JPH0466004B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は基板上の絶縁ゲイト型半導体装置（以
下IGFという）特に非単結晶半導体を用いた縦チ
ヤネル型の積層型の絶縁ゲイト型半導体装置を用
いた固体表示装置に関する。

本発明は絶縁性基板上の第１の導電性電極、第
１の半導体、第２の半導体または絶縁体、第３の
半導体および第２の導電性電極よりなる５層に積
層された積層体の２つの側周辺に、さらにチヤネ
ルを形成する非単結晶半導体を設け、この積層体
の左側および右側の側周辺を用いて２つのIGFを
構成せしめ、その一方の電極より延在させた電極
を液晶部の一方の電極としたことを目的としてい
る。

本発明はかかる複合半導体装置をマトリツクス
構造に基板上に設け、固体表示装置である液晶表
示型のデイスプレイ装置に応用することを特徴と
している。

平面型の固体表示装置を設ける場合、平行な透
光性基板例えばガラス、プラスチツク板内に一対
の電極を設けてこの電極間に液晶を注入した液晶
の固体表示装置が知られている。

このためこの表示部を複数の絵素とし、このそ
れぞれ絵素には一つのIGFと、一つのストーレイ
ジキヤパシタと、一つの液晶部とを有せしめた。

そしてこの絵素ををマトリツクス構成させ、任
意の絵素をその周辺部に設けられたデコーダ、ド
ライバの論理回路により制御してオンまたはオフ
状態にするには、その絵素に対応したIGFおよび
インバータ、抵抗等を同一プロセス、同一構造で
作ることを必要としていた。そしてこのIGFに制
御信号を与えて、それに対応した絵素をオンまた
はオフさせたものである。

この液晶表示またはエレクトロクロミツク表示
素子はその等価回路としてキヤパシタ（以下Ｃと
いう）にて示すことができる。このためIGFとＣ
とを例えば２×２のマトリツクス構成せしめたも
のを第１図Ａに示す。

第１図Ａにおいて、マトリツクスの１個の番地
は１個のIGF１０と２個のＣ３１（即ち表示部と
してのＣ７０とストーレイジ用のＣ３４により１
個の絵素を構成させている。これを行に５１，５
２（Ｘ方向）としてビツト線に連結し、他方、ゲ
イトを連結して列４１，４２（Ｙ方向のワード）
を設けたものである。

すると、例えば５１，４１を「１」とし、５
２，４２を「０」とすると、IGF１０はオンとな
り、ICF１０等の他のIGFはオフとなる。そして
２，１番地のみを選択してオンとし、電気的にＣ
３１として等価的に示される液晶表示部を選択的
にオン状態にすることができる。

本発明はこのマトリツクス構成された絵素に対
し、となりあつた絵素の間に２つのリード４１，
４２を配し、それぞれに連結したIGFを対構成せ
しめて、表示部以外のIGF配線に必要な面積を少
なくさせたことを特長としている。そして、それ
ぞれのIGF１０，１０′のＸ方向のリード５１を
共通に配設せしめたものである。

さらに本発明のIGFを縦チヤネル型とすること
により、第４の半導体であるチヤネル形成領域を
構成する半導体は、水素または弗素が添加された
珪素を主成分とする非単結晶半導体を用いてい
る。

さらにキヤリア移動度が小さいという欠点を有
するため、第２の半導体または絶縁体の膜厚を
1μｍまたはそれ以下とし、その結果第４の半導
体に形成されるチヤネルを短チヤネルとし、10M
Hz以上のカツトオフ周波数を有せしめた。

本発明は第１図Ｂ，Ｃに示すごとく、同一基板
上にデコーダ、ドライバを構成せしめるため、他
の絶縁ゲイト型半導体装置Ｂおよび他のインバー
タＣを同一基板上に同一プロセスで設けることが
できることを特長としている。

かくすることによつて、本発明をその設計仕様
に基づいて組み合わせることにより、ブラウン管
に代わる平面テレビ用の固体表示装置を作ること
ができた。

第２図は本発明を実施するための積層型IGFの
縦断面図およびその製造工程を示したものであ
る。

この図面は２つのIGFを一つの積層体にそつて
作製する製造例を示すが、同一基板に複数ケ作る
場合もまつたく同様である。

図面において、絶縁基板例えば石英ガラスまた
はホウ珪酸ガラス基板上に第１の導電膜２（以下
E1という）を下側電極、リードとして設けた。
この実施例では酸化スズを主成分とする透光性導
電膜を0.2μｍの厚さに形成している。これに選択
エツチを第１のマスクを用いて施した。さらに
この上面にＰまたはＮ型の導電型を有する第１の
非単結晶半導体３（以下単にS1という）を100〜
3000Å、第２の半導体または絶縁体４（以下単に
S2という）（0.3〜3μｍ）、第１の半導体と同一導
電型を有する第３の半導体５（以下単にS3とい
う）（0.1〜0.5μｍ）を積層（スタツク即ちＳとい
う）して設けた。この積層によりNIN，PIP構造
（Ｉは絶縁体または真性半導体）を有せしめた。
図面においては上面にITO（酸化インジユーム・
スズ）、MoSi、WSi、Ｗ、Ti、Mo等の耐熱性金
属の第２の導体６、ここではCrを電子ビーム法
により0.2μｍの厚さに積層した。次にこの第２の
導体のうち積層体６０に不要部分を第２のフオト
マスクを用いて除去した。

さらに積層上に予めLP CVD法（減圧気相
法）、PCVD法または光CVD法により0.3〜1μｍ
の厚さに酸化珪素膜７を形成しておいてもよい。
PCVD法の場合はNOとSiHとの反応を250℃で行
わしめて作製した。

この第１、第３の半導体のＮ，Ｐ層をN⁺Nま
たはP⁺PとしてN⁺NINN，P⁺PIPP⁺（Ｉは絶縁体
または真性半導体）としてＰまたはＮと第１、第
２の電極との接触抵抗を下げることは有効であつ
た。

かくのごとくにして、第１の導体、第１の半導
体、第２の半導体または絶縁体、第３の半導体、
第２の導体を層状に形成して得た。

次に第２図Ｂに示すごとく、マスクを用いて
それぞれの導体およびS1、S2、S3の選択エツチ
ング法により導体１６を除去し、さらに第２の導
体をマスクとしてその下のS3５、S2４、および
S1３を除去し、積層体６０をそれぞれの導体お
よびS1、S2、S3を互いに概略同一形状に形成し
て設けた。すべて同一マスクでプラズマ気相エツ
チ例えばHF気体またはCF₄＋O₄の混合気体を用
い、0.1〜0.5torr 30Wとしてエツチ速度500Å／
分とした。

この後、これら積層体S1１３，S2１４，S3１
５、導体１６を覆つてチヤネル形成領域を構成す
る真性またはＰまたはＮ型の非単結晶半導体を第
４の半導体２５として積層させた。この第４の半
導体２５は、基板上にシランのグロー放電法
（PCVD法）、光CVD法、LT CVD法（HOMO
CVD法ともいう）を利用して室温〜500℃の温度
例えばPCVD法における250℃、0.1torr、30W、
13.56MHzの条件下にて設けたもので、非晶質
（アモルフアス）または半非結晶（セミアモルフ
アス）または多結晶構造の非単結晶珪素半導体を
用いている。本発明においてはアモルフアスまた
はセミアモルフアス半導体を中心として示す。

さらに、その上面に同一反応炉にて、第４の半
導体表面を大気に触れさせることなく窒化珪素膜
２４を光CVD法にてシラン（シジランでも可）
とアンモニアとを水銀励起法の気相反応により作
製し、厚さは300〜2000Åとした。

この絶縁膜は13.56MHz〜2.45GHzの周波数の電
磁エネルギにより活性化して窒素またはアンモニ
ア雰囲気に100〜400℃浸して固相−気相反応の窒
化珪素を形成してもよい。

また、PCVD法により窒化珪素を形成させても
よい。

するとS2１４の側周辺では、チヤネル形成領
域９，９′とその上のゲイト絶縁物２４としての
絶縁物を形成させた。第４の半導体２５はS1、
S3とはダイオード接合を構成させている。

第２図Ｂにおいて、さらに第４のマスクによ
り電極穴開けを行い、この後この積層体上の窒化
珪素膜２４を覆つて第２の導電膜１７を0.3〜1μ
ｍの厚さに形成した。

この導電膜１７はITO（酸化インジユーム・ス
ズ）のごとき透光性導電膜、TiSi、MoSi、
WSi、Ｗ、Ti、Mo等の耐熱性導電膜としてもよ
い。ここではＰまたはＮ型の不純物の多量にドー
プされた珪素半導体をPCVD法で作つた。即ち、
0.4μｍの厚さにリンが１％添加され、かつ微結晶
性（粒径50〜300Å）の非単結晶半導体をPCVD
法で作製した。この後、この上面にレジスト１８
を形成した。さらに第２図Ｃに示されるごとく、
第５のフオトリソグラフイ技術により垂直方向よ
りの異方性エツチを行つた。即ち例えばCF C1，
CF＋０，HF等の反応性気体をプラズマ化し、さ
らにこのプラズマを基板の上方より垂直に矢印２
８のごとくに加えた。すると導体１７は、平面上
（上表面）は厚さ（0.4μｍ）をエツチすると、こ
の被膜は除去されるが、側面では積層体の厚さお
よび被膜の厚さの合計の２〜3μｍを垂直方向に
有する。このため図面に示すごとき垂直方向より
の異方性エツチを行うと、破線３８，３８′のご
とくにこれら導体をマスク１８のある領域以外に
も残すことができた。

その結果、積層体の側周辺のみに選択的にゲイ
ト残存物を設けることができた。さらに本発明は
この残存物をゲイト電極２０，２０′とし、第３
の半導体１５の上方には存在せず、結果として第
３の半導体とゲイト電極との寄生容量を実質的に
ないに等しくすることができた。

図面において積層体６０の側周辺の導体のうち
ゲイト電極およびそのリード２０，２０′とする
以外の他の側周辺の導体を第６のフオトマスク
により水平方向の気相エツチ法により除去しそれ
ぞれのゲイトを独立動作させた。

かくして第２図Ｃを得た。

第２図Ｃの平面図を第２図Ｄとして示す。番号
はそれぞれ対応させている。

第２図Ｃ，Ｄにて明らかなごとく、２つのIGF
１０，１０′はチヤネルを９，９′と２つを有し、
ソースまたはドレイン１３、ドレインまたはソー
ス１５を有し、ゲイト２０，２０′を有するペア
を構成している。S3１５の電極１９はリード２
１に延在し、S1のリードは２２により設けてあ
る。即ち、図面では２つのIGFを対（ペア）とし
て設けることができる。これは２つのIGFのチヤ
ネル間の半導体または絶縁体が絶縁性であり、
30μ以上の巾をS1、S2、S3が有すれば数十MPΩ
の抵抗となり、実質的に独立構成をし得るためで
あり、その特性を利用することにより結晶半導体
とはまつたく異なつた構造を有せしめることがで
きた。

本発明の第４の半導体２５はアモルフアス珪素
を含む非単結晶半導体を用い、その中の不対結合
手の中和用に水素を用いており、その表面を大気
に触れさせることなくゲイト絶縁物を作製してい
る。さらにこの第４の半導体上にはフオトレジス
トをそのプロセス中に触れさせることがなく、特
性劣化がない。さらにこの半導体とＰまたはＮ型
のS1、S3とは十分ダイオード特性を有せしめる
ため、製造上の難点がまつたくないという他の特
長を有する。

かくしてソースまたはドレインをS1１３、チ
ヤネル形成領域９，９′を有するS4２５、ドレイ
ンまたはソースをS3１５により形成せしめ、チ
ヤネル形成領域側面にはゲイト絶縁物２４その外
側面にゲイト電極２０，２０′を設けた対を構成
する積層型のIGF１０を作ることができた。

さらに本発明のIGFにおいて、電子移動度がホ
ールに比べて５〜30倍もあるため、Ｎチヤネル型
とするのが好ましい。さらにこの基板上の他部に
ＰチヤンネルIGFをペアを有して構成せしめて相
補型トランジスタとすれば有効である。さらに第
２図において左側をＮチヤンネル、右側をＰチヤ
ネルIGFとするペア型の補助トランジスタとする
ことも有効である。

S4２５にホウ素不純物を被膜形成の際わずか
（0.1〜10PPM）添加して真性またはＰまたはＮ
半導体としてスレツシユホールト電圧の制御を行
うことは有効であつた。

この発明において、チヤネル長さはS2１４の
厚さで決められ、一般には0.1〜3μここでは1.0μ
とした。かくのごとき短チヤネルのため非単結晶
半導体２５の移動度が単結晶の1/5〜1/100しかな
いにもかかわらず、10MHz以上のカツトオフ周波
数特性を双対のトランジスタに有せしめた。

かくして、ドレイン１５または１３、ソース１
３または１５、ゲイト２０または２０′として
V_DD＝5V、V_GG＝5V、動作周波数15.5MHzを得る
ことができた。

第３図は第２図に示したIGFを用いて、第１図
Ａに示した本発明の固体表示装置の縦断面図を示
したものである。

第３図Ａは第１図の２つのIGF１０，１０′が
ペア構成で設けられた平面図を示している。この
IGFの一方の電極より延在した一方の電極は、絵
素で構成する液晶キヤパシタ３４、およびその残
光性を有せしめるストーレツジキヤパシタ３４の
電極（第３図では下側に設けられている）３２，
３２′に連結せしめている。則ち、IGFの電極は
他の２つのキヤパシタの電極を併用している。他
方の電極は、液晶３１の電極３０、ストーレツジ
キヤパシタ３４の接地電極３３が設けられてい
る。図面において、第３図Ａの平面図のＡ−A′，
Ｂ−B′の縦断面図を第３図Ｂ，Ｃに示す。

第３図において、積層体６０に対し、下側電極
は２つ１２，１２′が設けられている。上側電極
１６は、さらにそれにコンタクト１９をへてＸ方
向のリード５１を連設している。ゲイト電極２
０，２０′は、２つのIGF１０，１０′（第３図
Ａ）での破線で囲まれた領域１０，１０′を除き、
リード４１，４２をＹ方向に構成している。下側
電極１２，１２′はさらに延在して、液晶および
ストーレツジキヤパシタの一方の電極３２，３
２′になつている。かくしてＸ方向、Ｙ方向にマ
トリツクス構成を有し、1Tr／絵素構造を有せし
めることができた。またこのIGFのオーバコート
用ポリイミド樹脂２６により、絵素の部分のみに
液晶３１が充填させている。またこの絵素７０，
７０′の周辺部は２つの電極３０，３２間のスペ
ーサ（厚さ１〜10μｍ）をも兼ね、加えてこのス
ペーサをして絵素周辺部を黒色化（無反射）して
ブラツクマトリツクスとして併用せしめた。この
ブラツクマトリツクス化により、この絵素のコン
トラストを向上させてることができた。さらに３
１の領域に表示体である例えばネマチツク型等の
液晶が充填され、この絵素をIGF１０，１０′オ
ン、オフにより制御を行なわしめた。

第３図において、S3１５上には第３図Ｂに示
すごとく、金属導体１６を有し、Ｃでは第２のマ
スクにて除去することにより、Ｘ方向のリード
６１を構成させた。即ちもし導体が設けられてい
ると、この導体はＹ方向のリードとなり、S3を
Ｘ方向にマトリツクス化できない。また第３図よ
り明らかなごとく、S3さらにS4２５は30μ以上離
れると絶縁体と考えることができるため、Ｙ方向
に配列されたIGF間にはS3、S4が残存していて
もアイソレイシヨンが不要である。このためにＹ
方向のIGFは少なくとも30μ以上互いに離間して
Ｘ方向の配線５１，５２を設けた。

また図面において、表示部３２以外のリード５
１，５２，４１，４２を絶縁物２６で覆うことは
有効である。

さらに第３図より明らかなごとく、このデイス
プレイのIGFの必要な面積は全体の１％以下であ
る。表示部は91％、リード部８％となる。このこ
とは、対を為すIGFを用いるに加え、チヤネル長
の短いIGFであるため、基板上における必要な面
積を少なくできた。かつフオトリソグラフイの精
度が動作周波数の上限を限定しないという他の特
長を有する。

さらにこれらの絵素を高周波で動作させるた
め、IGFの周波数特性がきわめて重要であるが、
本発明のIGFはV_DD＝5V、V_GG＝5Vにおいてカツ
トオフ周波数10MHz以上（15.5MHz）（Ｎチヤネ
ルIGF）を有せしめることができた。V_th＝0.2〜
2VにすることがS4２５への添加不純物の濃度制
御で可能となつた。

周辺部とデコーダ、ドライバに必要な抵抗Ｄ、
インバータＣにつき本発明のIGFを以下に記す。

第１図Ｃのインバータの縦断面図を第４図に示
す。

第４図ＡおよびＢにおいてIGF６１，６４は第
２図とその番号を対応させている。ドライバ６１
は左側のIGFを、ロード右側のIGFを用いた。第
４図Ａではロードのゲイト電極２０とV_DD６５と
を連続させるエンヘンスメント型を示す。第４図
Ｂは出力６２とゲイト電極２０とを連続させたデ
イプレツシヨン型のIGFを示す。

さらにこのインバータの出力は６２よりなり、
この基板上の２つのIGF６１，６４を互いに離間
することなく同一半導体積層体６０に複合化して
設けたことを特長としている。

この第４図Ａのインバータは上側電極を２つの
IGFとして独立せしめ１６，１６′とした。

かくすると１つのIGF６４（ロード）を電極１
９、ドレイン１５、チヤネル９、ソース１３、電
極１２即ち出力６２かつ他のIGF６１（ドライ
バ）の電極１２、ドレイン１３、チヤネル９′、
ソース１５′、電極６６として設けることが可能
となつた。その結果、２つのIGFを１つのS1〜
S3のブロツクと一体化してインバータとするこ
とができた。

また第４図Ｂは下側電極を２つに分割したもの
である。即ち１つのIGFロード６４でV_DD６５、
下側電極１２、ドレイン１３、チヤネル９、ソー
ス５、電極６２即ち出力６２、他のIGF（ドライ
バ）６１でのドレイン１５、チヤネル９、ソース
１３、電極１２、V_SS６６よりなり、入力６３を
ゲイト電極２０′に、また出力６２をS3１５より
引き出させた。

かくのごとく本発明は縦チヤネルであり、１つ
の積層体を用いて２つの対をなすIGFを作ること
ができた。このそれぞれのIGFの一方の電極より
固体表示装置の絵素を構成する一方の電極に連結
させることにより、実質的に１つの積層体即ち１
つのIGFに必要なセル面積にて２つの絵素を制御
することができた。このことはこの絵素が500×
500と大容量化し、さらに周辺回路にも同一ボー
ドに一体化せんとする時、その工業的効果がきわ
めて大きいといえる。

製造に必要なマスクも６回で十分であり、マス
ク精度を必要としない等の多くの特長をチヤネル
長が0.2〜1μときわめて短くすることができるこ
とに加えて有せしめることができた。

さらに液晶３１用の配高処理がされた２つの電
極３０，３２間を１〜10μｍとし、その間〓に例
えばネマチツク型の液晶を注入して、加えて対抗
基板１′内に赤、緑、黄のフイルタをうめこむこ
とにより、このデイスプレイをカラー表示するこ
とが可能である。そして赤緑黄の３つの要素を交
互に配列せしめればよい。

また逆方向リークは、第１図に示すようなS1
またはS3をSi_xC_1-x（０＜ｘ＜１）例えばｘ＝0.2）
とすることにより、さらにS2をSi₃N_4-x（０≦ｘ
＜４）またはSi_xC_1-x（０≦ｘ＜１）として絶縁物
化することにより、このS1、S3の不純物がS2に
流入することが少なくなり、このＮ−Ｉ接合また
はＰ−Ｉ接合のリークは逆方向に10Vを加えても
10nA／cm²以下であつた。これは単結晶の逆リー
クよりもさらに２〜３桁も少なく、非単結晶半導
体特有の物性を積極的に利用したことによる好ま
しいものであつた。さらに高温での動作におい
て、電極の金属が非単結晶のS1、S3内に混入し
て不良になりやすいため、この電極に密接した側
をSi_xC_1-x（０＜ｘ＜１例えばｘ＝0.2）とした。
その結果150℃で1000時間動作させたが何等の動
作不良が1000素子を評価しても見られなかつた。
これはこの電極に密接してアモルフアス珪素のみ
でS1またはS3を形成した場合、150℃で10時間も
耐えないことを考えると、きわめて高い信頼性の
向上となつた。

さらにかかる積層型のIGFのため、従来のよう
に高精度のフオトリソグラフイ技術を用いること
なく、基板特に絶縁基板上に複数個のIGF、抵
抗、キヤパシタを作ることが可能になつた。そし
て液晶表示デイスプレイにまで発展されることが
可能になつた。

本発明における非単結晶半導体は珪素、ゲルマ
ニユームまたは炭化珪素（Si_xC_1-x、０＜ｘ＜
１）、絶縁体は炭化珪素または窒化珪素を用いた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、絶縁ゲイト型半導体装置、インバー
タ、抵抗、キヤパシタまたは絶縁ゲイト型半導体
装置とキヤパシタとを絵素としたマトリツクス構
造の等価回路を示す。第２図は、積層型絶縁ゲイ
ト型半導体装置の工程を示す縦断面図である。第
３図は、積層型絶縁ゲイト型半導体装置とキヤパ
シタまた表示部とを一体化した平面デイスプレイ
を示す複合半導体の縦断面図である。第４図は、
積層型絶縁ゲイト半導体装置のインバータ構造を
示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数の絵素がマトリツクスを構成して設けら
   れ、各絵素ごとに絶縁ゲイト型半導体装置が設け
   られた固体表示装置において、隣接する絵素と絵
   素との間には、第１の半導体、第２の半導体また
   は絶縁体、第３の半導体および第２の電極を概略
   同一形状に積層した積層体を有し、前記第１およ
   び第３の半導体をしてソースまたはドレイン、お
   よびドレインまたはソースを構成せしめ、前記積
   層体の側部に隣接して第４の半導体をチヤネル形
   成領域を構成して設け、該第４の半導体上のゲイ
   ト絶縁膜と該ゲイト絶縁膜上に隣接して２つのゲ
   イト電極を前記積層体の２つの側面に配設して構
   成させた２つの絶縁ゲイト型半導体装置が設けら
   れ、前記それぞれの絶縁ゲイト型半導体装置の第
   １の電極は絵素電極に接続され、第２の電極はリ
   ードに接続されたことを特徴とする固体表示装
   置。 ２ 複数の絵素がマトリツクスを構成して設けら
   れ、各絵素ごとに絶縁ゲイト型半導体装置が設け
   られた固体表示装置において、隣接する絵素と絵
   素との間には、第１の半導体、第２の半導体また
   は絶縁体、第３の半導体および第２の電極を概略
   同一形状に積層した積層体を有し、前記第１およ
   び第３の半導体をしてソースまたはドレイン、お
   よびドレインまたはソースを構成せしめ、前記積
   層体の側部に隣接して第４の半導体をチヤネル形
   成領域を構成して設け、該第４の半導体上のゲイ
   ト絶縁膜と該ゲイト絶縁膜上に隣接して２つのゲ
   イト電極を前記積層体の２つの側面に配設して構
   成させた２つの絶縁ゲイト型半導体装置が設けら
   れ、前記それぞれの絶縁ゲイト型半導体装置の第
   １の電極はリードに接続され、第２の電極は絵素
   電極に接続されたことを特徴とする固体表示装
   置。