DE3312743C2 - Dünnfilm-MOS-Transistor und Verwendung desselben als Schaltelement in einer Aktivmatrixanordnung - Google Patents

Dünnfilm-MOS-Transistor und Verwendung desselben als Schaltelement in einer Aktivmatrixanordnung

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Abstract

Bei einem Dünnfilmtransistor wird der Leckstrom im Sperrzustand (Sperrstrom) dadurch verringert, daß die Dicke des den Transistor bildenden Siliziumdünnfilms im Bereich der Kanalzone geringer als 0,25 μm ist. Bei einer mit Dünnfilmtransistoren aufgebauten Aktivmatrixanordnung für eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung ist die Kanalzone der Transistoren aus eigenleitendem polykristallinem Silizium gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Dünnfilmtransistor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In der letzten Zeit hat man verstärkt die Ausbildung von DFTs auf isolierenden Substraten untersucht Der Anwendungsbereich dieser Technologie kann ausgeweitet werden, etwa auf Aktivmatrixanordnungen dünner Anzeigevorrichtungen unter Verwendung billiger Isoliersubstrate oder auf dreidimensionale ICs, bei denen aktive Elemente wie Transistoren auf herkömmlichen integrierten Halbleiterschaltungen ausgebildet sein, und ähnliches.
Ein Dünnfilmtransistor der eingangs genannten Art ist aus der Druckschrift »Appl. Phys. Lett« Bd. 37,1980, S. 936, 937 bekannt. Diese Druckschrift beschreibt Dünnfilmtransistoren auf Glas oder Quarz mit einem Dünnfilm aus polykristallinem Silizium und einer Dicke von etwa 1 μιτι. Die Druckschrift erwähnt auch die Anwendung solcher Dünnfilmtransistoren als Schaltelemente in einer Flüssigkristallanzeigetafel.
Wie später noch im einzelnen erläutert werden wird, soll bei vielen Anwendungsfällen und insbesondere auch bei der Verwendung als Schaltelement im Sperrzustand des Dünnfilmtransistors ein möglichst geringer Sperrstrom durch diesen fließen. In dieser Hinsicht sind bekannte Dünnfilmtransistoren der eingangs angegebenen Art nicht zufriedenstellend.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Dünnfilmtransistor der angegebenen Art zu schaffen, der sich durch einen besonders geringen Leckstrom im Sperrzustand auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst und durch die Unteransprüche vorteilhaft weitergebildet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. la bis Id verschiedene Stufen des Verfahrens zur Herstellung eines Dünnfilmtransistors,
F i g. 2 Kennlinien von Dünnfilmtransistoren,
F i g. 3 graphisch den Zusammenhang zwischen Drainstrom und Filmdicke bei Dünnfilmtransistoren,
F i g. 4a die Matrixanordnung vonFlüssigkristalltreiberelementen als einer Anwendung der erfindungsgemäßen Dünnfilmtransistoren,
F i g. 4b das Schaltbild eines Flüssigkristalltreiberelements der Matrixanordnung von F i g. 4a,
F i g. 5a bis 5e verschiedene Stufen eines Verfahrens zur Herstellung eines Dünnfilmtransistors gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung.
Anhand der Fig. la bis Id sei zusätzlich die Herstellung von DFTs mit einem Dünnfilm aus polykristallinem Silizium beschrieben.
Gemäß F i g. 1 a wird eine erste Dünnschicht aus polykristallinem Silizium auf einem isolierenden Substrat 101 ausgebildet und zur Schaffung einer Insel 102 gemustert Durch thermische Oxidation der Insel 102 oder durch chemische Dampfabscheidung wird ein Gateiso-
ϊο lierfilm 103 gebildet Danach wird eine zweite Dünnschicht aus polykristallinem Silizium, einem Metall-Silicofluorid oder Metall aufgebracht und gemustert um eine Gateelektrode 104 zu schaffen. Durch Ionenimplantation eingebrachter Dotierstoff 105 wie Phosphor,
Arsen oder Bor wird unter Verwendung der Gateelektrode 104 als Maske in die Insel 102 diffundiert, um eine Sourcezone und eine Drainzone 106 des Transistors zu schaffen, wie dies in Fig. Ib gezeigt ist Dann wird gemäß Fig. Ic eine Isolierschicht 107 ausgebildet und mit Kontaktfenstern 108 versehen. Schließlich wird ein Anschlußmetall 109 aus Aluminium oder ähnlichem aufgebracht, wie aus F i g. Id zu ersehen ist
Die Fig.2 und 3 zeigen Kennlinien so hergestellter DFTs. Auf der Abzisse in F i g. 2 ist die Gatespannung VGS, auf der Ordinate der Drainstrom ID aufgetragen. Die Drain-Source-Spannung VDS betrug 4 V. Parameter der drei Kennlinien A, B und Cin F i g. 2 ist die Dicke 7" der Schicht aus polykristallinem Silizium (siehe auch F i g. 1). Bei der Kennlinie A betrug T = 0,4 μιτι, bei der Kennlinie B war T = 03 μπι und bei der Kennlinie C war T = 0,2 μΐη. F i g. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen der Dicke T des polykristallinen Siliziums und dem Drainstrom ID für den Fall der Gatespannung VGS = 0 V.
Aus den F i g. 2 und 3 ist ersichtlich, daß der Leckstrom durch den im Sperrzustand befindlichen Transistor von der Dicke Tdes polykristallinen Siliziums abhängt und umso kleiner ist, je geringer die Dicke Γ ist. Ferner entnimmt man F i g. 3, daß der Leckstrom ID bei VGS = 0 bei einer Dicke T > 0,25 μιη nahezu dickenunabhängig wird, während er im Bereich T < 0,25 μιη steil abfällt
Diese Tendenz soll bei anderen Siliziumdünnfilmen, beispielsweise Dünnfilmen aus amorphem Silizium und ähnlichem, gleich sein.
Die Dicke des polykristallinen Siliziums muß daher auf einen geeigneten Wert eingestellt werden, damit der Leckstrom durch den gesperrten DFT auf ein Minimum beschränkt wird, wenn ein solcher DFT als Schaltelcment eingesetzt werden soll. Ein Anwendungsfall für die aus polykristallinem Silizium aufgebauten DFTs gemäß der Erfindung ist der von Schaltelementen in einer Aktivmatrixanordnung einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung. Eine solche Matrixanordnung besitzt Bildelemente von 0,01 mm2 bis 0,09 mm2, wobei der Widerstand des Flüssigkristalls bei 10"> Ohm liegt. Der Leckstrom des DFTs muß weniger als 1Ao desjenigen des Flüssigkristalls mit äquivalentem Widerstand sein, also weniger als 10~n A betragen. Wie sich aus dem Experiment ergibt, muß zur Erzielung eines Leckstroms von weniger als 10-11A die Dicke Γ des polykristallinen Siliziums auf einen Wert unter 0,25 μιτι eingestellt werden.
Durch Einstellung der Dicke des Dünnfilms auf unter 0,25 μιη lassen sich gemäß der Erfindung ausgezeichnete Eigenschaften von Dünnfilmtransistoren aus polykristallinem Silizium oder amorphem Silizium erzielen, wobei das ElN/AUS-Verhältnis außerordentlich hoch ist
und der Leckstrom erheblich reduziert wird. Ein mit dnem solchen DFT aufgebautes Schaltelement kann bei einer Aktivmatrixanordnung zu Anzeigezwecken unter Erzielung einer Verbesserung der Bildqualität eingesetzt werden. Ein Ausführungsbeispiel wird unten beschrieben.
Eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung mit DFTs als Schaltelementen umfaßt im allgemeinen ein oberes Glassubstrat, ein unteres Glassubstrat, auf dem sich die DFTs befindeß, und das zwischen den Glassubstraten eingeschlossene Flüssigkristallmaterial. Auf einem der Substrate sind Flüssigkristalltreiberelemente ausgebildet und in Matrixform angeordnet, die von externen Wähl- oder Adressierschaltungen angewählt bzw. adressiert werden. Die Treiberspannungen werden an Elektroden der Treiberelemente angelegt Auf diese Weise können jegliche Zeichen, graphische Muster und Bilder mittels der Flüssigkristallanzeigevorrichtung wiedergegeben werden. Fig.4 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung.
F i g. 4a zeigt die auf einem Substrat in Matrixform angeordneten Flüssigkristalltreiberelemente. Der mit einer Linie 1 eingeschlossene Anzeigebereich enthält die Flüssigkristalltreiberelemente 2, die in Matrixform angeordnet sind. 3 ist eine Daten- oder Spaltenleitung und 4 eine Zeitsteuersignal- oder Zeilenleitung, die mit den Treiberelementen 2 verbunden sind. F i g. 4b zeigt im einzelnen den Aufbau eines Treiberelements 2. Es enthält einen DFT 5, der das Anlegen eines Signals an Elektroden eines Kondensators 6 und einer Flüssigkri.· stallzelle 7 steuert. Der Kondensator 6 dient dazu, Datcnsignale von der Spaltenleitung 3 zu halten. Die Flüssigkristallzelle 7 umfaßt die Elektrode 7-1 entsprechend dem jeweiligen Treiberelement 2 sowie eine Elektrode 7-2, die sich am oberen Glassubstrat befindet.
Der DFT 5 wird also hier als Schaltelement benutzt, mittels dessen die Flüssigkristallzelle 7 an die Spaltenleilung 3 angeschaltet werden kann. Der DFT soll für diese Funktion folgende Forderungen erfüllen:
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1. Im Leitzustand des DFT soll ein ausreichender Strom in den Kondensator fließen, um diesen aufzuladen.
2. Im Sperrzustand des DFT sollte auch kein kleiner Strom zu bzw. von der Kondensatorelektrode fließen.
Die Forderung 1. bezieht sich auf eine DFT-Eigenschaft beim Einschreiben eines Datensignals in den Kondensator. Der DFT muß einen großen Stromfluß zulassen, damit ein Datensignal innerhalb kurzer Zeit in den Kondensator eingeschrieben werden kann, da die Qualität der Flüssigkristallanzeige von der Kapazität des Kondensators abhängt. Die Höhe dieses Stroms (der nachfolgend als »Durchlaßstrom« bezeichnet werden soll) hängt von der Kapazität des Kondensators und der für das Einschreiben des Datensignals in den Kondensator zur Verfügung stehenden Zeit ab. Der Durchiaßstrom des DFTs hängt von dessen Größe (insbesondere von Länge und Breite des Kanals), dem Aufbau, fio dem Herstellungsverfahren und der Gatespannung ab. Ein DFT aus polykristallinem Silizium ist in der Lage, einen ausreichenden Durchlaßstrom zu führen und die Forderung 1. zu erfüllen, da polykristallines Silizium verglichen mit amorphen Halbleitern eine große Ladungsträgerbeweglichkeit besitzt.
Die Forderung 2. betrifft eine Eigenschaft, die für die Hallezeit wichtig ist, also dafür, wie lange ein in den Kondensator eingeschriebenes Datensignal gehalten werden kann. Grundsätzlich muß ein in den Kondensator eingeschriebenes Datensignal für eine Zeit gehalten werden, die erheblich langer als die für das Einschreiben dieses Datensignals benötigte Zeit ist. Während des Sperrzustands des DFT nähert sich, wenn ein geringer Leckstrom (nachfolgend als »Sperrstrom« bezeichnet) durch den DFT fließt, das Potential der Kondensatorelektrode rasch dem an der Spaltenleitung an, da die Kapazität des Kondensators im allgemeinen sehr klein ist und etwa 1 pF beträgt. Das eingeschriebene Datensignal kann dann während des Sperrzustands des DFT nicht im Kondensator gehalten werden. Insbesondere im Fall von polykristallinem Silizium sind viele Einfangniveaus ungleichmäßig in einem Kristallkorn des PoIykristalls verteilt, so daß über diese Einfangniveaus ein großer Leckstrom fließt.
Infolge des Sperrstroms verschlechtert sich also bei einem DFT aus polykristallinem Silizium die Fähigkeit, ein eingeschriebenes Datensignal im Sperrzustand des DFT zu halten, selbst wenn im leitenden Zustand des DFT ein relativ großer Strom in den Kondensator fließen kann. Daher muß der Sperrstrom so weit wie möglich begrenzt werden. Diese Forderung besteht allgemein bei vielen Anwendungen über die bei einer Aktivmatrix mit DFTs hinaus. Beispielsweise im Fall einer mit DFTs aufgebauten Logikschaltung erhöht der Sperrstrom den Ruhestrom der Schaltung, während im Fall einer Speicherschaltung mit DFTs fehlerhafte Funktionen auftreten können.
Erfindungsgemäß ergeben sich voll zufriedenstellende Vorrichtungen, wenn die Filmdicke 7"des polykristallinen Siliziums unter 0,25 μπι liegt. Die Filmdicke jedes DFTs mit einem Siliziumdünnfilm muß zur Erzielung eines minimalen Sperrstroms geringer als 0,25 μπι sein. Auf diese Weise kann die erforderliche Leistung einer mit DFTs aufgebauten Vorrichtung erreicht werden.
Durch Verringerung der Filmdicke Tdes polykristallinen Siliziums kann der Sperrstrom verringert werden. Wenn jedoch der Film zu dünn wird, durchbricht das Anschlußmetall 190 aus Al oder Al-Si die Diffusionsschicht, so daß ein ausreichender Kontakt mit der Sourcezone und der Drainzone unmöglich wird. Der Verringerung der Filmdicke des polykristallinen Siliziums zur Verringerung des Sperrstroms ;ind daher Grenzen durch die Notwendigkeit gesetzt, daß das Anschlußmetall mit der Sourcezone und der Drainzone einen stabilen Kontakt ergeben muß, selbst wenn durch weitere Verringerung der Filmdicke eine weitere Reduzierung des Sperrstroms möglich wäre. Dieses Problem kann nach einer Weiterbildung der Erfindung durch den nachfolgenden DFT-Aufbau beseitigt werden. Dabei wird die Dicke des Dünnfilms in der Kanalzone verringert, so daß ein präziser Kontakt des Anschlußmetalls mit der Sourcezone und der Drainzone verbunden ist mit einer Reduzierung des Sperrstroms. Ein Beispiel dieser Ausführungsform eines Dünnfilmtransistors mit polykristallinem Silizium gemäß der Erfindung wird nachfolgend anhand von F i g. 5 beschrieben.
Gemäß Fig. 5a wird eine polykristailine Siliziiimschicht auf einem Substrat 301 in einer ausreichenden Dicke ausgebildet, so daß das Anschlußmetall präzisen Kontak' mit der Sourcezone und der Drainzone erhalten kann. Diese Schicht wird zur Schaffung der Insel 302 gemustert. In der Kanalzone wird die Insel 302 auf eine Dicke von weniger als 0,25 μΐη weggeätzt, so daß sich im Bereich des Kanals eine Vertiefung ergibt. Durch thermische Oxidation oder chemische DamDfabscheidune
5
wird gemäß F i g. 5b in diesem Bereich der Gateisolierfilm 303 erzeugt. Nachfolgend wird ein zweiter Dünn- '(■ film aus polykristallinem Silizium, aus Metallsilicofluo- ;,) rid oder Metall im Bereich der Vertiefung aufgebracht und zur Schaffung der Gateelektrode 304 gemustert. 5 Durch Ionenimplantation eingebrachter Dotierstoff 305 wie Phosphor, Arsen oder Bor wird unter Verwendung der Gateelektrode 304 als Maske zur Bildung von Source- und Drainzone 306 des Transistors in die Insel 302 diffundiert, wie dies in F i g. 5c gezeigt ist. Danach wird gemäß Fig.5d ein Isolierfilm 307 ausgebildet und mit
Kontaktfenstern 308 versehen und schließlich gemäß ','■'
Fig.5e ein Anschlußmetall 309 wie Aluminium oder
ähnliches aufgebracht und mit der Sourcezone und der '
Drainzone 306 in Kontakt gebracht. 15 t\
Bei diesem Aufbau ist ein guter Kontakt des An- !
schlußmetalls mit der Sourcezone und der Drainzone ' ■
sichergestellt, während der Sperrstrom, d. h. also der Leckstrom durch den gesperrten DFT extrem verringert ist, da die Dicke der polykristallinen Siliziumschicht in der Kanalzone auf weniger als 0,25 μιη verringert ist.
Die Erfindung bietet den Vorteil, daß die Eigenschaft eines DFT dadurch erheblich verbessert wird, daß der Leckstrom durch den gesperrten Transistor in Anpassung an die Forderung von DFTs aus polykristallinem Silizium verwendenden Vorrichtungen stark beeinflußt werden kann.
Wie bereits erwähnt, stellen Aktivmatrixanordnungen von Flüssigkristallanzeigevorrichtungen ein bevorzugtes Anwendungsgebiet von DFTs dar, die zur Redu- 30 , zierung der Herstellungskosten solcher Aktivmatrixan- J Ordnungen beitragen können.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
35
40
45
50
55
60
65

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Dünnfilm-MOS-Transistor mit einem Siliziumdünnfilm auf Glas oder Quarz, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (T) des Siliziumdünnfilms in der Kanalzone weniger als 0,25 μιτι beträgt
2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (T) des Siliziumdünnfilms in der Kanalzone geringer als in der Sourcezone und der Drainzone ist
3. Transistor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung als Schaltelement in einer Aktivmatrixanordnung für eine Flüssigkristallanzeigevorrichtwng.
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