JPH0730120A - 薄膜トランジスタおよびそれを用いた液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】この発明は、新たに遮光膜層を設けることな
く、光を効率良く遮光でき、光電流の発生を防止するこ
とができる。 【構成】この発明は、絶縁基板１上に、チャネル部１１
ａ、ソース領域１１ｂ、ドレイン領域１１ｃからなる半
導体薄膜１１を形成し、ソース領域１１ｂ上の一部に接
触した状態で、端部がソース領域１１ｂの端部から少数
キャリア拡散長分、チャネル部１１ａ上に延長して遮光
するソース電極１６を形成し、ドレイン領域１１ｃ上の
一部に接触した状態で、端部がドレイン領域１１ｃの端
部から少数キャリア拡散長分、チャネル部１１ａ上に延
長して遮光するドレイン電極１７を形成するようにした
ものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、テレビやディスプレ
イに使用されるアクティブマトリクス型の液晶表示装置
に用いられる薄膜トランジスタおよびそれを用いた液晶
表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、絶縁基板上に薄膜トランジスタを
形成する研究が活発に行われている。この技術は、安価
な絶縁基板を用いて、薄型ディスプレイを実現するアク
ティブマトリクス型液晶表示装置、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など、数多くの応用が期待
されるものである。

【０００３】以下、光電流が最も発生しやすく、また問
題となると考えられる薄膜トランジスタが各表示画素ご
とに設けられてなるアクティブマトリクス型液晶表示装
置を例にとって説明する。

【０００４】一般に、薄膜トランジスタを用いた液晶表
示装置は、上側の対向基板と、下側の薄膜トランジスタ
基板と、その間に封入された液晶とから構成されてい
る。上記薄膜トランジスタ基板上にマトリクス状に配置
された液晶駆動素子を外部選択回路により選択し、上記
液晶駆動素子に接続された液晶駆動電極に電圧を印加す
ることにより、任意の文字、図形、あるいは画像の表示
を行うものである。

【０００５】上記薄膜トランジスタ基板と液晶駆動素子
の一般的な回路図を図２、図３に示す。図２は、薄膜ト
ランジスタ基板（石英等の絶縁性透明基板；絶縁基板）
１上の液晶駆動素子２、…のマトリクス状配置図であ
る。薄膜トランジスタ基板１上には、表示領域１ａが設
けられている。この表示領域１ａ内に、液晶駆動素子
２、…がマトリクス状に配置されている。液晶駆動素子
２、…には、データ信号ライン３、…とタイミング信号
ライン４、…が接続されている。

【０００６】各液晶駆動素子２、…は、それぞれ、図３
に示すように、データ信号ライン３からのデータ信号と
タイミング信号ライン４からのタイミング信号とに応じ
てオン−オフするスイッチング素子としての多結晶の薄
膜トランジスタ５、薄膜トランジスタ５のオンに応じた
データ信号の保持用の補助容量として用いられるコンデ
ンサ６、薄膜トランジスタ５のオンに応じて作動する液
晶画素（画素電極）（自己容量を有する）７、…によっ
て構成されている。

【０００７】上記液晶画素７の自己容量のみでデータ信
号の保持が可能な場合、コンデンサ６は省略するように
しても良い。上記したように、薄膜トランジスタ５は、
液晶に印加する電圧のデータをスイッチングするために
用いられ、このとき薄膜トランジスタ５に要求される特
性は大きく次の２つに分割される。

【０００８】（１）薄膜トランジスタ５をオン状態にし
たとき、ある一定時間内でコンデンサ６を充電するため
に十分な電流を流すことができること。 （２）薄膜トランジスタ５をオフ状態にしたとき、極
力、電流が流れないこと。

【０００９】（１）はコンデンサ６へのデータの書き込
み特性に関するものである。液晶画素７の表示はコンデ
ンサ６の電位により決定されるため、一つの薄膜トラン
ジスタ５をオンする時間内でデータを完璧に書き込むこ
とができるように、薄膜トランジスタ５は十分大きい電
流を流すことができなくてはならない。

【００１０】このときの電流（以下、オン電流という）
は、コンデンサ６の容量と、書き込み時間とから定ま
り、そのオン電流をクリアできるように薄膜トランジス
タ５を設計・製作しなくてはならない。薄膜トランジス
タ５のオン電流は、トランジスタのサイズ（チャネル長
とチャネル幅）、構造、製造プロセス、ゲート電圧、ド
レイン電圧等に大きく依存する。

【００１１】（２）は、コンデンサ６に書き込まれたデ
ータの保持特性に関するものである。アクティブマトリ
クスの液晶パネルの場合、各液晶駆動素子２にデータを
マトリクス状に順次書き込んで行くため、薄膜トランジ
スタ５がオフ状態である時間はオン状態である時間より
はるかに長く、その間データは保持されなくてはならな
い。

【００１２】コンデンサ６の容量は通常１ｐＦ程度の小
さな値であるため、薄膜トランジスタ５がオフ状態でわ
ずかでも電流（以下オフリーク電流という）が流れると
ドレインの電位つまり液晶画素７に印加されている電圧
が急激にソースの電圧に近づき、書き込まれたデータが
保持されなくなってしまう。したがって、オフ電流はで
きる限り小さくしなくてはならない。

【００１３】以上述べた内容からわかるように、薄膜ト
ランジスタ５のオフリーク電流を低減させることは重要
な意義を有する。そのためにこれまで、オフリーク電流
を低減するために特開昭６３−２０４７６９号公報（Ｌ
ＤＤ構造）、特開昭５８−１８００６３号公報（ゲート
を共通にした複数トランジスタの直列接続）、などが提
案されている。

【００１４】ところが、薄膜トランジスタ５では光を照
射するとキャリアが励起され、電流が流れることが分か
っている（以下、光電流という）。この光電流はオン状
態では電流量を増やす方向であり、またオン電流自体が
もともと大きいため光電流が発生しても無視できるが、
オフ状態では（２）の理由により無視できない。さらに
この光電流は光強度に比例し、光強度が大きいほど増加
する。

【００１５】一般に、液晶表示装置は光源からの透過光
を利用しているため、現在では薄膜トランジスタ５に直
接光があたらないように薄膜トランジスタ基板に対向す
るガラス基板に遮光層をマトリクス状に形成し（以下、
ブラックマトリクスという）、このガラス基板側から光
を照射している。

【００１６】しかし、このブラックマトリクスは、薄膜
トランジスタ５と対向するガラス基板上に有るため、薄
膜トランジスタ基板と張り合わせるときのズレ及び光の
回折等を考え、遮光面積が広くなるように設計するた
め、光の利用率が著しく下がる。このことは一つの画素
面積が小さくなるほど大きく効き、高精細な液晶表示装
置の製品化を妨げる一つの要因となっている。

【００１７】上記理由により、ブラックマトリクスを薄
膜トランジスタ５上に形成する開発が盛んに行われるよ
うになった。ところが、遮光層を薄膜トランジスタ５上
に形成するためには、層構造を増やさなければならず、
技術的にもコスト的にも負担が増大し、実用に至っては
いない。

【００１８】また、ソース電極またはドレイン電極のど
ちらか一方を延長し、遮光層とするものも提案されてい
る（特開昭５９−２１０６４号公報）。したがって、光
を効率良く遮光できるものが望まれている。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、薄膜ト
ランジスタでは、光を効率良く遮光できるものが望まれ
ている。そのため、この発明では、新たに遮光膜層を設
けることなく、光を効率良く遮光でき、光電流の発生を
防止することができる薄膜トランジスタおよびそれを用
いた液晶表示装置を提供することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】この発明の薄膜トランジ
スタは、絶縁基板上に形成されるものにおいて、上記絶
縁基板上に形成され、チャネル領域、ソース領域、ドレ
イン領域からなる半導体薄膜、この半導体薄膜のチャネ
ル領域上に形成されるゲート電極膜、上記半導体薄膜の
ソース領域上の一部に接触した状態で形成され、端部が
ソース領域の端部から少数キャリア拡散長分、チャネル
領域上に延長して遮光するソース電極膜、上記半導体薄
膜のドレイン領域上の一部に接触した状態で形成され、
端部がドレイン領域の端部から少数キャリア拡散長分、
チャネル領域上に延長して遮光するドレイン電極膜、お
よび少なくとも上記ゲート電極膜上に形成され、上記ゲ
ート電極膜と上記ソース電極膜、上記ゲート電極膜とド
レイン電極膜とを絶縁するゲート絶縁膜から構成されて
いる。

【００２１】この発明の液晶表示装置は、マトリクス状
に配置される複数本の信号線及び走査線、これらの信号
線及び走査線の各交点部分に配置され、絶縁基板上に形
成され、チャネル領域、ソース領域、ドレイン領域から
なる半導体薄膜と、この半導体薄膜のチャネル領域上に
形成されるゲート電極膜と、上記半導体薄膜のソース領
域上の一部に接触した状態で形成され、端部がソース領
域の端部から少数キャリア拡散長分、チャネル領域上に
延長して遮光するソース電極膜と、上記半導体薄膜のド
レイン領域上の一部に接触した状態で形成され、端部が
ドレイン領域の端部から少数キャリア拡散長分、チャネ
ル領域上に延長して遮光するドレイン電極膜と、少なく
とも上記ゲート電極膜上に形成され、上記ゲート電極膜
と上記ソース電極膜、上記ゲート電極膜とドレイン電極
膜とを絶縁するゲート絶縁膜とからなる薄膜トランジス
タ、およびこの薄膜トランジスタにより作動される液晶
から構成されている。

【００２２】

【作用】この発明は、絶縁基板上に、チャネル領域、ソ
ース領域、ドレイン領域からなる半導体薄膜を形成し、
この半導体薄膜のチャネル領域上にゲート電極膜を形成
し、上記半導体薄膜のソース領域上の一部に接触した状
態で、端部がソース領域の端部から少数キャリア拡散長
分、チャネル領域上に延長して遮光するソース電極膜を
形成し、上記半導体薄膜のドレイン領域上の一部に接触
した状態で、端部がドレイン領域の端部から少数キャリ
ア拡散長分、チャネル領域上に延長して遮光するドレイ
ン電極膜を形成し、上記ゲート電極膜と上記ソース電極
膜とを絶縁するとともに、上記ゲート電極膜とドレイン
電極膜とを絶縁するゲート絶縁膜を少なくとも上記ゲー
ト電極膜上に形成するようにしたものである。このよう
な構成により半導体層への光照射が効率良く抑えられ、
これにより光電流の発生を防止できる。

【００２３】

【実施例】以下、この発明の一実施例について図面を参
照しながら説明する。なお、液晶表示装置の薄膜トラン
ジスタ基板上の回路構成は、上述した図２、図３と同じ
であるため、詳細な説明は省略する。

【００２４】上記薄膜トランジスタ５は、図１、図４に
示すように、活性層（半導体薄膜）１１、シリコン酸化
膜１２、ゲート電極１３、層間絶縁膜１４、１５、ソー
ス電極１６、ドレイン電極１７、および保護膜１８によ
って構成されている。

【００２５】活性層１１は低温プラズマＣＶＤ法によっ
て上記薄膜トランジスタ基板１上に形成された２００nm
の膜厚の多結晶シリコンからなっている。そして、活性
層１１はチャネル部（チャネル領域）１１ａと不純物が
添加されて成るソース領域（ｎ⁺ −ｐ−Ｓｉ）１１ｂ及
びドレイン領域（ｎ⁺ −ｐ−Ｓｉ）１１ｃから構成され
ている。

【００２６】上記活性層１１のチャネル部１１ａ上には
ゲート絶縁膜としてのシリコン酸化膜１２を介してＮ⁺
多結晶シリコンから成るゲート電極（ゲート電極膜）１
３が形成されている。このゲート電極１３は、タイミン
グ信号ライン４と接続されている。

【００２７】上記ゲート電極１３の上に、活性層１１の
ソース領域１１ｂ、ドレイン領域１１ｃをも覆うように
して酸化シリコンからなる層間絶縁膜１４が形成されて
いる。

【００２８】上記層間絶縁膜１４の上部には、アルミニ
ュウムからなるソース電極（ソース電極膜）１６、ドレ
イン電極（ドレイン電極膜）１７が形成されている。ソ
ース電極１６、ドレイン電極１７は、それぞれ層間絶縁
膜１４に設けられているコンタクトホール１４ａ、１４
ｂを介して活性層１１のソース領域１１ｂ、ドレイン領
域１１ｃと導通するように設置されている。

【００２９】さらに、その上に酸化シリコンからなる層
間絶縁膜１５が形成されている。この層間絶縁膜１５の
上部には、ＩＴＯ（インジウム、すず）からなる画素電
極１９が形成されている。画素電極１９は層間絶縁膜１
５のコンタクトホール１５ａを介してドレイン電極１７
と導通するように設置されている。

【００３０】ソース電極１６はデータ信号ライン３に接
続され、ドレイン電極１７はデータ保持用のコンデンサ
６の電極６ａと接続されている。コンデンサ６は、図４
に示すように、電極６ａ、６ｂにより構成されている。

【００３１】さらに、層間絶縁膜１５と画素電極１９と
の上部に窒化シリコンからなる保護膜１８が形成されて
いる。ソース電極１６及びドレイン電極１７は、それぞ
れ、図１、図４に示すように、チャネル部１１ａの上部
に２μｍ分内側まで（それぞれソース領域１１ｂの端
部、ドレイン領域１１ｃの端部より少数キャリア拡散長
だけ離れた領域まで）延長され、活性層１１のチャネル
部１１ａの一部を遮光している。

【００３２】次に、上記ソース電極１６の端部とドレイ
ン電極１７の端部とを、それぞれ少数キャリア拡散長だ
け離れた領域まで（２μｍ分）延長している理由につい
て説明する。

【００３３】すなわち、薄膜トランジスタ５においてゲ
ート電圧ＶGSとして、負バイアスを印加したオフ状態で
は、チャネル部１１ａの表面に誘起されるＰ型層とソー
ス領域１１ｂ、ドレイン領域１１ｃのＮ型層とでそれぞ
れのＰＮ接合が形成され、ソース・ゲート間は順バイア
ス、ゲート・ドレイン間は逆バイアスが印加されてい
る。

【００３４】このため、オフリーク電流はドレイン領域
１１ｃ近傍のＰＮ接合を流れる電流に支配されている。
薄膜トランジスタ５の基体である活性層１１の内部には
多くのトラップが存在してＰＮ接合が不完全であるため
に、接合リーク電流が流れる。

【００３５】ところで、薄膜トランジスタ５に光を照射
した場合、光が照射された活性層１１の全ての部分でキ
ャリアが発生し、拡散する。しかし、薄膜トランジスタ
５がオフの場合、ドレイン領域１１ｃ近傍のＰＮ接合ま
で到達しないキャリアはオフリーク電流とはならずに消
滅してしまう。

【００３６】図５に示すように、ドレイン領域１１ｃの
端部より少数キャリア拡散長Ｌだけ離れた領域までのみ
を遮光すれば、薄膜トランジスタ５のオフ領域での光電
流の発生を抑えることができる。図５は図１の断面図か
ら層間絶縁膜１５と画素電極１９とを除き、ソース電極
１６の端部とドレイン電極１７の端部とを延長せずに、
保護膜１８上に遮光層２１が形成されるようになってい
る。

【００３７】このことを測定した実験結果が、図６であ
る。図５に示した断面構造の薄膜トランジスタ５におい
て、図中に示した遮光層２１が遮光する部分のドレイン
領域１１ｃの端部からの距離Ｌを横軸に、薄膜トランジ
スタ５の上面から３０万ｌｘの照度の光を照射した場合
の光電流を縦軸にとったグラフである。

【００３８】このグラフよりドレイン領域１１ｃの端部
を含み、ドレイン領域１１ｃの端部より約２μｍ離れた
チャネル領域までを遮光すれば光電流の発生を抑えるこ
とができる。

【００３９】この２μｍという長さは、この薄膜トラン
ジスタ５の活性層１１のキャリア移動度をホール測定に
て測定した値１５０cm2/v ・sec と、予想されるキャリ
アのライフタイム１０nsecから計算されるキャリアの拡
散長にほぼ等しい。

【００４０】このことは上述したように、オフ領域での
光電流は光により発生した少数キャリアが拡散でドレイ
ン領域１１ｃの端部のＰＮ接合まで到達して流れている
ものであるということを示している。

【００４１】そして、光により発生した少数キャリアが
ドレイン領域１１ｃの端部のＰＮ接合まで到達しなけれ
ば光電流は発生しないので、チャネル部１１ａの上部で
あってもドレイン領域１１ｃの端部より少数キャリア拡
散長より離れていれば遮光する必要はないことがわか
る。

【００４２】ところで、薄膜トランジスタ５を液晶表示
装置の駆動素子に用いた場合、その駆動方法によりソー
ス電極１６とドレイン電極１７が反転するために、上記
効果を得るためにはドレイン領域１１ｃの端部近傍と、
ソース領域１１ｂの端部近傍の両方を遮光する必要があ
る。

【００４３】この遮光機能を従来例（特開昭５９−２１
０６４号公報）のようにソース電極６もしくはドレイン
電極７のどちらか一方に持たせた場合、活性層１１のソ
ース領域１１ｂの端部もしくはドレイン領域１１ｃの端
部から少数キャリア拡散長だけ離れた領域まで遮光する
必要があり、１素子当たりの面積が広くなり開口率が問
題となるアクティブマトリクス型の液晶表示装置に用い
られるスイッチング素子に向いていない。

【００４４】上記理由により、液晶表示装置において、
光電流を抑えるためにソース電極１６とドレイン電極１
７を利用するには双方をチャネル部１１ａの上部で、そ
れぞれソース領域１１ｂの端部、ドレイン領域１１ｃの
端部より少数キャリア拡散長だけ離れた領域まで延長
し、遮光しなくてはならないことがわかる。

【００４５】これまで、薄膜トランジスタ５を用いた液
晶表示装置に注目して説明してきたが、この発明の主旨
が光電流を減少させるという薄膜トランジスタ５の本質
的な特性向上に関するものであるため、薄膜トランジス
タ５の光電流が問題となる他の場合にも全く同様に適用
することができる。

【００４６】図７は横軸にゲート電圧（ＶＧ）、縦軸に
ソース、ドレイン電流（ＩDS）を取り、ソース・ドレイ
ン電圧に２Ｖを印加した場合の、薄膜トランジスタ５の
ＶＧ−ＩDS特性を示すものである。

【００４７】図中曲線（Ａ）はこの実施例における薄膜
トランジスタ５に３０万ｌｘの白色光を入射した場合の
特性を示し、図中曲線（Ｂ）は遮光層がない薄膜トラン
ジスタ５の３０万ｌｘの白色光を入射した場合の特性を
示し、図中曲線（Ｃ）はこの実施例における薄膜トラン
ジスタ５に光を入射しない場合の特性を示すものであ
る。

【００４８】この図からわかるように、この実施例の薄
膜トランジスタ５では３０万ｌｘの白色光を入射しても
オフ領域でのドレイン電流ＩDSはほとんど変化しないこ
とがわかる。

【００４９】上記したように、光電流が発生するところ
のみを遮光しているため層構造を増やすこと無しに光電
流の発生しないアクティブマトリクス型の液晶表示装置
に用いられるスイッチング用の薄膜トランジスタを提供
できる。

【００５０】

【発明の効果】以上詳述したように、この発明によれ
ば、新たに遮光膜層を設けることなく、光を効率良く遮
光でき、光電流の発生を防止することができる薄膜トラ
ンジスタおよびそれを用いた液晶表示装置を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例における薄膜トランジスタ
の構成を示す断面図。

【図２】図１の薄膜トランジスタが用いられる液晶表示
装置の構成を示す斜視図。

【図３】図２の液晶駆動素子の構成を示す回路図。

【図４】図１の薄膜トランジスタの構成を示す上面図。

【図５】この発明の原理を説明するための薄膜トランジ
スタの断面図。

【図６】この発明の実施例と従来例の光電流を比べたグ
ラフの特性を示す図。

【図７】薄膜トランジスタのゲート電圧−ソース、ドレ
イン電流の特性を示す図。

【符号の説明】

１…薄膜トランジスタ基板（絶縁基板） ２…液晶駆動素子 ３、〜…データ信号ライン ４、〜…タイミング信号ライン ５…薄膜トランジスタ ７、〜…液晶画素 １１…活性層（半導体薄膜） １１ａ…チャネル部 １１ｂ…ソース領域 １１ｃ…ドレイン領域 １２…シリコン酸化膜 １３…ゲート電極 １４、１５…層間絶縁膜 １６…ソース電極 １７…ドレイン電極 １８…保護膜

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁基板上に形成される薄膜トランジス
   タにおいて、 上記絶縁基板上に形成され、チャネル領域、ソース領
   域、ドレイン領域からなる半導体薄膜と、 この半導体薄膜のチャネル領域上に形成されるゲート電
   極膜と、 上記半導体薄膜のソース領域上の一部に接触した状態で
   形成され、端部がソース領域の端部から少数キャリア拡
   散長分、チャネル領域上に延長して遮光するソース電極
   膜と、 上記半導体薄膜のドレイン領域上の一部に接触した状態
   で形成され、端部がドレイン領域の端部から少数キャリ
   ア拡散長分、チャネル領域上に延長して遮光するドレイ
   ン電極膜と、 少なくとも上記ゲート電極膜上に形成され、上記ゲート
   電極膜と上記ソース電極膜、上記ゲート電極膜とドレイ
   ン電極膜とを絶縁するゲート絶縁膜と、 を具備したことを特徴とする薄膜トランジスタ。
2. 【請求項２】 マトリクス状に配置される複数本の信号
   線及び走査線と、 これらの信号線及び走査線の各交点部分に配置され、絶
   縁基板上に形成され、チャネル領域、ソース領域、ドレ
   イン領域からなる半導体薄膜と、この半導体薄膜のチャ
   ネル領域上に形成されるゲート電極膜と、上記半導体薄
   膜のソース領域上の一部に接触した状態で形成され、端
   部がソース領域の端部から少数キャリア拡散長分、チャ
   ネル領域上に延長して遮光するソース電極膜と、上記半
   導体薄膜のドレイン領域上の一部に接触した状態で形成
   され、端部がドレイン領域の端部から少数キャリア拡散
   長分、チャネル領域上に延長して遮光するドレイン電極
   膜と、少なくとも上記ゲート電極膜上に形成され、上記
   ゲート電極膜と上記ソース電極膜、上記ゲート電極膜と
   ドレイン電極膜とを絶縁するゲート絶縁膜とからなる薄
   膜トランジスタと、 この薄膜トランジスタにより作動される液晶と、 を具備したことを特徴とする液晶表示装置。