JPS6076167A - 絶縁ゲイト型半導体装置 - 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】 本発明は基板上の非単結晶半導体を用いた縦チャネル型
の積層型の絶縁ゲイト型半導体装置（以下ＩＧＦという
）に関する。

本発明はこのＩＧＦに対し、ゲイト電極を少なくとも３
ｍに積層させた半導体の側周辺に設け、さらにこのゲイ
ト電極の上端部を積層された半導体上方に延在すること
なく設け、より高い周波数動作をさ゛せることを目的と
する。

この発明は３層に積層された半導体の２つの側周辺を用
いて２つのＩＧＦを作製することにより、インバータ等
の回路素子を高集積化して設けることを目的としている
。

本発明は基板上の積層型のＩＧＦ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に
関する。

本発明はかかる複合半導体装置を７トリックス構造に基
板上に設け、液晶表示型のディスプレイ装置を設けるこ
とを特徴としている。

平面型の固体表示装置を設ける場合、平行な透光性基板
例えばガラス、プラスチック板内に一対の電極を設けて
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２０〜２０
０までが限界であり、それ以上とする場合はこの表示部
より外に取り出す端子が絵素の数だけ必要となってしま
うため、まった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Ｉ・リ
ノクス構成させ、任意の絵素をその周辺部に設けられた
デコーダ、ドライバの論理回路により制御α１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ＩＧＦ
およびインバータ、抵抗等を同一プロセス、同一構造で
作ることを必要としていた。そしてこのＩＧＦに制ｆａ
ｌｌ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。

この液晶表示またはエレクトロクロミック表示素子はそ
の等何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（４ｏ）せしめたものを第１図（Ａ）
に示す。

第１図（Ａ）において、マトリックス（４ｏ）の１　（
Ｉｌｉｌの番地はｌ　ｆＩＭ（７）ＩＧＦ　（１０）と
１個０．）ＣＣ３１）により１四〇絵素を構成させてい
る。これを行に（５１）、（５２）とピント線に連結し
、他方、ゲイトを連結して列（４１）、＜４２０ワード
）を設けたものである。

すると、例えば（５０，（４１）をｒｌＪとし、（５２
）、（４２）を「０」とすると、ＩＧＦ　（１０）はオ
フとなり、ＩＧＦ　（１０’）等の他のＩＧＦはオフと
なる。そして（２，１）番地のみを選択してオンとし、
電気的にＣ（３１）として等何泊に示される表示部を選
択的にオン状態にすることができる。

本発明はこのマトリックス構成されたＩＧＦを対称形と
せしめて、表示部以外のＩＧＦ配線に必要な面積を少な
くさせたことを特長としている。さらに縦チャネル型と
することにより、水素または弗素が添加された珪素を主
成分とする珪素、５ｉｘＣ１−ｘ（Ｑ＜ｘ＜１）の非単
結晶半導体を用いてもそのキャリア移動度が小さいとい
う欠点を有する。このため、第２の半導体の膜厚を１μ
またはそれ以下として短チャネル長とした。その結果、
ｌＯＭＩＩｚ以上のカントオフ周波数を有せしめること
ができた。

本発明は第１図（Ｂ　）、＜　ｃ　）、＜　Ｄ　）に示
すごとく、同一基板上にデコーダ、ドライバを構成せし
めるため、伯の絶縁ディト型半導体装置（１０）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
組み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。

第２図は本発明の積層型ＩＧＦの縦断面図およびその製
造工程を示したものである。この図面は一つのＩＧＦを
作製する製造例を示すが、同一基板に複数ケ作る場合も
まったく同様である。

図面において、絶縁基板例えば石英ガラスまたばボウ珪
酸ガラス基板上に第１の導電膜（２）（以下Ｅ１という
）を下側電極、リードとして設けた。

この実施例では酸化スズを主成分とする透光性導電膜を
０．２μの厚さに形成している。これに選択エッチのを
施した。さらにこの上面にＰまたはＮ型の導電型を有す
る第１の非単結晶半導体（２）（以下単ニ３１という）
を１０００〜３０００人、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Ｘｏ、３〜３μ
）、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３３という）′（０，１〜０．５μ）を
積層して設けた。この積層によりＮＩ’Ｎ、ＮＩＮ、Ｐ
Ｎ−１’、ＰＩＦ接合を有せしめた。このＮ、ＰをＮ”
Ｎまｋはｐ”ｐ　トシテＮ”Ｎ＋＋ｉｌ　、Ｐ”ＰＩＰ
Ｐｆ　として電極との接触抵抗を下げることは有効であ
つノこ。

この半導体は、基板上にシランのグロー放電性（ＰＣｖ
Ｄ法、光ＣＶＤ法、ＬＴ　ＣＶＤ法（１１０８０ＣＶＤ
法ともいう））を利用して室温〜５００℃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）または多結晶構造の非単結晶珪素半
導体を用いている。本発明においてはアモルファスまた
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。

さらに第２図（Ｂ）において、マスク■を用いて選択エ
ツチング法によりＳ３を除去し、さらにＳｌおよびＳｌ
を除去し、残った半導体の５ｌ−５３を楯略同−形状に
形成した。すべて同一マスクでプラズマ気相エッチ例え
ば肝気体を用い、０．１〜０．５ｔｏｒｒ３０Ｗとして
エッチ速度５００　人／分とした。

このＳ３の上にこの後に形成された絶縁膜をさらに厚（
作るため、予めＬＰ　ＣＶＤ法（減圧気相法＞、　ｐｃ
ＶＤ法または光ＣＶＩＪ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。ｌ’ｃＶＤ法の場
合はＮ、０と５ｉｌ１４との反応を２５０℃で行わしめ
て作製した。またこのＳ３上にＭｏＪを０．２〜０．５
　μさらにその」二にＳｌ帆を０．３〜１　μと形成さ
せてＳ３の導電率を向上さ・已ることはマトリックス化
に有９）Ｊであっノこ。

この後、これら半導体ＳＬ　（１３）、Ｓｌ　（１４）
、Ｓ３　（１５）を覆って窒化珪素膜（１６）を光ＣＶ
Ｉ）法にてシラン（ジシランでも可）とアンモニアとを
水銀励起法の気相反応により作製して、厚さは３００〜
２０００人とした。

この絶縁膜は１３．５６ＭＩＩｚ〜２．４５Ｇｌｌｚ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１００〜４００℃浸して固
相−気相反応の珪素を形成してもよい。

また、１ｌＣＶＤ法により窒化珪素またはリンガラスを
形成させ多層構造としてもよい。

すると３２　（１４）の側周辺ではゲイト絶縁物（１６
）としてこの絶縁物が形成され、Ｓｌ、Ｓ３の表面をア
イソレイション用被映として形成さゼることができた。

第２図（Ｂ）において、さらに第３のマスク■により電
穫穴関けを行い、この後このＳｌ、Ｓｌ、Ｓ３上の窒化
珪素膜を覆って第２の導電膜を０．３〜１μの厚さに形
成した。

この導電膜（１７）はＩＴＯ（酸化インジューム）のご
とき透光性導電膜、Ｔｉ１Ｓ１ｚ　＋ＭＯ３ＩＬ＋切Ｓ
ｔＬ、Ｗ、Ｔｉ。

Ｍｏ等の耐熱性導電膜としてもよい。ここではＰまたは
Ｎ型の不純物の多量にドープされた珪素半導体をＰＣＶ
Ｄ法で作った。即ち、０．３μの厚さにリンが１％添加
され、かつ微結晶性（粒径５０〜３００人）の非単結晶
半導体をｐｃｖｏ法で作製した。

この後この上面にレジスト（１Ｂ）を形成した。

さらに第２図（Ｃ）に示されるごとく、第４のフォ１−
リソグラフィ技術により垂直方向よりの異方性エッチを
行った。即ち例えばＣＦえＣ１，、ＣＦｆ＋ｏ、　。

肝等の反応性気体をプラズマ化し、さらにこのプラズマ
を基板の上方より垂直に矢印（２８）のごとくに加えた
。すると導体（１７）は、平面上は厚さく０．３μ）を
エッチすると、この被膜は除去されるが、側面ではＳｌ
　、　Ｓｌ、、　Ｓ３の厚さおよび被膜の厚さの合計の
２．２〜３μを垂直方向に有する。このため図面に示す
ごとき垂直方向よりの異方性エッチを行うと、破線（３
Ｂ）、（３Ｂ’）のごとくにこれら導体をマスク（１８
）のある領域以外にも残すことができた。その結果、Ｉ
ＧＦの５２側周辺のみに選択的にゲイ１−電極を設りる
ことかできた。さらにこのゲイ１〜電極は第３の半導体
の上方には存在せず、結果として第３の半導体とゲイト
電極との寄生容量を実質的にないに等しくすることがで
きた。

かりジζ第２図（Ｃ）を得た。

第２図（Ｃ）の平面図を第２図（Ｄ）として示す。番号
はそれぞれ対応させている。

第２図（ｃ　＞、（Ｄ　＞にて明らかなどと＜、ＩＧＦ
（１０）はチャネルは（９＞、＜　９　’）と２つを自
し、ソースまたはドレイン（１３）、ドレインまたはソ
ース（１５）を宿し、ゲイト（２０）、（２０ゝ〉を有
する。Ｓ３のリードは（２Ｉ）により、Ｓｌのリードは
（２２）により設けである。即ち図面では２つのＩＧＦ
を対として設りることができる。これは２つのＩＧＩ’
のチャネル間の８２の半導体が非単結晶であり、１０μ
の中を３２が有すれば数ＭΩの抵抗を有し、実質的に独
立構成をし得るためであり、アモルファス半導体の固有
の特性を用いている。この構造は結晶半導体とはまった
く異なった構造を有セしめることができた。

本発明の半導体はアモルファス珪素を含む非単結晶半導
体を用い、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、電極リードが異種月料であり
、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６００°Ｃ以下好ましくは３００℃以下で
するとよかった。

またゲイ　上電極　（２０）、＜２０’）をＳｌ　（１
３）、Ｓ２　（１４）、Ｓ３　（１５）と同様の半導体
で電気的にフローティングとして設け、さらにこの」二
面に絶縁膜を介して第２のゲイトをコントロール・ゲイ
トとした不揮発性メモリとすることもできる。

かくしてソースまたはドレインをＳｌ　（１３入チヤネ
ル形成領域（９）ｔ（９’）を有するＳ２　（１４）、
ドレイシまたはソースをＳ３　（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）、
その外側面にゲイト電極（２０）、（２０’）を設けた
積層型のＩＧＦ　（１０）を作ることができた。

この発明において、チャネル長はＳ２　（１４）の厚さ
で決められ、一般には０．１〜３μここでは０．５μと
した。それは非単結晶半導体の移動度が単結晶とは異な
り、その１１５〜１　／１００　Ｌかないため、チャネ
ル長を短くしてＩＧＦとしての周波数特性を助長させた
ことにある。

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５〜１００倍もあるため、Ｎチャネル型とするの
が好ましかった。

Ｓ２にホウ素不純物を被膜形成の隊わずか（０，１〜１
０Ｐｒ’Ｍ　）添加して真性またはＰまたはＮ半導体と
してスレッシュホールド電圧の制御を行うことは有効で
あった。

か＜　Ｌ　テＶ、Ｄ−Ｊ　Ｖ　＋　Ｖ　＆？　””　５
　Ｖ　＋動作周波数１５．５ＭＩＩｚを得ることができ
た。

第３図は第２図に示した本発明のＩＧＦを用いた第１図
（Ａ）の表示パネルの一部の縦断面図を示したものであ
る。

第３図（Ａ）は第１図のＩＧＦ　（１０）、＜１０’）
、キャパシタの上側電極（第３図では下側に設けられて
いる）（３２）を示したものである。図面において、（
Ａ）の平面図の八−Ａ’、Ｂ−Ｂ’の縦断面図を（Ｂ　
）、（ｃ　）に示す。

図面において、Ｓｌ　（１３）、Ｓ２　（１４）、Ｓ３
　（１５）の半導体に対し、下側電極は２つ（１２＞、
（１２’）が設けられている。上側電極（１９）は、Ｘ
方向にリード（５１）として設けられている。ゲイト電
極（２０）、（２０’）は２つのＩＧＦ領域（第３図（
八）での破線で囲まれた領域（１０）、（１０′））を
除き、リード（４１）。

（４２）をＹ方向に構成している。下側電極（１２＞。

（１２’）はさらに延在してキャパシタの一方の電極（
３２）、＜３２’）になっている。かくしてＸ方向、Ｙ
方向にマトリックス構成を有し、ＩＴｒ／絵素構造を有
−１しめることができた。さらに（７１）、＜７１’）
の領域に表示体である例えば液晶が充填され、（７１）
の領域をＩＧＦ　（１０）、（１０’）のオン、オフに
より制御を行なわしめた。

第３図においてリード（５１）をさらに絶縁膜で覆うこ
とは有効である。

さらに第３図より明らかなどと（、このディスプレイの
ＩＧＦの必要な面積は全体の１％以下である。表示部は
９１％、リード部８％となる。このことは、対を為すＩ
ＧＦを用いるに加え、チャネル長の短いＩＧＦであるた
め基板上における必要な面積を少なくできた。かつフォ
トリソグラフィの精度が動作周波数の上限を限定しない
ことという他の特長を有する。

第３図における動作の概要を第１図（Ａ）に対応して示
す。ＮチャネルＩＧＦにおいて、これらＩＧＦはすべて
ノーマリ・オフであるため、Ｘ方向のリード（４１）、
＜４２）、　Ｙ方向のリード（５Ｄ、＜５２）が電圧を
双方に加えた時ｒｌＪを、また一方のみの印加または印
加なしの場合には「０」を有せしめることができた。

さらにこれらの絵素を高周波で動作させるため、ＩＧＩ
’の周波数特性がきわめて重要であるが、本発明の夏Ｇ
ＦはｖＮ　＝５Ｖ、シａ（＝５Ｖにおいてカットオフ周
波数１０Ｍｌ１ｚ以上（１４，５ＭＩＩｚ　〉（Ｎチャ
ネルＩＧＦ　）を有せしめることができた。Ｖｕ、＝０
．２〜２ｖにすることが３２への添加不純物の濃度制御
で可能となった。

周辺部のデコーダ、ドライバに必要な抵抗、インバータ
につき本発明のＩＧＦを以下に記す。

第１図のインバータ（６０）の縦断面図を第４図に示す
。

第４図（Δ）および（Ｂ）においてＩＧＩ＋は第２図と
その番号を対応させている。ドライバ（６１）は左側の
ＩＧＦを、ロードは右側のＩＧＦを用いた。

図面（Ａ）ではロードのゲイト電極（２０）と■（６５
）との連続させるエンヘンスメント型、また図面（Ｂ）
は出力（６２）とディト電極（２０）とを連続させたデ
ィプレッション型のＩＧＦを示す。

さらにこのインバータ（６０）の出力は（６２）　ヨり
なり、この基板上の２つのＩＧＦ　（［１ｉｌ）、＜６
４）を互いに離間することなく同一半導体プロ・７り（
１３）。

（１４）、（１５）に複合化して設けたことを特長とじ
ている。

この第４図（Ａ）のインバータは上側電極を２つのＰＵ
Ｔとして独立せしめ（１９）、（１９つとした。かくす
ると１つのＩＧＦ　（６４０ロード）を電極（１９）。

１゛レイン（１５）、チャネル（９）、ソース（１３）
、電極（１２）即ち出力（６２）がっ他のＩＧＦ　（ド
ライバ）の電極（２）、ドレイン（１３）、チャネル（
９′）、ソース（１５’）、電極（６６）として設ける
ことが可能となる。その結果、２つのＪＧＦを１つの３
１〜ｓ３のブロックと一体化してインパークとすること
ができた。

また第４図（Ｂ）は下側電極を２つに分割したものであ
る。即ち１つのＩＧＦロー１゛（６４）でしく６５）、
下側電極（１２）、ドレイン（１３）、チャネル（９）
、ソース（５）、電極（６２）即ち出刃（６２＞、他の
ＩＧＦ　（ドライバ八６１）でのドレイン（１５入チャ
ネル（９′）、ソース（１３入電極（１２’＞、Ｖ、　
（６６）よりなり、入力（６３）をゲイト電極（２０’
）に出力（６２’）をＳ３より引き出させた。

第１図の抵抗（７０）は第２図ＣＤ　＞、＜　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。即らゲイト
電極に加えられる電圧に無関係に３２のバルク成分の抵
抗率で決められる。即ちゲイト電極を設けない状態でＳ
ｌ、Ｓ２．Ｓ３を積層すればよい。またこの抵抗値はＳ
２の抵抗率とその厚さ、基板上に占める面積で設計仕様
に従って決めればよい。

かくのごとく本発明は縦チャネルであり、ゲイト電極を
５３の上方にわたって設けさせていないため、ＩＧＦの
ゲイト電極と３３との寄生容量を少なくすることができ
るという大きな特長を有する。２つのＩＧＦを対をなし
て同時に作ることができる。

製造マスクも５回で十分であり、マスク精度を必要とし
ない等の多くの特長をチャネル長が０．２〜１μときわ
めて短くすることができることに加えて有せしめること
ができた。

本発明における第３図のディスプレーは１つの電極（３
２）が一つの絵素の大きさを決定する。カリキュレイク
等においては０．１〜５１ＩＩＩｌまたは矩形を有して
いる。しかし第１図のごとき走査型の方式において、１
〜５００μｍの７１−リソクス状の絵素として１０００
　Ｘ　１０００とした。液晶の表示部（３１）はこの基
板上にキャパシタの他の電極として設けた。即ら他方の
電極をＩＴＯ等の透明電極を接地しめて有するガラス板
とし、このガラス板と第３図（Ａ）の基板とを０．０１
〜１ｍｍの間隙を有せしめて対応さセ、そこに例えばネ
マチック型の液晶を注入して設けた。

またこのディスプレイをカラー表示してもよい。

さらに例えばこれらの絵素を三重に重あわせて作製して
もよい。そして赤緑黄の３つの要素を交互に配列せしめ
ればよい。

そのため耐圧２０〜３０Ｖ＋　Ｖ６＞−４〜４ｖの範囲
で例えばＩＶ±０．２ｖとして制御作製できた。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、これまでの非単結晶型の横型の絶縁ゲイト
型半導体装置の５０倍の１０Ｍ１ｌｚ以上を得ることが
できた。

また逆方向リークは、第１図に示ずようなＳｌまたはＳ
３を５ｉｘＣ１−ｘ（０＜　ｘ　＜　１　例えばＸ＝０
．２）とすることにより、このＳｌ、Ｓ３の不純物が８
２に流入することが少なくなり、このＮ−１接合または
Ｐ−１接合のリークは逆方向にＩＯＶを加えても１０ｎ
Ａ／−以下であった。これは単結晶の逆リークよりもさ
らに２〜３桁も少なく、非単結晶半導体特有の物性を積
極的に利用したことによる好ましいものであった。

またＳｌに例えば炭素を１０〜３０モル％添加した炭化
珪素とすると、第３図に示した構造においては同様に逆
リークが少な（、無添加の場合に比べて１　／１０〜１
　／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。

さらに高温での動作において、電極の金属が非単結晶の
３１、Ｓ３内に混入して不良になりやすいため、この電
極に密接した側を５ｉｘＣ１−２（０＜　ｘ　＜　１例
えばＸ＝０．２）とした。その結果１５０℃で１０００
時間動作させたが何等の動作不良が１０００素子を評価
しても見られなかった。これはこの電極に密接してアモ
ルファス珪素のみで５１またはＳ３を形成した場合、１
５０℃で１０時間も耐えないことを考えると、きわめて
高い信頼性の向上となった。

さらにかかる積層型のＩＧＦのため、従来のように高績
度のソ第１・リソグラフィ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
イにまで発展させることが可能になった。

本発明における非単結晶半導体は珪素または炭化珪素（
ＳｉｘＣ１−ｘ　Ｏ＜　ｘ　＜　ｌ　）、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Ｉ
ｎＰ、　ＢＩ’、　ＧａＡｓ等のｍ　−ｖ化合物半導体
を用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による絶縁ディト型半導体装置、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何回
路を示す。 第２図は本発明の積層型絶縁ディト型半導体装置の工程
を示す縦断面図である。 第３図は本発明の積層型絶縁ゲイト型半導体装置とキー
ドパシタまた表示部とを一体化した平面ディスプレイを
示す複合半導体の縦断面図である。 第４図は本発明の積層型絶縁ゲイト半導体装置のインバ
ータ構造を示す。　− 特許出願人 株式会社半導体エネルギー研究所 代表者　山　崎　舜　平

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上または基板上の電極上の第１の半導体上に第
   ２の半導体および第３の半導体を概略同一形状に積層し
   て有し、前記第１および第３の半導体をしてソースおよ
   びドレインを構成せしめ、前記、第２の半導体の側周辺
   のチャネル形成領域側部上にゲイト絶縁膜と該ゲイ１−
   　！ｆ！＋縁膜上に隣接してゲイト電極を第３の半導体
   上方に延在することなく設りたことを特徴とする絶縁ゲ
   イト型半導体装置。 ２、基板または基板上の下側電極上に第１の半導体、第
   ２の半導体および第３の半導体を概略同一形状に積層し
   て有し、前記第１および第３の半導体をしてソースおよ
   びドレインを構成せしめ、前記第２の半導体の２つの側
   周辺のそれぞれのチャネル形成用側面上にゲイト絶縁膜
   と該ゲイト絶縁股上に隣接してそれぞれのゲイト電極を
   設けたことを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項において、第１
   および第３の半導体の導電性電極に密接して、少なくと
   も５ｊｘＣ１−×（０＜　Ｘ≦１）で示されるＰまたは
   Ｎ型の半導体が設けられたことを特徴とする絶縁ゲイト
   型半導体装置。 ４、特許請求の範囲第２項において、それぞれのディト
   電極の少なくとも一方は第３の半導体の上方に延在する
   ことなく設けられたことを特徴とする絶縁ゲイト型半導
   体装置。