DE3348083C2 - - Google Patents

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Toshihiko Mano
Toshimoto Kodaira
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Description

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Die den gattungsbildenden Stand der Technik offenbarende Druckschrift App. Phys. Lett., Band 37, 1980, Seiten 936, 937, beschreibt eine Dünnfilmtransistoraufbau auf Glas- oder Quarzsubstraten und nennt Flüssigkristallanzeigevorrichtungen mit matrixartigem Aufbau als Anwendungsgebiet dieser Dünnfilmtransistoren. Jeder Dünnfilmtransistor umfaßt bei diesem Stand der Technik einen undotierten, polykristallinen Film, in dem durch Ionenimplantation Source- und Drainzonen ausgebildet wurden. Die Gateisolierschicht wird bei diesem Stand der Technik durch das CVD-Verfahren aufgebracht.
Die Druckschrift IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 23, Nr. 1, Juni 1980, Seiten 351-352, befaßt sich ebenfalls mit dem Aufbau von Dünnfilmtransistoren für Anzeigevorrichtungen, ohne daß speziell Flüssigkristallanzeigevorrichtungen angesprochen werden. Bei diesem Stand der Technik wird ein Polysiliciumdünnfilm auf einem geeigneten Substrat zugrundegelegt. Über die Dotierung dieses Polysiliciums ist nichts ausgesagt, nachdem aber keine Schritte zur Ausbildung von Source- und Drainzonen erwähnt sind, kann wohl eine Dotierung des gesamten Dünnfilms, also auch im späteren Kanalbereich unterstellt werden. Bei diesem Stand der Technik wird die Gateisolierschicht durch thermische Oxidation des Polysiliciumdünnfilms hergestellt. Gesonderte Source- und Drainelektroden werden zu Anschlußzwecken ausgebildet.
Die Druckschrift Kaneko Eÿi: Liquid-Crysal Matrix Displays, in: Advances in Image Pickup and Display, Academic Press, 1981, Vol. 4, Seiten 59 bis 71, offenbart eine Flüssigkri­ stallanzeigevorrichtung, bei der zwischen zwei Glassubstraten eine Flüssigkristallschicht eingeschlossen ist, wobei an der Innenseite des einen Glassubstrats eine Dünnfilmtransistorschaltermatrix und an der Innenseite des anderen Substrats eine transparente gemeinsame Elektrode ausgebildet ist. Die einzelnen Dünnfilmtransistoren enthalten auf dem Glassubstrat eine Gateelektrode, über der ein Isolierfilm durch reaktives Radiofrequenzzerstäuben abgeschieden ist. Auf dem Isolierfilm befindet sich ein CdSe-Halbleiterfilm. Auf diesem sind Drain- bzw. Signalelektroden so ausgebildet, daß sie sich unmittelbar mit ihm im Kontakt befinden.
Anhand der Fig. 1a bis 1d sei zunächst die Herstellung von DFTs mit einem Dünnfilm aus polykristallinem Silizium beschrieben.
Gemäß Fig. 1a 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 gemische Dampfabscheidung wird ein Gateisolierfilm 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. 1b gezeigt ist. Dann wird gemäß Fig. 1c eine Isolierschicht 107 ausgebildet und mit Kontaktfenstern 108 versehen. Schließlich wird ein Anschlußmetall 109 aus Aluminium oder ähnlichem aufgebracht, wie aus Fig. 1d zu ersehen ist.
Eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung mit DFTs als Schaltelementen umfaßt im allgemeinen ein oberes Glassubstrat, ein unteres Glassubstrat, auf dem sich die DFTs befinden, 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 Flüssig­ kristallanzeigevorrichtung wiedergegeben werden.
Fig. 2a zeigt die auf einem Substrat in Matrixform angeordneten Flüssigkristalltreiberelemente. Der mit einer Linie 1 eingeschlossene Anzeigebereich enthält die Flüs­ sigkristalltreiberelemente 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. Fig. 2b 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 Flüssigkristallzelle 7 steuert. Der Kondensator 6 dient dazu, Datensignale 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, mittells dessen die Flüssigkristallzelle 7 an die Spaltenleitung 3 angeschaltet werden kann. Der DFT soll für diese Funktion folgende Forderungen erfüllen:
  • (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 Durchlaßstrom des DFTs hängt von dessen Größe (insbesondere von Länge und Breite des Kanals), dem Aufbau, 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 Haltezeit 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 länger 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 Polykristalls 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.
Zu diesen voranstehenden Forderungen tritt die folgende weitere:
  • (3) Der DFT sollte stabile und reproduzierbare Kennwerte sowie eine ausreichende Zuverlässigkeit über eine lange Zeit besitzen.
Im allgemeinen werden auf einem Aktivmatrixsubstrat Tausende von DFTs ausgebildet, die alle gleiche Kennwerte und hohe Reproduzierbarkeit ohne Streuung zwischen verschiedenen Herstellungschargen haben müssen. Die Eigenschaften dieser DFTs müssen lange Zeit stabil und verläßlich bleiben.
Bei Ausbildung von DFTs als aktiven Elementen auf einem Substrat hat man bislang Verbindungshalbleiter wie Cadmiumselen oder ähnliche oder nicht-kristalline Halbleiter wie amorphes Silizium und ähnliche als Material für den Dünnfilm verwendet. Diese Materialien erfüllen aber gegenwärtig nicht alle der drei genannten Forderungen (1) bis (3). Verbindungshalbleiter erfüllen beispielsweise die Forderung (1) in ausreichendem Maß, da sie eine hohe La­ dungsträgerbeweglichkeit besitzen, sie erfüllen aber nicht die Forderungen (2) und (3), da diese Halbleiter eine geringe Stabilität und Reproduzierbarkeit aufweisen. Nichtkristalline Halbleiter besitzen eine kleine Ladungsträgerbeweglichkeit und damit einen niedrigen Durchlaßstrom.
Aus den vorgenannten Gründen zeigten bisher Aktivmatrixanordnungen mit DFTs auf einem Substrat keine ausreichend guten Eigenschaften zur Erzielung einer zufriedenstellenden Bildqualität. Es gilt daher, diese Nachteile zu beseitigen und eine billige Aktivmatrixanordnung zu schaffen, bei der DFTs verwendet werden, die eine gute Reproduzierbarkeit und Verläßlichkeit aufweisen sowie einen ausreichend großen Durchlaßstrom und einen sehr kleinen Sperrstrom besitzen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Eigenschaften von Dünnfilmtransistoren einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sie stabile und reproduzierbare Kennwerte sowie eine ausreichende Zuverlässigkeit über eine lange Zeit besitzen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1a bis 1d verschiedene Stufen eines Verfahrens zur Herstellung von Dünnfilmtransistoren,
Fig. 2a eine Matrixanordnung von Flüssigkristalltreiberelementen,
Fig. 2b das Schaltbild eines Flüssigkristalltreiberelements der Matrixanordnung von Fig. 2a,
Fig. 3 eine Schnittansicht des Aufbaus eines Aktivmatrixsubstrats einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 4a bis 4e verschiedene Stufen eines Verfahrens zur Herstellung des Aktivmatrixsubstrats von Fig. 3,
Fig. 5 graphisch den Zusammenhang zwischen der Konzentration der in die Kanalzone diffundierten Dotierstoffe und dem Sperrstrom bei einem N-Kanal- Dünnfilmtransistor, und
Fig. 6 eine Schnittansicht des Aufbaus eines Aktivmatrixsubstrats für den Fall, daß Spaltenleitung und Elektrode vom selben transparenten leitenden Film gebildet sind.
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht des Aufbaus eines Aktivmatrixsubstrats gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist nur ein Flüs­ sigkristalltreiberelement gezeigt. Eine Dünnschicht aus polykristallinem Silizium ist auf einem isolierenden Substrat 8 aus Quarz oder ähnlichem zur Bildung des DFT und einer Elektrode 17 des Kondensators aufgebracht. Beim DFT ist die Kanalzone 9 eigenleitendes polykristallines Silizium. Die Sourcezone 10 und die Drainzone 11 sind durch Eindotieren von Dotierstoffen wie Phosphor, Arsen oder Bor in das eigenleitende polykristalline Silizium ausgebildet. Der Gateisolierfilm 12 ist durch thermische Oxidation des eigenleitenden polykristallinen Siliziums gebildet. 13 ist eine Adreß- oder Zeilenleitung und Gateelektrode, während 14 eine Isolierschicht ist, die als Dielektrikum des Kondensators dient. 15 ist eine Datensignal- oder Spaltenleitung und Source- oder Drainelektrode, während 16 eine Treiberelektrode und Drain- oder Sourceelektrode ist. 17 ist eine gemeinsame Elektrode für eine Vielzahl von Kondensatoren zum Halten des Datensignals.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens für das Aktivmatrixsubstrat von Fig. 3. Gemäß Fig. 4a wird eigenleitendes polykristallines Silizium 9′ auf das Substrat 8 aufgebracht und dann durch thermische Oxidation der Gateisolierfilm 12 ausgebildet. Dann werden die Gateelektrode 13 und die gemeinsame Elektrode 17 des Kondensators, die aus demselben leitenden Material zur selben Zeit gebildet werden können, gemäß Fig. 4b hergestellt.
Nachfolgend wird Dotierstoff zur Bildung der Sourcezone 10 und der Drainzone 11 eindotiert. Danach wird die Isolierschicht 14 gebildet und mit Kontaktlöchern versehen, wie in Fig. 4c gezeigt. Thermische Diffusion oder Ionenimplantation wird allgemein für das Eindotieren des Dotierstoffs in die Sourcezone und in die Drainzone verwendet. Dann werden gemäß Fig. 4d die Spaltenleitung 15 und gemäß Fig. 4e die Treiberelektrode 16 ausgebildet. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Spaltenleitung 15 nach Ausbildung der Treiberelektrode 16 aufzubringen.
Die einzigartige Charakteristik der Aktivmatrixanordnung gemäß der Erfindung in der Ausführungsform der Fig. 3 und 4 besteht darin, daß für die Kanalzone ein Film aus eigenleitendem polykristallinem Silizium verwendet wird und der in einer Wärmebehandlung durch Oxidation dieses eigenleitenden polykristallinen Siliziums gebildete Film als Gateisolierfilm verwendet wird.
Diese Eigenschaften sollen nachfolgend im einzelnen erläutert werden.
Der Grund dafür, daß für die Kanalzone ein Film aus eigenleitendem polykristallinem Silizium verwendet wird, besteht darin, einerseits einen großen Durchlaßstrom zu erzielen und zugleich den Sperrstrom auf ein Minimum zu begrenzen. Da das polykristalline Silizium eine Ladungsträgerbeweglichkeit von etwa 10 cm²/Vs besitzt, ist der erzielbare Durchlaßstrom für den Einsatz auf einem Aktivmaxtrixsubstrat ausreichend. Da andererseits eigenleitendes polykristallines Silizium ohne irgendwelche Dotierstoffe verwendet wird, kann der Sperrstrom auf ein Minimum begrenzt werden.
Beim herkömmlichen MOS-Transistor mit monokristallinem Silizium begrenzt ein PN-Übergang den Sperrstrom, wo ein P-Substrat für einen N-Kanal-Transistor bzw. ein N-Substrat für einen P-Kanal-Transistor verwendet wird. Bei Verwendung von polykristallinem Silizium wird jedoch kein PN-Übergang ausgebildet, so daß eine Sperrstromverringerung hierdurch nicht erreicht werden kann.
Fig. 5 zeigt graphisch den Zusammenhang zwischen der Konzentration des in die Kanalzone eines N-Kanal-DFT diffundierten Dotierstoffs einerseits und dem Sperrstrom andererseits, wie er sich aus vom Anmelder durchgeführten Experimenten darstellt. Bor wurde als Dotierstoff verwendet und durch Ionenimplantation zur Bildung einer P-Kanalzone eindiffundiert. Auf der Abszisse in Fig. 5 ist die Menge des eindiffundierten Bors, auf der Ordinate der Sperrstrom für den Fall der Gatespannung VGS=0 aufgetragen.
Aus Fig. 5 ist zu entnehmen, daß der Sperrstrom ohne diffundiertes Bor, also bei Verwendung eigenleitenden polykristallinen Siliziums minimal wird. Dies beruht darauf, daß der Leckstrom im Fall eines PN-Übergangs mit der Dotierstoffkonzentration zunimmt. Bei Bildung einer N-Kanalzone, also eines Verarmungs-Transistors, steigt der Sperrstrom. Also ergibt sich bei Verwendung von eigenleitendem polykristallinem Silizium ein minimaler Sperrstrom.
Eine thermische Oxidation des eigenleitenden polykristallinen Siliziums wird zur Bildung des Gateisolierfilms ausgeführt, so daß ein großer Durchlaßstrom erreicht wird und Stabilität, Reproduzierbarkeit und Verläßlichkeit des Dünnfilmtransistors verbessert werden. Polykristallines Silizium muß zur thermischen Oxidation Temperaturen von über 900°C ausgesetzt werden. Dabei nimmt die Korngröße der kristallinen Partikel zu, und ihre Beweglichkeit steigt erheblich an. Es ist bekannt, daß bei Ausbildung eines Gateisolierfilms durch thermische Oxidation von Polysilizium das Grenzschichtniveau zwischen polykristallinem Silizium und seinem thermischen Oxidationsfilm auf einen kleineren Wert gebracht werden kann, als wenn ein SiO₂-Film von außen durch Aufstäuben, Aufwachsen aus der Dampfphase und ähnliches aufgebracht wird. Daher kann die Schwellenspannung des Transistors gesenkt werden. Das bedeutet, durch Verwendung eigenleitenden polykristallinen Siliziums mit einer großen Beweglichkeit und einer geringen Schwellenspannung als Kanal kann ein großer Durchlaßstrom erzielt werden.
Darüberhinaus kann ein hinsichtlich Stabilität, Reproduzierbarkeit und Verläßlichkeit besserer Transistor dadurch geschaffen werden, daß dieses polykristalline Silizium zu einem Gateisolierfilm mittels einer Wärmebehandlung oxidiert wird, wie sie gewöhlich bei Ausbildung des Gateisolierfilms bei MOS-Transistoren entsprechend der gewünschten Siliziumtechnologie benutzt wird. Das heißt, es kann eine günstige Grenzschicht, die gewöhnlich ein geringes Grenzschichtniveau aufweist, stabil ausgebildet werden, so daß die Stabilität und die Reproduzierbarkeit des Transistors erheblich verbessert werden und auch die Verläßlichkeit wesentlich besser wird, da die Grenzschicht des Transistors unter Verwendung stabiler Materialien wie Silizium gebildet wird und sein thermischer Oxidationsfilm auf gleiche Weise wie bei der gewöhnlichen Siliziumtechnologie hergestellt wird.
Für die Wärmebehandlung zur Herstellung dieses thermischen Oxidationsfilms sind Temperaturen von über 900°C unvermeidlich. Daher muß ein isolierendes Substrat mit einem hohen Schmelzpunkt, das diesen hohen Temperaturen standhält (z. B. Quarzglas) verwendet werden. Dies erhöht die Herstellungskosten des Aktivmatrixsubstrats, da Substrate mit hohem Schmelzpunkt teurer als solche mit niedrigem Schmelzpunkt sind. Die Kosten müssen daher bei anderen Teilen entsprechend verringert werden. Im allgemeinen benötigt man zur Herstellung des Aktivmatrixsubstrats ein kompliziertes Herstellungsverfahren. Durch Vereinfachung des Herstellungsverfahrens können daher die Kosten wirkungsvoll verringert werden. Die Erfindung liefert einen Aufbau eines aktiven Matrixsubstrats, der mit einem einfachen Verfahren hergestellt werden kann, d. h. bei dem die Spaltenleitung und die Treiberelektrode aus demselben transparenten leitenden Film gebildet werden können.
Fig. 6 zeigt den Aufbau eines Aktivmatrixsubstrats, bei dem dies der Fall ist. Der grundsätzliche Aufbau ist, ausgenommen die Spaltenleitung 15 und die Treiberelektrode 16, der gleiche wie in Fig. 3. Indiumoxid, Zinnoxid oder Indiumzinnoxid wird als transparenter leitender Film verwendet. Der Verfahrensschritt in Fig. 4d kann bei diesem Aufbau entfallen. Es ist sehr wirkungsvoll, die Musterung zu vereinfachen, um die Herstellungskosten zu senken, da die Musterung (Photoätzprozeß) einen hohen Anteil an den Herstellungskosten einer Halbleitervorrichtung trägt. Beim Herstellungsverfahren nach Fig. 4 sind fünf Musterschritte erforderlich, während beim Verfahren nach Fig. 6 vier Musterschritte ausreichen. Außerdem brauchen nicht zwei Arten von leitenden Filmen beschichtet zu werden. Eine solche Vereinfachung des Herstellungsverfahrens ist außerordentlich wirkungsvoll zur Schaffung eines billigen Aktivmatrixsubstrats.

Claims (2)

  1. Flüssigkristallanzeigevorrichtung mit folgenden Merkmalen:
    • (1) Zwischen Glas- oder Quarzsubstraten (8) ist eine Flüssigkristallschicht eingeschlossen;
    • (2) auf einem der Substrate (8) ist eine Vielzahl von Dünnfilmabschnitten aus Siliziumhalbleitermaterial ausgebildet, das mit Ausnahme von Source und Drain darstellenden dotierten Zonen (10, 11) eigenleitend ist; und
    • (3) auf den Dünnfilmabschnitten befindet sich je eine Gateisolierschicht (12) und daraus eine Gateelektrode (13);
  2. gekennzeichnet durch folgende weitere Merkmale:
    • (4) auf einem der Substrate (8) ist eine Vielzahl von matrixartig angeordneten Flüssigkristall-Treiberelektroden (16) aus einem transparenten leitenden Film ausgebildet, die je in direktem Kontakt mit einer der dotierten Zonen (11) eines zugeordneten Dünnfilmabschnitts stehen,
    • (5) die Gateisolierschicht (12) ist durch thermische Oxidation des eigenleitenden Siliciumhalbleitermaterials gebildet;
    • (6) die Gateelektroden (13) sind mit einer Vielzahl von Gateleitungen verbunden, und
    • (7) die Dünnfilmabschhnitte (9, 10, 11) sind mit einer Vielzahl von Datenleitungen (15) verbunden.
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