JPH06148685A

JPH06148685A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JPH06148685A
Application number: JP30355592A
Authority: JP
Inventors: Takushi Nakazono; 卓志中園; Hideo Yoshihashi; 英生吉橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-11-13
Filing date: 1992-11-13
Publication date: 1994-05-27

Abstract

(57)【要約】【目的】２度のイオン打ち込みを行わずにＬＤＤ構造
を形成することができ、またドレインリーク電流値を下
げることができる。【構成】絶縁基板と、該基板上に形成されたスイッチ
ング用の多結晶シリコン薄膜トランジスターを含む画素
部と、この画素部に隣接して形成され、画素部を駆動す
る多結晶シリコン薄膜トランジスターを含む駆動回路部
とを有する薄膜トランジスターアレイ基板を少なくとも
有する液晶表示装置において、多結晶シリコン薄膜トラ
ンジスターが、上層および下層の２層構造からなるゲー
ト電極を有し、下層のゲート電極の面積が前記上層のゲ
ート電極の面積より広く、かつ上層のゲート電極の面積
より広い下層部分の下層のみよりなるゲート電極の直下
領域における多結晶シリコン層の電荷濃度が、チャネル
領域と、ソース、ドレイン領域の中間濃度である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は表示装置に関し、特に多
結晶シリコン薄膜トランジスターのドレインリーク電流
値を下げることができると共に、生産効率を高めること
ができる液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、液晶表示装置は、薄型軽量、低消
費電力という大きな利点をもつため、液晶テレビ、日本
語ワードプロセッサやディスクトップパーソナルコンピ
ュータ等のＯＡ機器の表示装置に積極的に用いられてい
る。それと共に、多結晶シリコンを活性層に使用した薄
膜トランジスタもしくは薄膜トランジスターアレイを応
用した液晶表示装置の開発が表示特性の向上を目的に活
発になされている。

【０００３】従来、多結晶シリコンを活性層に使用した
薄膜トランジスターは液晶表示装置の表示部である画素
部のスイッチング素子や薄膜トランジスターを集積し画
素部スイッチング素子の駆動回路へ応用されている。す
なわち、画素中で液晶への電圧印加用の画素部薄膜トラ
ンジスターと、この画素部薄膜トランジスターを駆動す
るための駆動回路部薄膜トランジスターへの応用とであ
る。

【０００４】ところで、現在の液晶表示装置の開発は、
画素を微細化することにより画素数を増やし、そして、
それらを高速で動作させる方向にある。この開発方向に
対応して上述の薄膜トランジスターは、次の特性が要求
されている。１）ゲート遅延をなくすために、ゲート配線の抵抗を下
げる。２）薄膜トランジスターのドレインリーク電流を減少さ
せる。

【０００５】１）に関しては、たとえば、金属線やシリ
サイドを使用する技術が知られている。この技術は、通
常、活性層との仕事関数を合わせるために電気的不純物
を添加した多結晶シリコンを下層として、上層に上述の
金属線もしくはシリサイドを形成して低抵抗化する２層
構造が検討されている。この構成によりゲート配線によ
る信号の遅延を減少させている。

【０００６】２）に関しては、とくに画素の薄膜トラン
ジスターにたいしてドレインリーク電流の低下が要求さ
れている。これは、ドレインリーク電流がトランジスタ
ー動作のＯＦＦ側で発生するため、通常のＯＮ／ＯＦＦ
のスイッチング機能を充分果たさなくなり、また液晶表
示装置に使用すると画素の電気信号を保持できないた
め、コントラストが劣化し、液晶表示装置の画質にとく
に影響がでるためである。このドレインリーク電流が
発生する原因は、薄膜トランジスターのゲート、ドレイ
ン間に電場が集中するために、活性層多結晶シリコン中
のシリコン結合の欠陥のうち、とくに未結合手による欠
陥があると、ドレイン接合部で異常なリーク電流が発生
することにある。ドレイン接合部で異常なリーク電流が
発生するのは、つぎの理由による。通常、ソース、ドレ
インはゲートをマスクとしてイオン打ち込み装置で接合
層に必要なイオンを打ち込み自己整合的に形成する。そ
のために、電荷分布はゲート端から急激に立ち上がる。
電場の分布は電荷の分布に比例するため、ドレイン近傍
では急激に電場が立ち上がることとなる。この電場によ
りチャネルとドレイン接合部でトンネル電流が流れ、異
常なリーク電流として観測される。

【０００７】異常なリーク電流の発生を防止する方法と
して、ＬＤＤ（ＬｉｇｈｔＤｏｐｅｄＤｒａｉｎ）
という技術が知られている。このＬＤＤ技術はドレイン
部近傍の電荷分布を徐々に変化させてドレイン接合を構
成する技術である。電荷分布が徐々に変化するため、接
合部の接合電場も徐々に変化し異常なリーク電流が流れ
なくなる。このため、このＬＤＤ技術を使用して作製さ
れた多結晶シリコン薄膜トランジスターを用いた液晶表
示装置は液晶テレビ、ＯＡ機器等に多用されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このＬ
ＤＤ技術は、接合部の電荷分布を徐々に変化させるた
め、通常はイオン打ち込みの工程をＬＤＤ部の低濃度の
打ち込みと、ソース、ドレイン部の高濃度の打ち込みと
２度に分けて行わなければならないという問題がある。

【０００９】さらに、低濃度側の打ち込みは通常ゲート
マスクで行うが、高濃度側はゲート直下よりずらす必要
があることより、必ず何かのマスクが必要となる。通
常、このマスクは、レジストや酸化膜等を使用するが、
製造工程が複雑になることは避けられなく、そのために
製造歩留りを落とす等の問題がある。

【００１０】本発明は、このような問題を解決するため
になされたもので、ＬＤＤ構造を２度のイオン打ち込み
を行わずに形成することができ、またドレインリーク電
流値を下げることができる液晶表示装置を提供すること
を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の液晶表示装置
は、絶縁基板と、該基板上に形成されたスイッチング用
の多結晶シリコン薄膜トランジスターを含む画素部と、
この画素部に隣接して形成され、画素部を駆動する多結
晶シリコン薄膜トランジスターを含む駆動回路部とを有
する薄膜トランジスターアレイ基板を少なくとも有する
液晶表示装置において、多結晶シリコン薄膜トランジス
ターが、ゲート電極として上層および下層の２層構造か
らなるゲート電極を有し、下層のゲート電極の面積が前
記上層のゲート電極の面積より広く、かつ上層のゲート
電極の面積より広い下層部分の下層のみよりなるゲート
電極の直下領域における多結晶シリコン層の電荷濃度
が、チャネル領域と、ソース、ドレイン領域の中間濃度
であることを特徴とする。

【００１２】本発明に係わる多結晶シリコン薄膜トラン
ジスターのゲート電極は、上層および下層の２層構造か
らなるが、上層は下層に比べてその電気抵抗値が低い物
質からなることが好ましい。これは、２層構造とした場
合、その電気抵抗値は電気抵抗の低い層で決まるため、
上層にシリコンの金属化合物のような低抵抗物質からな
る層を設けることにより、低抵抗ゲート電極を得ること
ができるためである。さらに、上層は耐薬品性や耐熱性
を保持するための働きもする。

【００１３】また、下層の層厚は、ソース、ドレイン形
成のためのイオン打ち込みに際して、多結晶シリコン層
の電荷濃度が濃度勾配を有しチャネル領域と、ソース、
ドレイン領域の中間濃度となるような層厚であればよ
い。多結晶シリコン層の電荷濃度の濃度勾配を得るため
の、他の要因は上層の形状の寸法と下層の形状の寸法と
の差である。本発明にあっては、下層が上層の寸法形状
より数μｍ張り出している張り出し部を有することが好
ましい。上述のゲート電極構造をマスクとしてイオン打
ち込みをすることにより、ドレイン近傍の電荷分布をな
だらかな分布とすることができる。

【００１４】本発明の液晶表示装置は、次のようにして
作られる。絶縁基板材料には無アルカリガラス、石英な
どが使用できる。この基板上に公知の方法で多結晶シリ
コン膜を形成する。すなわち、まず基板上に減圧ＣＶ
Ｄ、プラズマＣＶＤ装置を用いアモルファスシリコン層
を堆積し、ついで約 600℃の温度で熱処理を行うことに
より多結晶シリコン層とする。その後、フォトリソグラ
フィー工程およびエッチング工程を経て所定の形状に加
工する。多結晶シリコン層表面を熱酸化してゲート酸化
膜を形成した後、その上に２重の膜構造よりなるゲート
配線を形成する。２重の膜構造の形成は、下層膜のエッ
チング速度より上層膜のエッチング速度が速いエッチン
グ方法を用いることが好ましい。たとえば、加工ガスと
してＳＦ₆、ＣＩ₂等を用いた、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉ
ｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）を使用することが好ま
しい。その後、このゲート電極をマスクとしてソース、
ドレイン領域を自己整合的に形成する。その表面に第１
層間絶縁膜を形成し、その膜の一部をコンタクトホール
として開口し、その部分で金属配線が薄膜トランジスタ
ーの各端子と接触する。

【００１５】液晶表示装置とするために、さらに、第２
層間絶縁膜を形成し、コンタクトホールを形成する。そ
こを介して、透明電極を形成し画素電極とする。この基
板を薄膜トランジスターアレイ基板と称する。その後、
この薄膜トランジスターアレイ基板を、対向基板と合わ
せ、そのギャップ部に液晶を注入し、液晶セルを構成す
る。そして、外装アセンブリを形成して本発明の液晶表
示装置を得る。

【００１６】

【作用】本発明の液晶表示装置に係わる多結晶シリコン
薄膜トランジスターのゲート配線は、低抵抗配線を上部
に有する２層構造で、かつゲート配線の端部が階段状に
なっているため、このゲート配線をマスクとして自己整
合的にイオン打ち込みを行うことにより、ドレイン近傍
の電荷分布をなだらかにすることができる。ドレイン近
傍の電荷分布がなだらかになると、電場の集中が防止で
きることになる。そのため、ドレインリーク電流が減少
する。

【００１７】また、ゲート配線の上部の金属配線は低抵
抗ゲート配線を可能とする。

【００１８】

【実施例】本発明の実施例を図１から図４に基づき説明
する。図１は本実施例の液晶表示装置に使用した薄膜ト
ランジスターのゲート部分の断面図である。石英基板１
上に多結晶シリコンを 1000 オングストロームの膜厚に
形成して薄膜トランジスターの活性層２とした。この多
結晶シリコン活性層２は、原料ガスにジシランガスを使
用し、減圧ＣＶＤ法により非晶質シリコンを形成し、そ
の後熱処理を施し、多結晶シリコンを形成したものであ
る。その後、フォトリソグラフィー工程およびエッチン
グ工程にて所定の形状に加工した。

【００１９】つぎに、多結晶シリコン層２の表面を熱酸
化して 700オングストロームの膜厚のゲート酸化膜３を
形成した。ゲート酸化膜３上に２重の膜構造を有するゲ
ート配線を以下の方法で形成した。まず、ゲート酸化膜
３と接する下層膜４に電気的不純物としてリン（Ｐ）を
1×10¹⁹／ｃｍ³含む多結晶シリコンを 1500 オングス
トロームの膜厚に形成し、その上に上層膜５として、タ
ングステンシリサイド（ＷＳｉ）を 2500 オングストロ
ームの膜厚に形成した。つぎに、エッチングガスとして
ＳＦ₆、ＣＩ₂を使用するＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ
ＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）装置により、上下層のエッチ
ングレートの違いを利用して下層膜４が上層膜５より 1
〜2 μｍ大きく張り出すように形成したゲート配線が得
られた。このゲート配線の下層のシート抵抗は３０Ω／
□程度であるが、上層はシリコンの金属化合物であるた
めシート抵抗は５Ω／□程度である。したがって、２重
構造配線の抵抗は低い抵抗で決まるため、本実施例のゲ
ート配線は低抵抗ゲート電極となる。

【００２０】このゲート配線をマスクにして、ソース、
ドレイン形成のためのイオン打ち込みを行う。図１に示
す７ａの部分の電荷濃度は、初期的に決めた打ち込み量
である（ 5〜100 ）×10¹⁹／ｃｍ³となるようにイオン
打ち込み装置でリン（Ｐ）を打ち込んだ。そして、張り
出し部分６の真下である７ｂの部分の電荷濃度は、 1×
10¹⁷／ｃｍ³程度となるようにイオン打ち込み装置の加
速エネルギーを調整した。その結果、図１に示すよう
に、ゲートのない部分７ａでは、従来通りの濃度のイオ
ンの打ち込みが行われソース、ドレインが形成され、ゲ
ートが２重になっている部分７ｃでは、イオンは打ち込
まれないで、張り出し部分６の真下である７ｂの部分で
はその中間濃度のイオンが打ち込まれて電気的不純物の
分布を有する薄膜トランジスターが得られた。

【００２１】本実施例の薄膜トランジスターにおいて
は、ゲート電極が２重構造になっている部分は、完全に
マスクされているため電気的不純物は打ち込まれない。
このため、薄膜トランジスターのソース、ドレインの近
傍の電荷分布は、ほぼ 0から急激に立ち上がることな
く、いったん中間状態を経ることになる。

【００２２】その後、図２に示すように、第１層間絶縁
膜８を形成し、その膜の一部をコンタクトホールとして
開口し、その部分で金属配線９（アルミニウム（Ａ
１））と、薄膜トランジスターの各端子とを接触させ
る。さらに、第２層間絶縁膜１０を形成し、コンタクト
ホールを形成する。そこを介して、透明電極１１を形成
し画素の電極とする。この基板を薄膜トランジスターア
レイ基板１２と称する。この基板１２を対向基板１３と
を合わせ、そのギャップ部に液晶１４を注入し、液晶セ
ルを構成する。そして、外装アセンブリ１５を形成して
図３に示す液晶表示装置とする。

【００２３】このようにして得られた液晶表示装置のｎ
型薄膜トランジスターの特性を図４に示す。図４（ａ）
は本実施例に係わるｎ型薄膜トランジスターの特性であ
り、図４（ｂ）はＬＤＤ構造になっていない従来例の特
性である。これらの特性で特徴的なのは、ゲート電圧が
負の領域の特性である。図４（ｂ）の従来例において
は、ゲート電圧が負の領域で、ドレイン電流が大きく跳
ね上がり、非常に大きな値となっている。一方、図４
（ａ）の本実施例においては、ゲート電圧が変化しても
ドレイン電流は、ゲート電圧 0Ｖの値とほぼ変わらず変
化することはない。

【００２４】本実施例の第１の効果は、製造工程を従来
の工程より減少できることである。すなわち、エッチン
グレートの違いを応用した一度のエッチングで、ゲート
電極の端部に階段状の張り出し部を形成することがで
き、このゲート電極をマスクにした一度のイオン打ち込
みにより、ＬＤＤ構造とすることができる。従来はＬＤ
Ｄ構造を得るために２度のイオン打ち込みを行ってい
た。

【００２５】本実施例の第２の効果は、１度のイオン打
ち込みにより作製したＬＤＤ構造においても、液晶表示
装置に必要な薄膜トランジスターの優れた特性が得られ
ることである。すなわち、ドレインリーク電流がゲート
電圧 0Ｖの値とほぼ変わらず小さくすることができる。

【００２６】本実施例の第３の効果は、ゲート配線を低
抵抗線と２重にすることによって、ゲート遅延のないこ
とである。

【００２７】以上の効果により、大型基板で、 100万個
クラスの多数の画素を高速で動作しても薄膜トランジス
ターのリーク電流が小さいため液晶表示装置の画質に影
響をあたえることはない。

【００２８】

【発明の効果】本発明の薄膜トランジスターアレイ基板
を少なくとも有する液晶表示装置は、多結晶シリコン薄
膜トランジスターが２層構造からなるゲート電極を有
し、ゲート電極の直下領域における多結晶シリコン層の
電荷濃度が、チャネル領域と、ソース、ドレイン領域の
中間濃度であるため、低抵抗ゲート電極をもち、低ドレ
インリーク電流である薄膜トランジスターアレイ基板を
有する液晶表示装置を単純な製造工程で得ることができ
る。このため、液晶表示装置の生産効率を高めることが
できる。また、画素数を増やし、それらを高速で動作さ
せることのできるため、高画質の液晶表示装置が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の液晶表示装置に使用した薄膜トラン
ジスターののゲート部分の断面図である。

【図２】本実施例の液晶表示装置に使用した薄膜トラン
ジスターの断面図である。

【図３】本実施例の液晶表示装置を示す図である。

【図４】本実施例の液晶表示装置に使用した薄膜トラン
ジスターの特性を示す図である。

【符号の説明】

１………石英基板、２………活性層、３………ゲート酸
化膜、４………下層膜、５………上層膜、６………張り
出し部分、７ａ………ゲートのない部分、７ｂ………張
り出し部分の真下の部分、７ｃ………ゲートが２重にな
っている部分、８………第１層間絶縁膜、９………金属
配線、１０………第２層間絶縁膜、１１………透明電
極、１２………薄膜トランジスターアレイ基板、１３…
……対向基板、１４………液晶、１５………外装アセン
ブリ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基板と、該基板上に形成されたスイ
ッチング用の多結晶シリコン薄膜トランジスターを含む
画素部と、前記画素部に隣接して形成され、前記画素部を駆動する多結晶シリコン薄膜トランジスタ
ーを含む駆動回路部とを有する薄膜トランジスターアレ
イ基板を少なくとも有する液晶表示装置において、前記多結晶シリコン薄膜トランジスターが、ゲート電極
として上層および下層の二層構造からなるゲート電極を
有し、前記下層のゲート電極の面積が前記上層のゲート
電極の面積より広く、かつ前記上層のゲート電極の面積
より広い下層部分の下層のみよりなるゲート電極の直下
領域における多結晶シリコン層の電荷濃度が、チャネル
領域と、ソース、ドレイン領域の中間濃度であることを
特徴とする液晶表示装置。