JP2682528B2 - Active matrix panel - Google Patents

Active matrix panel

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JP2682528B2
JP2682528B2 JP8232336A JP23233696A JP2682528B2 JP 2682528 B2 JP2682528 B2 JP 2682528B2 JP 8232336 A JP8232336 A JP 8232336A JP 23233696 A JP23233696 A JP 23233696A JP 2682528 B2 JP2682528 B2 JP 2682528B2
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thin film
film transistor
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complementary
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弘之 大島
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Seiko Epson Corp
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【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明はPチャネル型薄膜ト
ランジスタとNチャネル型薄膜トランジスタを集積化し
た相補型薄膜トランジスタを有するアクティブマトリク
スパネルに関する。 【0002】 【従来の技術】近年、絶縁基板上に薄膜トランジスタを
形成する技術の研究が活発に行なわれている。この技術
は、安価な透明絶縁基板を用いて高品質の薄形ディスプ
レイを実現するアクティブマトリックスパネル、あるい
は通常の半導体集積回路上にトランジスタなどの能動素
子を形成する三次元集積回路、あるいは安価で高性能な
イメージセンサ、あるいは高密度のメモリーなど、数多
くの応用が期待されるものである。 【0003】これらの応用の中には、基本的には薄膜ト
ランジスタをスイッチング素子としてのみ用いるものも
あるが、そのスイッチングに必要な駆動回路が薄膜トラ
ンジスタで同時に構成されることが望ましい。例えばア
クティブマトリックスパネルではマトリックス状に配置
された画素の1つ1つに薄膜トランジスタを配し、表示
データのスイッチングを行なうが、同時にその周辺駆動
回路を薄膜トランジスタで集積化できれば、実装の負担
を小さくすると共にシステム全体の低コスト化、小型化
が実現できる。すなわち、薄膜トランジスタでロジック
回路を構成することが必要となる。 【0004】この場合、通常の半導体集積回路の場合以
上に、相補構成(CMOS)化が要求される。これは、
薄膜トランジスタでロジック回路を構成する場合、一般
にその素子数が多くなり、相補構成にしない限り消費電
力が極めて大きくなってしまうためである。例えばアク
テイブマトリックスパネルの周辺駆動回路を薄膜トラン
ジスタで内蔵する場合、画素数に応じた数のシフトレジ
スタやバッファ、あるいはアナログスイッチなどが必要
となる。 【0005】一般的には500段以上のシフトレジスタ
を内蔵しなくてはならない。また、三次元集積回路やイ
メージセンサ、あるいは高密度メモリーなどの場合でも
同様に多数の素子数が必要とされることは容易に類推で
きる。このように素子数が多い場合、その消費電力を低
減する上で、薄膜トランジスタを相補構成とすることは
極めて有効である。相補型薄膜トランジスタは、Pチャ
ネル型薄膜トランジスタとNチャネル型薄膜トランジス
タから構成される。これらの薄膜トランジスタのうち、
いずれか一方は必ずオフ状態にあるため、電源間に貫通
電流の流れることがなく、消費電力を大幅に低減させる
ことが可能となる。 【0006】しかし、相補型薄膜トランジスタは下記の
欠点を有しており、従来、充分な検討が行なわれていな
い。 【0007】(1)Pチャネル型とNチャネル型の双方
を集積化するため製造方法が複雑なこと。 【0008】(2)これに伴なって製造コストが高いこ
と。 【0009】(3)薄膜トランジスタの特性のバランス
充分でないこと。 【0010】(4)Pチヤネル型薄膜トランジスタの特
性とNチャネル型薄膜トランジスタの特性をそろえるこ
とが困難であること。 【0011】(5)あえてこれらの特性をそろえるため
には、チャネル部に適当な不純物を添加するなど余分な
工程が必要となること。 【0012】これらの欠点を有しているため、相補型薄
膜トランジスタは実用化レベルに達していなかった。 【0013】 【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような欠
点を一挙に除去するものであり、その目的とするところ
は、個々に優れた特性を有し、かつ特性差の少ないPチ
ャネル型及びNチャネル型薄膜トランジスタから構成さ
れる相補型薄膜トランジスタを、簡単な製造方法で安価
に提供することにある。 【0014】 【課題を解決するための手段】本発明は、第1導電型薄
膜トランジスタ及び第2導電型薄膜トランジスタよりな
る相補型薄膜トランジスタを有するアクティブマトリク
スパネルにおいて、前記第1及び第2導電型薄膜トラン
ジスタのチャネル領域は同一層の非単結晶シリコン堆積
膜からなり、前記第1及び第2導電型薄膜トランジスタ
のそれぞれのチャネル領域のシリコン膜厚は、それぞれ
の薄膜トランジスタにおいて広がり得る空乏層の最大幅
のいずれよりも薄く形成されてなることを特徴とする。 【0015】 【発明の実施の形態】 (実施例1)以下、チャネル領域をノンドープシリコン
薄膜により構成し、ソース・ドレインの導電型によって
Pチャネル型あるいはNチャネル型薄膜トランジスタを
実現することを特徴とする相補型薄膜トランジスタにつ
いて、実施例に基づいて詳しく説明する。 【0016】図1は本発明による相補型薄膜トランジス
タの構造を示す断面図である。101はガラス、石英、
パシベーション膜を含む半導体集積回路基板などの絶縁
基板であり、その上にPチヤネル型薄膜トランジスタ1
02とNチャネル型薄膜トランジスタ103が形成され
ており、相補型薄膜トランジスタを構成している。10
4はノンドープシリコン薄膜から成るPチャネル型薄膜
トランジスタのチャネル領域である。105はボロンな
どのアクセプタをドープしたP型シリコン薄膜から成る
ソース領域であり、106は同様に構成されたドレイン
領域である。107はSio2 などのゲート絶縁膜、1
08は多結晶シリコン、金属などのゲート電極、109
はSio2 などの層間絶縁膜である。110、111は
金属などの導電体から成り、それぞれソース電極、ドレ
イン電極である。112はノンドープシリコン薄膜から
成るNチャネル型薄膜トランジスタのチャネル領域で
あ。113はリン、ヒ素などのドナーをドープしたN型
シリコン薄膜から成るソース領域であり、114は同様
に構成されたドレイン領域である。115はゲート絶縁
膜、116はゲート電極、117はソース電極、118
はドレイン電極である。 本図より明らかなように、本
発明はPチャネル型及びNチャネル型薄膜トランジスタ
のチャネル領域として、共にノンドープシリコン薄膜を
用いること、及び基本的にはPチャネル型薄型トランジ
スタとNチャネル型薄膜トランジスタとはヽソース・ド
レイン領域の導電型によってのみ区別されることを大き
な特徴としている。 【0017】以下、これらの特徴により実現される本発
明の効果について説明する。 【0018】まず、Pチャネル型及びNチャネル型薄膜
トランジスタのチャネル領域として、共にノンドープシ
リコン薄膜を用いることの効果について述べる。 【0019】両タイプの薄膜トランジスタのチャネル領
域として、共にノンドープシリコン薄膜、すなわち真性
半導体に近いシリコン薄膜を用いることにより、トラン
ジスタがオフ状態のときに流れるリーク電流(以下、O
FF電流という)を最小にすることが可能となる。単結
晶シリコンを用いる通常のトランジスタでは、Nチャネ
ル型の場合P型基板を、Pチャネル型の場合N型基板を
用いて極めて良質のPN接合を形成することにより、ソ
ース・ドレイン間のOFF電流を低減しているが、一般
に絶縁基板上のシリコン薄膜では単結晶化は不可能であ
り、多結晶状態あるいは非晶質状態となり、良質なPN
接合を形成することができず、したがってOFF電流を
低減させることが出来ない。 【0020】図2は本出願人の行なった実験のデータで
あり、Nチャネル型薄膜トランジスタにおけるチャネル
領域のシリコン薄膜中の不純物濃度とOFF電流の関係
を示すグラフである。不純物はボロンであり、チャネル
領域をP型にすることを目的としている。ドーピングは
イオン打ち込み法により、グラフの横軸はボロンのドー
プ量、縦軸はOVのゲート電圧におけるOFF電流であ
る。このグラフから分かるように、ドープ量が0の場
合、すなわち真性半導体に近いノンドープシリコン薄膜
を用いた場合にOFF電流が最小となる。これは不純物
濃度が高くなるにつれてPN接合のリーク電流が増大す
るためである。また、逆にチャネル領域をN型にした場
合には、述べるまでもなくトランジスタはデプリーショ
ン型となり、OFF電流は増大する。したがって、ノン
ドープシリコン薄膜を用いた場合にOFF電流は最小と
なる。すなわち、OFF電流を低減するには、単結晶シ
リコンを用いたトランジスタのようにPN接合を用いる
のではなく、チャネル領域の抵抗値を出来る限り大きく
することが効果的である。上記の説明はNチャネル型薄
膜トランジスタについて行なったが、Pチャネル型薄膜
トランジスタについても全く同様に成立する。したがっ
て、両タイプの薄膜トランジスタとも、チャネル領域に
ノンドープシリコン薄膜を用いることによりOFF電流
を最小にすることが可能となる。 【0021】次に、Pチャネル型薄膜トランジスタとN
チャネル型薄膜トランジスタを、ソース・ドレイン領域
の導電型によってのみ区別することの効果について述べ
る。これにより、相補型薄膜トランジスタの製造工程を
著しく簡略化することができる。したがって、大幅な歩
留りの向上及び低コスト化が実現できる。図3は図1に
示した相補型薄膜トランジスタの製造方法の1例を示す
図である。 【0022】まず、図3(a)のように、絶縁基板30
1上にノンドープシリコン薄膜302、303を推積さ
せた後、所望のパターンを形成する。302にPチャネ
ル型薄膜トランジスタが、303にNチャネル型薄膜ト
ランジスタがそれぞれ形成される。次に図3(b)のよ
うに、ノンドープシリコン薄膜302及び303を熱酸
化することによりゲート絶縁膜304を形成する。ある
いは気相成長法などによりゲート絶縁膜を外部を推積さ
せても良い。その後、ゲート電極305を推積させて、
所望のパターン形成を行なう。もちろん、P型シリコン
薄膜とN型シリコン薄膜というように、Pチャネル型薄
膜トランジスタとNチャネル型薄膜トランジスタとで異
なるゲート電極材料を用いても差し支えない。 【0023】次に図3(c)のように、フォトレジスト
などのマスク材料306をNチャネル型薄膜トランジス
タとなるべき領域に形成して、ボロンなどのアクセプタ
元素307をイオン打ち込み法によりPチャネル型薄膜
トランジスタ中にドープし、ソース領域308及びドレ
イン領域309となるP型シリコン薄膜を形成する。さ
らに図3(d)のように、同様にフォトレジストなどの
マスク材料310をPチャネル型薄膜トランジスタとな
るべき領域に形成して、リン、ヒ素などのドナ一元素3
11をイオン打ち込み法によりNチャネル型薄膜トラン
ジスタ中にドープし、ソース領域312及びドレイン領
域313となるN型シリコン薄膜を形成する。最後に図
3(e)のように、層間絶縁膜314を推積させた後コ
ンタクトホールを開口し、Pチャネル型薄型薄膜トラン
ジスタのソース電極315及びドレイン電極316、N
チャネル型薄膜トランジスタのソース電極317及びド
レイン電極318を形成し、相補型薄膜トランジスタは
完成する。 【0024】これよりわかるように、本発明による相補
型薄膜トランジスタは極めて簡単な方法で製造できる。
これは、Pチャネル型薄膜トランジスタもNチャネル型
薄膜トランジスタも共に、チャネル領域としてノンドー
プシリコン薄膜を用いることによる。このため、従来の
相補型トランジスタのように、Pチャネル型トランジス
タにはN型基板を、Nチャネル型トランジスタにはP型
基板を用いる必要がない。すなわち、2種類のトランジ
スタにおいてチャネル領域の導電型を変える必要がな
い。 【0025】これによって、それぞれのトランジスタの
チャネル領域に不純物を添加したり、それに必要なパタ
ーンを形成する工程を省くことができる。また、それぞ
れのトランジスタは絶縁基板上に島状に分離されてお
り、特別な素子分離工程を必要としない。また、これに
伴なって、通常の半導体集積回路のような寄生MOS効
果がなく、チャネルストッパーを形成する必要がない。
これらの理由により、本発明による薄膜トランジスタで
は、ソース・ドレイン領域の導電型を変えることのみ
で、Pチャネル型及びNチャネル型薄膜トランジスタを
実現することができる。したがって、その製造工程は従
来の相補型トランジスタに比べて極めて簡単なものとな
る。例えば、パターン形成工程数は、従来の相補型トラ
ンジスタでは10工程以上必要であるが、本発明による
相補型トランジスタではわずか6工程で済む。このよう
に製造工程を簡略化できることは、それ自体、低コスト
化を実現すると共に、製造歩留りの向上をも実現し、全
体として大幅な低コストが達成できるという多大な効果
を有している。 【0026】また本発明は、Pチャネル型薄膜トランジ
スタとNチャネル型薄膜トランジスタの双方におけるチ
ャネル領域のシリコン薄膜を同一層で構成し、かつ、該
シリコン薄膜の膜厚を、前記2種類の薄膜トランジスタ
の該シリコン薄膜表面に形成され得るいずれの空乏層の
最大幅よりも薄いことを特徴とする相補型薄膜トランジ
スタをも提供するものであるが、以下、これについて実
施例に基づき詳しく説明する。 【0027】図4は、本発明による相補型薄膜トランジ
スタのチャネル領域近傍を示す断面図である。図4
(a)はPチャネル型薄膜トランジスタ、図4(b)は
Nチャネル型薄膜トランジスタをそれぞれ示している。
絶縁基板401上にソース領域402、408、ドレイ
ン領域403、409、ゲート絶縁膜404、410、
ゲート電極405、411を有する薄膜トランジスタが
形成されている。チャネル領域のノンドープシリコン薄
膜406、412は同一層にて構成され、したがって同
一の膜厚tsiを有している。ゲート電圧の印加に伴な
ってシリコン薄膜表面には空乏層407、413が広が
ってくるが、Pチャネル型薄膜トランジスタにおける空
乏層の幅χPと、Nチャネル型薄膜トランジスタにおけ
る空乏層の幅χNはそれぞれ次式で与えられる。 【0028】 【数1】 【0029】ここに、qは単位電荷量、εはシリコン薄
膜の誘電率、φsはシリコン薄膜表面におけるエネルギ
ーバンドの曲がり量、NDは等価的にドナーとして働く
トラップの密度、すなわちチャネル領域において作用す
るデナーに密度を言う。NAは等価的にアクセプタとし
て働くトラップの密度、すなわちチャネル領域において
作用するアクセプタの密度を言う。前述の如く、シリコ
ン薄膜は多結晶あるいは非晶質状態にあり、多くの結晶
欠陥を有しており、これがトラップとして作用する。エ
ネルギーバンド図において、フェルミレべルとコンダク
ションバンドの間に準位を作るトラップはドナーとして
作用し、フェルミレベルとバレンスバンドの間に準位を
作るトラップはアクセプタとして作用する。各トラップ
の準位はシリコン原子の配列の仕方によって決まり、一
般にはNDとNAは等しくない。 【0030】図4ではNDの方がNAよりも大きく、し
たがってχPの方がχNよりも小さい場合を示してい
る。ゲート電圧をさらに大きくすると、それぞれの空乏
層の広がり幅は最大値に達し、シリコン薄膜表面に反転
層が形成され始める。このときのゲート電圧がしきい値
電圧であり、これ以上ゲート電圧を大きくしても、もは
や空乏層は広がらず、反転層内のキャリア密度が高くな
るのみである。Pチャネル型及びNチヤネル型薄膜トラ
ンジスタにおける空乏層の最大幅χPmax及びχNm
ax、しきい値電圧VthP及びVthNは次式で与え
られる。 【0031】 【数2】 【0032】ここにφfP、φfNはそれぞれPチャネ
ル型、Nチャネル型薄膜トランジスタにおけるフェルミ
エネルギー、Coxは単位面積当りのゲート絶縁膜の容
量、VFBはフラットバンド電圧である。 【0033】本発明による相補型薄膜トランジスタで
は、シリコン薄膜tsiを上記χPmax及びχNma
xのいずれよりも小さくなるように構成する。 【0034】以下これにより実現される本発明の効果に
ついて説明する。 【0035】シリコン薄膜の膜厚(tsi)が、空乏層
の広がり得る最大幅(χPmax及びχNmax)より
も小さい場合、空乏層はtsi以上に広がることはでき
ない。したがって、空乏層幅がtsiに達すると、ただ
ちにシリコン薄膜表面に反転層が形成されるようにな
る。すなわち、トランジスタのしきい値電圧が低減す
る。通常、シリコン薄膜中には極めて高密度のトラップ
が存在するため、しきい値電圧が高くなってしまうが、
本発明によれば、しきい値電圧を低減させることにより
薄膜トランジスタの駈動電圧を低くすることができ、ま
たトランジスタがオン状態の時に流れる電流(ON電
流)を大きくすることができる。したがって薄膜トラン
ジスタを使いやすくすると共に、より高速な動作を可能
とする。 【0036】また、この時のしきい値電圧は次式で与え
られる。 【0037】 【数3】 【0038】図4の例の場合、ND>NA、χP<χN
である。したがって、tsiを薄くしていった時、Pチ
ャネル型薄膜トランジスタよりもNチャネル型薄膜トラ
ンジスタの方がしきい値電圧の低下が早く始まる。しか
し、tsiをさらに薄くして、本発明の提供する膜厚の
範囲になると、Pチャネル型薄膜トランジスタとNチャ
ネル型薄膜トランジスタのしきい値電圧の差は小さくな
る。この様子を図5に示す。横軸はtsi、縦軸はしき
い値電圧の絶対値である。501はNチャネル型薄膜ト
ランジスタ、502はPチャネル型薄膜トランジスタの
グラフをそれぞれ示している。このグラフからわかるよ
うに、tsiがχPmaxよりも小さい領域で、両者の
しきい値電圧が急激に接近している。これは上式におい
て、NAよりもNDの方が大きいため、2つのトランジ
スタのしきい値電圧のtsi依存性が異なるためであ
る。したがって本発明によれば、Pチャネル型及びNチ
ャネル型薄膜トランジスタのしきい値電圧を近づけ、そ
の特性差を小さくすることが可能となる。これは相補型
トランジスタにおいて極めて大きな効果を有する。 【0039】なお、上記の説明はND>NAを仮定して
行なったが、NA<NDの場合にも全く同様に成立す
る。 【0040】(実施例2)図6は本発明の他の実施例を
示すものである。絶縁基板601上にPチャネル型薄膜
トランジスタ616とNチャネル型薄膜トランジスタ6
17が形成されており、相補型薄膜トランジスタを構成
している。602はゲート電極、603はゲート絶縁膜
であるる604はノンドープシリコン薄膜から成るPチ
ャネル型薄膜トランジスタのチャネル領域である。60
5はボロンなどのアクセプタをドープしたP型シリコン
薄膜から成るソース領域であり、606は同様に構成さ
れたドレイン領域である。607は層間絶縁膜であり、
608はソース電極、609はドレイン電極である。6
10はゲート電極であり、611はノンドープシリコン
薄膜から成るNチャネル型薄膜トランジスタのチャネル
領域である。612はリン、ヒ素などのドナーをドープ
したN型シリコン薄膜から成るソース領域であり、61
3は同様に構成されたドレイン領域である。614はソ
ース電極、6I5はドレイン電極である。 【0041】図から明らかなように、前述した本発明の
すべての効果は、本実施例においても成立する。すなわ
ち、チャネル領域がゲート電極の上に位置したり、ある
いはソース・ドレイン領域のシリコン薄膜がチャネル領
域のシリコン薄膜とは異なる層により構成されたり、付
随的な構造が変化しても本発明は成立し、同様の効果が
得られる。 【0042】 【実施例の効果のまとめ】以上に述べたように、実施例
は以下のような効果を有している。 【0043】(1)チャネル領域にノンドープシリコン
薄膜を用いるため、薄膜トランジスタのOFF電流を最
小にすることができる。 【0044】(2)チャネル領域にノンドープシリコン
薄膜を用いるため、ソース・ドレイン領域の導電型によ
ってのみ、Pチャネル型薄膜トランジスタとNチャネル
型薄膜トランジスタを作り分けることができ、非常に簡
単に相補型薄膜トランジスタを実現できる。 【0045】(3)シリコン薄膜の膜厚が、空乏層の広
がり得る最大幅よりも小さいため、薄膜トランジスタの
しきい値電圧を低下させると共に、ON電流を大きく
し、より高速な動作を可能とすることができる。 【0046】(4)シリコン薄膜の膜厚を、Pチャネル
型薄膜トランジスタの空乏層の広がり得る最大幅と、N
チヤネル型薄膜トランジスタの空乏層の広がり得る最大
幅のいずれよりも小さいために、双方の薄膜トランジス
タの特性を著しく改善すると共に、双方の特性差を小さ
くすることができる。 【0047】 【発明の効果】以上述べたように、本発明は、第1導電
型薄膜トランジスタ及び第2導電型薄膜トランジスタよ
りなる相補型薄膜トランジスタを有するアクティブマト
リクスパネルにおいて、前記第1及び第2導電型薄膜ト
ランジスタのチャネル領域は同一層の非単結晶シリコン
堆積膜からなり、前記第1及び第2導電型薄膜トランジ
スタのそれぞれのチャネル領域のシリコン膜厚は、それ
ぞれの薄膜トランジスタにおいて広がり得る空乏層の最
大幅のいずれよりも薄く形成することにより、OFF電
流を小さくすることができる。 【0048】 【0049】
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an active matrix panel having a complementary thin film transistor in which a P channel thin film transistor and an N channel thin film transistor are integrated. [0002] In recent years, active research has been conducted on a technique for forming a thin film transistor on an insulating substrate. This technology is based on an active matrix panel that realizes a high-quality thin display using an inexpensive transparent insulating substrate, a three-dimensional integrated circuit that forms active elements such as transistors on a normal semiconductor integrated circuit, or an inexpensive high-performance integrated circuit. Many applications are expected, such as high-performance image sensors or high-density memories. Some of these applications basically use a thin film transistor only as a switching element. However, it is desirable that a driving circuit necessary for the switching is simultaneously formed by the thin film transistor. For example, in an active matrix panel, a thin film transistor is arranged in each of the pixels arranged in a matrix to perform switching of display data. At the same time, if the peripheral driving circuit can be integrated with the thin film transistor, the burden of mounting can be reduced and The cost and size of the entire system can be reduced. That is, it is necessary to form a logic circuit with thin film transistors. In this case, a complementary structure (CMOS) is required more than in a normal semiconductor integrated circuit. this is,
This is because, when a logic circuit is formed using thin film transistors, the number of elements is generally increased, and power consumption becomes extremely large unless a complementary structure is adopted. For example, when a peripheral drive circuit of an active matrix panel is built with thin film transistors, a number of shift registers and buffers corresponding to the number of pixels, analog switches, or the like are required. In general, a shift register having 500 or more stages must be built in. It can be easily analogized that a large number of elements are required in the case of a three-dimensional integrated circuit, an image sensor, a high-density memory, and the like. When the number of elements is large, it is extremely effective to make the thin film transistors complementary in order to reduce the power consumption. The complementary thin film transistor includes a P-channel thin film transistor and an N-channel thin film transistor. Of these thin film transistors,
Since one of them is always in the off state, the through current does not flow between the power supplies, and the power consumption can be significantly reduced. However, the complementary type thin film transistor has the following disadvantages, and has not been sufficiently studied conventionally. (1) The manufacturing method is complicated because both the P-channel type and the N-channel type are integrated. (2) The manufacturing cost is accordingly high. (3) The characteristics of the thin film transistor are not well balanced. (4) It is difficult to match the characteristics of the P-channel type thin film transistor and the characteristics of the N-channel type thin film transistor. (5) In order to have these characteristics, it is necessary to add extra steps such as adding appropriate impurities to the channel portion. Due to these drawbacks, complementary thin film transistors have not reached the level of practical use. The present invention is intended to eliminate such drawbacks all at once, and an object of the present invention is to provide P with excellent characteristics and small difference in characteristics. It is an object to provide a complementary thin film transistor including a channel type and an N channel type thin film transistor at low cost by a simple manufacturing method. According to the present invention, in an active matrix panel having a complementary thin film transistor including a first conductive type thin film transistor and a second conductive type thin film transistor, channels of the first and second conductive type thin film transistors are provided. The regions are formed of non-single-crystal silicon deposition films of the same layer, and the silicon film thickness of each channel region of the first and second conductivity type thin film transistors is thinner than any of the maximum widths of the depletion layer that can spread in each thin film transistor. It is characterized by being formed. Embodiment 1 Hereinafter, the present invention is characterized in that a channel region is composed of a non-doped silicon thin film and a P-channel or N-channel thin film transistor is realized depending on the conductivity type of source / drain. The complementary thin film transistor will be described in detail based on examples. FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a complementary thin film transistor according to the present invention. 101 is glass, quartz,
An insulating substrate such as a semiconductor integrated circuit substrate including a passivation film, on which a P-channel thin film transistor 1 is provided.
02 and the N-channel type thin film transistor 103 are formed to form a complementary type thin film transistor. 10
Reference numeral 4 denotes a channel region of a P-channel thin film transistor formed of a non-doped silicon thin film. Reference numeral 105 denotes a source region formed of a P-type silicon thin film doped with an acceptor such as boron, and reference numeral 106 denotes a drain region having the same configuration. 107 is a gate insulating film such as Sio 2.
08 is a gate electrode made of polycrystalline silicon, metal, or the like, 109
Is an interlayer insulating film such as Sio 2 . Reference numerals 110 and 111 are made of a conductor such as a metal, and are a source electrode and a drain electrode, respectively. Reference numeral 112 denotes a channel region of an N-channel type thin film transistor made of a non-doped silicon thin film. Reference numeral 113 denotes a source region made of an N-type silicon thin film doped with a donor such as phosphorus or arsenic, and reference numeral 114 denotes a drain region having the same configuration. 115 is a gate insulating film, 116 is a gate electrode, 117 is a source electrode, 118
Is a drain electrode. As is apparent from this figure, the present invention uses both undoped silicon thin films as the channel regions of the P-channel type and N-channel type thin film transistors, and basically, the P-channel type thin transistor and the N-channel type thin film transistor are A major feature is that they are distinguished only by the conductivity type of the source / drain regions. The effects of the present invention realized by these features will be described below. First, the effect of using non-doped silicon thin films as the channel regions of the P-channel type and N-channel type thin film transistors will be described. By using a non-doped silicon thin film, that is, a silicon thin film close to an intrinsic semiconductor, as the channel regions of both types of thin film transistors, a leak current (hereinafter referred to as O
FF current) can be minimized. In a normal transistor using single crystal silicon, an OFF current between a source and a drain is formed by forming an extremely high-quality PN junction using a P-type substrate for an N-channel type and an N-type substrate for a P-channel type. In general, single crystallization cannot be performed with a silicon thin film on an insulating substrate, and a polycrystalline state or an amorphous state is obtained.
A junction cannot be formed, and thus the OFF current cannot be reduced. FIG. 2 is data of an experiment conducted by the present applicant and is a graph showing the relation between the impurity concentration in the silicon thin film in the channel region of the N-channel thin film transistor and the OFF current. The impurity is boron, which is intended to make the channel region P-type. The doping is performed by an ion implantation method, and the horizontal axis of the graph is the doping amount of boron and the vertical axis is the OFF current at the gate voltage of OV. As can be seen from this graph, when the doping amount is 0, that is, when the non-doped silicon thin film close to the intrinsic semiconductor is used, the OFF current is minimized. This is because the leakage current of the PN junction increases as the impurity concentration increases. On the other hand, when the channel region is N-type, the transistor becomes a depletion type, needless to say, and the OFF current increases. Therefore, when a non-doped silicon thin film is used, the OFF current is minimized. That is, in order to reduce the OFF current, it is effective to increase the resistance of the channel region as much as possible, instead of using a PN junction as in a transistor using single crystal silicon. Although the above description has been made for an N-channel thin film transistor, the same holds true for a P-channel thin film transistor. Therefore, both types of thin film transistors can minimize the OFF current by using a non-doped silicon thin film for the channel region. Next, a P-channel type thin film transistor and N
The effect of distinguishing channel type thin film transistors only by the conductivity type of the source / drain regions will be described. Thereby, the manufacturing process of the complementary thin film transistor can be significantly simplified. Therefore, a significant improvement in yield and a reduction in cost can be realized. FIG. 3 is a diagram showing an example of a method for manufacturing the complementary thin film transistor shown in FIG. First, as shown in FIG. 3A, the insulating substrate 30
After depositing the non-doped silicon thin films 302 and 303 on 1, a desired pattern is formed. A P-channel thin film transistor is formed at 302, and an N-channel thin film transistor is formed at 303. Next, as shown in FIG. 3B, a gate insulating film 304 is formed by thermally oxidizing the non-doped silicon thin films 302 and 303. Alternatively, a gate insulating film may be externally deposited by a vapor deposition method or the like. After that, the gate electrode 305 is deposited,
A desired pattern is formed. Of course, different gate electrode materials may be used for the P-channel thin film transistor and the N-channel thin film transistor, such as the P-type silicon thin film and the N-type silicon thin film. Next, as shown in FIG. 3C, a mask material 306 such as a photoresist is formed in a region to be an N-channel type thin film transistor, and an acceptor element 307 such as boron is ion-implanted into a P-channel type thin film transistor. A P-type silicon thin film which becomes the source region 308 and the drain region 309 is formed by doping the inside. Further, as shown in FIG. 3D, similarly, a mask material 310 such as a photoresist is formed in a region to be a P-channel thin film transistor, and a donor element 3 such as phosphorus or arsenic
11 is doped into an N-channel thin film transistor by an ion implantation method to form an N-type silicon thin film to be a source region 312 and a drain region 313. Finally, as shown in FIG. 3E, a contact hole is opened after the interlayer insulating film 314 is deposited, and the source electrode 315 and the drain electrode 316 of the P-channel type thin film transistor are formed.
The source electrode 317 and the drain electrode 318 of the channel type thin film transistor are formed, and the complementary type thin film transistor is completed. As can be seen, the complementary thin film transistor according to the present invention can be manufactured by a very simple method.
This is because both the P-channel type thin film transistor and the N-channel type thin film transistor use a non-doped silicon thin film as a channel region. Therefore, it is not necessary to use an N-type substrate for the P-channel transistor and a P-type substrate for the N-channel transistor, unlike the conventional complementary transistor. That is, it is not necessary to change the conductivity type of the channel region in the two types of transistors. As a result, it is possible to omit the step of adding an impurity to the channel region of each transistor and forming a necessary pattern. In addition, each transistor is separated into islands on the insulating substrate, and no special element separation process is required. Further, along with this, there is no parasitic MOS effect as in a normal semiconductor integrated circuit, and it is not necessary to form a channel stopper.
For these reasons, in the thin film transistor according to the present invention, P-channel type and N-channel type thin film transistors can be realized only by changing the conductivity type of the source / drain regions. Therefore, the manufacturing process thereof is extremely simple as compared with the conventional complementary transistor. For example, the number of pattern forming steps is 10 or more in the conventional complementary transistor, but only 6 in the complementary transistor according to the present invention. The fact that the manufacturing process can be simplified in this way has a great effect that the manufacturing cost can be reduced and the manufacturing yield can be improved, and a significantly low cost can be achieved as a whole. Further, according to the present invention, the silicon thin films in the channel regions of both the P-channel type thin film transistor and the N-channel type thin film transistor are formed of the same layer, and the thickness of the silicon thin film is the same as that of the two types of thin film transistors. The present invention also provides a complementary thin film transistor characterized by being thinner than the maximum width of any depletion layer that can be formed on the surface of the thin film, which will be described in detail below based on examples. FIG. 4 is a sectional view showing the vicinity of the channel region of the complementary thin film transistor according to the present invention. FIG.
4A shows a P-channel thin film transistor, and FIG. 4B shows an N-channel thin film transistor.
On an insulating substrate 401, source regions 402 and 408, drain regions 403 and 409, gate insulating films 404 and 410,
A thin film transistor having gate electrodes 405 and 411 is formed. The non-doped silicon thin films 406 and 412 in the channel region are formed of the same layer, and therefore have the same thickness tsi. Depletion layers 407 and 413 spread on the surface of the silicon thin film with the application of the gate voltage. The width ΔP of the depletion layer in the P-channel type thin film transistor and the width ΔN of the depletion layer in the N-channel type thin film transistor are expressed by the following equations, respectively. Given by [Equation 1] Here, q is the unit charge amount, ε is the dielectric constant of the silicon thin film, φs is the bending amount of the energy band on the surface of the silicon thin film, and ND is equivalent to the density of traps acting as donors, that is, the channel region. Tell Denar the density. NA is equivalent to the density of traps that act as acceptors, that is, the density of acceptors that act in the channel region. As described above, the silicon thin film is in a polycrystalline or amorphous state and has many crystal defects, which act as traps. In the energy band diagram, the trap that creates a level between the Fermi level and the conduction band acts as a donor, and the trap that creates a level between the Fermi level and the valence band acts as an acceptor. The level of each trap is determined by the arrangement of silicon atoms, and ND and NA are generally not equal. FIG. 4 shows a case where ND is larger than NA and therefore χP is smaller than χN. When the gate voltage is further increased, the spread width of each depletion layer reaches a maximum value, and an inversion layer starts to be formed on the surface of the silicon thin film. The gate voltage at this time is the threshold voltage. Even if the gate voltage is further increased, the depletion layer no longer spreads, but only increases the carrier density in the inversion layer. Maximum depletion layer widths χPmax and χNm in P-channel and N-channel thin film transistors
ax and threshold voltages VthP and VthN are given by the following equations. [Equation 2] Here, φfP and φfN are the Fermi energies of P-channel and N-channel thin film transistors, Cox is the capacitance of the gate insulating film per unit area, and VFB is the flat band voltage. In the complementary thin film transistor according to the present invention, the silicon thin film tsi is formed by the above-mentioned χPmax and χNma.
It is configured to be smaller than any of x. The effects of the present invention realized by this will be described below. When the film thickness (tsi) of the silicon thin film is smaller than the maximum width (χPmax and χNmax) in which the depletion layer can spread, the depletion layer cannot spread beyond tsi. Therefore, when the depletion layer width reaches tsi, an inversion layer is immediately formed on the surface of the silicon thin film. That is, the threshold voltage of the transistor is reduced. Normally, since a very high density trap exists in a silicon thin film, the threshold voltage becomes high.
According to the present invention, by reducing the threshold voltage, the operating voltage of the thin film transistor can be lowered, and the current (ON current) flowing when the transistor is in the ON state can be increased. Therefore, the thin film transistor can be easily used, and a higher-speed operation can be performed. The threshold voltage at this time is given by the following equation. [Equation 3] In the case of the example of FIG. 4, ND> NA, χP <χN
It is. Therefore, when the tsi is reduced, the threshold voltage of the N-channel thin film transistor starts to decrease faster than that of the P-channel thin film transistor. However, when tsi is further reduced to fall within the thickness range provided by the present invention, the difference in threshold voltage between the P-channel thin film transistor and the N-channel thin film transistor becomes smaller. This is shown in FIG. The horizontal axis is tsi, and the vertical axis is the absolute value of the threshold voltage. Reference numeral 501 denotes a graph of an N-channel thin film transistor, and 502 denotes a graph of a P-channel thin film transistor. As can be seen from this graph, in a region where tsi is smaller than χPmax, the threshold voltages of the two are rapidly approaching. This is because, in the above equation, ND is larger than NA, and thus the tsi dependence of the threshold voltages of the two transistors is different. Therefore, according to the present invention, it is possible to make the threshold voltages of the P-channel type and N-channel type thin film transistors close to each other and to reduce the characteristic difference. This has a very large effect on complementary transistors. Although the above description has been made on the assumption that ND> NA, the same holds true for NA <ND. (Embodiment 2) FIG. 6 shows another embodiment of the present invention. The P-channel type thin film transistor 616 and the N-channel type thin film transistor 6 are formed on the insulating substrate 601.
17 is formed, which constitutes a complementary thin film transistor. Reference numeral 602 denotes a gate electrode, 603 denotes a gate insulating film, and 604 denotes a channel region of a P-channel thin film transistor made of a non-doped silicon thin film. 60
Reference numeral 5 is a source region made of a P-type silicon thin film doped with an acceptor such as boron, and 606 is a drain region similarly configured. 607 is an interlayer insulating film,
Reference numeral 608 is a source electrode and 609 is a drain electrode. 6
Reference numeral 10 is a gate electrode, and 611 is a channel region of an N-channel thin film transistor made of a non-doped silicon thin film. Reference numeral 612 is a source region made of an N-type silicon thin film doped with a donor such as phosphorus or arsenic.
Reference numeral 3 is a drain region having the same structure. Reference numeral 614 is a source electrode and 6I5 is a drain electrode. As is apparent from the figure, all the effects of the present invention described above are also established in this embodiment. In other words, the present invention is established even if the channel region is located above the gate electrode, or the silicon thin film of the source / drain region is formed of a layer different from the silicon thin film of the channel region, or the accompanying structure changes. The same effect can be obtained. [Summary of Effects of Embodiment] As described above, the embodiment has the following effects. (1) Since the non-doped silicon thin film is used in the channel region, the OFF current of the thin film transistor can be minimized. (2) Since the non-doped silicon thin film is used for the channel region, the P-channel type thin film transistor and the N-channel type thin film transistor can be separately formed only by the conductivity type of the source / drain regions, and the complementary type thin film transistor can be very easily formed. realizable. (3) Since the film thickness of the silicon thin film is smaller than the maximum width in which the depletion layer can spread, the threshold voltage of the thin film transistor is lowered and the ON current is increased to enable a higher speed operation. be able to. (4) The thickness of the silicon thin film is set to the maximum width in which the depletion layer of the P-channel thin film transistor can spread and N
Since it is smaller than any of the maximum widths of the depletion layer of the channel type thin film transistor that can spread, the characteristics of both thin film transistors can be remarkably improved and the difference between both characteristics can be reduced. As described above, according to the present invention, in the active matrix panel having the complementary thin film transistor including the first conductive type thin film transistor and the second conductive type thin film transistor, the first and second conductive type thin film transistors are provided. Of the first and second conductivity type thin film transistors, the silicon film thickness of each of the first and second conductivity type thin film transistors is larger than the maximum width of the depletion layer that can be spread in each thin film transistor. The OFF current can be reduced by forming the thin film as well. [0049]

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明による相補型薄膜トランジスタの製造を
示す第1の実施例を示す図。 【図2】チャネル領域の不純物濃度とOFF電流の関係
を示すグラフ。 【図3】(a)〜(e)は図1に示した本発明による相
補型薄膜トランジスタの製造方法を示す図。 【図4】(a)〜(b)は本発明による薄膜トランジス
タのチャネル領域近傍を示す図。 【図5】チャネル領域のシリコン薄膜の膜厚としきい値
電圧の関係を示すグラフ。 【図6】本発明による相補型薄膜トランジスタの構造を
示す第2の実施例を示す図。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment showing the manufacture of a complementary thin film transistor according to the present invention. FIG. 2 is a graph showing the relationship between the impurity concentration of the channel region and the OFF current. 3A to 3E are views showing a method of manufacturing the complementary thin film transistor according to the present invention shown in FIG. 4A and 4B are diagrams showing the vicinity of a channel region of a thin film transistor according to the present invention. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the thickness of the silicon thin film in the channel region and the threshold voltage. FIG. 6 is a diagram showing a second embodiment showing the structure of a complementary thin film transistor according to the present invention.

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−98970(JP,A) 特開 昭51−5967(JP,A) 特開 昭54−152894(JP,A) 特開 昭52−122484(JP,A) 特開 昭55−86162(JP,A) 原央他著 「MOSトランジスタの動 作理論」 第2刷 (昭56−5−1) 近代科学社 P.111−118 電子材料、VOL.21,NO.1 (昭57−1) P.54−65 SOLID STATE ELECT RONICS,VOL.24,NO.12 (1981) PP.1093−1098 R.M.バーガー他編、菅野貞雄監訳 「シリコン集積素子技術の基礎」 第 6刷 (昭56−3−10) 地人書館 P.243−247 JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSIC S,VOL.18 (1979) SUPPL EMENT 18−1,PP.57−62Continuation of front page    (56) References JP-A-58-98970 (JP, A)                 JP-A-51-5967 (JP, A)                 JP 54-152894 (JP, A)                 JP-A-52-122484 (JP, A)                 JP-A-55-86162 (JP, A)                 Hara, et al. "The movement of MOS transistors               Theory of Work "Second Printing (Sho 56-5-1)               Modern Science Co. P. 111-118                 Electronic materials, VOL. 21, NO. 1               (Sho 57-1) P. 54-65                 SOLID STATE ELECT               RONICS, VOL. 24, NO. 12               (1981) PP. 1093−1098                 R. M. Burger et al., Translated by Sadao Kanno                 "Basics of silicon integrated device technology"               6 prints (Showa 56-3-10) Jishin Shokan               P. 243-247                 JAPANESE JOURNAL               OF APPLIED PHYSIC               S, VOL. 18 (1979) SUPPL               EMENT 18-1, PP. 57-62

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.第1導電型薄膜トランジスタ及び第2導電型薄膜ト
ランジスタよりなる相補型薄膜トランジスタを有するア
クティブマトリクスパネルにおいて、 前記第1及び第2導電型薄膜トランジスタのチャネル領
域は同一層の非単結晶シリコン堆積膜からなり、前記第
1及び第2導電型薄膜トランジスタのそれぞれのチャネ
ル領域のシリコン膜厚は、それぞれの薄膜トランジスタ
において広がり得る空乏層の最大幅のいずれよりも薄く
形成されてなることを特徴とするアクティブマトリクス
パネル。
(57) [Claims] In an active matrix panel having a complementary thin film transistor including a first conductivity type thin film transistor and a second conductivity type thin film transistor, channel regions of the first and second conductivity type thin film transistors are formed of a non-single crystal silicon deposition film of the same layer, An active matrix panel, characterized in that the silicon film thickness of each channel region of the first and second conductivity type thin film transistors is formed to be thinner than any of the maximum widths of the depletion layer that can spread in each thin film transistor.
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Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS,VOL.18 (1979) SUPPLEMENT 18−1,PP.57−62
R.M.バーガー他編、菅野貞雄監訳 「シリコン集積素子技術の基礎」 第6刷 (昭56−3−10) 地人書館 P.243−247
SOLID STATE ELECTRONICS,VOL.24,NO.12 (1981) PP.1093−1098
原央他著 「MOSトランジスタの動作理論」 第2刷 (昭56−5−1) 近代科学社 P.111−118
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