JPH0228624A - 薄膜トランジスタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 液晶表示パネルの液晶セル駆動用の薄膜トランジスタの
構造に関し、 該薄膜トランジスタ駆動用のドレイン電流に於けるＯＦ
Ｆ電流（ゲート電圧を負バイアスにした時のドレイン電
流）の値が、パネルの温度上昇や、パネルの表示用光源
の迷光により影響を受けて大きくなるのを防止すること
を目的とし、絶縁性基板上に形成された所定パターンの
ゲート電極上に絶縁膜を介して半導体層としての真性の
水素化アモルファスシリコン層が形成され、該水素化ア
モルファスシリコン層上に素子形成用のコンタクト層と
しての前記水素化アモルファスシリコン層よリエネルギ
ーバンドギャップの広い不純物添加型の水素化アモルフ
ァスシリコン層とオーミック電極膜とが積層形成され、
かつ前記コンタクト層とオーミック電極膜の積層膜が、
所定のパターンに分離されてソース電極およびドレイン
電極として形成されて成る構成とする。

〔産業上の利用分野〕

本発明は液晶表示パネルの液晶セル駆動用の薄膜トラン
ジスタの構造に関する。

ＯＡ機器の普及に伴い、コンパクトでフラットな構造で
、かつ高品質な画像を呈する大型液晶表示パネルが要求
され、このため単純マトリックス型液晶表示パネルや、
アクティブマトリックス型液晶表示パネル等が開発され
ている。前者の液晶表示パネルは工程が比較的簡単で、
歩留まり良く形成できるが、フルカラーの液晶表示パネ
ルを形成する際の色の彩度や明度の品質の点で問題を生
じる。

後者の液晶表示パネルは、薄膜トランジスタを液晶セル
の駆動に用いているため、フルカラーの液晶表示パネル
を形成する際、色の彩度や明度の点では満足できるが、
工程が煩雑で歩留まりが悪い等の難点がある。そのため
、歩留まりの良い素子構成および薄膜トランジスタの駆
動電流のマージンが大きくとれる液晶表示パネルが望ま
れている。

〔従来の技術〕 第７図は薄膜トランジスタを液晶セルの駆動用素子とし
て用いたアクティブマトリックス型液晶表示パネルの斜
視図で、第１のガラス基板１上にはゲートパスライン２
と、該ゲートパスライン２と絶縁膜（図示せず）を介し
て交差するドレインパスライン３と、該ゲートパスライ
ン２とドレインパスライン３で囲まれた領域に複数の画
素（液晶セル）を形成する透明な画素電極４と、画素単
位の複数の薄膜トランジスタ５が形成されている。

この薄膜トランジスタ５のゲート電極６はゲートパスラ
イン２に、ドレイン電極７はドレインパスライン３に、
ソース電極８は画素電極４にそれぞれ接続されている。

またこのドレイン電極７を画素電極４に接続しても良い
し、ソース電極８をドレインパスライン３に接続しても
良い。

一方、第２のガラス基ｖｉ９には透明なベタの共通電極
１０が形成され、このガラス基板９と第１のガラス基板
１の間には液晶が封入されて液晶表示パネルが形成され
ている。

このような液晶表示パネルの動作に付いて述べると、前
記したゲートパスライン２に所定の電圧を印加すること
でゲート電極６に所定の電圧を印加し、薄膜トランジス
タ５を導通状態にすることでドレインパスライン３のデ
ータ電圧が画素電極４に書き込まれる。即ち画素電極４
に書き込まれたデータ電圧がセル電圧になる。

次いで薄膜トランジスタ５をオフ状態、即ち、非導通状
態とすることでセル電圧は、データ電圧の変動に対して
殆ど影響無く、一定の状態に保たれ、それによって大容
量の液晶表示パネルが得られる。

第８図は従来の薄膜トランジスタの構造を示す断面図で
あり、第１のガラス基板ｌ上には所定パターンに形成の
チタン（Ｔｉ）膜或いはクロム（Ｃｒ）膜よりなるゲー
ト電極６が形成され、該ゲート電極６上には水素を添加
したアモルファス窒化シリコン膜、或いは二酸化シリコ
ン（Ｓｉｎｇ）膜が絶縁膜１１として形成され、更にそ
の上には所定パターンの真性の水素化アモルファスシリ
コン（以下１ａ−Ｓｉ：Ｈと称す）よりなる半導体層１
２が形成されている。そして更に該半導体層１２上には
コンタクト層としてのＮ型不純物添加型水素化アモルフ
ァスシリコン（以下Ｎ　”　ａ−Ｓｉ：）ｌと称す）膜
１３と＋　Ｔｉ膜、或いはＣｒ膜よりなるオーミック電
極１４との積層膜がゲート電極６と投影的に一部オーバ
ーラップし、かつ２つに分割されたパターンにより成膜
されソース電極１５およびドレイン電極１６として形成
されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで従来の薄膜トランジスタの構造では、第２図の
点線曲線に示すようにゲート電極側に十の電圧を印加し
た場合のドレイン電流ＣＩｏｎ）は１０−’Ａ以上の値
を示して液晶パネルを明に動作させる駆動に対して問題
は無い。

然し、ゲート電極側に−の電圧を印加した場合のドレイ
ン電流（Ｉｏｆｆ）電流は、同点線曲線で示すようにｉ
ｏ−”〜１０−”　Ａの値で飽和状態に到達するので液
晶パネルの温度上昇や、パネルの照射光源（バックライ
ト）の迷光が薄膜トランジスタに導入されることによっ
て上記ドレイン電流の値は、容易に１０−　”　Ａ程度
に上昇し、セル電圧を保持するためには確実性が無いと
いった問題がある。

このことは、ゲート電極側に負の電圧を印加した場合、
半導体層とコンタクト層間に形成されたＮ型反転層によ
りコンタクト層内に正孔が導入され、この正孔が確実に
コンタクト層内で、ブロッキングされずにオーミック電
極側に移動し、その正孔の移動によってＩｏｆｆ電流値
が上昇するものと考えられる。

そのため、前記したパネルの照射光源の迷光や、パネル
の温度上昇によってＩｏｆｆ電流が変化するため、高品
質の画像が得られない問題がある。

また薄膜トランジスタは、各画素電極に対応して複数個
設けられてあり、この温度上昇や、迷光の影響を受は腐
い薄膜トランジスタを多数、均一な特性でパネル全体（
ガラス基板全体）に形成するのは困難である。

本発明は上記した問題点を除去し、Ｉｏｆｆ電流がパネ
ルの温度上昇や、照射光源からの迷光によっても影響を
受けないようにして、Ｉｏｆｆ電流の動作マージンの大
きい薄膜トランジスタの構造の提供を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成する本発明の薄膜トランジスタは、絶縁
性基板上に形成された所定パターンのゲート電極上に絶
縁膜を介して半導体層としての真性の水素化アモルファ
スシリコン層が形成され、該水素化アモルファスシリコ
ン層上に素子形成用のコンタクト層としての前記水素化
アモルファスシリコン層よリエネルギーバンドギャップ
の大きい不純物添加型の水素化アモルファスシリコン層
とオーミック電極膜とが積層形成され、かつ前記コンタ
クト層とオーミック電極膜の積層膜が、所定のパターン
に分離されてソース電極およびドレイン電極として形成
されて成ることで構成される。

〔作　用〕

本発明の薄膜トランジスタは、コンタクト層として従来
用いていたＮ”　ａ−３ｉ：）１層の代わりに、該Ｎ”
　ａ−５ｉ：Ｈに炭素、或いは窒素を添加し、該Ｎ０ａ
−５ｉ：Ｈよりもエネルギーバンドギャップの大きいＮ
”　ａ−３ｉＣ：Ｈ、或いはＮ”　ａ−５ｉＮ：８層を
形成することで、薄膜トランジスタの半導体層とオーミ
ック電極（ドレイン領域側）との間に、ゲート電極に−
の電圧を印加した時にゲート電極からオーミック電極側
（ドレイン領域側）に正孔が導入されるのを防止するブ
ロッキング層を形成して正孔が半導体層内に溜まるよう
にし、Ｉｏｆｆ電流がパネルの温度上昇や、パネルの照
射光源の迷光の影響をうけ難（してＩｏｆｆ電流値のマ
ージンを大きくとれるようにする。

〔実施例〕

以下、図面を用いて本発明の一実施例につき詳細に説明
する。

第１図は本発明の薄膜トランジスタの断面図である０図
示するように透明な第１のガラス基板２１上に、所定パ
ターンのＴｉ或いはＣｒ膜よりなるゲート電極２２が形
成されている。該ゲート電極２２上には水素を添加した
アモルファス窒化シリコン（ａ−５ｉＮ：Ｈ）膜、或い
は二酸化シリコン（ＳｉＯ□）膜よりなる絶縁膜２３が
プラズマＣＶＤ法により形成されている。

またこの絶縁膜２３上には、プラズマＣＶＤ法およびホ
トリソグラフィ法を用いて形成したホトレジスト膜をマ
スクとしたエツチングにより所定のパターンのｉ　ａ−
３ｔｓＨ層よりなる半導体層２４が５０〜１０００人の
厚さに形成されている。

このままでは前述した従来例に何ら変わりはないが、本
発明はこのｉ　ａ−Ｓｔ：Ｈ層２４上に燐（Ｐ）、また
は砒素（＾Ｓ）のＮ型の不純物を添加した炭素添加型水
素化アモルファスシリコン層（Ｎ　”　ａ−５ｉＣ：Ｈ
）、或いは上記Ｎ型の不純物を添加した窒素添加型水素
化アモルファスシリコン層（Ｎ”　ａ−３ｉＮ：Ｈ）層
がコンタクト層２５として１０〜１０００人の厚さでプ
ラズマＣＶＤ法により形成されている。

このコンタクトＮ２５は電気伝導度σａ＝１０（０ｃｍ
）−’程度になるようにＮ型不純物の添加量を制御する
。

そしてこのコンタクト層２５上にはＴｉ膜またはＣｒ膜
よりなるオーミック電極２６が蒸着、およびエツチング
により所定のパターンに積層形成されている。

そしてこのコンタクト層２５とオーミック電極２６の積
層構造が前述したように所定パターンのホトレジスト膜
をマスクとしてエツチングによりパターンニングされ、
ソース電極２７およびドレイン電極２８として形成され
る。

このようにして形成された薄膜トランジスタの特性を第
３図に示すトランジスタのエネルギーバンド構造図を用
いて説明する。

また該トランジスタのコンタクト層２５のエネルギーバ
ンド構造図を部分的に拡大した第４図を用いて説明する
。

第３図および第４図に於いて図の縦軸３工は電子のエネ
ルギー値を示し、３２はゲート電極２２のフェルミレベ
ル（ＥＦ　）　、２３は絶縁膜、２４はｉ　ａ−５ｔ：
Ｈ層よりなる半導体層、２５はＮ′″ａ−３ｉＣｓＨ層
よりなるコンタクト層、２６はオーミック電極を示す。

図示するように本発明の薄膜トランジスタが、従来の薄
膜トランジスタと異なる点は、本発明の薄膜トランジス
タのコンタクト層が、従来のＮ＋ａ−Ｓｔ：Ｈ層より成
るコンタクト層に代わって該Ｎ゛ａ−３ｉ　ｓＨ層よリ
エネルギーバンドギャップが大きく、該Ｎ′″ａ−５ｉ
：Ｈ層に炭素を添加したＮ”　ａ−ＳｉＣｓＨ層、或い
はＮ′″ａ−Ｓｔ：Ｈ層に窒素を添加したＮ′″ａ−Ｓ
ｉＮ：Ｈで形成されている点にある。

図示するように、Ｎ”　ａ−５ｉＣｓＨ層よりなるコン
タクト層２５に於ける伝導帯のエネルギー値（Ｈ，：２
）と、オーミック電極２６に於けるフェルミレベル（Ｅ
。

３２の間のエネルギーギャップの値（八［）の値は、ｉ
　ａ−ＳｉＣｓＨ層に添加される燐、または砒素等のＮ
型の不純物の添加量によって異なり、添加量が多く成る
ほどエネルギーギャップの値は小さくなる。

またａ−５ｉ：Ｈ層に炭素を添加し、更にＮ型の不純物
原子を添加した本発明のＮ”　ａ−ＳｉＣｓＨ層よりな
るコンタクト層２５の伝導帯のエネルギー値（Ｅｃｚ）
と、価電子帯のエネルギー値（Ｈｖｚ）間のバンドギャ
ップＥ　、ｔの値は、従来の半導体層を構成するＮ゛ａ
−５ｉ：Ｈの８９１の値が１　、７０ｅＶに対して２．
ＯｅＶに迄増大する。そのため、ΔＥの値が０．２０ｅ
ＶＯ値（この値は従来のコンタクト層に於けるΔＥの値
と同じ）になるようにＮ型の不純物の添加量を制御する
と、Ｎ′″ａ−ＳｉＣ：Ｈ層よりなるコンタクト層２５
に於けるフェルミレベル３２から、価電子帯のエネルギ
ー値（Ｅｖ□）迄のエネルギー値が１　、８０ｅＶとな
る。

従って従来のコンタクト層を構成するＮ″ａ−Ｓｔ：１
ｌｔｌのエネルギーバンドギャップＩ！９．の値は１．
７０ｅＶであるので、炭素原子を添加したことで、エネ
ルギーバンドギャップが従来の炭素を添加しない場合に
比較して下方向に拡大することになり、このＮ”　ａ−
ＳｉＣｓＨ層よりなるコンタクト層２５内にエネルギー
値が（１，８０−１，５０）ｅＶのブロッキング層３３
が形成されることになり、このブロッキング層３３に正
孔３４が閉じ込められて、オーミック電極側に正孔３４
が移動しなくなるので、Ｉｏｆｆ電流値が第２図の実線
曲線に示すように、従来の１０日Ｉａより１０−　’　
”Ａに迄低下し、Ｉｏｆｆ電流の動作マージンが増大す
る。

尚、上記したｉ　ａ−５ｔｓＨ層に炭素原子を添加した
時の伝導帯のエネルギー値（Ｈｅ　）と価電子帯のエネ
ルギー値（ＥＶ　）との差のエネルギーギツプ（Ｅ。

の値との関係図を第５図に示す。この図で縦軸はＥ、の
値（ｅＶ）を示し、横軸はｉ　ａ−３ｉ：Ｈ層に添加さ
れた炭素原子の量をＳｉ原子に対する原子％で求めた値
である。このようなａ−ＳｉＣ：Ｈ層を形成するにはシ
ラン（Ｓｉｎ＜）ガスと共に炭素原子を有するメタン（
Ｃ）１．）ガス、エタン（Ｃ，Ｈ６）ガスおよびプロパ
ン（ｃｓｏｓ）ガス等のガスを同時に反応容器内に導入
してプラズマＣＶＤで形成する。

また上記したｉ　ａ−５ｔｓＨ層に窒素原子を添加した
時の伝導帯のエネルギー値（ＥＣ）と、価電子帯のエネ
ルギー値（Ｅｖ　）との差のエネルギーギツプ（Ｅ、）
の値との関係図を第６図に示す。図で縦軸はＥ、の値（
ｅＶ）を示し、横軸はｉ　ａ−Ｓｔ＝Ｈ層に添加された
窒素原子の量をＳｉ原子に対する原子％で求めた値であ
る。

このようなａ−ＳｉＮｓＨ層を形成するには１．シラン
（５ｉ）１４）ガスと共に窒素原子を有するアンモニア
（ＮＨ：ｌ）ガス、或いはＮ２ガスを反応容器内に導入
し、プラズマＣｖＤ法で形成する。

このような本発明の実施例の薄膜トランジスタの構造に
よれば、正孔がオーミック電極側（ソース領域側）に移
動するのを阻止するブロッキング層がＮ“ａ−５ｉＣ：
Ｈ層内に形成されるので、Ｉｏｆｆ電流がパネルの温度
上昇や、照明光源から漏れた光によって増加し難くなり
、Ｉｏｆｆ電流の動作マージンが増大する。従ってこれ
を用いて液晶表示パ、ネルを形成すれば高品質のパネル
が得られる。

尚、本実施例ではｐＪ”　ａ−ＳｉＣｓＨ層をコンタク
ト層として用いたが、Ｐ型の不純物例えばボロン（Ｂ）
を添加してＰ　”　ａ−５ｉＣｓＨ層をコンタクト層と
して形成して、従来と逆方向の電圧をゲート電極に印加
して用いても良い。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように本発明によれば、駆動電
流の動作マージンの大きい薄膜トランジスタが得られる
ので、これを用いて液晶表示パネルを形成すれば、高品
質のパネルが得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の薄膜トランジスタの構成図、第２図は
本発明の薄膜トランジスタの特性図、第３図は本発明の
薄膜トランジスタのエネルギーバンド構造を示す断面図
、 第４図は第３図の要部の拡大図、 第５図はａ−５ｉ：Ｈに対するＣの添加量とＥ９の関係
図、 第６図はａ−５ｔ　：）Ｉに対するＮの添加量とＥ、の
関係図、 第７図は薄膜トランジスタを用いたアクティブマトリク
ス型液晶表示パネルの斜視図、第８図は従来の薄膜トラ
ンジスタの断面図である。 図において、 ２１はガラス基板、２２はゲート電極、２３は絶縁膜、
２４は半導体層、２５はコンタクト層、２６はオーミッ
ク電極、２７はソース電極、２８はドレイン電極、３１
は電子エネルギー、３２はフェルミレベル、３３はブロ
ッキング層、３４は正孔を示す。 Ｊ％ｔ４ｒｊｌＦｌ勇ドラ渉スフつ片イ主百ゴ第２図 、下チ５明、】−臭トラ〉〕゛スタｎτネ＾痕ハ′外′
、Ｊ１電、９不ぜケ６ｂ６グ第　３　図 才３ｍの拳部℃ル夫閏 第４図 （１−５’＋：Ｈｌ−７丁７３ｃｓ５６Ｊ）量ｔ　Ｅ７
１（ｉ　ｌ二３３第５図 ａ−５ｊ：Ｓ＋−りＴｔｉＮｐ５１ＪｒＪ＋　ｔＥｙ　
ＹＡ＋’ＬｅＭ第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　絶縁性基板（２１）上に形成された所定パターンのゲ
   ート電極（２２）上に絶縁膜（２３）を介して半導体層
   （２４）としての真性の水素化アモルファスシリコン層
   が形成され、該半導体層（２４）上に素子形成用のコン
   タクト層（２５）としての前記水素化アモルファスシリ
   コン層よリエネルギーバンドギャップの広い不純物添加
   型の水素化アモルファスシリコン層と、該コンタクト層
   （２５）上にオーミック電極膜（２６）とが積層形成さ
   れ、前記コンタクト層とオーミック電極膜の積層膜が、
   所定のパターンに分離されてソース電極（２７）および
   ドレイン電極（２８）として形成されたことを特徴とす
   る薄膜トランジスタ。