平移位器、缓冲电路和模拟开关中的半导体器件，则可降低这些电路的随着时间劣化。
本发明的第八半导体器件，包括具有源极区和漏极区的半导体膜、在所述半导体膜上的至少一部分中形成的栅极绝缘膜，和在所述栅极绝缘膜上形成的栅极，其特征在于，在所述半导体膜，具备由未掺杂掺杂物的本征半导体形成的、从所述栅极向所述源极区或所述漏极区方向延伸的区。作为该半导体器件的例子，例如可举出如图7或图8所示的薄膜晶体管。这些薄膜晶体管具有适于高效率散发在半导体膜等中产生的热的结构，例如，若用作组装在移位寄存器、电平移位器、缓冲电路和模拟开关中的半导体器件，则可降低这些电路的随着时间劣化。
本发明的第九半导体器件，包括具有源极区和漏极区的半导体膜、在所述半导体膜上的至少一部分中形成的栅极绝缘膜，和在所述栅极绝缘膜上形成的栅极，其特征在于，在所述半导体膜，具备多个由未掺杂掺杂物的本征半导体形成的、向所述源极区或所述漏极区方向延伸的区。该半导体器件具有不仅可抑制电流产生的热、且可同时流过大电流量的结构。
本发明的第十半导体器件的特征在于，在上述半导体器件中，所述半导体膜形成于绝缘膜上。作为该半导体器件，可列举例如薄膜晶体管或SOI型晶体管。在薄膜晶体管中，在半导体膜端部的上下配置绝缘膜。因此，缘于半导体膜端部的高电场强度或载流子密度的器件性能的随着时间劣化，在薄膜晶体管中变得特别显著。但是，本发明的半导体器件可长时间地维持制造时的器件性能。
本发明的电路衬底，包括有上述半导体器件和向该半导体器件提供信号或供电的布线。该电路衬底应用于液晶装置或场致发光等光电装置。
本发明的第一光电装置具备有上述电路衬底、形成于该电路衬底上方的第一电极，和形成于所述第一电极上方的光电元件。
本发明的第二光电装置的特征在于，将光电元件和上述半导体器件用作从移位寄存器、电平移位器、缓冲电路和模拟开关中选择的至少一个电子电路。
在上述光电装置中，可将有机场致发光元件用作所述光电元件。
本发明的电子设备具备上述光电装置作为显示部。
附图说明
图1是现有的多晶硅薄膜晶体管的平面图、与电流平行的剖面图、与电流垂直的剖面图。
图2是表示现有多晶硅薄膜晶体管的制作工序的图。
图3是器件模拟的现有多晶硅薄膜晶体管的电场强度和载流子密度分布图。
图4是本发明第一实施例的多晶硅薄膜晶体管的平面图、与电流平行的剖面图、与电流垂直的剖面图。
图5是器件模拟的本发明第一实施例的多晶硅薄膜晶体管的电场强度和载流子密度分布图。
图6是本发明第二实施例的多晶硅薄膜晶体管的平面图、与电流平行的剖面图、与电流垂直的剖面图。
图7是本发明第三实施例的多晶硅薄膜晶体管的平面图。
图8是本发明第三实施例的多晶硅薄膜晶体管的剖面图。
图9是本发明的光电装置的剖面结构。
图10是表示应用本发明的半导体器件于光电装置中的例子的结构示意图。
图11是表示应用了安装本发明的光电装置的可移动型个人计算机的情况一种例子的图。
图12是表示安装了本发明的光电装置的便携式电话的一个例子的图。
图13是表示将本发明的光电装置应用于取景器部分的数字照相机的一个例子的图。
具体实施方式
下面说明本发明的最佳实施例。
(第一实施例)
图4表示本发明第一实施例的薄膜晶体管的模式的平面图和两个剖面图。在该薄膜晶体管中，由源极高浓度掺杂区12、漏极高浓度掺杂区13和活性区11构成的半导体膜由多晶硅构成。该薄膜晶体管虽然与图1所示现有的典型薄膜晶体管具有基本相同的结构，但从图4可知，由栅极21与源极高浓度掺杂区12、漏极高浓度掺杂区13和活性区11构成的半导体膜的端部不重合地配置。另外，与栅极21连接的副栅极22向半导体膜端部41的外侧延伸地形成。
对本实施例的薄膜晶体管进行器件模拟，调查电场强度和载流子密度的分布。结果如图5所示。该器件模拟仅考虑栅极21和副栅极22中，直接对半导体膜的电场产生影响的栅极21，除此之外，使用前述与关于的通常薄膜晶体管的器件模拟相同的参数来进行。如图3所示，在关于现有的薄膜晶体管的器件模拟的分析结果中，半导体膜的前端部的电场强度和载流子密度分别为6.6×105V/cm和1.6×120cm-3，与此相比，在关于本实施例的薄膜晶体管的器件模拟的分析结果中，分别为7.2×103V/cm和8.9×116cm-3，电场强度和载流子密度都明显减少。
由此表示，根据本实施例的薄膜晶体管，通过将栅极21与半导体膜端部41不重合地配置，可降低半导体端部的电场强度和载流子密度。
向由源极高浓度掺杂区12、漏极高浓度掺杂区13和活性区11构成的半导体膜的外侧申出所形成的副栅极22特别是在降低截止电流方面发挥出效果。即，通过副栅极22，在微小的漏电流就成为问题的截止状态下，遮断了来自周边向漏电场对半导体端部的影响。如果电场被遮断，则由于半导体膜内的电位坡度接近零，所以载流子密度减少，抑制了微小的漏电流，降低了截止电流。
(第二实施例)
图6表示本发明第二实施例的薄膜晶体管的模式的平面图和两个剖面图。该薄膜晶体管在由源极高浓度掺杂区12、漏极高浓度掺杂区13和活性区11构成的半导体膜端部具备本征半导体区14。因此，即使本征半导体区14内产生了高强度的电场和高密度的载流子，因为本征半导体区14中不流过电流42，所以可抑制因高强度电场和高密度载流子引起的装置性能的随着时间劣化。
(第三实施例)
图7和图8中分别表示本发明第三实施例的薄膜晶体管的模式平面图和垂直于电流方向上的剖面图。因为平行于电流的剖面图与图6(b)的大体相同，所以省略。图7所示薄膜晶体管的半导体膜，通过与流过源极和漏极之间的电流42平行设置的多个本征半导体区14被分割成多个。这种结构抑制被分割成多个的半导体膜的各个端部中产生的高强度电场和高密度载流子引起的随着时间劣化，适用于散发电流在流过时产生的热。另外，因为本征半导体区14仅通过在期望的位置或区中进行杂质的掺杂就可形成，所以不特别需要多余的空间，具有可将薄膜晶体管作最致密配置的优点。具有这种结构的薄膜晶体管是液晶屏盘、场致发光屏盘和传感器等各种电气制品的重要构成要素，例如，若用作组装在传输门、反相器、计时反相器、逻辑门(NAND、NOR等)、移位寄存器、电平移位器、缓冲电路、差动放大器、电流反射镜操作放大器、DA转换器、AD转换器、DRAM、SRAM、算术回路加法器、微机、DSP、模拟开关、和CPU等电路中的半导体器件，则可降低这些电路的随着时间劣化。
在本实施例中，如图8所示，栅极21与电流流过方向交叉延伸，覆盖半导体膜的端部而形成。代替栅极覆盖半导体膜的端部，可由最外侧的半导体膜的端部不被栅极覆盖来形成栅极，也可在该栅极上设置副栅极。
图9是表示作为本发明的光电装置的一个例子，将有机场致发光元件用作光电元件的有机场致发光装置的图。连接于配置在绝缘衬底71上的薄膜晶体管72和75中的薄膜晶体管75的第一夹层绝缘膜76上形成的源极或漏极77，通过设置在第二夹层绝缘膜78中的接触孔与象素电极79连接。在象素电极79为由ITO等材料构成的阳极的情况下，如本实施例所示，在象素电极79上设置空穴注入层83，作为电荷注入层是较好的。另外，在空穴注入层83上配置发光层84。在发光层84上形成阴极85，并在阴极85上配置防止水分或氧气侵入阴极85或发光层84的密封剂86。在发光层84或空穴注入层85的侧面配置密封层81，在密封层81上配置夹层82。
在使用喷墨法或微溅射法等液相加工来形成空穴注入层83或发光层84的情况下，通过使密封层81和夹层82对于用于形成发光层84或空穴注入层83中液体的亲液性不同，可容易地在密封层81的规定位置上选择性地配置空穴注入层83或发光层84。
图10是表示为了驱动发光元件等光电元件，而使用配置了本发明的半导体器件的有机场致发光元件的有源矩阵型显示装置的应用情况的一个例子的图，在该图中，符号200为显示装置。
如为电路图的图10所示，该显示装置200，在基体上分别布线多个扫描线131、在与这些扫描线131交叉的方向上延伸的多个信号线132、和与这些信号线132并列延伸的多个公共供电线133，因此对应于扫描线131和信号线132的各交点设置象素(象素区)1A而构成。
对信号线132设置数据侧驱动电路103。另一方面，对扫描线131设置扫描侧驱动电路104。另外，在各象素区1A中，设置通过扫描线131将扫描信号提供给栅极的第一薄膜晶体管142、通过该第一薄膜晶体管142保持由信号线132提供的数据信号的保持电容cap、将由保持电容cap保持的数据信号提供给栅极的第二薄膜晶体管143、通过该第二薄膜晶体管143与公共供电线133电连接时从公共供电线133流入驱动电流的象素电极141、和夹在该象素电极141和对置电极154之间的发光元件140。
基于这种结构，当驱动扫描线143来导通第一薄膜晶体管142时，将此时的信号线132的电位保持在保持电容cap中，并根据该保持电容cap的状态，而决定第二薄膜晶体管143的导通状态。另外，通过第二薄膜晶体管143的沟道从公共供电线133向象素电极141流过电流，更通过由发光元件140向对置电极154流过电流，从而发光元件140可根据流过的电流量来发光。
可使用本发明的半导体器件来作为薄膜晶体管143和142。另外，本发明的半导体器件也可用作包含于数据侧驱动电路103或扫描侧驱动电路104中的例如移位寄存器、电平移位器、视频线、开关等的构成元件。特别是如图9所示形成多个本征半导体区的半导体器件最适于作为有大电流量流过的移位寄存器或电平移位器。
下面说明应用上述光电装置的电子设备的几个例子。图11是表示应用上述光电装置的可移动型个人计算机的结构的立体图。在该图中，个人计算机1100由包括键盘1102的主体部1104和显示单元1106构成，该显示单元1106具备上述的光电装置。
图12是表示在其显示部中应用上述光电装置100的便携式电话的结构的立体图。在该图中，便携式电话1200除多个操作键1202外，还具备收听口1204、传话口1206以及上述光电装置100。
图13是表示将上述光电装置100应用于其取景器的数字照相机的结构的立体图。该图简单地表示了与外部设备的连接。其中，通常的相机通过被摄体的光像来感光胶卷，而数字照相机1300通过CCD(电荷耦合装置)等摄像元件进行光电转换来生成摄像信号。在数字照相机1300的外壳1302的背面上，设置上述光电装置100，根据CCD的摄像信号进行显示而构成，光电装置100用作显示被摄体的取景器。另外，在外壳1302的观察侧(图中的里面侧)，设置包含光学透镜或CCD等的受光单元1304。
当摄影者确认光电装置100中显示的被摄体像并按下快门1306时，此时的CCD的摄像信号传送和存储在电路衬底1308的存储器中。另外，处于该数字照相机1300内，在外壳1302的侧面，设置视频信号输出端子1312和数据通信用的输入输出端子1314。如图所示，根据需要，分别将电视监视器1430连接在前者的视频信号输出端子1312上，或将个人计算机1440连接在后者的数据通信用的输入输出端子1314上。另外，通过规定的操作将存储在电路衬底1308的存储器中的摄像信号，输出到电视监视器1430或个人计算机1440来构成。
作为应用本发明光电装置100的电子设备，除图11的个人计算机、图12的便携式电话、图13的数字照相机外，还可列举例如具备电视、取景器、监视器直视型录象机、汽车驾驶导向装置、呼机、电子笔记本、台式电子计算机、文字处理器、工作站、可视电话、POS终端、触板的设备等。另外，不用说可应用上述光电装置100，作为这些各种电子设备的显示部。
虽然上述实施例涉及多晶硅薄膜晶体管，但即使对于其它半导体器件，例如单晶硅薄膜晶体管、非晶硅薄膜晶体管或其它薄膜晶体管，本发明的构思也是有效的。
本发明的半导体器件可组装在各种电路中。例如，作为各种电气制品，例如液晶屏盘、场致发光屏盘、和传感器等的重要构成要素，通过在传输门、反相器、计时反相器、逻辑门(NAND、NOR等)、移位寄存器、电平移位器、缓冲电路、差动放大器、电流反射镜操作放大器、DA转换器、AD转换器、DRAM、SRAM、算术回路加法器、微机、DSP、模拟开关、和CPU中组装本发明的半导体器件，可抑制这些电路性能的随着时间劣化。

Claims (7)

1.一种半导体器件，包括半导体膜，在所述半导体膜上的至少一部分中形成的栅极绝缘膜和在所述栅极绝缘膜上形成的栅极，其特征在于：
所述栅极与所述半导体膜的端部不重合地形成，而且在与源极区和漏极区之间流过的电流方向垂直的方向上，所述栅极的宽度比所述半导体膜的宽度小。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：
还具备连接于所述栅极上的副栅极。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，其特征在于：
在所述栅极上配置所述副栅极。
4.根据权利要求2或3所述的半导体器件，其特征在于：
所述副栅极与所述半导体膜的端部重合地配置。
5.根据权利要求1、2或3所述的半导体器件，其特征在于：
所述半导体膜形成于绝缘膜上。
6.一种半导体器件，包括具有源极区和漏极区的半导体膜，在所述半导体膜上的至少一部分中形成的栅极绝缘膜和在所述栅极绝缘膜上形成的栅极，其特征在于：
在与源极区和漏极区之间流过的电流方向垂直的方向上，所述栅极的宽度比所述半导体膜的宽度小。
7.根据权利要求6所述的半导体器件，其特征在于：
所述半导体膜形成于绝缘膜上。
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