JPH0697694B2 - Complementary thin film transistor - Google Patents
Complementary thin film transistorInfo
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- JPH0697694B2 JPH0697694B2 JP58155459A JP15545983A JPH0697694B2 JP H0697694 B2 JPH0697694 B2 JP H0697694B2 JP 58155459 A JP58155459 A JP 58155459A JP 15545983 A JP15545983 A JP 15545983A JP H0697694 B2 JPH0697694 B2 JP H0697694B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〈技術分野〉 本発明は非単結晶シリコン膜からなる相補型薄膜トラン
ジスタに関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a complementary thin film transistor including a non-single crystal silicon film.
〈従来技術〉 近年、絶縁基板上に薄膜トランジスタを形成する技術の
研究が活発に行なわれている。この技術は、安価な透明
絶縁基板を用いて高品質の薄形ディスプレイを実現する
アクティブマトリックスパネル、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ーなど、数多くの応用が期
待されるものである。<Prior Art> In recent years, research on a technique for forming a thin film transistor on an insulating substrate has been actively conducted. This technology is based on an active matrix panel that realizes a high-quality thin display using an inexpensive transparent insulating substrate, a three-dimensional integrated circuit that forms active elements such as transistors on a normal semiconductor integrated circuit, or an inexpensive and high-performance integrated circuit. Many applications such as high-performance image sensors or high-density memory are expected.
これらの応用の中には、基本的には薄膜トランジスタを
スイッチング素子としてのみ用いるものもあるが、その
スイッチングに必要な駆動回路が薄膜トランジスタで同
時に構成されることが望ましい。例えばアクティブマト
リックスパネルではマトリックス状に配置された画素の
1つ1つに薄膜トランジスタを配し、表示データのスイ
ッチングを行なうが、同時にその周辺駆動回路を薄膜ト
ランジスタで集積化できれば、実装の負担を小さくする
と共にシステム全体の低コスト化,小型化が実現でき
る。すなわち、薄膜トランジスタでロジック回路を構成
することが必要となる。Some of these applications basically use a thin film transistor only as a switching element, but it is desirable that a driving circuit necessary for the switching is simultaneously composed of a thin film transistor. For example, in an active matrix panel, a thin film transistor is arranged in each of the pixels arranged in a matrix to switch display data. At the same time, if the peripheral drive circuit can be integrated with the thin film transistor, the mounting load is reduced and The cost and size of the entire system can be reduced. That is, it is necessary to form a logic circuit with thin film transistors.
この場合、通常の半導体集積回路の場合以上に、相補構
成(CMOS)化が要求される。これは、薄膜トランジスタ
でロジック回路を構成する場合、一般にその素子数が多
くなり、相補構成にしない限り消費電力が極めて大きく
なってしまうためである。例えばアクティブマトリック
スパネルの周辺駆動回路を薄膜トランジスタで内蔵する
場合、画素数に応じた数のシフトレジスタやバッファ、
あるいはアナログスイッチなどが必要となる。一般には
500段以上のシフトレジスタを内蔵しなくてはならな
い。また、三次元集積回路やイメージセンサ、あるいは
高密度メモリーなどの場合でも同様に多数の素子数が必
要とされることは容易に類推できる。このように素子数
が多い場合、その消費電力を低減する上で、薄膜トラン
ジスタを相補構成とすることは極めて有効である。相補
型薄膜トランジスタは、Pチャネル型薄膜トランジスタ
とNチャネル型薄膜トランジスタから構成される。これ
らの薄膜トランジスタのうち、いずれか一方は必ずオフ
状態にあるため、電源間に貫通電流の流れることがな
く、消費電力を大幅に低減させることが可能となる。In this case, a complementary structure (CMOS) is required more than in the case of a normal semiconductor integrated circuit. This is because, when a logic circuit is composed of thin film transistors, the number of elements is generally large, and power consumption becomes extremely large unless a complementary structure is used. For example, when the peripheral drive circuit of the active matrix panel is built with thin film transistors, the number of shift registers and buffers according to the number of pixels,
Alternatively, an analog switch or the like is required. In general
It must have a shift register of 500 stages or more. Further, it can be easily inferred that a large number of elements are required in the case of a three-dimensional integrated circuit, an image sensor, a high density memory, or the like. When the number of elements is large as described above, it is extremely effective to make the thin film transistors have a complementary structure in order to reduce the power consumption. The complementary thin film transistor is composed of a P-channel thin film transistor and an N-channel thin film transistor. Since one of these thin film transistors is always in the off state, a through current does not flow between the power supplies, and the power consumption can be significantly reduced.
しかし、相補型薄膜トランジスタは下記の欠点を有して
おり、従来、充分な検討が行なわれていない。However, the complementary thin film transistor has the following drawbacks, and thus far has not been sufficiently studied.
(1)Pチャネル型とNチャネル型の双方を集積化する
ため製造方法が複雑なこと。(1) The manufacturing method is complicated because both the P-channel type and the N-channel type are integrated.
(2)これに伴なって製造コストが高いこと。(2) Along with this, the manufacturing cost is high.
(3)薄膜トランジスタの特性のバランス充分であるこ
と。(3) The characteristics of the thin film transistor should be well balanced.
(4)Pチャネル型薄膜トランジスタの特性とNチャネ
ル型薄膜トランジスタの特性をそろえることが困難であ
ること。(4) It is difficult to match the characteristics of the P-channel type thin film transistor and the characteristics of the N-channel type thin film transistor.
(5)あえてこれらの特性をそろえるためには、チャネ
ル部に適当な不純物を添加するなど余分な工程が必要と
なること。(5) An extra step such as adding an appropriate impurity to the channel portion is required in order to have these characteristics.
これらの欠点を有しているため、相補型薄膜トランジス
タは実現化レベルに達していなかった。Due to these drawbacks, complementary thin film transistors have not reached the level of realization.
〈発明の目的〉 本発明はこのような欠点を一挙に除去するものであり、
その目的とするところは、個々に優れた特性を有し、か
つ特性差の少ないPチャネル型及びNチャネル型薄膜ト
ランジスタから構成される相補型薄膜トランジスタを、
簡単な製造方法で安価に提供することにある。<Object of the Invention> The present invention is to eliminate such drawbacks at once.
The object of the invention is to provide a complementary thin film transistor which is composed of P-channel type and N-channel type thin film transistors each having excellent characteristics and a small difference in characteristics.
It is to provide it at a low cost by a simple manufacturing method.
〈発明の要約〉 本発明は、基板上に形成された第1導電型薄膜トランジ
スタ及び第2導電型薄膜トランジスタよりなる相補型薄
膜トランジスタにおいて、前記第1及び第2導電型薄膜
トランジスタのチャネル領域は同一層の非単結晶シリコ
ン膜からなり、かつ前記第1及び第2導電型薄膜トラン
ジスタのそれぞれのチャネル領域のシリコン膜厚は、そ
れぞれの薄膜トランジスタにおいて広がり得る空乏層の
最大幅のいずれよりも薄く形成されてなることを特徴と
する。<Summary of the Invention> The present invention provides a complementary thin film transistor including a first conductive type thin film transistor and a second conductive type thin film transistor formed on a substrate, wherein the channel regions of the first and second conductive type thin film transistors are formed of non-similar layers. It is formed of a single crystal silicon film, and the silicon film thickness of each channel region of the first and second conductivity type thin film transistors is formed to be thinner than any of the maximum widths of the depletion layer that can spread in each thin film transistor. Characterize.
〈実施例〉 以下、チャネル領域をノンドープシリコン薄膜により構
成し、ソース・ドレインの導電型によってPチャネル型
あるいはNチャネル型薄膜トランジスタを実現すること
を特徴とする相補型薄膜トランジスタについて、実施例
に基づいて詳しく説明する。Example Hereinafter, a complementary thin film transistor characterized in that a channel region is formed of a non-doped silicon thin film and a P-channel type or an N-channel type thin film transistor is realized depending on the conductivity type of source / drain will be described in detail based on examples. explain.
第1図は本発明による相補型薄膜トランジスタの構造を
示す断面図である。101はガラス,石英,パシベーショ
ン膜を含む半導体集積回路基板などの絶縁基板であり、
その上にPチャネル型薄膜トランジスタ102とNチャネ
ル型薄膜トランジスタ103が形成されており、相補型薄
膜トランジスタを構成している。104はノンドープシリ
コン薄膜から成るPチャネル型薄膜トランジスタのチャ
ネル領域である。105はボロンなどのアクセプタをドー
プしたP型シリコン薄膜から成るソース領域であり、10
6は同様に構成されたドレイン領域である。107はSiO2な
どのゲート絶縁膜、108は他結晶シリコン,金属などの
ゲート電極、109はSiO2などの層間絶縁膜である。110,1
11は金属などの導電体から成り、それぞれソース電極,
ドレイン電極である。112はノンドープシリコン薄膜か
ら成るNチャネル型薄膜トランジスタのチャネル領域で
ある。113はリン,ヒ素などのドナーをドープしたN型
シリコン薄膜から成るソース領域であり、114は同様に
構成されたドレイン領域である。115はゲート絶縁膜、1
16はゲート電極、117はソース電極、118はドレイン電極
である。FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a complementary thin film transistor according to the present invention. 101 is an insulating substrate such as a semiconductor integrated circuit substrate including glass, quartz, and a passivation film,
A P-channel type thin film transistor 102 and an N-channel type thin film transistor 103 are formed on it to form a complementary type thin film transistor. 104 is a channel region of a P-channel type thin film transistor made of a non-doped silicon thin film. Reference numeral 105 denotes a source region made of a P-type silicon thin film doped with an acceptor such as boron.
Reference numeral 6 is a similarly configured drain region. 107 is a gate insulating film such as SiO 2 , 108 is a gate electrode such as another crystalline silicon or metal, and 109 is an interlayer insulating film such as SiO 2 . 110,1
11 is made of a conductor such as metal, and is a source electrode,
It is a drain electrode. 112 is a channel region of an N-channel type thin film transistor made of a non-doped silicon thin film. Reference numeral 113 is a source region made of an N-type silicon thin film doped with a donor such as phosphorus or arsenic, and 114 is a similarly configured drain region. 115 is a gate insulating film, 1
16 is a gate electrode, 117 is a source electrode, and 118 is a drain electrode.
本図より明らかなように、本発明はPチャネル型及びN
チャネル型薄膜トランジスタのチャネル領域として、共
にノンドープシリコン薄膜を用いること、及び、基本的
にはPチャネル型薄膜トランジスタとNチャネル型薄膜
トランジスタとは、ソース・ドレイン領域の導電型によ
ってのみ区別されることを大きな特徴としている。As is clear from this figure, the present invention is of P-channel type and N-type.
A major feature is that both non-doped silicon thin films are used as the channel region of the channel type thin film transistor, and basically, the P channel type thin film transistor and the N channel type thin film transistor are distinguished only by the conductivity type of the source / drain regions. I am trying.
以下、これらの特徴により実現される本発明の効果につ
いて説明する。Hereinafter, the effects of the present invention realized by these features will be described.
まず、Pチャネル型及びNチャネル型薄膜トランジスタ
のチャネル領域として、共にノンドープシリコン薄膜を
用いることの効果について述べる。両タイプの薄膜トラ
ンジスタのチャネル領域として、共にノンドープシリコ
ン薄膜、すなわち真性半導体に近いシリコン薄膜を用い
ることにより、トランジスタがオフ状態のときに流れる
リーク電流(以下、OFF電流という。)を最小にするこ
とが可能となる。単結晶シリコンを用いる通常のトラン
ジスタでは、Nチャネル型の場合P型基板を、Pチャネ
ル型の場合N型基板を用いて極めて良質のPN接合を形成
することにより、ソース・ドレイン間のOFF電流を低減
しているが、一般に絶縁基板上のシリコン薄膜では単結
晶化は不可能であり、多結晶状態あるいは非晶質状態と
なり、良質なPN接合を形成することができず、したがっ
てOFF電流を低減させることができない。第2図は本出
願人の行なった実験のデータであり、Nチャネル型薄膜
トランジスタにおけるチャネル領域のシリコン薄膜中の
不純物濃度とOFF電流の関係を示すグラフである。不純
物はボロンであり、チャネル領域をP型にすることを目
的としている。ドーピングはイオン打ち込み法により、
グラフの横軸はボロンのドーズ量、縦軸は0Vのゲート電
圧におけるOFF電流である。このグラフから分かるよう
に、ドーズ量が0の場合、すなわち真性半導体に近いノ
ンドープシリコン薄膜を用いた場合にOFF電流が最小と
なる。これは不純物濃度が高くなるにつれてPN接合のリ
ーク電流が増大するためである。また、逆にチャネル領
域をN型にした場合には、述べるまでもなくトランジス
タはデプリーション型となり、OFF電流は増大する。し
たがって、ノンドープシリコン薄膜を用いた場合にOFF
電流は最小となる。すなわち、OFF電流を低減するに
は、単結晶シリコンを用いたトランジスタのようにPN接
合を用いるのではなく、チャネル領域の抵抗値を出来る
限り大きくすることが効果的である。上記の説明はNチ
ャネル型薄膜トランジスタについて行なったが、Pチャ
ネル型薄膜トランジスタについても全く同様に成立す
る。したがって、両タイプの薄膜トランジスタとも、チ
ャネル領域にノンドープシリコン薄膜を用いることによ
りOFF電流を最小にすることが可能となる。First, the effect of using non-doped silicon thin films as the channel regions of P-channel and N-channel thin film transistors will be described. By using a non-doped silicon thin film, that is, a silicon thin film close to an intrinsic semiconductor, as the channel regions of both types of thin film transistors, it is possible to minimize the leak current (hereinafter referred to as OFF current) flowing when the transistor is in the off state. It will be possible. In a normal transistor using single crystal silicon, a P-type substrate for N-channel type and an N-type substrate for P-channel type are used to form an extremely good PN junction to reduce OFF current between source and drain. Although it has been reduced, it is generally impossible to single-crystallize a silicon thin film on an insulating substrate, resulting in a polycrystalline state or an amorphous state, and a good PN junction cannot be formed, thus reducing the OFF current. I can't let you do it. FIG. 2 is data of an experiment conducted by the present applicant and is a graph showing the relationship between the impurity concentration in the silicon thin film in the channel region of the N-channel thin film transistor and the OFF current. The impurity is boron, which is intended to make the channel region P-type. Doping is by ion implantation,
The horizontal axis of the graph is the boron dose amount, and the vertical axis is the OFF current at a gate voltage of 0V. As can be seen from this graph, the OFF current becomes minimum when the dose amount is 0, that is, when a non-doped silicon thin film close to an intrinsic semiconductor is used. This is because the leak current of the PN junction increases as the impurity concentration increases. On the contrary, when the channel region is N-type, it goes without saying that the transistor becomes a depletion type and the OFF current increases. Therefore, it turns off when a non-doped silicon thin film is used.
The current is minimal. That is, in order to reduce the OFF current, it is effective to increase the resistance value of the channel region as much as possible rather than using a PN junction like a transistor using single crystal silicon. Although the above description has been made for the N-channel thin film transistor, the same holds true for the P-channel thin film transistor. Therefore, in both types of thin film transistors, the OFF current can be minimized by using the non-doped silicon thin film in the channel region.
次に、Pチャネル型薄膜トランジスタとNチャネル型薄
膜トランジスタを、ソース・ドレイン領域の導電型によ
ってのみ区別することの効果について述べる。これによ
り、相補型薄膜トランジスタの製造工程を著しく簡略化
することができる。したがって、大幅な歩留りの向上及
び低コスト化が実現できる。第3図は第1図に示した相
補型薄膜トランジスタの製造方法の1例を示す図であ
る。まず、第3図(a)のように、絶縁基板301上にノ
ンドープシリコン薄膜302,303を堆積させた後、所望の
パターンを形成する。302にPチャネル型薄膜トランジ
スタが、303にNチャネル型薄膜トランジスタがそれぞ
れ形成される。次に第3図(b)のように、ノンドープ
シリコン薄膜302及び303を熱酸化することによりゲート
絶縁膜304を形成する。あるいは気相成長法などにより
ゲート絶縁膜を外部を堆積させても良い。その後、ゲー
ト電極305を堆積させて、所望のパターン形成を行な
う。もちろん、P型シリコン薄膜とN型シリコン薄膜と
いうように、Pチャネル型薄膜トランジスタとNチャネ
ル型薄膜トランジスタとで異なるゲート電極材料を用い
ても差し支えない。次に第3図(c)のように、フオト
レジストなどのマスク材料306をNチャネル型薄膜トラ
ンジスタとなるべき領域に形成して、ボロンなどのアク
セプタ元素307をイオン打ち込み法によりPチャネル型
薄膜トランジスタ中にドープし、ソース領域308及びド
レイン領域309となるP型シリコン薄膜を形成する。さ
らに第3図(d)のように、同様にフオトレジストなど
のマスク材料310をPチャネル型薄膜トランジスタとな
るべき領域に形成して、リン,ヒ素などのドナー元素31
1をイオン打ち込み法によりNチャネル型薄膜トランジ
スタ中にドープし、ソース領域312及びドレイン領域313
となるN型シリコン薄膜を形成する。最後に第3図
(e)のように、層間絶縁膜314を堆積させた後コンタ
クトホールを開口し、Pチャネル型薄膜トランジスタの
ソース電極315及びドレイン電極316,Nチャネル型薄膜ト
ランジスタのソース電極317及びドレイン電極318を形成
し、相補型薄膜トランジスタは完成する。Next, the effect of distinguishing the P-channel type thin film transistor from the N-channel type thin film transistor only by the conductivity type of the source / drain regions will be described. Thereby, the manufacturing process of the complementary thin film transistor can be significantly simplified. Therefore, it is possible to significantly improve the yield and reduce the cost. FIG. 3 is a diagram showing an example of a method of manufacturing the complementary thin film transistor shown in FIG. First, as shown in FIG. 3A, non-doped silicon thin films 302 and 303 are deposited on an insulating substrate 301, and then a desired pattern is formed. A P-channel thin film transistor is formed at 302 and an N-channel thin film transistor is formed at 303. Next, as shown in FIG. 3B, the gate insulating film 304 is formed by thermally oxidizing the non-doped silicon thin films 302 and 303. Alternatively, the gate insulating film may be externally deposited by a vapor phase growth method or the like. Then, the gate electrode 305 is deposited to form a desired pattern. Of course, different gate electrode materials may be used for the P-channel thin film transistor and the N-channel thin film transistor, such as the P-type silicon thin film and the N-type silicon thin film. Next, as shown in FIG. 3C, a mask material 306 such as photoresist is formed in a region to be an N-channel type thin film transistor, and an acceptor element 307 such as boron is ion-implanted in the P-channel type thin film transistor. Doping is performed to form a P-type silicon thin film to be the source region 308 and the drain region 309. Further, as shown in FIG. 3 (d), a mask material 310 such as photoresist is similarly formed in a region to be a P-channel type thin film transistor, and a donor element 31 such as phosphorus or arsenic is formed.
1 is doped into the N-channel type thin film transistor by the ion implantation method to form the source region 312 and the drain region 313.
Then, an N-type silicon thin film is formed. Finally, as shown in FIG. 3 (e), after depositing an interlayer insulating film 314, a contact hole is opened to form a source electrode 315 and a drain electrode 316 of a P-channel thin film transistor, a source electrode 317 and a drain of an N-channel thin film transistor. The electrode 318 is formed, and the complementary thin film transistor is completed.
これよりわかるように、本発明による相補型薄膜トラン
ジスタは極めて簡単な方法で製造できる。これは、Pチ
ャネル型薄膜トランジスタもNチャネル型薄膜トランジ
スタも共に、チャネル領域としてノンドープシリコン薄
膜を用いることによる。このため、従来の相補型トラン
ジスタのように、Pチャネル型トランジスタにはN型基
板を、Nチャネル型トランジスタにはP型基板を用いる
必要がない。すなわち、2種類のトランジスタにおいて
チャネル領域の導電型を変える必要がない。これによっ
て、それぞれのトランジスタのチャネル領域に不純物を
添加したり、それに必要なパターンを形成する工程を省
くことができる。また、それぞれのトランジスタは絶縁
基板上に島状に分離されており、特別な素子分離工程を
必要としない。また、これに伴なって、通常の半導体集
積回路のような寄生MOS効果がなく、チャネルストッパ
ーを形成する必要がない。これらの理由により、本発明
による薄膜トランジスタでは、ソース・ドレイン領域の
導電型を変えることのみで、Pチャネル型及びNチャネ
ル型薄膜トランジスタを実現することができる。したが
って、その製造工程は従来の相補型トランジスタに比べ
て極めて簡単なものとなる。例えば、パターン形成工程
数は、従来の相補型トランジスタでは10工程以上必要で
あるが、本発明による相補型トランジスタではわずか6
工程で済む。このように製造工程を簡略化できること
は、それ自体、低コスト化を実現すると共に、製造歩留
りの向上をも実現し、全体として大幅な低コストが達成
できるという多大な効果を有している。As can be seen, the complementary thin film transistor according to the present invention can be manufactured by a very simple method. This is because both the P-channel type thin film transistor and the N-channel type thin film transistor use a non-doped silicon thin film as a channel region. Therefore, it is not necessary to use an N-type substrate for the P-channel transistor and a P-type substrate for the N-channel transistor, unlike the conventional complementary transistor. That is, it is not necessary to change the conductivity type of the channel region in the two types of transistors. This makes it possible to omit the step of adding impurities to the channel regions of the respective transistors and forming a pattern required for the impurities. In addition, each transistor is separated into islands on the insulating substrate, and no special element separation process is required. Further, along with this, there is no parasitic MOS effect as in a normal semiconductor integrated circuit, and it is not necessary to form a channel stopper. For these reasons, in the thin film transistor according to the present invention, P-channel type and N-channel type thin film transistors can be realized only by changing the conductivity type of the source / drain regions. Therefore, the manufacturing process thereof is extremely simple as compared with the conventional complementary transistor. For example, the number of pattern forming steps is 10 or more in the conventional complementary transistor, but only 6 in the complementary transistor according to the present invention.
The process is enough. The fact that the manufacturing process can be simplified in this way has a great effect that the manufacturing cost can be reduced and the manufacturing yield can be improved, and a significantly low cost can be achieved as a whole.
また本発明は、Pチャネル型薄膜トランジスタとNチャ
ネル型薄膜トランジスタの双方におけるチャネル領域の
シリコン薄膜を同一層で構成し、かつ、該シリコン薄膜
の膜厚を、前記2種類の薄膜トランジスタの該シリコン
薄膜表面に形成され得るいずれの空乏層の最大幅よりも
薄いことを特徴とする相補型薄膜トランジスタをも提供
するものであるが、以下、これについて実施例に基づき
詳しく説明する。Further, according to the present invention, the silicon thin films in the channel regions of both the P-channel type thin film transistor and the N-channel type thin film transistor are formed in the same layer, and the thickness of the silicon thin film is the same as the silicon thin film surface of the two types of thin film transistors. The present invention also provides a complementary thin film transistor characterized by being thinner than the maximum width of any depletion layer that can be formed, which will be described in detail below based on examples.
第4図は、本発明による相補型薄膜トランジスタのチャ
ネル領域近傍を示す断面図である。第4図(a)はPチ
ャネル型薄膜トランジスタ、第4図(b)はNチャネル
型薄膜トランジスタをそれぞれ示している。絶縁基板40
1上にソース領域402,408,ドレイン領域403,409,ゲート
絶縁膜404,410,ゲート電極405,411を有する薄膜トラン
ジスタが形成されている。チャネル領域のノンドープシ
リコン薄膜406,412は同一層にて構成され、したがって
同一の膜厚tsiを有している。ゲート電圧の印加に伴な
ってシリコン薄膜表面には空乏層407,413が広がってく
るが、Pチャネル型薄膜トランジスタにおける空乏層の
幅xPと、Nチャネル型薄膜トランジスタにおける空乏層
の幅xNはそれぞれ次式で与えられる。FIG. 4 is a cross-sectional view showing the vicinity of the channel region of the complementary thin film transistor according to the present invention. FIG. 4A shows a P-channel type thin film transistor, and FIG. 4B shows an N-channel type thin film transistor. Insulation board 40
A thin film transistor having source regions 402 and 408, drain regions 403 and 409, gate insulating films 404 and 410, and gate electrodes 405 and 411 is formed on 1. The non-doped silicon thin films 406 and 412 in the channel region are composed of the same layer and therefore have the same film thickness tsi. The depletion layers 407 and 413 spread on the surface of the silicon thin film as the gate voltage is applied. The width x P of the depletion layer in the P-channel type thin film transistor and the width x N of the depletion layer in the N-channel type thin film transistor are respectively expressed by the following equations. Given in.
ここに、qは単位電荷量、εはシリコン薄膜の誘電率、
φsはシリコン薄膜表面におけるエネルギーバンドの曲
がり量、NDは等価的にドナーとして働くトラップの密
度、NAは等価的にアクセプタとして働くトラップの密度
である。前述の如く、シリコン薄膜は多結晶あるいは非
晶質状態にあり、多くの結晶欠陥を有しており、これが
トラップとして作用する。エネルギーバンド図におい
て、フエルミレベルとコンダクショクバンドの間に準位
を作るトラップはドナーとして作用し、フエルミレベル
とバレンスバンドの間に準位を作るトラップはアクセプ
タとして作用する。各トラップの準位はシリコン原子の
配列の仕方によって決まり、一般にはNDとNAは等しくな
い。第4図ではNDの方がNAよりも大きく、したがってxP
の方がxNよりも小さい場合を示している。ゲート電圧を
さらに大きくすると、それぞれの空乏層の広がり幅は最
大値に達し、シリコン薄膜表面に反転層が形成され始め
る。このときのゲート電圧がしきい値電圧であり、これ
以上ゲート電圧を大きくしても、もはや空乏層は広がら
ず、反転層内のキャリア密度が高くなるのみである。P
チャネル型及びNチャネル型薄膜トランジスタにおける
空乏層の最大幅xPmax及びxNmax、しきい値電圧VthP及び
VthNは次式で与えられる。 Where q is the unit charge amount, ε is the dielectric constant of the silicon thin film,
φs is the amount of bending of the energy band on the surface of the silicon thin film, N D is the trap density equivalently acting as a donor, and N A is the trap density equivalently acting as an acceptor. As described above, the silicon thin film is in a polycrystalline or amorphous state and has many crystal defects, which act as traps. In the energy band diagram, the trap forming a level between the Fermi level and the conduction band acts as a donor, and the trap forming a level between the Fermi level and the Valence band acts as an acceptor. The level of each trap is determined by the arrangement of silicon atoms, and in general, N D and N A are not equal. In Figure 4, N D is larger than N A , so x P
Shows that is smaller than x N. When the gate voltage is further increased, the spread width of each depletion layer reaches the maximum value, and the inversion layer starts to be formed on the surface of the silicon thin film. The gate voltage at this time is the threshold voltage, and even if the gate voltage is further increased, the depletion layer does not spread anymore, and the carrier density in the inversion layer only increases. P
Maximum width of depletion layer in channel type and N channel type thin film transistors x P max and x N max, threshold voltage V th P and
Vth N is given by the following equation.
ここに、φfP,φfNはそれぞれPチャネル型,Nチャネル
型薄膜トランジスタにおけるフェルミエネルギー、Cox
は単位面積当りのゲート絶縁膜の容量、VFBはフラット
バンド電圧である。 Where φf P and φf N are the Fermi energies of P-channel and N-channel thin film transistors, Cox, respectively.
Is the capacitance of the gate insulating film per unit area, and V FB is the flat band voltage.
本発明による相補型薄膜トランジスタでは、シリコン薄
膜tsiを上記xPmax,xNmaxのいずれよりも小さくなるよう
に構成する。In the complementary thin film transistor according to the present invention, the silicon thin film tsi is configured to be smaller than any of the above x P max and x N max.
以下、これにより実現される本発明の効果について説明
する。Hereinafter, the effect of the present invention realized by this will be described.
シリコン薄膜の膜厚(tsi)が、空乏層の広がり得る最
大幅(xPmax,xNmax)よりも小さい場合、空乏層はtsi以
上に広がることはできない。したがって、空乏層幅がts
iに達すると、ただちにシリコン薄膜表面に反転層が形
成されるようになる。すなわち、トランジスタのしきい
値電圧が低減する。通常、シリコン薄膜中には極めて高
密度のトラップが存在するため、しきい値電圧が高くな
ってしまうが、本発明によれば、しきい値電圧を低減さ
せることにより薄膜トランジスタの駆動電圧を低くする
ことができ、またトランジスタがオン状態の時に流れる
電流(ON電流)を大きくすることができる。したがって
薄膜トランジスタを使いやすくすると共に、より高速な
動作を可能とする。When the thickness (tsi) of the silicon thin film is smaller than the maximum width (x P max, x N max) that the depletion layer can spread, the depletion layer cannot spread beyond tsi. Therefore, the depletion layer width is ts
Immediately after reaching i, an inversion layer is formed on the surface of the silicon thin film. That is, the threshold voltage of the transistor is reduced. Normally, since the silicon thin film has extremely high density of traps, the threshold voltage becomes high. However, according to the present invention, the driving voltage of the thin film transistor is lowered by reducing the threshold voltage. Further, the current (ON current) flowing when the transistor is on can be increased. Therefore, the thin film transistor can be easily used and can operate at higher speed.
また、この時のしきい値電圧は次式で与えられる。The threshold voltage at this time is given by the following equation.
第4図の例の場合、ND>NA,xP<xNである。したがっ
て、tsiを薄くしていった時、Pチャネル型薄膜トラン
ジスタよりもNチャネル型薄膜トランジスタの方がしき
い値電圧の低下が早く始まる。しかし、tsiをさらに薄
くして、本発明の提供する膜厚の範囲になると、Pチャ
ネル型薄膜トランジスタとNチャネル型薄膜トランジス
タのしきい値電圧の差は小さくなる。この様子を第5図
に示す。横軸はtsi,縦軸はしきい値電圧の絶対値であ
る。501はNチャネル型薄膜トランジスタ、502はPチャ
ネル型薄膜トランジスタのグラフをそれぞれ示してい
る。このグラフからわかるように、tsiがxPmaxよりも小
さい領域で、両者のしきい値電圧が急激に接近してい
る。これは上式において、NAよりもNDの方が大きいた
め、2つのトランジスタのしきい値電圧のtsi依存性が
異なるためである。したがって本発明によれば、Pチャ
ネル型及びNチヤネル型薄膜トランジスタのしきい値電
圧を近づけ、その特性差を小さくすることが可能とな
る。これは相補型トランジスタにおいて極めて大きな効
果を有する。 In the case of the example in FIG. 4, N D > N A and x P <x N. Therefore, when tsi is reduced, the threshold voltage of the N-channel thin film transistor starts to decrease earlier than that of the P-channel thin film transistor. However, when tsi is further reduced to fall within the film thickness range provided by the present invention, the difference in threshold voltage between the P-channel thin film transistor and the N-channel thin film transistor becomes small. This is shown in FIG. The horizontal axis is tsi, and the vertical axis is the absolute value of the threshold voltage. 501 is an N-channel thin film transistor, and 502 is a P-channel thin film transistor. As can be seen from this graph, in the region where tsi is smaller than x P max, the threshold voltages of the two approaches rapidly. This is because in the above equation, N D is larger than N A , and thus the tsi dependence of the threshold voltages of the two transistors is different. Therefore, according to the present invention, it becomes possible to bring the threshold voltages of the P-channel type and N-channel type thin film transistors close to each other and reduce the characteristic difference. This has a very large effect in complementary transistors.
なお、上記の説明はND>NAを仮定して行なったが、NA<
NDの場合にも全く同様に成立する。Although the above explanation was made assuming N D > N A , N A <
The same is true for N D.
第6図は本発明の他の実施例を示すものである。絶縁基
板601上にPチャネル型薄膜トランジスタ616とNチャネ
ル型薄膜トランジスタ617が形成されており、相補型薄
膜トランジスタを構成している。602はゲート電極、603
はゲート絶縁層である。604はノンドープシリコン薄膜
から成るPチャネル型薄膜トランジスタのチャネル領域
である。605はボロンなどのアクセプタをドープしたP
型シリコン薄膜から成るソース領域であり、606は同様
に構成されたドレイン領域である。607は層間絶縁膜で
あり、608はソース電極、609はドレイン電極である。61
0はゲート電極であり、611はノンドープシリコン薄膜か
ら成るNチャネル型薄膜トランジスタのチャネル領域で
ある。612はリン,ヒ素などのドナーをドープしたN型
シリコン薄膜から成るソース領域であり、613は同様に
構成されたドレイン領域である。614はソース電極、615
はドレイン電極である。FIG. 6 shows another embodiment of the present invention. A P-channel type thin film transistor 616 and an N-channel type thin film transistor 617 are formed on an insulating substrate 601, and form a complementary type thin film transistor. 602 is a gate electrode, 603
Is a gate insulating layer. Reference numeral 604 is a channel region of a P-channel type thin film transistor made of a non-doped silicon thin film. 605 is P doped with an acceptor such as boron
606 is a source region made of a silicon thin film, and 606 is a similarly constructed drain region. Reference numeral 607 is an interlayer insulating film, 608 is a source electrode, and 609 is a drain electrode. 61
Reference numeral 0 is a gate electrode, and 611 is a channel region of an N-channel thin film transistor made of a non-doped silicon thin film. Reference numeral 612 is a source region made of an N-type silicon thin film doped with a donor such as phosphorus or arsenic, and 613 is a drain region similarly configured. 614 is a source electrode, 615
Is a drain electrode.
図から明らかなように、前述した本発明のすべての効果
は、本実施例においても成立する。すなわち、チャネル
領域がゲート電極の上に位置したり、あるいはソース・
ドレイン領域のシリコン薄膜がチャネル領域のシリコン
薄膜とは異なる層により構成されたり、付随的な構造が
変化しても本発明は成立し、同様の効果が得られる。As is apparent from the figure, all the effects of the present invention described above are also established in this embodiment. That is, the channel region is located above the gate electrode, or the source
Even if the silicon thin film in the drain region is composed of a layer different from the silicon thin film in the channel region or the incidental structure is changed, the present invention can be established and the same effect can be obtained.
〈実施例の効果のまとめ〉 以上に述べたように、実施例は以下のような効果を有し
ている。<Summary of Effects of Examples> As described above, the examples have the following effects.
(1)チャネル領域にノンドープシリコン薄膜を用いる
ため、薄膜トランジスタのOFF電流を最小にすることが
できる。(1) Since the non-doped silicon thin film is used in the channel region, the OFF current of the thin film transistor can be minimized.
(2)チャネル領域にノンドープシリコン薄膜を用いる
ため、ソース・ドレイン領域の導電型によってのみ、P
チャネル型薄膜トランジスタとNチャネル型薄膜トラン
ジスタを作り分けることができ、非常に簡単に相補型薄
膜トランジスタを実現できる。(2) Since a non-doped silicon thin film is used for the channel region, P only depends on the conductivity type of the source / drain regions.
A channel type thin film transistor and an N channel type thin film transistor can be produced separately, and a complementary type thin film transistor can be realized very easily.
(3)シリコン薄膜の膜厚が、空乏層の広がり得る最大
幅よりも小さいため、薄膜トランジスタのしきい値電圧
を低下させると共に、ON電流を大きくし、より高速な動
作を可能とすることができる。(3) Since the thickness of the silicon thin film is smaller than the maximum width in which the depletion layer can spread, the threshold voltage of the thin film transistor can be lowered and the ON current can be increased to enable a higher speed operation. .
(4)シリコン薄膜の膜厚を、Pチャネル型薄膜トラン
ジスタの空乏層の広がり得る最大幅と、Nチャネル型薄
膜トランジスタの空乏層の広がり得る最大幅のいずれよ
りも小さいために、双方の薄膜トランジスタの特性を著
しく改善すると共に、双方の特性差を小さくすることが
できる。(4) Since the thickness of the silicon thin film is smaller than both the maximum width of the depletion layer of the P-channel thin film transistor and the maximum width of the depletion layer of the N-channel thin film transistor, the characteristics of both thin film transistors are It is possible to significantly improve and reduce the difference between the two characteristics.
〈発明の効果〉 以上に説明したように、本発明は、基板上に形成された
第1導電型薄膜トランジスタ及び第2導電型薄膜トラン
ジスタよりなる相補型薄膜トランジスタにおいて、前記
第1及び第2導電型薄膜トランジスタのチャネル領域は
同一層の非単結晶シリコン膜からなり、かつ前記第1及
び第2導電型薄膜トランジスタのそれぞれのチャネル領
域のシリコン膜厚は、それぞれの薄膜トランジスタにお
いて広がり得る空乏層の最大幅のいずれよりも薄く形成
されてなる構成を採用したことにより、以下のような格
段の効果を奏することができる。<Effects of the Invention> As described above, the present invention relates to a complementary thin film transistor including a first conductive type thin film transistor and a second conductive type thin film transistor formed on a substrate, wherein: The channel regions are formed of non-single-crystal silicon films of the same layer, and the silicon film thickness of each of the channel regions of the first and second conductivity type thin film transistors is larger than the maximum width of the depletion layer that can spread in each thin film transistor. By adopting the thin structure, the following remarkable effects can be achieved.
(1)非単結晶シリコン膜は単結晶シリコン膜に比べて
膜質が悪いので、十分なON電流が得られずに、さらにト
ランジスタのOFF時にもリーク電流が発生するという特
性を有しているが、本発明のようにチャネル領域の膜厚
を空乏層の広がり得る最大幅よりも薄く形成することに
よって、トランジスタのしきい値電圧を低くすることが
でき、ON電流を大きくできると同時に、トランジスタの
チャネル抵抗を高くすることができるので、OFF電流を
小さくすることができる。(1) Since the non-single crystal silicon film has poorer quality than the single crystal silicon film, it has a characteristic that a sufficient ON current cannot be obtained and a leak current is generated even when the transistor is OFF. By forming the film thickness of the channel region thinner than the maximum width in which the depletion layer can spread as in the present invention, the threshold voltage of the transistor can be lowered, the ON current can be increased, and at the same time, the transistor Since the channel resistance can be increased, the OFF current can be reduced.
(2)それぞれのチャネル領域のシリコン膜厚は、それ
ぞれの薄膜トランジスタにおいて広がり得る空乏層の最
大幅のいずれよりも薄く形成されてなるので、相補型の
双方の薄膜トランジスタの特性を著しく改善すると共
に、双方の特性差を小さくすることができる。(2) Since the silicon film thickness of each channel region is formed thinner than any of the maximum widths of the depletion layers that can spread in each thin film transistor, the characteristics of both complementary thin film transistors are significantly improved and It is possible to reduce the difference in characteristics.
第1図は本発明による相補型薄膜トランジスタの構造を
示す第1の実施例を示す図である。 第2図はチャネル領域の不純物濃度とOFF電流の関係を
示すグラフである。 第3図(a)〜(e)は第1図に示した本発明による相
補型薄膜トランジスタの製造方法を示す図である。 第4図(a)〜(b)は本発明による薄膜トランジスタ
のチャネル領域近傍を示す図である。 第5図はチャネル領域のシリコン薄膜の膜厚としきい値
電圧の関係を示すグラフである。 第6図は本発明による相補型薄膜トランジスタの構造を
示す第2の実施例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment showing the structure of a complementary thin film transistor according to the present invention. FIG. 2 is a graph showing the relationship between the impurity concentration in the channel region and the OFF current. 3 (a) to 3 (e) are views showing a method of manufacturing the complementary thin film transistor according to the present invention shown in FIG. FIGS. 4A and 4B are views showing the vicinity of the channel region of the thin film transistor according to the present invention. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the thickness of the silicon thin film in the channel region and the threshold voltage. FIG. 6 is a diagram showing a second embodiment showing the structure of a complementary thin film transistor according to the present invention.
Claims (1)
ジスタ及び第2導電型薄膜トランジスタよりなる相補型
薄膜トランジスタにおいて、前記第1及び第2導電型薄
膜トランジスタのチャネル領域は同一層の非単結晶シリ
コン膜からなり、かつ前記第1及び第2導電型薄膜トラ
ンジスタのそれぞれのチャネル領域のシリコン膜厚は、
それぞれの薄膜トランジスタにおいて広がり得る空乏層
の最大幅のいずれよりも薄く形成されてなることを特徴
とする相補型薄膜トランジスタ。1. A complementary thin film transistor comprising a first conductive type thin film transistor and a second conductive type thin film transistor formed on a substrate, wherein the channel regions of the first and second conductive type thin film transistors are non-single crystal silicon films of the same layer. And the silicon film thickness of each channel region of the first and second conductivity type thin film transistors is
A complementary thin film transistor, which is formed to be thinner than any of the maximum widths of a depletion layer that can spread in each thin film transistor.
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| JP4140341A Division JPH05160403A (en) | 1992-06-01 | 1992-06-01 | Thin film transistor |
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