JPS60207384A - 高電圧トランジスタ - 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】 〔発明の背景〕 本発明は高電圧薄膜トランジスタに関するものであり、
更に詳細にはアモルファス　シリコンの特有の性質を利
用した上記トランジスタに関するものである。

アモルファス　シリコン薄膜トランジスタ（ａ　−Ｓｉ
：ＨＴＦＴ　）技術は、過去数年間に非常に成熟してぎ
た。このことは大部分、それの簡単で低価格な低温製造
プロセスに依っており、そのプロセスによってアモルフ
ァス　シリコンをガラスやセラミックのような非晶質の
大面積基板上に一様に堆積させることが可能である。こ
のように、ａ　−Ｓｉ　：ＨＴＦＴは特に大面積のエレ
クトロニクスへの応用に適している。これらの特質を考
慮すると、個々の書込み針をそれ自身のスイッチによっ
て制御するようになった電気記録針を駆Ｉｉｈ′￥るた
めの高電圧（例えば約５００ボルト以上）のアモルファ
ス　シリコン　トランジスタ　スイッチの大面積配列を
得ることが望まれる。そのようなシステムによれば、現
在用いられている７１Ｍで高価な多重化方式を不要にす
ることができる。

現在、普通に用いられている高電圧集積回路装置の唯一
のものは結晶性シリコン技術を利用したものである０し
かし、Ｖレイン破壊電圧を最大化するために構造上の防
衛手段を構する必要と関連したこの材料の処理上の制限
のためにそれらの装置は一般的に複雑で、従って高価な
ものとなっている。

各種の解決策が試みられてきており、例えば１つの方法
は、薄い’Ｆ’−）酸化物層を設けて、低電圧のスイッ
チング動作を可能とし、ｒレイン電極をｒ−）からオフ
セットするものであり、この場合オフセット領域をイオ
ン注入でｒ−デした浅い拡散抵抗体とすることによって
、デートからみえる電界を下げるようにしている。拡散
抵抗体領域のｒ−ゾ工程は非常に微妙である。別の方法
は。

ドレインとデートとの間に厚い保護酸化物層を設けて、
その酸化物の上に多結晶シリコンの角荷抵抗をとりつけ
るものであｐｏこの方法でも、１ミクロン程胛の厚い誘
電体層を必要とすると同時に、拡散抵抗体の微妙なＰ−
ピングを必要とする。このように結晶性シリコン中に高
電圧トランジスタを作成するための既知の方法は複雑で
高価なものであることは明らかであろう。

結晶性シリコン高電圧トランジスタに関するよυ不利な
因子は、おそらく、ウエノ・　サイズが７．５ｃＩＩＴ
とか１０ｃＩｎ（６インチとか４インチ）に制限される
ということであり、このため１負犬のスイッチ配列は困
難である。もちろん、２８ｃＩｎ（１１インチ）幅員と
か９１．５ｃｍ　（３６インチ）ゾロツタ幅を得るため
にウニ・・を相互接続することは可能であるが、そのた
めには更にコスト増が必要となる。

高電圧トランジスタが満足しうる動作をするためにはト
ランジスタは低電圧ゲート信号によってオン（ＯＮ　）
とオフ（ＯＦＦ　）にスイッチされることが重要であっ
て、そのためにｒ−トはスイッチング電位へ角逐に持上
げられることが重要であるＯ明らかなように％’Ｆ”−
）上のスイッチング電位が高くなると、そのことが行わ
れるのにより長時間を必要とすることになる。

〔発明の要約〕

本発明の１つの目的は、大面積にわたる配列の形に作成
することができ、簡単なプロセスで安価に作成すること
のできる高電圧薄膜トランジスタを提供することである
。

本発明の他の目的は、アモルファス　シリコン技術を用
いて高電圧薄膜トランジスタを提供することである。

これら及び他の目的は、互いに横方向に離れたソース電
極とＰレイン電極を有し、ソース電極はまた上記横方向
に垂直な方向にＰ−）電極から離れて位置しており、ソ
ース電飾とｒ−ト電極は互いに重なりアう配置をとって
いるようなアモルファス　シリコン高電圧薄膜トランジ
スタによって達成することができる０電荷キャリア転送
層が、ソース電極とげレイン電極との間に横方向にそれ
らと物理的及び電気的に接近して延びておシ、該電荷キ
ャリア転送層はまたｒ−）電極とソース電極との間に位
置している。この電荷キャリア転送層は高抵抗であって
、そこに電荷キャリアが注入された後にはじめて、そこ
を電流が流れることができる。誘電体層がゲート電極と
電荷キャリア転送層との間に設けられている。ｒ−）電
極はソース電極から電荷キャリア転送層への電荷キャリ
ア注入を制御し、そこを流れる電流を発生させる。

〔実施例の説明〕

本発明のアモルファス　シリコン薄膜トランジスタ（ａ
−８ｉ：ＨＴ′ＩＰＴ　）装置の動作の原理は、アモル
ファス　シリコン装置の製造に適用されるプロセス工程
の独自な柔軟性と簡易性に依存しておす、更に、アモル
ファス　シリコンの独特の転送特性に依存している。ア
モルファス　シリコンは比較的低温度（３５０℃以下程
ＷＩ）においてガラスやセラミックスのような非晶質大
面積基板上へ一様に堆積することができるため、以下に
説明するような形の大面積配列を構成するトランジスタ
が容易に得られる。ここに述べる独特な装置の動作を可
能にするための根捉となる。アモルファスシリコンの２
つの特性とは、１つはアモルファスシリコン材料の非常
に高い抵抗率・であって、そのために誘電体材料に似た
振舞いをすることと、もう１つはその中を通って電荷キ
ャリアがドリフトするのを許容することであって、その
ために、そこに電荷キャリアが一旦注入されると電流が
発生するということである。

さて添付図面を参照すると、第１図には、装置１０が示
されておし、装置１０はガラスやセラミックスのような
任意の適当な材料の基板１２を含んでおり、この基板上
に、装置のｆ−）電極を形成するようにパターン化され
た薄い金属層１４がとりつけられている。ｒ−）電極１
４はＯｒ　。

Ｎｉ０ｒ　、その他の任意の適当な材料でできている。

Ｐ−）と基板の上には１通常はシリコン窒化物や二酸化
シリコンのｆ−）誘電体材料の層１６がと９つけられて
いる。未Ｖ−ノまたはわずかＫｒ−ゾされたアモルファ
ス　シリコン層１８が誘電体層１６上にあって、通常は
ｆ−）誘電体１６と同じ材料の保護誘電体層２０によっ
ておおわれている。しかし、同じ材料でなくてもよい。

保護層２０中へエツチングされた窓２２がソース電極２
４とＶレイン電極２６のための開口部を提供する。ソー
ス電極は所望の型の電荷キャリア、すなわち、電子（ｎ
＋）または正孔（ｐ＋）を供給するように適当にドープ
されたアモルファス　シリコンであることが好ましい。

最後に、Ｍのような適当な導電材料の金属のソース及び
ドレイン　コンタクト２８と３０がソース及びドレイン
電極２４と２６上にとりつけられる。ソース　コンタク
トは通常アースされるかまたは適当な基準電位へつなが
れているＯｒドレインコンタクトは通常負荷抵抗を通し
て、電荷キャリアの極性に対して適当な極性（電子に対
しては正、正孔に対しては負）の高電圧源（数百ボルト
のオーダ）へつながれている。ｒ−）はスイッチングで
きる低電圧源（５ないし１５ボルトのオーダ）へつなが
れている。

第１図に示されたように、ソース電極２４とｒ−ト電極
１４とはどちらも横方向においてＶレイン電、極２６か
らオフセットされており、ｒ−）を極１４はソース電極
の下に位置している。？−）電極はソース電極よりもい
く分大きく、特に、ドレイン電極へ向かって距離ｄｌだ
けソース電極よシ長くなっている。ｒ−ト電極の右端と
ドレイン電極の左端との間は距離ｄ２だけ離れている。

以下で動作理論について述べるところで明らかなように
、ｒ−ト電極がソース電極よりもドレイン電極へよシ接
近していることが望ましいけれども、ｒ−ト／ソースの
重なりは装置の適切な機能のために本質的な障害とはな
らない。しかし、デート電極がトランジスタを完全にＯ
ＦＦにスイッチするように機能するためには、ソース電
極とＰ−）電極のドレイン電極に面する端が少なくとも
整列していることが会費である。

いくつかの要素間に上述された関係が認められる限り、
本発明の薄膜高電圧トランジスタの形状については任意
の変形が可能である。例えば、第２図には、ソースとド
レインが基板上に直接的に位置するようになっている逆
転型の装置３２が示されている。わかりやすいように第
１図と同じ参照番号が示されている。

未ｒ−デまたはわずかにＰ−ノされたアモルファス　シ
リコン層１８は非常に高い暗抵抗率（典型的には１０９
Ω・ｃＩｎ以上）を有している。熱的に生成したキャリ
アによるオーミック竣での電流はほとんどわずかである
ため、実用上は、電流キャリアの数に関する限り、それ
は絶縁層と考えることができる。通常は、ｎ＋アモルフ
ァス　シリコンソース電極とアモルファス　シリコン電
荷転送層との間の界面にはキャリアの移動に対する高い
障害が存在する。しかし、付加的制御がないために、離
れたＶレイン電極上の十分大きい正電位によって通常は
ソース電極からアモルファス　シリコン転送層中へいく
らかの電子をとり出すことが可能である。以下で説明す
るように、ｒ−）電極はソース電極界面を横切る電荷キ
ャリアの注入を制御するように働き、それによって、ア
モルファスシリコン層を通る電流のＯＮとＯＦＦを制御
する。

真空管と同様に％　２つの電極間の電位差のみによって
は、真空中の電流が発生しないように、アモルファス　
シリコン層の非常に高い抵抗率は通常ソースと「レイン
電極間の電流を阻止している。

真空管との類似性をつづけると、電子はそれらがいった
ん真空中へ注入されると電界の効果によって真空中を走
行し電流を発生することが知られている。真空中へ電子
を注入するためには、電極のうちの１つに隣接して加熱
されたカッ−Ｖを設けることが行なわれ、グリッドまた
は他の制御装置が電子を電極間領域へ導ひき、それらの
間を高電界によって走行させるように働く。同様に、キ
ャリアはアモルファス　シリコン層１８を通してｙ　１
７７トすることができ、一旦それらがアモルファスシリ
コン中へ注入されると、電流な生成させる。

ソース電極はｒ−）電極から数千オングストローム離れ
ており、またドレイン電極から数ミクロン離れているた
め、ｒ−ト上の低電位の効果はげレイン上の高電位に影
響を及はす。このように、ｉ！、荷キャリアの注入制御
は、ｎ＋にドープされたアモルファス　シリコン　ソー
ス電ｔｆｉ２４によって供給され、ｒ−ト電極１４によ
って完成させられる。

ＯＦＦ状態において、零がルトの電位または低い負電圧
の電位がｆ−ト電極へ印加され、ソース電極からアモル
ファス　シリコン中への電荷キャリアの注入を抑制する
。ＯＮ状態においては、５ないし１５ポルト程度の正電
圧がｒ−ト電極へ印加される。これがソース電極からア
モルファス　シリコン電荷キャリア転送層への界面を横
切って電子を引き出す。いったん電子がアモルファス　
シリコン層中へ注入されると、それらはドレイン電位に
よって更に引きつけられ、電流を発生する。

ｆ−）電極によって電荷キャリアの注入と抑制に与えら
れる制御の程度は、ｒ−トとソース電極間の空間的関係
に大幅に依存する。もし、第１図に示したように、ｒ−
）電極がソース電極に完全に及んでいるなら、それに対
して最大の制御を与えることができる。しかしながら、
もしソース電極がドレイン電極に向かった方向に／ｒ−
）電極よりも長くなっているなら、その部分はｒ−）電
極によって本質的に影響を受けない。それらのはみ出た
部分は高電圧ドレイン電極の影響下に入り、それによっ
て電荷キャリアの転送層中への注入はｒ−トを極の状態
に依らずに行なわれることになる。この効果の程度は、
ソース電極からドレイン電極へ延びる部分がどれだけド
レイン電極に接近しているかに依存している。それでも
、’７”−）電極は完全なＯＦＦ条件を確立するために
は有効ではない。

ｒ−）電極がソース電極よりもドレイン電極の方向へ延
びていれば（図示のように）、アモルファス　シリコン
電荷キャリア転送層上へのｒ−）電圧の効果によって付
加的な利点が達せられる。

ＯＮ状態において、正のｒ−）電圧はアモルファス　シ
リコン転送層のｄｌ領域中に電子蓄積ｒ−ンを形成し、
ソース電極をｒ−）電極の右端へ等測的に延長させる。

こうなると電子はドレイン電極に達するまで距離ｄ２を
ドリフトすればよいだけとなシ、ドレイン電極は低いド
レイン電圧において電子を引出すことができる。逆にＯ
ＦＦ状態においては、零または負のｒ−）電圧は、電子
をｄｌ領埴から排除して転送層を空乏化し、ソースとげ
レイン電極間の等測的距離を増大させることになる。ソ
ースとＰレインの電極間の等価距離の増大によって電流
経路に沿ったアモルファス　シリコン転送層中の電界が
減少し、ソース電極から電子を引出す高い一レイン電圧
の効果が損なわれる。

ゲート電極のｎ＋ソース電極からアモルファスシリコン
転送層中への電荷注入特性に対する上述の効果は第４図
に示されたバンド　ベンディング現象に依っている。第
４図に示されたように、はぼ対称的に引かれた仮想の１
対の垂直線はアモルファス　シリコン転送層１Ｂ、！：
ｎ”ｌ’−プされたアモルファス　シリコン　ソース電
極との間の界面ゾーンを表わしている。各々の材料に対
して、エネルギー　バンド　ギャップで分離された伝導
帯と価電子帯とが示されている。注意すべきことは、界
面にはビルトイン電位障壁が存在し、それを界面ゾーン
の曲線の傾斜で示しであるということである。

パンＰ　ベンディングは、界面と界面に隣接しりｎ”Ｐ
−７’されたアモルファス　シリコン　ソース電極とア
モルファス　シリコン転送層との間の領域に、６組の伝
導帯と価電子帯対によって示されている。中央の対（実
線）は、ｒ−）電極に対して電位を与えない熱平衡状態
を示している。上の対（点線）は、ｒ−）電極が低い角
の電圧を印加された（　ＯＦＦ状態）場合にバンド　ベ
ンディングの結果を示しており、ソース電極からの電子
の注入に対する障壁の増大を示している。下側の対（２
点鎖線）は、ｒ−ト電極が低い正電圧を印加された（　
ＯＮ状態）場合のバンド　ベンディングの結果を表わし
てお９、ソース電極からの電子注入に対する障壁の減少
を示している。この状態において、電子はアモルファス
　シリコン転送層中へ容易に注入される。

第５図には、本発明の高電圧薄膜トランジスタの電気特
性が示されている。ドレイン電流よりＢがソース−Ｐレ
イン電圧ｖＤＳの関数として各種のｒ−ト電圧■。に対
してプロットしである。■Ｄｓの低い値に対して（領域
ＩＬ低いげレイン電圧では、アモルファス　シリコン転
送層を横切って十分高速に注入電子を除去するには不十
分である。

こうして、ソースからアモルファス　シリコン転送層中
へ注入された電子はパンチアップ（集群化）し、それ以
上の注入を禁止する。この状態は電圧が増分するにつれ
て対応した電流の増大があることから明らかである。し
かし、領域■においては、■Ｄ８は、ソースからアモル
ファス　シリコン転送層を横切って注入されたすべての
電子を本質的に動かすに十分な大きさをもっている。こ
れは、■Ｄｓの増大に対してよりｓが本質的に平坦に留
まっていることから明らかである。領域■において、Ｉ
ＤＳ　ハ、　ｌ”　−）電圧ｖＧによって支配されたソ
ース電極の電子注入能力によって制限されるのみである
０ 所与のトレーイン電圧と’Ｉ’−）電圧に対して最大の
ドレイン電流を得るためには、トランジスタは領域■で
動作すべきである。もしトランジスタの寸法ｄ２が大き
すぎると、ドレイン電極はソース電極から遠すぎ、アモ
ルファス　シリコン転送層中へ注入された電子から見る
電界は小さすぎて、そこを横切って注入電子をすべて転
送することができない、すなわち、トランジスタは領域
Ｉで動作する。仙方、もし寸法ｄ２が短かすぎると、ｒ
−ト誘電体層１６はドレイン電極とｒ−）電極との間の
大きい電位差を保つことができず％　ドレインとｒ−）
との間で破壊が発生する０このように。

この寸法を選ぶについてはバランスをとるべきである。

更に、ソースとドレイン　コンタクト間の空中破壊を阻
止するためには、高強度の誘電体でこの装置を被覆しな
ければならない。

成功装置に用いられた櫃寸法の典型値の例は次のとおシ
であるＯｒ−ト電極層は８００１厚であッテ、ｌ’−）
　ｍ　ｔ　体層、アモルファス　シリコン層、保護誘電
体層は１０００ないし３０００Ｘ厚の程度でありｓ　ｎ
＋ドープされたアモルファスシリコンのソース及びドレ
イン電極は５００ないし１０００Ｘ厚で、金属のソース
及びＰレイン　コンタクト層はステップ　カバレッジを
完全に行うために十分厚く、寸法ｄ１はは″ｉ５ミクロ
ンで、寸法ｄ２は１０ないし６０ミクロンである。

これらの条件下において、ドレイン電極へ与えられた＋
６００ボルトの電位はソース電極から電子を引出してア
モルファス　シリコンＩ中へ注入する傾向を有する。し
かし、ドレイン電極はデート電極よりも約１００倍ソー
ス電極から離れているため、はんの零または一５ボルト
を与えられたｒ−）電極は電荷注入を抑制するに十分で
あり１ＯＦＦ’状態を保持するに十分である０アモルフ
ァス　シリコン装置に適用できる製造プロセスの柔軟性
は、この独特な構造を作ることを可能にする。上で完全
に述べたように、この装置は、ｒ−ト電極１４がソース
電極の対向する表面からの注入を制御することができる
ように、導電性ｒ−）電極１４とｎ＋ドーゾされたソー
ス電極２４との間に未ドープまたはわずかにドープされ
たアモルファス　シリコン層１８をはさみこむことに依
存する。ｒ−）電極をアモルファス　シリコン転送層か
ら分離する誘電体層は、’ｒ−）［。

極がその回路からどんな電流を引出すことをも明止し、
注入された電子がドレイン電極へ転送されることを要求
する。このような構造は単結晶シリコン中では不可能で
ある。すなわち単結晶シリコンの場合には、母材はシリ
コン　ウニ・・であって、すべての構造は表面から下方
へ拡散されるか、それの上へ上方に積上げられる。アモ
ルファス　シリコンの場合には、母材は任意の適当な基
板であって、その上に金属層、誘電層、アモルファスシ
リコン層（ドープされたもの、未Ｐ−ゾまたはわずかに
ドープされたもの）が、任意の順序で、比較的低温度で
堆積される。

第６図の実施例は、破壊電圧を更に増大させるために提
案された別の構造である０高電圧薄膜トランジスタ３４
はトランジスタ１０（第１図）と同じ要素の配置を含ん
でいるが１つの修正を含んでいる。同じ部品を示すには
同じ参照番号を用いている。Ｐ−）電極１４から厚い誘
電体ｒ−、ト電極層３６（およそ１ないし２ミクロン）
によって分離された付加的なｒ−）電極３Ｂがｒ−）電
極１４よりもドレイン電極へ近く延びてお９１寸法ｄｒ
５だけ長くなっている。この付加的ｒ−）電極３６はソ
ース電極電位（通常はアース電位）に保たれており、そ
れによってｄ３領域中のアモルファス　シリコン電荷転
送層１８の電位を低くシ、より薄い第１の誘電体層１６
の破壊の確率を減じている。

新規な高電圧アモルファス　シリコン薄膜トランジスタ
について述べてきた。それは、ソース電極のキャリア注
入効率を制御するためにｒ−）電極を用いている。この
高電圧トランジスタ装置の主要な電流機構は、高抵抗ア
モルファス　シリコン層中のキャリアのドリフトによっ
ている。また、寸法の妥当な選択と各種要素の妥当な相
対的位置決めによって、要素間の事実上の距離は、この
装置を有効性を高めるために修正することができる。

本発明の説明は、実施例に関してのみ行なわれてきたが
、装置要素の組合せと配置及び構造の詳細についての数
多くの変更が、特許請求の範囲に述べた本発明の範囲か
らはずれることなく可能であるということは理解される
べきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のアモルファス　シリコン高電圧トラ
ンジスタの１つの形の模式断面図である。 第２図は、本発明のアモルファス　シリコン高電圧トラ
ンジスタの別の１つの形の模式断面図である０ 第６図は、本発明のアモルファス　シリコン高電圧トラ
ンジスタの更に別の１つの形の模式断面図である。 第４図は、本発明の典型的なアモルファス　シリコン高
電圧トランジスタの出力特性のグラフ表示図である。 第５図は、本発明が依っているバンド　ベンディング現
象のグラフ表示図である。 符号の説明 １０・・・トランジスタ装置 １２・・・基板 １４・・・金属ｒ−）電極 １６・・・ｒ−ト誘電体層 １８・・・アモルファス　シリコン層 ２０・・・保護誘電体層 ２２・・・窓 ２４・・・ソース電極 ２６・・・ドレイン電極 ２８・・・ソース　コンタクト ３０・・・ドレイン　コンタクト ３２・・・トランジスタ装置 ３４・・・トランジスタ装置 ３６・・・ｆ−）電極層 ３８・・・付加的ｙ−ト電極 代理人　浅　村　皓 ＦＩＧ、／ ＦＩＧ、３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 横方向に互いに離れて保持されたソース電極手段とＰレ
   イン電極手段を基板上に有していて、前記ソース電極手
   段はまた前記横方向に垂直な方向においてゲート電極手
   段からも離れており、かつ前言ｅソース電極手段と前記
   ｒ−）電極手段とは互いに重なり合っておシ、また、電
   荷キャリア転送手段が、前記ソース電極手段と前記Ｐレ
   イン電極手段との間にそれらと物理的及び電気的に近接
   して横方向に延びるように前記ｒ−）電極手段と前記ソ
   ース電極手段との間に位置して設けられていて、そこへ
   電荷キャリアが注入された後にのみそこを流れる電流を
   許容するようになっており、さらに、誘電体手段が前記
   ’Ｆ”−）電極手段と前記電。 荷キャリア転送手段との間に位置して設けられている構
   成になっていて、それにより、前記？−）電極手段が前
   記ソース電極手段から前記電荷キャリア転送手段への電
   荷キャリアの注入を制御し、該電荷キャリア転送手段を
   通る電流を発生するようになっていることを特徴とする
   高電圧トランジスタ。