DE68917774T2

DE68917774T2 - Dünnfilm-Halbleitervorrichtung und damit hergestellte Flüssigkristallanzeige.

Info

Publication number: DE68917774T2
Application number: DE68917774T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Hamada; Toshihiko Hirobe; Hiroaki Kato; Hajime Shoji; Toshio Takemoto; Noriko Watanabe
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1988-04-30
Filing date: 1989-04-28
Publication date: 1995-03-16
Anticipated expiration: 2009-04-29
Also published as: DE68917774D1; EP0341003A2; EP0341003B1; EP0341003A3; US5051800A

Description

Die Erfindung betrifft eine Dünnfilm-Halbleitervorrichtung. Spezieller betrifft die Erfindung eine Dünnfilm-Halbleiter- Vorrichtung, die sich zur Verwendung als Schaltelement für eine Bildelementelektrode bei einer Aktivmatrix-Flüssigkristallanzeige eignet. Die Erfindung betrifft ferner eine Flüssigkristallanzeige, die die Dünnfilm-Halbleitervorrichtung verwendet.
Das Aktivmatrix-Ansteuersystem wurde zum Ansteuern einer Flüssigkristallanzeige eingeführt. Siehe zum Beispiel EP-A- 0 179 915. Dieses Ansteuersystein steuert einen Flüssigkristall dadurch an, daß jeder Bildelementelektrode ein Schaltelement und, falls erforderlich, ein Signalspeicherelement zugeordnet werden, die in ein einzelnes Bauelement integriert sind. Bei einer Flüssigkristallanzeige mit dem vorstehend angegebenen Ansteuersystem ist ein Dünnfilmtransistor (TFT = Thin Film Transistor) als Schaltelement in der Nähe jeder Bildelementelektrode vorhanden, und eine Gateelektrode und eine Sourceelektrode, die einander überkreuzen, sind vorhanden, um eine XY-Matrix festzulegen. An die Gateelektrode wird ein Steuersignal zum Schalten des TFTs angelegt, und an die Sourceelektrode wird ein Signal angelegt, das der darzustellenden Information entspricht (nachfolgend als Anzeigesignal bezeichnet), wodurch der Dünnfilmtransistor angesteuert wird und eine Anzeigesignalspannung an jede mit einer Drainelektrode des Transistors verbundene Bildelementelektrode und eine dieser gegenüberstehenden Gegenelektrode der Vorrichtung angelegt wird. Auf diese Weise wird der Anzeigezustand jedes Flüssigkristall-Anzeigeelements gesteuert.
Fig. 1 ist eine Draufsicht auf die Umgebung einer Dünnfilm- Halbleitervorrichtung aus dem Stand der Technik, und Fig. 2 ist ein Querschnitt entlang einer Linie II-II in Fig. 1. Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird der Aufbau einer Dünnfilm- Halbleitervorrichtung 100 aus dem Stand der Technik erläutert. In der Dünnfilm-Halbleitervorrichtung 100 weist ein Dünnfilmtransistor eine Gateelektrode 101, eine aus einem amorphen Siliziumfilm bestehende Halbleiterschicht 103, die auf einem über der Gateelektrode 101 ausgebildeten Gateisolierfilm 102 ausgebildet ist, einen über der Halbleiterschicht ausgebildeten Schutzisolatorfilm 104, n&spplus;-Halbleiterschichten 105a und 105b aus einem phosphordotierten amorphen n&spplus;-Siliziumfilm oder dergleichen, die sowohl über der Halbleiterschicht 103 als auch dem Schutzisolatorfilm 104 ausgebildet sind, und eine Sourceelektrode 106 sowie eine Drainelektrode 107 auf, die auf den n&spplus;-Halbleiterschichten 105a bzw. 105b ausgebildet sind. Der Dünnfilmtransistor ist auf einem elektrisch isolierenden Substrat 109 ausgebildet, das transparent ist, und ferner ist die Drainelektrode 107 mit einer Bildelementelektrode 108 verbunden. Ein Dünnfilmtransistor dieses Typs ist aus "An Amorphous-Si TFT Addressed 3.2 in Full-Color LCD", F. Funada et al, S.I.D. 1986 Digest, S. 293 - 295 bekannt.
Dieser herkömmliche Dünnfilmtransistor wird so ausgebildet, daß sich die Halbleiterschicht über die Kante der Gateelektrode hinaus erstreckt, wie in Fig. 1 dargestellt. Dies dient dazu, die Gefahr eines Leckstroms zu verringern, der zwischen dem Gate und der Source an der Seitenwand der Gatekante herrührend von einer Beschädigung des Gateisolierfilms während der Musterbildung der n&spplus;-Halbleiterschicht ausfließen könnte. Beim Aufbau des herkömmlichen Dünnfilmtransistors ist es offensichtlich, daß tatsächlich eine solche Schwierigkeit wie ein Leckstrom zwischen dem Gate und der Source aufgrund einer Beschädigung des Gateisolierfilms nicht auftritt.
Bei einer Flüssigkristallanzeige vom herkömmlichen Aktivmatrix-Ansteuersystem werden Signale an die Gateelektrode und die Sourceelektrode angelegt, wodurch der an jeder Schnittstelle liegende Dünnfilmtransistor angesteuert wird, und es wird der zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode fließende Strom gesteuert, wodurch die optischen Eigenschaften wie das Drehvermögen und das Transmissionsvermögen des Flüssigkristal 1-Anzeigeelements eingestellt werden. Das Vorliegen oder Fehlen der EIN/AUS-Schalteigenschaft bei den vielen im Anzeigebereich vorhandenen Dünnfilmtransistoren ruft eine Verschlechterung der Anzeigequalität wie eine Verschlechterung des Kontrasts und der Gleichmäßigkeit hervor. Einer der Gründe dieses Mangels ist ein Anstieg des Auszustandsstroms. Der Auszustandsstrom betrifft den Leckstrom, wie er fließt, wenn dar Dünnfilmtransistor durch Setzen des Gates auf niederen Pegel abgeschaltet gehalten wird. Der Leckstrom wird durch Ladungsträger hervorgerufen, wie sie in der den Dünnfilmtransistor bildenden Halbleiterschicht durch z. B. thermische Anregung und optische Anregung erzeugt werden.
Bei einem Versuch mit einer Flüssigkristallanzeige vom Transmissionstyp, die mit dem in Fig. 1 dargestellten Dünnfilmhalbleiter 100 ausgebildet war, konnte bestätigt werden, daß Licht, das von einer Lichtquelle 110 emittiert wurde, die auf der anderen Seite des Substrats 109 als derjenigen lag, an der die Dünnfilmtransistoren ausgebildet waren, auf die Halbleiterschicht 103 aufgestrahlt wird, die sich über die Gateelektrode 101 nach links und rechts hinaus erstreckt, wie in Fig. 2 dargestellt, was Ladungsträger durch optische Anregung erzeugt, was zu einem Anstieg des Auszustandsstroms führt. Genauer gesagt, kommt die Schwierigkeit von der Tatsache her, daß Licht die Halbleiterschicht 103 bestrahlt, da die Breite L2 dieser Halbleiterschicht 103 größer als die Breite L1 der Gateelektrode 101 ist.
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf eine andere bekannte Dünnfilm-Halbleitervorrichtung 111, und Fig. 4 ist ein Querschnitt entlang einer Linie IV-IV in Fig. 3. Unter Bezugnahme auf Fig. 3 und Fig. 4 wird nun diese andere herkömmliche Halbleitervorrichtung 111 beschrieben. Über einem elektrisch isolierenden Substrat 112 ist eine Gateelektrode 113 aus Chrom, Tantal oder dergleichen ausgebildet, und ferner ist ein Gateisolierfilm 114 aus Siliziumnitrid, Tantalpentoxid, Siliziumdioxid oder dergleichen zum Zweck einer Isolierung zwischen der Gateelektrode 113 und anderen Elektroden ausgebildet.
Auf dem die Gateelektrode 113 bedeckenden Gateisolierfilm 114 ist eine aus amorphem Silizium bestehende Halbleiterschicht 115 ausgebildet, die den Kanalbereich für den Dünnfilmtransistor 111 darstellen kann. Über die Halbleiterschicht 115 ist eine Schutzisolatorschicht 116 aus Siliziumnitrid oder dergleichen aufgestapelt, und sie ist so ausgebildet, daß der mittlere Teil beim Photoätzen oder dergleichen verbleibt. Auf dem Teil der Halbleiterschicht 115, aus dem der Schutzisolatorfilm 116 entfernt wurde, werden n&spplus;- Halbleiterschichten 117a und 117b, in denen Elektronen durch Eindotieren von Phosphor Majoritätsladungsträger sind, ausgebildet, um eine Sourceelektrode und eine Drainelektrode zu erzeugen. Die n&spplus;-Halbleiterschichten 117a und 117b bedecken jeweils auch die Kante des Schutzisolatorfilms 116, und sie sind so angeordnet, daß sie auf dem Schutzisolatorfilm 116 einander gegenüberstehen, ohne einander zu berühren. Jede Seite der Halbleiterschicht 115 ist vollständig sowohl vom Schutzisolatorfilm 116 als auch den n&spplus;-Halbleiterschichten 117a und 117b abgedeckt. So werden Dünnfilmtransistoren auf dem Substrat 112 ausgebildet.
Auf einer der n&spplus;-Halbleiterschichten 117a und 117b wird eine Sourceelektrode 118 ausgebildet, und auf der anderen wird eine Drainelektrode 119 ausgebildet. Diese Elektroden bestehen aus Chrom, Titan, Molybdän, Aluminium oder dergleichen. Das dem n&spplus;-Halbleiter 117b gegenüberstehende Ende der Drainelektrode 119 wird elektrisch mit der Bildelementelektrode 120 des Flüssigkristall-Anzeigeelements verbunden. Darüber hinaus ist es auch elegant, daß sowohl die Drainelektrode 119 als auch die Bildelementelektrode 120 mit der transparenten Elektrode integriert sind, die aus Indiumzinnoxid oder dergleichen besteht.
In der folgenden Erläuterung werden eine Richtung L und eine Richtung W wie folgt definiert. Die Richtung L ist (1): die Gegenrichtung in Bezug auf die Sourceelektrode und die Drainelektrode; (2): die Richtung eines Kanalstroms zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode; (3): die die Gateelektrode kreuzende Richtung. Die Richtung L erfüllt sowohl beim Stand der Technik als auch beim untenstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung die Definitionen (1), (2), (3). Darüber hinaus ist die Richtung W eine zur Richtung L rechtwinklig stehende Richtung.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Stand der Technik sind für den Schutzisolatorfilm 116, die n&spplus;-Halbleiterschichten 117a und 117b sowie die Source- und Drainelektrode 118 und 119 die Breiten W1, W2 und W3 in der Richtung w rechtwinklig zur Richtung, in der die n&spplus;-Halbleiterschichten 117a und 117b einander gegenüberstehen, d. h. in Längsrichtung in Fig. 3, so gewählt, daß sie der folgenden Beziehung genügen:
W1 ≥ W2 ≥ W3 (1),
wobei W1 die Breite des Kontaktbereichs zwischen der Halbleiterschicht und der n&spplus;-Halbleiterschicht ist, W2 die Breite des Kanalbereichs ist und W3 die Breite der Sourceelektrode bzw. der Drainelektrode ist.
Beim herkömmlichen Betrieb einer Flüssigkristallanzeige wird Beleuchtungslicht von der Gegenseite des Substrats 112 her eingestrahlt.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm für die Charakteristik der Gate/Drain-Spannung Vgd über dem Drainstrom Id. Im Anfangszustand, d. h. im dunklen Zustand vor einem Betrieb für längere Dauer unter Einstrahlung von Licht, ergibt sich eine Charakteristik für die Gate/Drain-Spannung Vgd über dem Drainstrom Id, wie sie in Fig. 5 durch die durchgezogene Linie 111 dargestellt ist. Ferner zeigt die Charakteristik der Gate/Drain-Spannung Vgd über dem Drainstrom Id, wie im Zustand gemessen, bei dem Ladungsträger durch Einstrahlung von Licht in der Halbleiterschicht 115 erzeugt wurden, daß sich die Charakteristik für den Zustand eines ausgeschalteten TFTs von der durchgezogenen Linie 111 in Fig. 5 zur gestrichelten Linie 112 ändert. Das Ausmaß der Änderung in der Auszustandscharakteristik hängt von der Leuchtstärke ab. Wenn die Betriebs zeit unter Einstrahlung von Licht ausreichend kurz wäre, wäre die Änderung zwischen der Charakteristik 111 und der Charakteristik 112 reversibel. Daher ändert sich nach Unterbrechen der Lichteinstrahlung die im dunklen Zustand gemessene Vgd/Id-Charakteristik wieder zu der als 111 dargestellten Charakteristik.
Wenn dagegen Betrieb unter Lichteinstrahlung für längere Zeit erfolgt, verschiebt sich die Vgd/Id-Charakteristik in der negativen Richtung von Vgd, wie zur durchgezogenen Linie 113 im dunklen Zustand und zur gestrichelten Linie 114 bei Lichteinstrahlung. Das Ausmaß der Verschiebung hängt von der Leuchtstärke und der Betriebsdauer während Lichteinstrahlung ab. Daher ist die Verschiebung um so größer, je mehr die Leuchtstärke erhöht wird und je mehr die Betriebsdauer unter Lichteinstrahlung verlängert wird. Der Mechanismus dieses Effekts wird im folgenden erläutert.
Wenn Licht von der Gegenseite des Substrats 112 her eingestrahlt ist, erreicht das Licht, da der Gateisolierfilm 114 transparent ist, den Bereich der Halbleiterschicht 115, in dem es nicht durch die Gateelektrode 113 abgeschattet wird. Die Energie dieses Lichts erzeugt aus Elektron/Loch-Paaren bestehende Ladungsträger in der Halbleiterschicht 115. In diesem Zustand, d. h. nach Betrieb für lange Dauer unter Lichteinstrahlung; ist im Bereich A, in dem die elektrische Feldstärke in der Richtung zwischen der Source- und der Drainelektrode schwach ist, wie durch den kreuzweise schraffierten Bereich in Fig. 3 angezeigt, die Driftzeit für Ladungsträger (Laufzeit im Kanal) länger als diejenige im Kanalbereich, wo die Stärke hoch ist. Daher ist die Wahrscheinlichkeit des Einfangs von Ladungsträgern in den Gateisolierfilm 114 durch die an die Gateelektrode 113 angelegte Gate/Drain-Spannung Vgd groß. Dann verschiebt sich die Schwellenspannung Vth durch die eingefangenen Ladungsträger.
Demgemäß wird beim Aufbau der Dünnfilm-Halbleitervorrichtung 111 im Fall eines Betriebs unter Lichteinstrahlung über längere Dauer das Schaltelement selbst dann nicht vollständig abgeschaltet, wenn die Gate/Drain-Spannung Vgd so eingestellt wird, daß das Schaltelement abgeschaltet wird, um die Ladungsträger beizubehalten, die sich zwischen der Anzeigeelementelektrode 120 und der Gegenelektrode angesammelt haben. Daher nimmt die an die Flüssigkristallschicht anlegbare Effektivspannung ab. Demgemäß kann es in der Anzeigequalität zu Ungleichmäßigkeit kommen, oder der Kontrast kann schwächer werden. Anders gesagt, ist, da sich die Funktionsqualität des Dünnfilmhalbleiters 111 verschlechtert, die Zuverlässigkeit des den Dünnfilmhalbleiter 111 beinhaltenden Flüssigkristall-Anzeigeelements schlecht.
Fig. 6 ist eine Draufsicht auf einen dritten bekannten Dünnfilmtransistor, wobei Bezugssymbole, die dieselben wie in Fig. 3 sind, Teile kennzeichnen, die gleich sind wie solche in Fig. 3 oder solchen entsprechen. Der entlang einer Linie IV-IV in Fig. 6 erstellte Querschnitt ist derselbe wie in Fig. 4. Unterschiede gegenüber der Dünnfilm-Transistorvorrichtung 113 von Fig. 3 sind die Form der Halbleiterschicht 115 und die Größe sowohl des Schutzisolatorfilms 116 als auch der n&spplus;-Halbleiterschichten 117a und 117b. Für den Schutzisolatorfilm 116, die n&spplus;-Halbleiterschichten 117a, 117b sowie die Source- und Drainelektrode 118, 119 in Fig. 6 sind die Breiten W1, W2 und W3 in derselben Richtung wie der in Fig. 3 dargestellten so ausgewählt, daß sie der folgenden Bedingung genügen:
W2 ≥ W1 ≥ W3 (2).
Wie zuvor ist W1 die Breite des Kontaktbereichs zwischen der Halbleiterschicht und der n&spplus;-Halbleiterschicht, W2 ist die Breite des Kanalbereichs, und W3 ist die Breite sowohl der Source-, als auch der Drainelektrode.
Äuch bei einer Dünnfilm-Halbleitervorrichtung mit einem Aufbau, wie er in Fig. 6 dargestellt ist, existiert ein durch Kreuzschraffierung gekennzeichneter Bereich A, in dem die elektrische Feldstärke in der Richtung zwischen der Source- und der Drainelektrode schwach ist. Daher ist dann, wenn die Vorrichtung für lange Dauer unter Lichteinstrahlung betrieben wird, die Wahrscheinlichkeit, daß Ladungsträger in der Halbleiterschicht 115 erzeugt werden und im Gateisolierfilm im Bereich A, wo die elektrische Feldstärke in der Richtung zwischen der Source- und der Drainelektrode schwach ist, eingefangen werden, hoch. Diese eingefangenen Ladungsträger verursachen eine Verschiebung der Charakteristik der Gate/Drain-Spannung Vgd über dem Drainstrom Id auf ähnliche Weise wie im Fall der Dünnfilm-Halbleitervorrichtung 111 von Fig. 4, was zu einer Verschlechterung der Funktionsqualität der Dünnfilm-Halbleitervorrichtung führt. Dies bedeutet auch, daß die Zuverlässigkeit der Vorrichtung schlecht ist.
Es wurden Modelle zur Erläuterung des unerwünschten Effekts beim Stand der Technik, wie vorstehend beschrieben, untersucht. Im Ergebnis wurde der Einfluß von Licht in verschieden geformten TFTs untersucht. Daher schlägt die Erfindung auf Grundlage der Überlegungen eine zufriedenstellende Lösung für das Probßem im Stand der Technik vor.
Die erste Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dünnfilm-Halbleitervorrichtung zu schaffen, die dazu in der Lage ist, den Auszustandsstrom zu verringern, wie er durch die Erzeugung von Ladungsträgern durch optische Anregung hervorgerufen wird, und die Verschiebung der Schwellenspannung Vth zu verringern, sowie eine Flüssigkristallanzeige zu schaffen, die die Dünnfilm-Halbleitervorrichtung verwendet.
Die zweite Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dünnfilm-Halbleitervorrichtung zu schaffen, die keine Ladungsträger ansammelt, wie sie durch optische Anregung in der Halbleiterschicht erzeugt werden, und die dadurch dazu in der Lage ist, eine Verschlechterung der Qualität einer die Dünnfilm- Halbleitervorrichtung verwendenden Flüssigkristallanzeige zu verhindern und deren Zuverlässigkeit zu verbessern.
Gemäß einer ersten Erscheinungsform schafft die Erfindung eine Dünnfilm-Halbleitervorrichtung mit einer Laminatstruktur, die auf einem elektrisch isolierenden Substrat angeordnet ist, wobei die Laminatstruktur folgendes aufweist:
- eine auf dem Substrat ausgebildete Gateelektrode;
- eine die Gateelektrode und das Substrat abdeckende erste Isolierschicht;
- eine auf der ersten Isolierschicht über der Gateelektrode ausgebildete Halbleiterschicht;
- eine auf der Halbleiterschicht so ausgebildete zweite Isolierschicht, daß nur der Teil um die Mitte der Halbleiterschicht verbleibt, wobei die zweite Isolierschicht eine erste Breite in einer ersten Richtung im wesentlichen rechtwinklig zur Richtung des Stromflusses durch die Halbleiterschicht, wenn die Vorrichtung eingeschaltet wird, aufweist;
- Source/Drain-Halbleiterbereiche, die im wesentlichen auf der Halbleiterschicht ausgebildet sind und so angeordnet sind, daß sie eine zweite Breite in einer Richtung im wesentichen parallel zur ersten Richtung aufweisen; und
- Source/Drain-Elektroden, die im wesentlichen auf den jeweiligen Source/Drain-Halbleiterbereichen ausgebildet sind und so angeordnet sind, daß sie eine dritte Breite in einer Richtung im wesentlichen parallel zur ersten Richtung aufweisen; dadurch gekennzeichnet, daß
- die dritte Breite größer ist als die zweite Breite oder gleich groß und daß die zweite Breite größer ist als die erste Breite oder gleich groß.
Gemäß einer zweiten Erscheinungsform schafft die Erfindung eine Flüssigkristallanzeige mit Dünnfilm-Halbleitervorrichtungen gemäß der ersten Erscheinungsform und mit Zeilenelektroden und Spaltenelektroden, die einander schneiden, gegeneinander isoliert sind und auf dem elektrisch isolierenden Substrat ausgebildet sind, wobei die Dünnfilm-Halbleitervorrichtung an jeder Schnittstelle zwischen den Zeilenelektroden und den Spaltenelektroden ausgebildet ist.
Bei der Erfindung existiert aufgrund der Beziehung zwischen den Längen in der Richtung W der Source/Drain-Elektroden, der Source/Drain-Bereiche und des Kanalbereichs kein Gebiet in der Halbleiterschicht, in der die elektrische Feldstärke in der Richtung zwischen der Source- und der Drainelektrode schwächer als im Kanalbereich ist. Daher ist selbst nach einem Betrieb unter Lichteinstrahlung für lange Dauer die Laufzeit für durch Einstrahlung erzeugte Ladungsträger zum Durchlaufen der Halbleiterschicht kurz. Demgemäß ist, da auch die Wahrscheinlichkeit, daß Ladungsträger in der Isolatorschicht eingefangen werden, ziemlich gering ist, die Verschiebung der Charakteristik der Dünnfilm-Halbleitervorrichtung, wie sie durch die Ladungsträger verursacht wird, vernachlässigbar klein. Daher kann eine Verschlechterung der Funktionsqualität der Halbleitervorrichtung verhindert werden, und die Zuverlässigkeit der Dünnfilm-Halbleitervorrichtung ist verbessert.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erstreckt sich kein Teil der Halbleiterschicht über die Gateelektrode hinaus. So wird, wenn Licht von der Seite des elektrisch isolierenden Substrats, die von derjenigen abgewandt ist, auf die die Vorrichtung auflaminiert ist, das Licht an der Gateelektrode abgeschattet und daher nicht auf die Halbleiterschicht aufgestrahlt. Demgemäß werden keine Ladungsträger durch optische Anregung erzeugt, und der durch die Ladungsträger hervorgerufene Auszustandsstrom kann wesentlich verringert werden. Ferner nimmt die Verschiebung der Schwellenspannung Vth, wenn die Vorrichtung für lange Dauer unter Lichteinstrahlung betrieben wird, auf einen Wert ab, der bei gewöhnlichem Betrieb vernachlässigbar ist.
Erfindungsgemäß ist die Anzeigequalität der Flüssigkristallanzeige stark verbessert, da eine Dünnfilm-Halbleitervorrichtung hoher Qualität bereitgestellt werden kann.
Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine herkömmliche Dünnfilm-Halbleitervorrichtung 100.
Fig. 2 ist ein Querschnitt entlang einer Linie II-II in Fig. 1.
Fig. 3 ist ein Draufsicht auf eine zweite Dünnfilm-Halbleitervorrichtung 111 aus dem Stand der Technik.
Fig. 4 ist ein Querschnitt entlang einer Linie IV-IV in Fig. 3.
Fig. 5 ist ein Diagramm, das für die Charakteristik Gate/Drain-Spannung Vgd über dem Drainstrom Id erläuternd ist.
Fig. 6 ist eine Draufsicht auf eine dritte Dünnfilm-Halbleitervorrichtung, die zum Stand der Technik gehört.
Fig. 7 ist eine Draufsicht auf eine Dünnfilm-Halbleitervorrichtung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist.
Fig. 8 ist ein Querschnitt entlang einer Linie VIII-VIII in Fig. 7.
Fig. 9 ist eine Schrägdarstellung eines Querschnitts durch einen Flüssigkristall-Anzeigeabschnitt, der mit einer erfindungsgemäßen Dünnfilm-Halbleitervorrichtung versehen ist.
Fig. 10 ist ein Querschnitt, der eine vereinfachte Struktur einer Aktivmatrix-Flüssigkristallanzeige zeigt.
Fig. 11 ist eine Zeichnung zum Erläutern des Betriebsprinzips einer Aktivmatrix-Flüssigkristallanzeige.
Unter Bezugnahme auf Fig. 7 und Fig. 8 wird im folgenden eine Dünnfilm-Halbleitervorrichtung 11, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, erläutert.
Jeder Film, aus der die nachfolgend beschriebene Dünnfilm- Halbleitervorrichtung besteht, wird im allgemeinen durch eine herkömmliche Photolithographietechnik zu einer gewünschten Form gemustert. Zunächst wird eine Gateelektrode durch ein Schichtmaterial wie Chrom oder Tantal durch Sputtern auf ein elektrisch isolierendes Substrat 12 wie ein transparentes Glassubstrat hergestellt. Ein Gateisolierfilm 14 aus Siliziumnitrid, Tantalpentoxid, Siliziumdioxid oder dergleichen wird über der gesamten Fläche auf derjenigen Seite des Substrats 12 ausgebildet, auf der die Gateelektrode 13 ausgebildet ist. Der Gateisolierfilm 14 wird aufgebracht, um für eine elektrische Isolierung der auf dem Substrat 12 ausgebildeten Gateelektrode 13 gegenüber einer später beschriebenen Halbleiterschicht und einer anderen Busleitung für Elektroden zu sorgen.
Auf dem Gateisolierfilm 14 werden eine Halbleiterschicht 15 aus amorphem Silizium oder dergleichen, die einen Kanal für einen Dünnfilmtransistor bildet, und ein Schutzisolierfilm 16 aus Siliziumnitrid oder dergleichen aufeinanderfolgend durch ein Plasma-CVD-Verfahren aufgeschichtet. Der auf die obere Schicht aufgeschichtete Schutzisolatorfilm 16 wird durch Photoätzen oder dergleichen mit solcher Form ausgebildet, daß nur der Teil um die Mitte der Halbleiterschicht 15 verbleibt.
Um auf der Halbleiterschicht 15 eine Sourceelektrode und eine Drainelektrode auszubilden, deren beide Seiten so freiliegen, daß der Schutzisolierfilm 16 die Grenze bildet, werden aus einem amorphen n&spplus;-Siliziumfilm oder dergleichen bestehende n&spplus;-Halbleiterschichten 17a und 17b, die durch Eindotieren von Phosphor in amorphes Silizium hergestellt werden, durch ein Plasma-CVD-Verfahren so aufgeschichtet, daß sie einander gegenüberstehen, ohne sich zu kontaktieren, und sie werden gemeinsam mit der Halbleiterschicht 15 gemustert.
Daher ist die dem Gateisolierfilm 14 nicht zugewandte Fläche der Halbleiterschicht 15 vollständig entweder mit dem Schutzisolatorfilm 16 oder den n&spplus;-Halbleiterschichten 17a und 17b bedeckt. Die aufgeschichteten n&spplus;-Halbleiterschichten 17a und 17b werden zusammen mit der Halbleiterschicht 15 so ausgebildet, daß ihre Ränder innerhalb des Gebiets der Gateelektrode 13 eingegrenzt sind. Ein Metall wie Chrom, Aluminium, Titan, Molybdän oder dergleichen wird durch ein Sputterverfahren auf die n&spplus;-Halbleiterschichten 17a und 17b aufgestapelt, um eine Sourceelektrode 18 und eine Drainelektrode 19 zu bilden. Danach wird ein transparenter, leitender Film aus z. B. Indium-Zinn-Oxid (ITO) durch Sputtern aufgestapelt, um Bildelementelektroden 20 zu bilden.
Wenn sowohl die n&spplus;-Halbleiterschichten 17a und 17b als auch die Halbleiterschicht 15 gleichzeitig geätzt werden, werden sie mit Mustern ausgebildet, deren Breiten in der Richtung L kleiner sind als die Breite der Gateelektrode. Genauer gesagt, werden die n&spplus;-Halbleiterschichten 17a und 17b sowie die Halbleiterschicht 15 so ausgebildet, daß die von links nach rechts in Fig. 7 dargestellten Breiten L3 und L4 der folgenden Ungleichung genügen:
L3 < L4 (3).
Daher wird eine Dünnfilm-Halbleitervorrichtung gebildet, bei der sich kein Teil der Halbleiterschicht 15 über die Gateelektrode 13 in der Richtung L hinaus erstreckt (Richtung von links nach rechts in Fig. 8).
Gemäß dem Aufbau der Dünnfilm-Halbleitervorrichtung ist die Halbleiterschicht 15 durch die Gateelektrode 13 abgeschirmt, wenn der Dünnfilmtransistor von der Seite des Substrats 12 her angesetzt wird, auf der der Dünnfilmtransistor nicht ausgebildet ist. Daher wird von unten in Fig. 8 eingestrahltes Licht an der Gateelektrode 13 abgeschattet, ohne daß es die Halbleiterschicht 15 erreicht. So kann die Erzeugung von Ladungsträgern in der Halbleiterschicht 15 durch optische Anregung sicher verhindert werden. Daher kann der Auszustandsstrom aufgrund der durch optische Anregung erzeugten Ladungsträger sicher verringert werden.
Auch sind beim Aufbau der Dünnfilm-Halbleitervorrichtung die Breiten W4, W5 und W6 in der Richtung W (vertikale Richtung in Fig. 7) rechtwinklig zur Richtung, in der die n&spplus;-Halbleiterschichten 17a und 17b einander gegenüberstehen, d. h. die Breite des Schutzisolatorfilms 16, die Breite der n&spplus;-Halbleiterschichten 17a und 17b sowie die Breite der Source-und Drainelektrode 18 und 19 so ausgewählt, daß sie der folgenden Ungleichung genügen:
W6 ≥ W5 ≥ W4 (4).
Anders gesagt, ist W4 die Breite des Kanalbereichs, W5 ist die Breite des Kontaktbereichs zwischen der Halbleiterschicht und der n&spplus;-Halbleiterschicht, und W6 ist die Breite sowohl der Sourceelektrode als auch der Drainelektrode.
Beim vorstehend beschriebenen Aufbau existiert, da die Breite W6 der Source- und der Drainelektrode 18 und 19 der Breite W5 des längsten Teils des Halbleiters 15 in der Richtung W rechtwinklig zur Richtung, in der die n&spplus;-Halbleiterschichten 17a und 17b einander gegenüberstehen, entspricht oder größer ist als diese, in der Halbleiterschicht 15 kein solches Gebiet A wie beim Stand der Technik, in dem die elektrische Feldstärke in der Richtung zwischen der Source- und der Drainelektrode schwach ist. Daher ist im Fall eines Betriebs für eine lange Dauer unter Lichteinstrahlung selbst dann, wenn Ladungsträger in der Halbleiterschicht 15 aufgrund eingestrahlten Lichts erzeugt werden und nach der Einstellung transportiert werden, die Wahrscheinlichkeit des Einfangs von Ladungsträgern in den Gateisolierfilm ziemlich gering, da die Ladungsträger sich nicht ansammeln. Anders gesagt, ist die Verschiebung der Gate/Drain-Spannung Vgd über dem Drainstrom Id vernachlässigbar klein.
Die mit dem zuvor beschriebenen Aufbau hergestellte Dünnfilm-Halbleitervorrichtung arbeitet z. B. als Schaltelement für jede Bildelementelektrode in einer Flüssigkristallanzeige mit Aktivmatrix-Ansteuersystem. Unter Bezugnahme auf Fig. 9 und Fig. 10 wird im folgenden eine Flüssigkristallanzeige beschrieben, die mit der Dünnfilm-Halbleitervorrichtung versehen ist.
Auf einer Fläche eines Glassubstrats 12, das einem anderen Glassubstrat 22 gegenübersteht, sind Gateelektroden 13 ausgebildet, die sich mit konstantem Abstand in der Richtung von links nach rechts in Fig. 9 erstrecken. Ein Gateisolatorfilm 14 ist über der gesamten Fläche auf derjenigen Seite des Substrats 12 ausgebildet, auf der die Gateelektrode 13 ausgebildet ist. Auf dem Gateisolatorfilm 14 sind Sourceelektroden 18 mit konstantem Abstand in der Richtung rechtwinklig zu der der Gateelektrode 13 ausgebildet. Dünnfilmtransistoren mit dem Aufbau der erfindungsgemäßen Dünnfilm- Halbleitervorrichtung sind auf dem die Gateelektrode 13 abdeckenden Gateisolierfilm 14 ausgebildet, und zwar entsprechend zur Umgebung jeder Schnittstelle zwischen einer Gateelektrode 13 und einer Sourceelektrode 18. Die Drainelektrode 19 in den Dünnfilmtransistoren ist mit den Bildelementelektroden 20 verbunden. Eine Ausrichtschicht 21 ist auf der vorstehend beschriebenen, auf dem Substrat 12 ausgebildeten Struktur ausgebildet, und zwar zum Zweck der Ausrichtung der Molekülachsen des Flüssigkristalls. Auf der anderen Fläche des Substrats 12 ist ein Polarisator 27 angeordnet.
Auf einer Fläche des anderen Glassubstrats 22, das dem Glassubstrat 12 gegenübersteht, ist eine Gegenelektrode 23 ausgebildet, die sich in Fig. 9 in der Richtung von links nach rechts erstreckt, und eine Ausrichtschicht 24 ist auf derjenigen Oberfläche ausgebildet, auf der die Gegenelektrode 23 ausgebildet ist. Auch ist, wie es in Fig. 10 dargestellt ist, ein Farbfilter 24 an derjenigen Position des Substrats 12 angeordnet, die der Bildelementelektrode gegenübersteht, und zwar zum Zweck einer Farbanzeige. Ferner ist auf der anderen Seite des Glassubstrats 22 ein Polarisator 28 angeordnet, der auch als Analysator bezeichnet wird.
Eine Flüssigkriställanzeige 35 wird dadurch hergestellt, daß die Glassubstrate 12 und 22 einander gegenüberstehend angeordnet werden und der Raum zwischen den Ausrichtschichten 21, 24 und Abdichtteilen 30, die die Glassubstrate halten, mit Flüssigkristall 25 aufgefüllt wird. Die Flüssigkristallanzeige 35 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Transmissions-Flüssigkristallanzeige angegeben, und eine Lichtquelle 31 ist außerhalb eines Polarisators 27 (Unterseite in Fig. 9 und Fig. 10) angeordnet.
Fig. 11 zeigt das Betriebsprinzip der Flüssigkristallanzeige mit Aktivmatrix-Ansteuersystem, wenn sie mit einzelnen Speicherelementen versehen ist, wobei Dünnfilmtransistoren als Schaltelemente verwendet werden. In dieser Figur weist die Flüssigkristallanzeige 35 folgendes auf: eine mit einem Gatebus 51 verbundene Abrasterschaltung 52; eine Halteschaltung 54, die einem Sourcebus 53 Anzeigesignale zuführt; Dünnfilmtransistoren 55, von denen jeder als Schaltelement arbeitet und an der Schnittstelle einer Matrix angeordnet ist, die durch einen Gatebus und einen Sourcebus gebildet wird; einen Signalspeicherkondensator 56 zum Halten der Anzeigesignale; und ein Flüssigkristall-Anzeigeelement 57. Die Flüssigkristallanzeige rastert die Abrasterelektroden des Gatebusses 51 der Reihenfolge nach in einem zeilensequentiellen Ablauf ab, wobei sie alle Dünnfilmtransistoren 55 auf einem Gatebus 51 gleichzeitig einschaltet, und sie führt jedem der Signalspeicherkondensatoren 56 von der Halteschaltung 56 über den Sourcebus 53 Anzeigesignale zu. Das Zugeführte Anzeigesignal kann den Flüssigkristall anregen, bis das nächste Vollbild aktiviert wird.
Im folgenden wird der Anzeigevorgang der wie vorstehend beschrieben aufgebauten Flüssigkristallanzeige mit Aktivmatrix-Ansteuersystem kurz erläutert, wobei der verdrillt nematische Modus und der Normalerweise-hell-Modus als Beispiele verwendet werden.
Im Zustand, bei dem keine Spannung an den Flüssigkristall 25 angelegt wird, sind die Kristallmoleküle des Flüssigkristalls 25 durch die Ausrichtschichten 21 und 24 im verdrillt nematischen Zustand ausgerichtet. Die Polarisationsrichtungen der Polarisatoren 27 und 28 sind so ausgerichtet, daß von einer Lichtquelle 31 eingestrahltes Licht in einer vorgegebenen Richtung polarisiert wird, durch den Flüssigkristall hindurchläuft und an der Gegenseite austritt. Wenn jedoch eine vorgegebene Spannung über die Gatebusleitung 51 an die Gateelektrode 13 des Dünnfilmtransistors angelegt wird, sammeln sich Ladungsträger in der Halbleiterschicht 15 über der Gateelektrode 13 an, und die Sourceelektrode 18 und die Drainelektrode 19 werden leitend geschaltet. Da die Sourceelektrode 18 über die Sourcebusleitungen 53 immer mit der Spannung des Anzeigesignals versorgt wird- wird durch Einschalten des Dünnfilmtransistors eine Spannung an die Bildelementelektrode 20 angelegt. Daher wird zwischen der Bildelementelektrode 20 und der Gegenelektrode 23, die einander mit dazwischenliegendem Flüssigkristall 25 gegenüberstehen, ein elektrisches Feld erzeugt.
Demgemäß ändert sich die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle des Flüssigkristalls 25 durch das elektrische Feld, und die Polarisationsrichtung des aus der Lichtquelle 31 eingestrahlten Lichts unterscheidet sich von der Polarisationsrichtung des Polarisators 28, so daß kein Licht zur Außenseite durchgelassen wird. Wenn dieser Anzeigebetrieb von der Anzeigeseite her gesehen wird, d. h. von der Oberseite in Fig. 10, wird ein Bildelement in dunklen Zustand versetzt, wenn die im Speicherkondensator 56 abgespeicherte Anzeigesignalspannung, wie sie an den Flüssigkristall angelegt wird, größer als die Schwellenspannung des Flüssigkristalls ist, und andernfalls ist das Bildelement in den transparenten Zustand versetzt, um für eine Farbanzeige abhängig von der Farbe des Farbfilters 34 zu sorgen. Durch dieses Prinzip kann durch einzelnes Betreiben einer sehr großen Anzahl von in einer Matrix über die gesamte Anzeigefläche angeordneten Bildelementen ein gewünschtes Bild oder eine Information dargestellt werden.
Daher kann mit der Dünnfilm-Halbleitervorrichtung mit dem oben angegebenen Aufbau der Auszustandsstrom wesentlich verringert werden. Eine Flüssigkristallanzeige, die die Dünnfilm-Halbleitervorrichtung als Schaltelement verwendet, ist dazu in der Lage, die Qualität stark zu verbessern, da eine Verschlechterung der Anzeigequalität wie eine Verschlechterung des Kontrasts und der Gleichmäßigkeit verhindert werden kann.
Obwohl die Beschreibung des vorigen Ausführungsbeispiels eine Flüssigkristallanzeige vom Transmissionstyp behandelt, ist die Erfindung auch auf eine Flüssigkristallanzeige vom Reflexionstyp anwendbar.
Bei einer Flüssigkristallanzeige vom Reflexionstyp wird die Intensität des auf den Dünnfilmtransistor gestrahlten Lichts im allgemeinen klein eingestellt. D. h., daß durch Beschichten der Seite des Substrats, auf der der Dünnfilmtransistor nicht ausgebildet ist, mit einem undurchsichtigen Material in Matrixform, was als Schwarzmatrix bezeichnet wird, an einer dem Dünnfilmtransistor gegenüberstehenden Position, auf den Dünnfilmtransistor gestrahltes Licht im wesentlichen abgeschattet wird, um zu verhindern, daß das Licht die Halbleiterschicht erreicht. So tritt keine Erzeugung von Ladungsträgern aufgrund einer optischen Anregung auf.
Obwohl die Beschreibung des Ausführungsbeispiels der Erfindung eine Dünnfilm-Halbleitervorrichtung behandelt, die bei einer Flüssigkriställanzeige verwendet wird, kann die Dünnfilm-Halbleitervorrichtung auch bei einer anderen Anordnung als einer Flüssigkristallanzeige verwendet werden.
Obwohl beim Ausführungsbeispiel die n&spplus;-Halbleiterschichten 17a und 17b durch Eindotieren von Phosphor in einen amorphen Siliziumfilm hergestellt sind, können diese n&spplus;-Halbleiterschichten 17a und 17b durch Eindotieren von Arsen in einen amorphen Siliziumfilm hergestellt werden. Auch kann eine p+- Halbleiterschicht, die durch Eindotieren von Bor in einen amorphen Siliziumfilm hergestellt wurde, für den Aufbau des Dünnfilmtransistors verwendet werden.
Ferner ist beim oben angegebenen Ausführungsbeispiel die Breite W5 der n&spplus;-Halbleiterschichten 17a und 17b in der Richtung W rechtwinklig zur Richtung L, in der die n&spplus;-Halbleiterschichten 17a und 17b einander gegenüberstehen, d. h. die Breite des Kontaktbereichs zwischen der Halbleiterschicht und der n&spplus;-Halbleiterschicht so gewählt, daß sie der Breite W4 des Schutzisolatorfilms 16 entspricht oder größer ist, d. h. der Breite des Kanalbereichs in der Halbleiterschicht in der Richtung w. Selbst wenn die Halbleiterschicht 15 kreuzförmig ausgebildet wird, wie die Halbleiterschicht 115 von Fig. 6, und die Breite W4 des Schutzisolatorfilms 16 (die Breite des Kanalbereichs) in der Richtung W größer gemacht wird als die Breite W5 der n&spplus;-Halbleiterschichten 17a und 17b (Breite des Kontaktbereichs) in der Richtung W, kann dasselbe Ergebnis wie beim vorstehend angegebenen Ausführungsbeispiel dadurch erzielt werden, daß die Breite W6 der Source- und der Drainelektrode 18 und 19 in der Richtung W größer gemacht wird als sowohl die Breite W4 als auch die Breite W5.
Die Erfindung kann auf verschiedene andere Arten als diejenigen bei den vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen realisiert werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Daher sind die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele lediglich veranschaulichende Beispiele. Der Schutzbereich der Erfindung wird ausdrücklich durch die folgenden Ansprüche festgelegt.

Claims

1. Dünnfilm-Halbleitervorrichtung (11), mit einer Laminatstruktur (13 bis 19), die auf einem elektrisch isolierenden Substrat (12) angeordnet ist, wobei die Laminatstruktur (13 bis 19) folgendes aufweist:

- eine auf dem Substrat (12) ausgebildete Gateelektrode (13);

- eine die Gateelektrode (13) und das Substrat (12) abdekkende erste Isolierschicht (14);

- eine auf der ersten Isolierschicht (14) über der Gateelektrode ausgebildete Halbleiterschicht (15);

- eine auf der Halbleiterschicht (15) so ausgebildete zweite Isolierschicht (16), daß nur der Teil um die Mitte der Halbleiterschicht (15) verbleibt, wobei die zweite Isolierschicht (16) eine erste Breite (W4) in einer ersten Richtung im wesentlichen rechtwinklig zur Richtung (L) des Stromflusses durch die Halbleiterschicht (15), wenn die Vorrichtung (11) eingeschaltet wird, aufweist;

- Source/Drain-Halbleiterbereiche (17a, 17b), die im wesentlichen auf der Halbleiterschicht (15) ausgebildet sind und so angeordnet sind, daß sie eine zweite Breite (W5) in einer Richtung im wesentichen parallel zur ersten Richtung aufweisen; und

- Source/Drain-Elektroden (18, 19), die im wesentlichen auf den jeweiligen source/Drain-Halbleiterbereichen (17a, 17b) ausgebildet sind und so angeordnet sind, daß sie eine dritte Breite (W6) in einer Richtung im wesentlichen parallel zur ersten Richtung aufweisen; dadurch gekennzeichnet, daß:

- die dritte Breite (W6) größer ist als die zweite Breite (W5) oder gleich groß und daß die zweite Breite (W5) größer ist als die erste Breite (W4) oder gleich groß.

2. Dünnfilm-Halbleitervorrichtung (11) nach Anspruch 1, bei der sich kein Teil der Halbleiterschicht (15) über die Gateelektrode (13) hinaus erstreckt.

3. Flüssigkristallanzeige (35) mit Dünnfilm-Halbleitervorrichtungen (55) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, und mit Zeilenelektroden (51) und Spaltenelektroden (53), die einander schneiden, gegeneinander isoliert sind und auf dem elektrisch isolierenden Substrat (l2) ausgebildet sind, wobei die Dünnfi1m-Halbleitervorrichtung (55) an jeder Schnittstelle zwischen dem Zeilenelektroden (51) und den Spaltenelektroden (53) ausgebildet ist.