JPH06177387A

JPH06177387A - 薄膜トランジスタ

Info

Publication number: JPH06177387A
Application number: JP32349592A
Authority: JP
Inventors: Takuya Shimano; 卓也島野; Kaichi Fukuda; 加一福田; Shiyuuichi Uchikoga; 修一内古閑; Nobuki Ibaraki; 伸樹茨木; Koji Suzuki; 幸治鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-12-03
Filing date: 1992-12-03
Publication date: 1994-06-24

Abstract

(57)【要約】【構成】薄膜トランジスタのチャネル領域１７におい
て、非晶質硅素薄膜１４のチャネル方向に垂直な方向の
幅α１が無機保護膜１５とソース、ドレイン電極２０，
２１のいずれのチャネル方向に垂直な方向の幅β１，γ
１よりも小さく、且つ非晶質硅素薄膜１４のチャネル方
向に垂直な方向の外形１４ａが無機保護膜１５とソー
ス、ドレイン電極２０，２１のいずれのチャネル方向に
垂直な方向の外形１５ａ，２０ａ，２１ａよりも内側に
位置する。【効果】ソース、ドレイン電極２０，２１と非晶質硅素
薄膜１４とが電気的に接続されている領域に上方から光
が照射されないため、光リーク電流の小さい高性能の非
晶質硅素薄膜トランジスタが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は例えばアクティブマト
リックス型液晶表示素子のアクティブ素子として用いら
れる薄膜トランジスタに関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶を用いた表示装置は、テレビ表示や
グラフィックディスプレイ等を指向した大容量、高密度
のアクティブマトリックス型液晶表示装置の開発及び実
用化が盛んである。このような表示装置では、クロスト
ークのない高コントラスト表示が行えるように、各画素
の駆動と制御を行う手段として半導体スイッチが用いら
れる。その半導体スイッチとしては、透過型表示が可能
であり大面積化も容易である等の理由から、透明絶縁基
板上に形成した薄膜トランジスタが通常用いられてい
る。なかでも大面積基板上に形成でき且つ低温プロセス
が可能である等の理由から、非晶質硅素を用いた薄膜ト
ランジスタが最も一般的である。

【０００３】さて、薄膜トランジスタの構造はゲート電
極、半導体薄膜層、ソース、ドレイン電極の相対的な位
置関係により、コプラナ型とスタガード型に大きく分類
される。絶縁基板上に形成する非晶質硅素薄膜トランジ
スタの場合、製造プロセス的に有為な面が多いスタガー
ド型を用いる場合が多く、なかでも図７の概略断面図及
び上面図（概略断面図は上面図のＧ−Ｇ´面に相当す
る）に示すように、絶縁基板１上にゲート電極２、ゲー
ト絶縁膜３、非晶質硅素薄膜４、低抵抗半導体薄膜５、
ソース電極６及びドレイン電極７の順に形成される構造
の逆スタガード型が一般的である。また、特に図７の例
では、非晶質硅素薄膜４と低抵抗半導体薄膜５との間
に、例えば窒化硅素からなる無機保護膜８を形成してお
り、これを所定の形状に加工することによって低抵抗半
導体薄膜５の加工性を上げる構造のものも用いられるよ
うになっている。

【０００４】なお、一般にアクティブマトリックス型の
液晶表示装置としては、ラビングによる配向処理がそれ
ぞれに施された二枚の基板を配向方向が互いに９０度を
なすように平行に対向させて配置し、これらの間にネマ
チックタイプの液晶組成物を挟持させたツイステッドネ
マチック（ＴＮ）型の物が広く用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の非
晶質硅素薄膜トランジスタのパターンは、一般に、図７
に示すような形状、位置関係をしており、無機保護膜８
と非晶質硅素薄膜４の形状は共に島状で、ソース及びド
レイン電極６，７並びに低抵抗半導体薄膜５はチャネル
方向に対して平行に形状加工し、チャネルを挟むように
位置する。このとき、非晶質硅素薄膜４と無機保護膜８
はそれぞれ例えば非晶質硅素と窒化硅素を連続成膜した
後にパターニングして形成するので、島状の無機保護膜
８の外形は島状の非晶質硅素薄膜４の外形からはみ出さ
ないのが一般的である。また、ソース及びドレイン電極
６，７と無機保護膜８との位置関係についても、チャネ
ル領域９において、ソース及びドレイン電極６，７のチ
ャネル方向に垂直な方向の外形（幅）は、無機保護膜８
のチャネル方向に垂直な方向の外形（幅）よりも小さく
位置的にも内側である。

【０００６】しかし、このようなパターンを有する非晶
質硅素薄膜トランジスタは、一般に耐光性が悪いことが
知られており、例えば、薄膜トランジスタ上方から光を
照射すると、光が照射された領域の非晶質硅素薄膜中に
光キャリアを生じ、これが光リーク電流となって薄膜ト
ランジスタの非選択時に電流が流れるといういわゆるｏ
ｆｆ電流不良という問題が生じていた。

【０００７】この発明はこのような従来の事情に艦みな
されたものであり、薄膜トランジスタに生じる光リーク
電流を抑え、光照射時の動作特性の優れた非晶質硅素薄
膜トランジスタを提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、絶縁基板上
にゲート電極、ゲート絶縁膜、非晶質硅素薄膜、無機保
護膜、低抵抗半導体薄膜、ソース電極及びドレイン電極
を形成してなる薄膜トランジスタについてのものであ
り、少なくともチャネル領域における非晶質硅素薄膜の
チャネル方向に垂直な方向の幅が、チャネル領域におけ
る無機保護膜とソース電極或いはドレイン電極のいずれ
のチャネル方向に垂直な方向の幅よりも小さく、且つチ
ャネル領域における非晶質硅素薄膜のチャネル方向に垂
直な方向の外形が、チャネル領域における無機保護膜と
ソース電極或いはドレイン電極のいずれのチャネル方向
に垂直な方向の外形よりも内側に位置する。

【０００９】

【作用】この発明は絶縁基板上にゲート電極、ゲート絶
縁膜、非晶質硅素薄膜、無機保護膜、低抵抗半導体薄
膜、ソース電極及びドレイン電極が形成され、ゲート電
極に加えられた電圧による電界効果により、ソース、ド
レイン電極間でスイッチング作用を示す非晶質硅素薄膜
を用いた薄膜トランジスタについてのものである。そし
て、少なくとも薄膜トランジスタのチャネル領域におけ
る非晶質硅素薄膜のチャネル方向に垂直な方向の幅が、
薄膜トランジスタのチャネル領域における無機保護膜と
ソース、ドレイン電極のいずれのチャネル方向に垂直な
方向の幅よりも小さく、且つ薄膜トランジスタのチャネ
ル領域における非晶質硅素薄膜のチャネル方向に垂直な
方向の外形が、薄膜トランジスタのチャネル領域におけ
る無機保護膜とソース、ドレイン電極のいずれのチャネ
ル方向に垂直な方向の外形よりも内側に位置すること
で、ソース、ドレイン電極と非晶質硅素薄膜とが電気的
に接続されている領域に上方から光が照射されないた
め、光リーク電流の小さな非晶質硅素薄膜トランジスタ
を形成できる。

【００１０】

【実施例】以下、この発明の詳細を図面を参照して説明
する。

【００１１】図１はこの発明の一実施例を示す概略断面
図及び上面図（概略断面図は上面図のＡ−Ａ´面に相当
する）であり、図２（ａ）〜（ｄ）は図１に示した実施
例の製造方法を説明するために示した概略断面図及び上
面図（（ａ）〜（ｄ）の概略断面図はそれぞれ（ａ）〜
（ｄ）のＢ−Ｂ´面、Ｃ−Ｃ´面、Ｄ−Ｄ´面、Ｅ−Ｅ
´面に相当する）である。

【００１２】図１と図２を用いこの実施例を説明する
と、まず、図２（ａ）に示すように、絶縁基板１１上に
ゲート電極１２を形成し、続いて、図２（ｂ）に示すよ
うに、これを覆うようにゲート絶縁膜１３としてプラズ
マ、常圧及び減圧といったＣＶＤ法により、モノシラン
を原料に用いて窒化硅素膜をゲート電極１２上に膜厚４
０００オングストローム形成する。その後、例えば膜厚
５００オングストロームの非晶質硅素薄膜１４を形成
し、例えばチャネル方向に垂直な方向の幅がα１となる
ように島状に形状加工する。次に、図２（ｃ）に示すよ
うに、膜厚２０００オングストロームの無機保護膜１５
を形成し、無機保護膜１５を、チャネル方向に垂直な方
向の幅β１が前述のα１よりも大きく、且つ非晶質硅素
薄膜１４のチャネル方向に垂直な方向の外形１４ａが無
機保護膜１５のチャネル方向に垂直な方向の外形１５ａ
の内側に治まるような形状に加工する。この後、図２
（ｄ）に示すように、例えば膜厚５００オングストロー
ムの低抵抗半導体薄膜１６を形成し、図１に示すように
チャネル領域１７、ソース領域１８及びドレイン領域１
９を形成する。更に、ソース電極２０及びドレイン電極
２１を形成する。このとき、ソース及びドレイン電極２
０，２１のチャネル方向に垂直な方向の幅γ１は前述の
α１よりも大きく、且つ非晶質半導体薄膜１４の外形１
４ａがソース及びドレイン電極２０，２１のチャネル方
向に垂直な方向の外形２０ａ，２１ａの内側に入るよう
に形状加工しなければならない。なお、この実施例では
α１、β１、γ１の関係をα１＜γ１＜β１となるよう
に設定した。また、例えばこの実施例においてなされる
無機保護膜１５の形状加工は、通常のフォトリソグラフ
ィー法によりなされても、例えば絶縁基板１１の裏面よ
り露光、レジストの加工をすることで、ゲート電極１２
に対して自己整合的に行われてもかまわない。更に、こ
の実施例では低抵抗半導体薄膜１６を形成することでソ
ース及びドレイン領域１８，１９を形成したが、例えば
イオン注入といった手法により、基板上方から少なくと
も無機保護膜１５をマスクに例えば燐イオンといった硅
素に対してドナーとなり得る元素を含むイオン種を注入
することで形成しても構わない。

【００１３】図７は従来の非晶質硅素薄膜トランジスタ
の概略断面図及び上面図である。この薄膜トランジスタ
の形成手順は、図１と図２に示す実施例と基本的には同
様であるが、低抵抗半導体薄膜５の形状加工手順が異な
る他に、各層の外形寸法及び相対位置について、例えば
チャネル領域９における非晶質硅素薄膜４のチャネル方
向に垂直な方向に関し、非晶質硅素薄膜４の幅をα７、
無機保護膜８の幅をβ７、ソース及びドレイン電極６，
７の幅をγ７としたときに、α７＞β７＞γ７の関係が
ある。従って、各層の外形状も若干異なる。

【００１４】図３はこの発明の他の実施例の構造を説明
するために示した概略断面図及び上面図（概略断面図は
上面図のＦ−Ｆ´面に相当する）であり、図１と対応す
る部分は同一の符号を付してある。この実施例の作製手
順は、図１と図２に示した実施例である薄膜トランジス
タと同様である。但し、この実施例では、チャネル領域
における非晶質硅素薄膜１４のチャネル方向に垂直な方
向に関し、非晶質硅素薄膜１４の幅をα３、無機保護膜
１５の幅をβ３、ソース及びドレイン電極２０，２１の
幅をγ３としたときに、α３＜β３＜γ３の関係があ
る。

【００１５】図４は図１と図２に示した実施例と図７に
示した従来例について耐光性の比較を行った実験結果を
示す図である。耐光性測定実験はソース、ドレイン間の
電圧（Ｖｄｓ）を１５Ｖとした状態で、ゲート電圧（Ｖ
ｇ）を−１５Ｖから＋２５Ｖまで変化させたときのソー
ス、ドレイン間に流れる電流（Ｉｄｓ）を測定する（Ｉ
ｄｓ−Ｖｇ）特性測定により行った。また、光照射には
白色光を用い、非晶質硅素薄膜トランジスタの上方より
８００ルクスの光量で行った。なお、実験雰囲気は大気
中、温度は２５℃である。図中、図４（ａ）は図１に示
した実施例（試料１）、図４（ｂ）は図７に示した従来
例（試料２）についての光照射時の特性曲線を表してい
る。また、図４（ｃ）と図４（ｄ）はそれぞれ試料１、
試料２について光を照射しないときの特性曲線である。
なお、この実験に用いたこれらの薄膜トランジスタは、
実効的なチャネル寸法は等しく、非晶質硅素薄膜、無機
保護膜、ソース、ドレイン電極の幅、位置関係に起因す
るもの以外の構造、作製条件等の諸条件は全て等しい。
図４より、試料１は光照射時におけるリーク電流（Ｉｏ
ｆｆ）領域での電流値が試料２よりも遥かに小さく、従
って、耐光性が非常に優れていることが判る。

【００１６】図５（ａ）は図７に示した従来例において
光リーク電流が生じる原理を説明するために示した概略
上面図であり、図５（ｂ）は例えば図１に示した実施例
では光リークが生じないことを説明するために示した概
略上面図である。図５において、斜線領域Ａは薄膜トラ
ンジスタ上方から光を照射したときに非晶質硅素薄膜に
光が照射される領域であり、領域Ｂは非晶質硅素薄膜と
ソース、ドレイン電極とが電気的に接続されている領域
である。

【００１７】非晶質硅素は光に非常に敏感であり光伝導
度が大きい。従って、ソース、ドレイン電極間が光を照
射された非晶質硅素薄膜で接続されると、薄膜トランジ
スタがｏｆｆの状態であっても、ゲート電圧によらず
に、ソース、ドレイン電極間に光リーク電流が流れる。
図５において、薄膜トランジスタ上方から光を照射した
場合、図５（ａ）に示した従来例では、斜線領域Ａと領
域Ｂとがソース、ドレイン電極６，７の端部Ｘ−Ｙ、
Ｘ’−Ｙ’で接続されるため、ソース、ドレイン電極
６，７間で光照射により非晶質硅素薄膜４が短絡する。
これが前述した光リーク電流発生の原因となる。一方、
図４（ｂ）に示した実施例では、斜線領域Ａと領域Ｂと
が直接接続せず、これらの間に、光のあたらない非晶質
硅素薄膜領域Ｃが存在する。即ち、ソース及びドレイン
電極２０，２１間はｏｆｆ状態の非晶質硅素薄膜１４で
分離されている。以上から、図１に示した実施例は耐光
性が非常によいことが判る。

【００１８】図６は、図５（ａ）に示した従来例で、ソ
ース、ドレイン電極６，７が光を照射された非晶質硅素
薄膜４によって短絡されることで光リーク電流が発生す
ることを証明するために行った実験の結果を示した図で
ある。図６に示した非晶質硅素薄膜トランジスタの寸法
は、非晶質硅素上の島状無機保護膜の寸法はチャネル方
向に平行な方向の幅がα＝１４μｍ、チャネル方向に垂
直な方向の幅がβ＝５０μｍであり、ソース、ドレイン
電極のチャネル方向に垂直な方向の幅がγ＝４０μｍ、
両電極間の距離δ＝１０μｍである。この実験では薄膜
トランジスタの垂直上方からスリット光を照射し、ソー
ス、ドレイン電極６，７の先端部に平行にして各電極か
ら等しい距離となる位置に照射し、この状態でスリット
光を薄膜トランジスタの中心部から両電極の側端部に平
行移動したときのリーク電流の変化を表したものであ
る。ここで、リーク電流はドレイン電圧Ｖｄ＝１５Ｖ、
ゲート電圧Ｖｇ＝０Ｖ、ソース電圧Ｖｓ＝０Ｖの時にソ
ース、ドレイン電極間に流れる電流（Ｉｄｓ）である。
この結果から、スリット光を薄膜トランジスタの中央部
（位置Ａ）に照射した場合の電流レベルが、薄膜トラン
ジスタに光を照射しないときの電流レベルとほぼ同じな
のに対し、同スリット光が、ソース、ドレイン電極の側
端部（位置Ｂ）に照射されたときに、薄膜トランジスタ
にリーク電流が生じていることが判る。これは、図５
（ａ）に示した通り、ソース、ドレイン電極６，７が光
を照射した非晶質硅素薄膜４によって短絡された場合に
光リーク電流が生ずることを示している。なお、位置Ａ
にスリット光を照射したときの実験並びに結果は、例え
ば図５（ｂ）に示した実施例のような形状の非晶質硅素
薄膜トランジスタの上方から光を照射した場合を模擬的
に再現しており、図５（ｂ）に示した実施例のような形
状の非晶質硅素薄膜トランジスタでは確かに光リーク電
流が発生しないことも示している。

【００１９】なお、いずれの発明においても、例えば薄
膜トランジスタのチャネル領域以外の非晶質硅素薄膜、
無機保護膜、ソース、ドレイン電極等の細かな形状を始
め、非晶質硅素薄膜トランジスタの構成は今まで述べた
ものに限られず、この発明の構成要件を満足する範囲に
おいて種々の変形がなされても、この発明に含まれるこ
とはいうまでもない。また、図１に示した実施例と図３
に示した実施例とを比べた場合、無機保護膜１５とソー
ス、ドレイン電極２０，２１のチャネル方向に垂直な方
向の幅の関係が異なるが（γ１＜β１或いはβ３＜γ
３）、ソース、ドレイン電極２０，２１の面積が大きい
と開口率が低下するという観点から考えれば、γ１＜β
１となる図１に示した実施例の方が好ましい。更に、こ
の発明はアクティブマトリックス型液晶表示装置のみな
らず、各種センサーの製造に対しても応用が可能であ
る。

【００２０】

【発明の効果】この発明は、少なくとも薄膜トランジス
タのチャネル領域における非晶質硅素薄膜のチャネル方
向に垂直な方向の幅が、薄膜トランジスタのチャネル領
域における無機保護膜とソース、ドレイン電極のいずれ
のチャネル方向に垂直な方向の幅よりも小さく、且つ薄
膜トランジスタのチャネル領域における非晶質硅素薄膜
のチャネル方向に垂直な方向の外形が、薄膜トランジス
タのチャネル領域における無機保護膜とソース、ドレイ
ン電極のいずれのチャネル方向に垂直な方向の外形より
も内側に位置することで、ソース、ドレイン電極と非晶
質硅素薄膜とが電気的に接続されている領域に上方から
光が照射されない。従って、ソース、ドレイン電極が光
照射された非晶質硅素薄膜で短絡されないため、光リー
ク電流の小さい高性能の非晶質硅素薄膜トランジスタを
形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す概略断面図及び上面
図（パターン図）である。

【図２】図１に示した実施例の製造方法を説明するため
に表した概略断面図及び上面図である。

【図３】この発明の他の実施例を示す概略断面図及び上
面図である。

【図４】図１に示した実施例と従来の薄膜トランジスタ
における耐光性の測定を行った実験結果を示す図であ
る。

【図５】図１に示した実施例と従来の薄膜トランジスタ
における光リーク電流発生の原因を説明するための概略
上面図である。

【図６】従来の薄膜トランジスタについて、スリット光
を用いて薄膜トランジスタのどの部分が光リーク電流発
生の原因となっているかを調べた実験方法及び実験結果
を示す図である。

【図７】従来の薄膜トランジスタの一例を示す概略断面
図及び上面図である。

【符号の説明】

１１……絶縁基板１２……ゲート電極１３……ゲート絶縁膜１４……非晶質硅素薄膜１５……無機保護膜１６……低抵抗半導体薄膜１７……チャネル領域２０……ソース電極２１……ドレイン電極 α１，α３，β１，β３，γ１，γ３……幅１４ａ，１５ａ，２０ａ，２１ａ……外形

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者茨木伸樹神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者鈴木幸治神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基板上にゲート電極、ゲート絶縁
膜、非晶質硅素薄膜、無機保護膜、低抵抗半導体薄膜、
ソース電極及びドレイン電極を形成してなる薄膜トラン
ジスタにおいて、少なくともチャネル領域における前記
非晶質硅素薄膜のチャネル方向に垂直な方向の幅が、前
記チャネル領域における前記無機保護膜と前記ソース電
極或いは前記ドレイン電極のいずれのチャネル方向に垂
直な方向の幅よりも小さく、且つ前記チャネル領域にお
ける非晶質硅素薄膜の前記チャネル方向に垂直な方向の
外形が、前記チャネル領域における前記無機保護膜と前
記ソース電極或いは前記ドレイン電極のいずれの前記チ
ャネル方向に垂直な方向の外形よりも内側に位置するこ
とを特徴とする薄膜トランジスタ。