JPH02230130A

JPH02230130A - 液晶電気光学装置

Info

Publication number: JPH02230130A
Application number: JP1326551A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1989-12-15
Filing date: 1989-12-15
Publication date: 1990-09-12

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】本発明は基板上に設けられた積層型の絶縁ゲイト型半導
体装置付電気光学装置に関するものである。

従来より、表示型の図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（ＩＧＦという）を必要としていた。そし
てこのＩＧＦ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るものが求められていた。

本発明は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、絵素とするこ
とを目的としたものである。

そのため絶縁ゲイト型電界効果半導体装置上に、上部が
平坦化された絶縁膜が設けられ、さらに該絶縁膜上には
液晶表示装置が設けられた構造としたのである。

即ち本発明は基板上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であり、そしてかかる複合半導体装
置をマｌ−　ＩＪックス構造に基板上に設け、液晶表示
型のディスプレイ装置を設けたことを特徴としている。

ＩＧＦとキャパシタ（以下Ｃという）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。ここで液晶表示部はその等価回路としてＣとして示
すことができる。

第１図においてマトリックス（４０）はひとつの■Ｇ　
Ｆ　（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”０”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
て等価的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たものである。

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る。

さらにカリキュレー夕用の表示装置は１０２〜１０３ケ
の絵素を累いればよく、ＴＶ用には１０’〜１０ｓ個例
えば２５Ｘ１０’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ＩＣＦ、インバータ、抵抗を用いて作ればよいこと
がわかる。

第２図は本発明の積層型ＩＧＦのたての断面図およびそ
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Ｓ１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の室温に設けたもので、非品質（アモ
ルファス）または半非品質（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なる特許願例えば特
願昭５５−１４３８８５（５５．１０．１５出願）（セ
ミアモルファス半導体）、特願昭５５−１２２７８６（
５５．９．４出願）（半導体装置）、特願昭５５−０２
６３８８（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。このフォトエッ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）　（１
３）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Ｓ３上にＭｏ，Ｗを０．２〜０．５μさ
らにその上にＳｉＯｚ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・ンチをして
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Ｓ１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Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の表面全体に絶縁膜
（６）を形成した。この絶縁膜はｌ．３．５６ＭＨｚ〜
２．　４５ＧＨｚの周波数の磁場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
〜７００’Ｃ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３　２　（１４）の側周辺にはゲイト絶縁物（１
６）としてζの絶縁物（１６）が形成され、Ｓ１、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
３　３　（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
択的にエッチングして、ゲイト電極（ｌ７）をゲイト絶
縁物（１６）　，　（１６’）と２方向に設けて作り、
同時に５　１　（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℃以下でするとよかった
。

またデイト電極（１７）を３１、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《してソースまたはドレインを５　１　（１２）、チ
ャネル形成領域（９）．（９’）を有するＳ　２　（１
４）、ドレインまたはソースを３　３　（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（１
７）を設けた積層型のＩＣ　Ｆ　（１０）を作ることが
できた。

この発明においてチャネル長は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１／５〜１／
１００　Ｌ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１／３〜１／１０であるのに対し、ホールのそれ
は５〜１００ｃＩｌｚｖ／Ｓと１／５〜１／１００テあ
る。しかしそれにアモルファス珪素は電子のバルク移動
度が０．１〜１０ｃｍ”Ｖ／Ｓ，ホールのそれは０．０
１ｃｍ”ν／Ｓ以下であり、これに比べてＳＡＳの移動
度はｌＯ〜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ＩＧＦ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（Ａ）において基板（１）上にＳＡＳの珪素膜を
３　１　（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ッチングを行ない、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゜Ｃ以下にさせた
。

この３　１　（２）は基本的にはＳ２、Ｓ３と工・νチ
ングレートが変わればよい。このためＳ１はＰまたはＮ
型の酸素または窒素が添加されて３　１　０　２−１１
（０．５＜ｘ＜２）　、Ｓ　ｉｚＮａ−（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３２（４）
を真性，Ｎ〜またはＰ型で、さらにＳ１と同一の導電型
に３　３　（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）、
Ｓ３（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３　１　
（１２）上に設けた。

この後この３１，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
イション膜として設けた。

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（７Ｌ　（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ＳＬ（１２）に
よりチャネル形成領域（９），（９’）を３　２　（１
４）により、ドレインまたはソースをＳ　３　（１５）
によりそれぞれ構成せしめた。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′０
”ならばオフ状態を作ることができた。

”１″はＮチャネル型ＩＣＦでは正の０．５〜ＩＯＶの
電流を、′０″はＯ■またはスレンシュホールド電圧以
下の電流を意味する。

Ｐチャネル型のＩＧＦ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Ｓ１、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（Ｄ）とし、さらにそのロード（６
４）はＳ　１　（１２）、Ｓ　３　（１５）の一方とゲ
イ１・電極（１７）との連続させるエンヘンスメント型
またはディプレッション型の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ＩＧＦを積層して複合
化しやすく、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３　１　（１２）、Ｓ２（
１４）、Ｓ　３　（１５）およびゲイト部がゲイト絶縁
物（１６）、ゲイト電極（１７）とよりなっている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Ｓ１はふたつのキャパシタの一
方の電橿となっている。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ｉＧＦがオン状態となる
時間が１０〜１００　ｎ秒であっても、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
ためしたものである。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
ず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〜・１０Ｓ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“、′１”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
絵累の数が１０ケ以」二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
いた他の電極（３２）は電極穴（２５）−’１介して設
けられている。これらＩ　Ｇ　Ｆ　（１０）上にポリイ
ミドまたはＰＩＱ等の層間絶縁物を１〜３μの厚さに設
番３゛、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）がひと一つの絵素
の大きさを決定する。カリキュリータ等においてはＯ。

１〜５ｍｍφまたは矩形を有している。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５００　Ｘ　５００とし２た。液晶表示部
（３１）はこの基板上に半導体装置電極を設乙」た−一
一方の極と他方をＩＴＯ等の透明電極（２８）を有する
ガラス板（２８）とを１−２０μ［ｎの間げきを有せ１
．２めで対応させそこに例えばネマチック型の液晶（２
６）を注入して設けた。

またディ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等価回
路にて示される液晶と並列に連結して設けたのに対し、
第３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）ｌに誘電膜（２３）、他方の電極（２４）、
さらにこの電極（２４）ζこ連結した第２の液晶キャパ
シタ（３１）の一方の電極（３２）が閉口（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く、上方よりの光照射に対し
て、Ｉ　Ｃ　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ＩＧＦを上方よ
り覆い、絵素の一方の電極（３２）を設けていることを
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１・シて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ことになる。

加えて本発明の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Ｓ　Ａ　Ｓ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５００Ｋ！＋ｚ〜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
・〜１０５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、
ＩＣＦ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ＩＣＦを高精度のフメ・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ＩＣＦとしての特性はＳΔＳの特
性にかんがみ、そのスレッシュホールド電圧（ＶＴＭ）
は例えばドーブ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・ζ
こより制御する点も特徴で々）る。

そのため耐圧２０〜３０Ｖ、ＶＴ１１＝−４〜４■を±
０．２■の範囲で制御できた。

さらに周波数特性は非単結晶半導体を用いたのにもかか
わらず、これまでの単結晶型の絶縁ゲイト型半導体装置
の１７５〜１／５０を得ることができた。その理由はチ
ャネル長が０．１〜１μのマイクロチャネルのためであ
る。

また逆方向リークではあるが、第２図に示すようなＳ１
とＳ２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Ｊ
Ｊ−クは逆方向にＩＯＶを加えてもｉＱｍＡ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ｔ７い
ものであった。

またＳ１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／ｉ０−１７１０倍ち
り・−クが少なかった。このリークが少ないことが第１
図のマ！−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ごの積層型の３１、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３１，Ｓ３のＰまたはＮ型の半導体におけるＢ，
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．ＯＯ１ｅＶと小さくなったことにある。

このため一度配位した不純物が積層中にアウトディフユ
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
る。

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Ｓ１とＳ２の間の接合を明確にするためＳ１に酸素
または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ＩＧＦ、抵抗キャパシタを作る
ことが可能になった。そして液晶表示ディスプレーにま
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図は本発明による絶縁ゲイＩ・型半導体装置、イン
バータ抵抗、キャパシタまたは絶縁デイト型半導体装置
とキャパシタとを絵素としたマトリックス構造の等個回
路を示す。第２図、第３図は本発明の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。

Claims

【特許請求の範囲】

絶縁ゲイト型電界効果半導体装置上に、上部が平坦化さ
れた絶縁膜が設けられ、さらに該絶縁膜上には液晶表示
装置が設けられたことを特徴とする液晶電気光学装置。