JPH04158580A - 多結晶シリコン薄膜トランジスタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明はアクティブマトリクス型液晶デイスプレィの駆
動素子に用いる多結晶シリコン薄膜トランジスタの素子
構造に関する。

（ロ）従来の技術 アクティブマトリクス型液晶デイスプレィの駆動素子と
してＭＩＭや薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などが使用さ
れている。

このうち、ＴＰＴの半導体材料としてはアモルファスシ
リコンや多結晶シリコンなどが使用される。

多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−５ｉ）はアモルファスシリ
コン（ａ−５ｉ）に比べて移動度が高いため、ＴＰＴの
高速化に有利である。

しかし、多結晶シリコン薄膜トランジスタ（ｐｏ　Ｉ　
ｙ−５１ＴＦＴ）の問題点として、オフ電流が大きいこ
とが挙げられる。

オフ電流を小さくする対策として、ＴＰＴをデュアルゲ
ート構造にする方法が一般に知られている（Ｒ，Ｅ、　
ＰＲＯＡＮＯ，Ｒ，Ｓ、　ＭＩＳＡＧＥ、　Ｄ、　Ｇ、
　ＡＳＴ、”Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｅｌｅ
ｃｔｒｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｕｎｄ
ｏｐｅｄＰｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　５ｉｌｉｃ
ｏｎ　Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ　ＴｒａｎｓｉｓｔｏｒＳ”
、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｂｅ　ＳＩＤ、　
ｖｏｌ、３０／２．１９８９．）。

このようにデュアルゲート（ダブルゲート）ｉｌｌ造に
した場合の効果としては、日経ＢＰ社電子グループ編の
刊行物「フラットパネル・デイスプレィ゛　９０Ｊ　　
（１５０頁）に記されているように、２つのＴＰＴが直
列接続されたことと等価になるので１つのドレイン接合
にかかる電圧が半減するため、オフ電流が約１桁小さく
なることがある。

この現象はＴＰＴのオフ電流がドレイン接合にかかる電
圧に指数関数的に依存していることに起因する。

ダブルゲート構造のｐｏ　１ｙ−５ｉＴＦＴは上記に述
べたようなリーク電流低減の効果を有している。

第１１図に従来のダブルゲート構造の薄膜トランジスタ
（ＴＰＴ）の平面図を示す。

第】】図において、多結晶シリコン層（ｐｏｌｙ−５ｉ
）（１）の両端がドレインパスライン（８）と画素電極
（９）に接続されている。

一方、多結晶シリコン層（］）を横切ってｎ＋ｐｏｌｙ
−３ｉ製のゲート電極（３）がゲートパスライン（１０
）に接続されている。

多結晶シリコン層（ＩＪの外形線とゲート電極（３）の
外形線とで囲まれる領域（ハツチングで示す）をＴＰＴ
の動作領域（１２）と称することにする。

ゲート電極（３）内に設けられたスルーホール（６）は
多結晶シリコンの端部（１１）と交差している。

第１１図中のＸＩＩ−ＸＩＩ線で従来のＴＰＴを切断し
た切断図を第１２図に示す。

第１２図において、多結晶シリコン層（１）はドープさ
れた左右のドレイン電極（４）とソース電極（５）と動
作領域（１２）とから構成されている。

動作領域（１２）上に熱酸化５ｉＯｔ膜（２）があり、
熱酸化Ｓ１０．膜（２）の上にドープされたｐｏｉｙ−
Ｓｉｉｉｊのゲート電極（３）が形成されている。

ドレイン電極（４）、ソース電極（５）及びゲート電極
（３）はいずれも保護絶縁膜（７）で覆われている。

保護絶縁膜（７）の開口部において、それぞれドレイン
電極（４）に金属製のドレインパスライン（８）、ソー
スを極（５）にＩＴＯ製の画素電極が接続されている。

尚、多結晶シｊｌコン層（１）の下地は石英製の基板（
１３）である。

同様な構造のＴＰＴとして、動作領域を二つ以上に分割
したり（特開昭６１−３６９７２号公報）、動作領域に
短冊状の溝を設けたり（特開昭６１−２９５６６４号公
報）、ゲート電極の分割を非動作領域まで広げたり（特
開昭６２−４２５６３号公報）、絶縁基板上に溝を形成
してチャネル輻を増大させたり（特開昭６２−６３５７
５号公報）することが提案されている。

第１１図に見られる従来のＴＰＴにおいては、多結晶シ
リコンの端部（１１）とゲート電極（３）の境界が複数
個所で交わっている。

従来のＴＰＴ構造はバターニングを行った多結晶シリコ
ン層（１）の端部までチャネルとしているため、多結晶
シリコン層の端部のトラップ準位を介したリーク電流が
新たに発生し、ダブルゲートによる効果が小さくなると
いう問題があった。

駆動素子のオフ電流が大きくなるとｐｏｌｙ−５ｉＴＦ
Ｔの応用例であるアクティブマトリクス型液晶表示装置
において、表示が不安定になったり、表示の鮮明さが失
われたりする欠点が生ずる。

（ハ）発明が解決しまうとする課題 本発明はゲート電極のスルーホールを多結晶シリコンの
端部と離して形成することにより、オフ電流を効率的に
抑えられるｐ。１ｙ−ＳｉＴＦＴを提供するものである
。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明のｐｏ　Ｉｙ−５ｉＴＦＴは、多結晶シリコン層
の外形線とゲー）！極の外形線とで囲まれる動作領域内
のゲート電極に、この動作領域の外形線と離れたスルー
ホールを設けたことを特徴とする。

（ホ）作用 本発明のＴＰＴは動作領域内のゲート電極にスルーホー
ルを設けているので、ＴＰＴのドレイン、ソース閤の電
流の経路は、ゲート電極のスルーホール部のドープされ
たｎ４′又はｐ＋のｐｏｌｙ−５ｉの動作領域を通りド
ープされていないｐ。

１ｙ−５ｉの動作領域の端部を通らないため、ｐｏｌｙ
−５ｉＴＦＴのリーク電流が低減する働きが生ずる。

（へ）実施例 本発明のｐｏｌｙ−５ｉＴＦＴの一実施例の電極構造の
平面図を第１図に示す。

第１図において、多結晶シリコン層（１）上にスルーホ
ール（６）を備えたゲート電極（３）が熱酸化Ｓｉｎ、
膜を挟んで重畳されている。

同図でｐｏｌｙ−５ｉ層とゲート電極の外形線の重なり
部は四角形ＡＢＣＤで表されるが、四角形ＡＢＣＤ内を
ＴＰＴの動作領域と呼ぶことにする。

ゲート電極（３）のスルーホール（６）の外形線はＴＰ
Ｔの動作領域（四角形ＡＢＣＤ）内に存在し、且つＴＰ
Ｔの動作領域に接しない。

スルーホール（６）の領域の多結晶シリコン層（１）は
ドープされており、この領域をドープ領域（１４）と言
うことにする。

第１図のスルーホール（６）の外形線は多結晶シリコン
の端部（１１）に接しないため、ドレイン電極からソー
ス電極へ流れる電流は動作領域内のドープ領域を主とし
て通る。

このため、ｐｏｌｙ−５ｉ層の動作領域（四角形ＡＢＣ
Ｄ）の中でも界面準位の多い多結晶シリコンの端部（１
１）周辺を流れる電流はスルーホールがない場合に比べ
て激減する。

第１図のＩ　Ｉ−Ｉ　Ｉ線でｐｏ　ｌ　ｙ−５１ＴＦＴ
の電極を切断した断面図を第２図に示す。

第２図において、ゲート電極（３）は中央部にスルーホ
ール（６）が形成され、スルーホールはゲート！極下の
熱酸化５ｉｎｓ膜（２）にも形ずくられている。

熱酸化Ｓｉｎ、膜（２）下の多結晶シリコン層（１）は
燐［Ｐ］　または硼稟［Ｂ］をドープした左右のドレイ
ン電極（４）及びソース電極（５）並びに非拡散の多結
晶シリコン層及びスルーホール下のドープ領域（１４）
とから構成されている。

第２図でゲート電極（３）下部までドレイン電極（４）
及びソース電極（５）が侵入しているが製造方法として
は斜めにイオン注入したり、２段階のドーピングにより
形成することができる。

後者の構造はＬＤＤ　（ｌ　ｉｇｈｔ　ｌｙ　　ｄｏ−
ｐｅｄ　　ｃｌｒａｉｎ）構造のＴＰＴとして良く知ら
れている（特開平２−８３９４０号公報）１、多結晶シ
リコン層（１）下の基板（１３ンは石英で構成されてい
る。

本発明のｐｏ　１ｙ−５１ＴＦＴは従来のスルーホール
のないダブルゲート構造のｐｏｌｙ−５ｉＴＦＴに比べ
てＯＦＦ電流が１７２〜１／１０になる。

第３図にアクティブマトリクス型ＬＣＤパネルに応用さ
れる本発明の多結晶Ｓｉ薄膜トランジスタ（ｐｏｌｙ−
５ｉＴＦＴ）の平面図を示す。

第３図において、多結晶シリコン層（１）は石英製の基
板（１３）上に形成されており、多結晶シリコン層（１
）の両端は保護絶縁膜のスルーホール部（１５）、（１
５）によってＡＩ、Ｍｏ、Ｔｉ等から成るドレインパス
ライン（８）と透明なＩＴＯ１金属酸化膜等から成る画
素電極（９）に電気接続されている。

ドープされた多結晶シリコン製のゲートパスライン（１
０）及びゲート電極（３）が熱酸化５ｉＯ１膜を介して
多結晶シリコン層上に延在している。

第３図で斜線で示された動作類ｂＪはゲートを極（３）
の外形線と多結晶シリコン層（１）の外形線とで囲まれ
る領域である。

第３図のＩＶ−ＩＶ線でｐｏｌｙ−５ｉＴＦＴを切断し
た断面図を第４図に示す。

第４図において、石英製の基板（１３）上にドープした
ｐｏｌｙ−５ｉ製のドレイン電極（４）及びソースを極
（５）、ｐｏｌｙ−５７製の動作領域（１２）、動作領
域の内でスルーホール（６）下に位置したドープ領域（
１４）が形ずくられている。

ゲート電極（３）及び熱酸化Ｓｔｏｗ膜（２）は動作領
域（１２）上に位置し、５ｉＯｚ膜、ＰＳＧ膜、ＢＰＳ
Ｇ膜又はＳ　ｉＮｘ膜等からなる保護絶縁膜（７）に覆
われている。

保護絶縁膜（７）に開口されたスルーホール部によりド
レイン電極（４）とＡ］製のドレインパスライン（８）
とが、またソース電極（５）とＩＴＯ製の画素電極（９
）とが接触している。

第４図のようなｐ　ｏ　ｌ　ｙ−５１ＴＦＴを液晶表示
装置に適用することにより液晶表示装置のコントラスト
が３０％程度向上する。

第５図に本発明のｐ　ｏ　］　ｙ−５１ＴＦＴの第２の
実施例の電極構造の平面図を示す。

図中のゲート電極のスルーホールはチャネル長の方向に
２個、独立しである。

第５図において、部分的にｎ＋型化されたｎ−型の多結
晶シリコン層（１）とＣｒ又はｎ”ｐ。

ｌｙ　Ｓｉ製のゲート電極（３）が重なり合っている。

第５図をｖｒ−ｖｒ線で切断したときの断面図を第６図
に示す。

第６図でゲート電極（３）と熱酸化Ｓｉｎ、膜（２）に
は共にスルーホール（６）が形成され、スルーホール下
のｐｏｌｙ−Ｓｉはｎ＋にドープされている。

第５図の電極構造はＴＰＴのチャネル長（Ｌ）が長い場
合、有効に働く。

第７図は本発明のｐｏｌｙ−５ｉＴＦＴの第３の実施例
の電極構造の平面図を示す。

第７図において、ゲート電極（３）に設けられたスルー
ホール（６）はチャネル幅の方向に２個設けられている
。

第７図をＶＩ　Ｉ　Ｉ−ＶＩ　Ｉ　Ｘ線で切断したとき
の断面図を第８図に示す。

第７図の電極構造はＴＰＴのチャネル幅（Ｗ）が長い場
合、有効に働く。

第９図に本発明のｐｏ　ｌ　ｙ−５１ＴＦＴの第４の実
施例の電極構造の平面図を示す。

第９図において、ゲート電極は多結晶シリコン層（１）
との重畳部で２個に分割され、各分割されたゲート電極
（３）にスルーホール（６）を形成している。

第９図をＸ−Ｘ線で切断したときの断面図を第１０図に
示す。

第１０図に示すように２個に分割されたゲートを極（３
）間の多結晶シリコン層（１）はドープされて低抵抗化
されたｎ’ｐｏｌｙ−５ｉ製のドープ領域（１４）とな
っている。

第１０図の電極構造は各ＴＰＴの駆動電圧が小さくなり
、ａ（アモルファス）−５ｉＴＦＴに比べて駆動電圧の
大きいｐｏ　１ｙ−５ｉＴＦＴの動作マージンに余裕が
生ずる。

尚、上述の実施例においてはゲート電極と熱酸化５ｒＯ
ｔ膜に共通して貫通するスルーホールを設けているが、
本発明はこれに限定されず、第１３図に示す如く熱酸化
ＳｉＯ，膜にスルーホールを設ける必要はない。

この場合でも、多結晶シリコン膜への不純物導入は半導
体分野の周知の技術で可能である。

（ト）発明の効果 本発明のｐ　ｏ　］　ｙ−５１ＴＦＴは従来のｐｏｌｙ
−８ｉＴＦＴに比べてＯＦＦ電流を小さくすることがで
きる。

本発明の構造のｐ　ｏ　１　ｙ−５１ＴＦＴを液晶表示
装置の画素駆動用ＴＰＴに用いることにより液晶デイス
プレィの画質構造を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のｐ　ｏ　］　ｙ−５１ＴＦＴの電極構
造の第１実施例の平面図、第２図は本発明のｐｏｌｙ−
５ｉＴＦＴの電極構造の第１実施例の断面図、第３図は
液晶表示装置における本発明のｐｏｌｙ−５ｉＴＦＴの
第１実施例の平面図、第４図は液晶表示装置における本
発明のｐｏｌｙ−５ｉＴＦＴの第１実施例の断面図、第
５図は本発明のｐｏｌｙ−５ｉＴＦＴの電極構造の第２
実施例の平面図、第６図は本発明のｐｏｌｙ−５ｉＴＦ
Ｔの電極構造の第２実施例の断面図、第７図は本発明の
ｐｏｌｙ−５ｉＴＦＴの電極構造の第３実施例の平面図
、第８図は本発明のｐｏｌｙ−３ｉＴＦＴの電極構造の
第３実施例の断面図、第９図は本発明のｐｏ　１　ｙ−
５１ＴＦＴの電極構造の第４実施例の平面図、第１０図
は本発明のｐｏｌｙ−５ｉＴＦＴの電極構造の第４実施
例の断面図、第１１図は従来の液晶表示装置におけるｐ
ｏｌｙ−５ｉＴＦＴの平面図、第１２図は従来の液晶表
示装置のｐｏ　ｌ　ｙ−５１ＴＦＴの断面図、第１３図
は本発明の液晶表示装置のｐｏｌｙ−５ｉＴＦＴの断面
図である。 １・・・多結晶シリコン層、２・・・熱酸化Ｓｉｎ、膜
、３・・・ゲート電極、４・・・ドレイン電極、５・・
・ソース電極、６・・・スルーホール部、７・・・保護
絶縁膜、８・・・ドレインパスライン、９・・・画素電
極、１０・・・ゲートパスライン、１１・・・多結晶シ
リコンの端部、１２・・・動作領域、１３・・・基板、
１４・・・ドープ領域、１５・・・スルーホール部。 出願人　　　　　　　　三洋電機株式会社代理人　　　
弁理士　　西野卓嗣（外２名）第１図 第２図 ′？　　　　篇 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図 第１０図 第１１図 第１２図 １２動作領域

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ゲート電極、ゲート絶縁膜、多結晶シリコン層、
   ソース電極並びにドレイン電極の積層体からなる薄膜ト
   ランジスタに於て、 多結晶シリコン層の外形線とゲート電極の外形線とで囲
   まれる領域を動作領域となし、該動作領域内のゲート電
   極に、該動作領域の外形線に非接触の独立したスルーホ
   ールを備えたことを特徴とする多結晶シリコン薄膜トラ
   ンジスタ。