JPH02210330A - 液晶電気光学装置 - 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】 本発明は基板上にたてチャネル型の積層型の絶縁ゲイト
型半導体装置を設けた液晶電気光学装置に関する。

さらに本発明は基板上の積層型の絶縁ゲイト型電界効果
半導体装置のソースまたはドレインに連結してキャパシ
タを有せしめた複合半導体装置を設けた液晶電気光学装
置に関する。

本発明はかかる複合半導体装置をマトリックス構造に基
板上に設け、液晶表示型のデイスプレィ装置を設けるこ
とを特徴としている。

本発明は表面型の固体表示装置を設ける場合、平行なガ
ラス板内に電極を設けてこの電極間に液晶を注入した液
晶表示装置が知られている。しかしこの場合この表示部
の絵素数は２０〜２００までが限界であり、それ以上と
する場合はこの表示部より外にとり出す端子が絵素の数
だけ必要となってしまうため全く実用に供することがで
きなかった。

このためこの表示部を複数の絵素とし、それをマトリッ
クス構成させ、任意の絵素を制御してオンまたはオフ状
態にするにはその絵素に対応した電界効果半導体装置（
ＩＣＦという）を必要としていた。そしてこのＩＣＦに
制御信号を与えてそれに対応した絵素をオンまたはオフ
させたものである。

この液晶表示部はその等価回路としてキャパシタ（以下
Ｃという）にて示すことができる。このためＩＧＦとＣ
とを例えば２×２のマトリックス構成（４０）せしめた
ものを第１図に示す。

第１図においてマトリックス（４０）はひとつのＩＣＦ
　（１０）とひとつのＣ（３１）によりひとつの絵素を
構成させている。これを行に＜５１）、　（５１’）と
ビット線に連結し、他方ゲイトを連結して列（４１）　
、　（４１″）を設けたものである。

すると、例えば（５１）、　（４１）を”１”とし、（
５１’）、　（４１″）を”Ｏ′とすると（１，１）番
地のみを選択してオンとし、電気的にＣ（３１）として
等制約に示される液晶表示を選択的にオン状態にするこ
とができる。

本発明は同一基板上にデコーダ、ドライバーを構成せし
めるため、他の絶縁ゲイト型半導体装置（５０）および
他のインバータ（６０）、抵抗（７０）を同一基板上に
設けることを目的としている。

かくすることにより本発明をその設計仕様に基づいて組
合わせることによりブラウン管に代わる平面テレビ用の
固体表示装置を作ることができた。

さらにカリキュレータ用の表示装置は１０”〜ｌＯ″ケ
の絵素を累いればよく、ＴＶ用には１０’〜ｌＯ５個例
えば２５　Ｘ　１０’個の絵素を同一基板に設け、かつ
その周辺に必要なデコーダおよびドライバーを同時に形
成させたＩＧＦ、インバータ、抵抗を用いて作ればよい
ことがわかる。

本発明にかかるシステムを作るために必要な積層型のＩ
ＣＦおよびそれに液晶表示部を連結させた絵素に関する
ものである。

第２図は本発明の積層型ＩＧＦのたでの断面図およびそ
の製造工程を示したものである。

図面において絶縁基板例えばガラスまたはアルミナ基板
上にＰ゛またはＮ゛型の導電型を有する第１の半導体（
２）（以下単にＳｌという）トンネル電流を流しうる厚
さの絶縁または半絶縁膜（３）第２の真性またはＮまた
はＰ型の半導体（４）（以下単にＳ２という）、第１の
半導体と同一導電型を有する第３の半導体（５）（以下
単にＳ３という）を積層して設けた。

この半導体は基板上にシランのグロー放電法を利用して
室温〜５００°Ｃの温度にて設けたもので、非晶質（ア
モルファス）または半非晶質（セミアモルファス）構造
の珪素半導体を用いている。本発明においてはセミアモ
ルファス半導体（以下ＳＡｓという）を中心として示す
。このＳＡＳに関して本発明人の発明になる特許側例え
ば特願昭５５−１４３８８５　（５５，１０，１５出願
）（セミアモルファス半導体）、特願昭５５−１２２７
８６　（５５，９，４出願）（半導体装置）、特願昭５
５−０２６３８８　（５５，３，３出願）（セミアモル
ファス半導体）にその詳細な実施例が示されている。

さらに第２図においてフォトリソグラフィー技術により
Ｓ３を選択的に除去し、さらにこの８３・をマスクとし
てＳ２を除去した。このフォトエツチングの終点をみる
ため絶縁または半絶縁膜（以下単に絶縁膜という）　（
１３）は窒化珪素をして設けた。

さらにその厚さは５〜３０人のうすさであり、第１の半
導体をプラズマ照射にされたアンモニア雰囲気にさらす
ことにより成就した。次にこの絶縁膜（１３）を化学的
に除去した後第２図（Ｂ）を得た。

このＳ３の上にこの後に形成された絶縁膜をさらに厚く
作るため、あらかじめＬＰＣＶＤ法（減圧気相法）によ
り０．３〜１μの厚さに酸化珪素膜を形成しておいても
よい。またこの３３上にＭＯ２Ｗを０．２〜０，５μさ
らにその上にＳｉＯ□を０．３〜１μとさせてＳ３の導
電率を向上させることはマトリックス化に有効であった
。

また第２図（Ｂ）において側面は基板（１）表面上に垂
直に形成してもよいが、台形上にテーバエッチをしてさ
らに積層されるゲイト電極の段差部での段切を除去する
ことは効果的であった。

さらに第２図（Ｃ）に示される如く、フォトリソグラフ
ィー技術によりＳｌを任意の所定形状を形成した。図面
ではこのため（１１）にて基板表面が露光させた。

さらにこの後このＳｌ、Ｓ２、Ｓ３の表面全体に絶縁膜
（６）を形成した。この絶縁膜は１３．５６ＭＨｚ〜２
．４５ＧＨｚの周波数の電磁エネルギにより活性化して
酸素または酸素と水素との混合気体雰囲気に１００〜７
００℃に浸して酸化して形成した。

さらにＬＰＣＶＤ法により窒化珪素またはリンガラスを
形成させた多層構造としてもよい。

すると３２　（１４）の側周辺にはゲイト絶縁物（１６
）としてこの絶縁物（１６）が形成され、Ｓｌ、Ｓ３の
表面はアイソレイション用被膜として形成させることが
できた。

さらに（Ｄ）に示される如く、第３のフォトリソグラフ
ィー技術によりＳ　１　（１２）に対し電極穴（８）を
３３　（１５）に対し電極穴（７）を形成しゲイト電極
に連結する金属または半導体層を再度積層した。

次に第４のフォトリソグラフィー技術によりこの膜を選
択的にエツチングして、ゲイト電極（１７）をゲイト絶
縁物（１６）　、　（１６°）と２方向に設けて作り、
同時に３１　（１２）、Ｓ　３　（１５）より電極穴を
介して他部のＩＧＦ、キャパシタ、抵抗へ基板表面また
は絶縁物（６）上に密接して配線させた。

第２図（Ｄ）のたて断面図のＡ−Ａ’を横方向よりみる
と第２図（Ｅ）　として示すことができる。番号はそれ
ぞれ対応させている。

本発明の半導体は主としてＳＡＳを用い、その中の不対
結合手の中和用に水素を用いており、かつ基板と半導体
、電極リードが異種材料であり、それらの熱膨張による
ストレスを少なくするため、すべての処理を３００〜６
００°Ｃ以下好ましくは３００°Ｃ以下でするとよかっ
た。

またゲイト電極（１７）を８１、Ｓ３と同一導電型の半
導体およびそれにＭｏ等の金属を二重構造とした多層配
線構造でもよい。

かくしてソースまたはドレインを３１　（１２）、チャ
ネル形成領域（９Ｌ（９’）を有するＳ　２　（１４）
、ドレインまたはソースを３３　（１５）により形成せ
しめ、チャネル形成領域側面にはゲイト絶縁物（１６）
　、　（１６°）その外側面にゲイト電極（１７）を設
けた積層型の■ＧＦ旦辺涜作ることができた。

この発明においてチャネル長Ｓ　２　（１４）の厚さで
決められ、ここでは０．０５〜０．５μとした。それは
ＳＡＳの移動度が単結晶とは異なりその１７５〜１／１
００シかないため、チャネル長を短くしてＩＣＦとして
の特性を助長させることにある。

ＳＡＳは電子のバルク移動度が１００〜５００ｃｍ”Ｖ
／Ｓと１７３〜１／１０であるのに対し、ホールのそれ
は５〜１００ｃｍ”Ｖ／Ｓと１１５〜１／１００である
。しかしそれにアモルファス珪素が電子０．１　＝１０
ｃｍ”ν／Ｓ、ホールは０．０１ｃｍ”Ｖ／Ｓ以下に比
べて１０〜１０３倍も長いことを考えると、本発明の半
導体装置にマイクロクリスタル構造を有するＳＡＳを用
いたことはきわめて重要なことである。

さらに本発明のＩＣＦにおいて、電子移動度がホールに
比べて単結晶の３倍よりも大きく５〜１００倍もあるた
めＮチャネル型とするのがきわめて好ましかった。

そのためＳ２には不純物を表面部に添加しない真性半導
体はＮ−型であるためこれをＰ型として用いた。

第３図は他の本発明のＩＧＦのたて断面図およびその製
造工程を示したものである。

第３図（八）において基板（１）上にＳＡＳの珪素膜を
３１　（２）として形成させた。さらにフォトリソグラ
フィー技術により選択エツチングを行ない、基板（１）
の一部（１１）を露呈させた。

次にこのＳＡＳを結晶化するための光（レーザ）アニー
ル、熱アニールまたはこれらを併用してこのＳＡＳを単
結晶または多結晶構造に変成させた。加熱温度は基板材
料での熱ストレスを防ぐため、７００℃以下にさせた。

このＳ　１　（２）は基本的にはＳ２、Ｓ３とエツチン
グレートが変わればよい。このためＳｌはＰまたはＮ型
の酸素または窒素が添加されてＳｔｏ、−Ｘ（０，５＜
ｘ＜２）　、Ｓ　１ｓＮｓ−Ｘ（１＜ｘ＜４）の化学量
論を有する真性または半絶縁性を有する半導体であって
もよい。

第３図（Ｂ）に示す如く、この後この上面に８２（４）
を真性、Ｎ−またはＰ型でさらにＳｌと同一の導電型に
３３　（５）をＰまたはＮ型に積層して同一反応炉によ
り形成せしめた。

さらに第３図（Ｃ）に示す如く、このＳ　２　（４）、
５３（５）を概略同一形状に選択的に他部を除去して形
成し、Ｓ　２　（１４）、Ｓ　３　（１５）をＳ　１　
（１２）上に設けた。

この後このＳｌ、Ｓ２、Ｓ３上表面を酸化して絶縁膜（
６）として設けた。この時Ｓ　２　（１４）の側周辺は
ゲイト絶縁膜（１６）として設けられ、他部はアイソレ
イシラン膜として設けた。

次に第３のフォトリソグラフィー技術を用いて電極穴ま
たはコンタクト部（７）、　（８）を用いてその全上表
面に半導体または導体の膜を設けた。この膜を第４のフ
ォトリソグラフィー技術により選択的に除去してＳ　１
　（１２）にはその他部への連続電極リード（２２）を
、Ｓ　３　（１５）にはコンタクト（７）を介して同様
の電極、リードを設け、またＳ　２　（１４）の側周辺
のチャネル形成領域（９）　、　（９”）の側面のゲイ
ト電極（１６）、　（１６’）上にはゲイト電極（１７
）を構成した。

このようにしてソースまたはドレインをＳ　１　（１２
）によりチャネル形成領域（９）　、　（９”）を３２
　（１４）により、ドレインまたはソースを３３　（１
５）により構成せしめた。ゲイトはゲイト絶縁物（１６
）　、　（１６’）とゲイト電極（１７）よりなってい
る。このようにしてゲイト電極を”１″、ソースまたは
ドレインを”１”とすると、チャネル形成領域を電流が
流れオン状態を、またそれぞれが一方または双方が”Ｏ
ｍならばオフ状態を作ることができた。

”１”はＮチャネル型ＩＧＦでは正の０．５〜ＩＯＶの
電流を、０″はＯ■またはスレッシュホルド電圧以下の
電流を意味する。

Ｐチャネル型のＩＣＦはその電極の極性を変えればよい
、これらの論理系は第１図、第２図においてもまた以下
の第３図または本発明の実施例においても同様である。

また第１図の抵抗（７０）は第２図（Ｄ）　、　（Ｅ）
および第３図（Ｄ）においてゲイトに加える電圧に無関
係に３２のバルク成分の抵抗率で決められる。すなわち
ゲイト電極を設けない状態で３１、Ｓ２、Ｓ３を積層す
ればよい。またこの抵抗値はＳ２の抵抗率とその厚さ、
基板上にしめる面積で設計仕様に従って決めればよい。

第１図のインバータ（６０）においてドライバー（６１
）は第２図、第３図（ロ）とし、さらにそのロード（６
４）はＳ　３　（１５）、Ｓ　１　（１２）の一方とゲ
イト電極（１７）との連結させるエンヘンスメント型ま
たはデイプレッション型のＩＣＦとした。

さらにこのインバータ（６０）の出力は（６２）よりな
り、この基板上に離間して２つのＩＣＦを積層して複合
化すればよく、入力部はゲイト電極（１７）に対応して
設ければよい。

第４図（Ａ）は他の本発明のたて断面図を示したもので
ある。すなわち基板（１）に３１　（１２）、５２（１
４）、Ｓ　３　（１５）およびゲイト部がゲイト絶縁物
（１６）、ゲイト電極（１７）によりなっているＩ　Ｇ
　Ｆ　（１０）と、Ｓ　１　（１２）でかつ電気系に連
結した他部はキャパシタの一方の電極（２２）を有し、
かつこの他部は液晶表示の一方の電極（３２）をも構成
させている。すなわちＳｌはふたつのキャパシタの一方
の電極となっている。そしてそのひとつのキャパシタは
蓄積容量を大きくとり液晶表示の表示時間を長くするた
めに用いられている。

すなわち第１図において特定のＩＣＦがオン状態となる
時間が１０〜１００ｎ秒であっても、液晶パネルとキャ
パシタが並列に接続されているため液晶表示はその表示
が１〜１０００ｍ秒も有するいわゆる残光特性をもたし
めることができた。このため蓄積（ストーレイジ　キャ
パシタ）が大きいと例えばＴＶのブラウン管に対応する
平面パネルでの表示があざやかになり、かつ絵素の数が
１０４〜１０５ケになり、それらをデジタル的にスキャ
ンしていても他の絵素に０″、′ドを表示しつづけるこ
とが可能になる。この蓄積容量の有効性は絵素の数が１
０ケ以上になった際見ている人に目のつかれを覚えさせ
ないために有効である。

またこの蓄積容量のキャパシタはゲイト絶縁物（１６）
と同一材料としたことにより、同一バッジ式に何らかの
新たな工程を必要とせず作ることができた。しかしこの
容量を小面積で増加するため、酸化珪素ではなく窒化珪
素、酸化タンタルその他強誘電体を用いてもよい。

本発明におけるＳ　１　（１２）に電気的に接続されて
いる他の電極（３２）は電極穴（２５）を介して設けら
れている。これらＩＧＦｌｌ上にポリイミドまたはＰＴ
Ｑ等の眉間絶縁物を１〜３μの厚さに設け、それを選択
的にフォトリソグラフィー技術により設ければよい。こ
の電極（３２）がひとつの絵素の大きさを決定する。カ
リキュリータ等においては０゜１〜５ＩＩＩＩｌｌφま
たはく形を有している。しかし第１図の如き走査型の方
式において、１〜５０μ口をマトリックス状として５０
０　Ｘ　５００とした。液晶表示部（３１）はこの基板
上に半導体装置電極を設けた一方の極と他方をＩＴＯ等
の透明電極（２７）を有するガラス板（２８）とを１〜
２０μｍの間げきを有せしめて対応させそこに例えばネ
マチック型の液晶（２６）を注入して設けた。

またデイスプレーをカラー表示してもよい。さらに例え
ばこれらの絵素が三重に重ね合わされてもよい。そして
赤緑青の３つの要素を交互に配列せしめればよい。

第４図（Ａ）が蓄積キャパシタと液晶キャパシタで等価
回路にて示される液晶とを並列に連結して設けたのに対
し、第４図（Ｂ）は直列に設けたものである。

すなわちＳ　１　（１２）に電気的に連結した一方の電
極（２２）上に誘電膜（２３）、他方の電極（２４）、
さらにこの電極（２４）に連結した第２の液晶キャパシ
タ（３１）の一方の電極（３２）が開口（２５）を介し
て連結しており、この電極（３２）に対応して透明電極
による対抗電極（２７）が液晶（２６）の誘電体をはさ
んで設けられている。

第４図（Ａ）　（Ｂ）で明らかな如く、本発明は基板（
１）上に複数のＩＧＦキャパシタ、抵抗または同時にサ
ンドウィッチ構造として液晶表示の平面パネルを設けた
ことを特徴としている。

さらに図面より明らかな如（、上方よりの光照射に対し
て、Ｉ　Ｇ　Ｆ　（１０）に光が照射して”０”状態の
時リークしてしまうことを防止するためこれを上方より
おおい、絵素の一方の電極（３２）を設けていることを
他の特徴としている。

加えて従来と異なり、絶縁基板上に完全に他の絵素とア
イソレイトしてＩＣＦを積層型に設けていることはきわ
めて大きな特徴であり、特にこの全行程を６００°Ｃ以
下特に３００°Ｃ以下の温度で作ることが可能であるこ
とは、このパネルが大面積としても熱歪の影響を受けに
くいという大きな特徴を有している。

加えて本発明に用いた半導体は非単結晶構造を中心とし
ており、特にＳＡＳというアモルファスと単結晶との中
間構造であって、かつ６００°Ｃまでの熱エネルギに対
して安定なことは本発明の他の特徴である。

特にＳＡＳは１０〜１００人の大きなマイクロクリスタ
ル構造の格子歪を有する非単結晶半導体であり、その製
造には５００ＫＨｚ〜３ＧＨｚの誘導エネルギを使って
も温度が３００″Ｃまでで充分であり、加えてその電子
・ホールの拡散長がアモルファス珪素の１００〜１０’
倍も大きいという物性的特性を有している。かかる非単
結晶半導体を基板上に積層する構造により、ＩＧＦを設
けたこと、加えてここを電流がたて方向に流れるためチ
ャネル長が０．１〜１μのマイクロチャネル型ＩＧＦを
高精度のフォトリソグラフィー技術を用いずに作ること
ができることがきわめて大きな特徴である。

さらに本発明においてＩＧＦとしての特性はＳＡＳの特
性にかんがみ、そのスレッシュホールド電圧（Ｖｌｌ）
は例えばドープをイオン注入法で行なうのではなく、Ｓ
２に添加する不純物の添加量と加える高周波パワーによ
り制御する点も特徴である。

ソノタメ耐圧２０〜３０■、Ｖ　ｒ１４＝−４〜４　Ｖ
を＋Ｑ。

２ｖの範囲で制御できた。さらに周波数特性がチャネル
長が０．１〜１μのマイクロチャネルのため、これまで
の単結晶型の絶縁ゲイト型半導体装置の１１５〜１１５
０を非単結晶半導体を用いたのにもかかわらず得ること
ができた。

また逆方向リークではあるが、第１図に示すようなＳｌ
と３２との間に窒化珪素を１０〜４０人の厚さに挿入す
ることによりこのＮ”−Ｐ接合またはＰ”−Ｎ接合のリ
ークは逆方向にＩＯＶを加えてもＬＯｍＡ以下であった
。これは単結晶の逆方向リークに匹敵する好ましいもの
であった。

また３１に例えば酸素を１０〜３０モル％添加すると、
第３図に示した構造においては同様に逆方向にリークが
少なく、無添加の場合に比べて１／１０〜１ノ１０倍も
リークが少なかった。このリークが少ないことが第１図
のマトリックス構造を実施する時きわめて有効であるこ
とは当然である。

さらにこの逆方向リークはこの積層型の８１、Ｓ２、Ｓ
３をともにアモルファス珪素の半導体のみで作った場合
、逆方向バイアスをＩＯＶ加えると１ｍＡ以上あったが
、これをＳＡＳとすると５〜５０ｎＡにまで下がった。

それはＳｌ、Ｓ３のＰまたはＮ型の半導体におけるＢＳ
Ｐの不純物が置換型に配位し、そのイオン化率が単結晶
と同じく４Ｎ以上となったことおよびその活性化エネル
ギもアモルファスの場合の０．２〜０．３ｅＶより０．
００５〜０．００１ｅＶと小さくなったことにある。

このため−度配位した不純物が積層中にアウトデイフュ
ージョンせず結果として接合がきれいにできたことによ
企。

すなわち本発明は積層型ＩＣＦであること、そこに非単
結晶半導体を用いたこと、特にＳＡＳを用いたこと、さ
らにＳｌと８２の間の接合を明確にするためＳｌに酸化
窒素を同時に添加し主にエネルギバンド巾として逆耐圧
を上げたこと、または絶縁または半絶縁膜を介在させた
ＳＩＳ接合としたことを特徴としている。

さらにかかる積層型のＩＧＦのため従来のように高精度
のフォトリソグラフィー技術を用いることなく、基板特
に絶縁基板上に複数個のＩＣＦ、抵抗、キャパシタを作
ることが可能になった。そして液晶表示デイスプレーに
まで発展させることが可能となった。

本発明における半導体は珪素、絶縁体は酸化珪素または
窒化珪素を用いた。しかし半導体としてゲルマニューム
、ＩｎＰ、ＢＰ、ＧａＡｓ等を用いてもよい。また非単
結晶半導体ではなく単結晶半導体を、またＳＡＳではな
くその結晶粒径の大きな多結晶半導体であってもよいこ
とはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による液晶電気光学装置に用いる絶縁ゲ
イト型半導体装置、インバータ抵抗、キャパシタまたは
絶縁ゲイト型半導体装置とキャパシタとを絵素としたマ
トリックス構造の等価回路を示す。 第２図、第３図は本発明による液晶電気光学装置に用い
る積層型絶縁ゲイト型半導体装置の工程を示すたて断面
図である。 第４図は本発明の積層型絶縁ゲイト型半導体装置とキャ
パシタまたは液晶とを一体化した平面デイスプレーを示
す複合半導体のたて断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、絶縁ゲイト型電界効果半導体装置に対して液晶表示
   装置と電荷蓄積用キャパシタとが並列に接続された構造
   であって、前記絶縁ゲイト型電界効果半導体装置上に前
   記液晶表示装置の一方の電極が設けられたことを特徴と
   する液晶電気光学装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、液晶表示装置の一
   方の電極は、絶縁ゲイト型電界効果半導体装置へ光が照
   射されないように設けられたことを特徴とする液晶電気
   光学装置。