DE3118674A1

DE3118674A1 - Duennfilm-transistor

Info

Publication number: DE3118674A1
Application number: DE19813118674
Authority: DE
Inventors: Keisaku Nonomura; Yutaka Takafuji; Sadatoshi Takechi; Tomio Wada
Original assignee: Japan Electronic Industry Development Association; Sharp Corp
Current assignee: Japan Electronic Industry Development Association; Sharp Corp
Priority date: 1980-05-16
Filing date: 1981-05-12
Publication date: 1982-01-28
Also published as: JPS626672B2; DE3118674C2; GB2077994B; JPS56161676A; GB2077994A; US4425572A

Description

Dünnfilmtransistor

Die Erfindung betrifft allgemein einen Dünnfilmtransistor, insbesondere einen Dünnfilmtransistor mit verbessertem Elektrodenaufbau, der weniger dem dielektrischen Durchschlag unterliegt.

In Fig. 1 bis 4 sind als Beispiele vier typische bekannte Dünnfilmtransistoren dargestellt.

Der in Fig. 1 dargestellte bekannte Dünnfilm-Transistor besteht aus einem elektrisch isolierenden Substrat 1 aus Glasmaterial mit einer planaren Oberfläche , einer mit Hilfe eines Maskensystems zum Aufdampfen oder einem photolithographischen Verfahren darauf aufgebrachten Gate-Elektrode 2 aus Al, Au, Ta, Ni oder In, einer Gate-Isolierschicht 3, die aus Al₃O₃, SiO, SiO-/ CaF₂, Si₃N. oder MgF₂ besteht und mit Hilfe des Sputterverfahrens oder eines chemischen Aufdampfverfahrens über die Gate-Elektrode 2 gelegt worden ist, einer aus CdSe, PbS oder Te gebildeten Halbleiterschicht 4, die über die Gate-Isolierschicht 3 gelegt worden ist, und Source- und Drain-Elektroden 5 und 6, die in elektrisch isolierter Beziehung zueinander auf die Baugruppe aufgebracht worden sind und gewöhnlich aus einem Werkstoff wie Au, Al, Ni oder In bestehen, der Ohmschen Kontakt mit der Halbleiter schicht auszubilden vermag. Wenn bei diesem Aufbau die Gate-5 Elektrode aus Al oder Ta besteht, kann die Isolierschicht 3 nach einem bekannten Anodisierungsverfahren gebildet werden.

Der in Fig. 2 dargestellte Dünnfilm-Transistor entspricht dem in Fig. 1 dargestellten Transistor, wobei jedoch die Halbleiterschicht 4 und die Kombination der Source- und Drain-Elektroden 5 und 6 im Verhältnis zu der in Fig. 1 dargestellten Stellung in umgekehrter Stellung zueinander stehen.

130064/0854

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Dünnfilm-Transistor sind die Halbleiterschicht 4 und die Kombination der Source- und Drain-Elektroden 5 und 6 direkt auf das Substrat 1 aufgebracht, während die Gate-Elektrode 2 unter Zwischenfügung der Gate-Isolierschicht 3 auf die Oberseite der Halbleiterschicht 4 gelegt ist.

Der in Fig. 4 dargestellte Dünnfilm-Transistor entspricht dem in Fig. 6 dargestellten Dünnfilm-Transistor, wobei jedoch die Halbleiterschicht 4 und die Kombination der Source- und Drain-Elektroden 5 und 6 im Verhältnis zu der in Fig. 3 dargestellten Anordnung in umgekehrter Stellung zueinander stehen. ■

Bei jedem der in Fig. 1 bis Fig. 4 dargestellten bekannten Dünnfilm-Transistoren muß zwar die Gate-Isolierschicht eine möglichst geringe Dicke haben, um dem jeweiligen Transistor eine günstige Leistung zu verleihen, jedoch wird die Dicke zur Vermeidung eines möglichen dielektrischen Durchschlags der Isolierschicht 3 im allgemeinen im Bereich von 50 bis 100 nm gewählt.

Wenn jedoch die bekannten Dünnfilm-Transistoren mit dem in Fig. 1 bis Fig. 4 dargestellten Aufbau als Schaltelement zum Treiben einer {nicht dargestellten) Flüssigkristall-Anzeige vom Matrixtyp verwendet wird, wurde festgestellt, daß sich Probleme in Verbindung mit dem dielektrischen Durchschlag ergeben. Hierauf wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 und Fig. 6 ausführlich eingegangen.

Wenn Source- und Gate-Spannungen mit den bei (a) und (b) in Fig. 6 dargestellten Wellenformen an die Source-Elektrode 5 bzw. die Gate-Elektrode 2 gelegt werden (Source-Spannung -10 V, Gate-Spannung -10 V, Tastverhältnis 1/10) und die Spannung (d.h. die Drain-Spannung V„) zwischen einer äquivalenten zusammengesetzten Kapazität C_rp, die durch jeweilige Kapazitäten einer (nicht dargestellten) Segmentelektrode und einem Speicherkondensator gebildet

130064/0854

wird, die beide zwischen die Drain-Elektrode 6 und Erde geschaltet sind, so bemessen ist, wie bei (c) in Fig. 6 dargestellt, pflegt auf Grund der verringerten Dicke der Isolierschicht 3 dielektrischer Durchschlag der Isolierschicht 3 stattzufinden. Dies hat den folgenden Grund:

Von der Anmelderin wurde eine Reihe von Versuchen durchgeführt, bei denen als Schaltelement zum Treiben einer Flüssigkristall-Anzeige vom Matrixtyp zahlreiche Proben eines Dünnfilm-Transistors verwendet wurden, der den in Fig. 1 dargestellten Aufbau hatte und bei dem die Source-Elektrode 5 und die Drain-Elektrode 6 die Gate-Elektrode 2 in der in Fig. 7 dargestellten Weise überlappten. Wenn diese Dünnfilm-Transistoren während eines längeren Zeitraums unter Anlegung der Source- und Gate-Spannungen mit den Wellenformen (a) und (b) in Fig. 6 betrieben wurden, zeigte sich, daß dielektrischer Durchschlag der Isolierschicht 3 an einem Teil, der sandwitchartig zwischen der Source-Elektrode 5 und der Gate-Elektrode 2 eingefügt war, häufiger als an anderen Teilen stattfand, wie die Werte in der folgenden Tabelle zeigen.

Stellen, an denen dielektrischer Durchschlag stattfand.

Häufigkeit der Durchschläge

Überlappung zwischen den 25 Elementen 2 und 5

Überlappung zwischen den Elementen 2 und 4

Überlappung zwischen den Elementen 2 und 6

Die Erfindung wurde mit dem Ziel entwickelt, die vorstehend beschriebenen Nachteile und Mängel, die den bekannten Dünnfilm-Transistoren innewohnen, im wesentlichen auszuschalten, und stellt sich die wesentliche Aufgabe, einen verbesserten Dünnfilm-Transistor mit einem Elektrodenaufbau, der weniger dem dielektrischen Durchschlag unterliegt, verfügbar zu machen.

130064/0854

99	,83%
0	,07%
O	,10%

Gegenstand der Erfindung ist ein Dünnfilm-Transistor, bei dem die Source-Elektrode, die teilweise mit der Halbleiterschicht in Kontakt ist, nicht die auf den Halbleiter aufgebrachte Gate-Elektrode überlappt und die Isolierschicht zwischen der Gate-Elektrode und der Halbleiterschicht angeordnet ist. Durch diese Anordnung kann ein etwaiger möglicher dielektrischer Durchschlag des zwischen der Source-Elektrode und der Gate-Elektrode liegenden Teils der Isolierschicht in vorteilhafter Weise weitgehend ausgeschaltet werden. Daher arbeitet der Dünnfilm-Transistor gemäß der Erfindung zufriedenstellend und beständig über einen langen Zeitraum, so daß er zuverlässig in der Leistung ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Abbildungen beschrieben.

Fig. 1 bis Fig. 4 zeigen schematische Querschnittsansichten von bekannten Dünnfilm-Transistoren.

Fig. 5 zeigt ein Schaltbild bei Verwendung des bekannten Dünnfilm-Transistors als Schaltelement zum Treiben einer bekannten Flüssigkristall-Anzeige.

Fig. 6 ist ein Schema, das die jeweiligen Wellenformen der Spannungen an den Source-, Gate- und Drain-Elektroden eines Dünnfilm-Transistors bei Verwendung als Schaltelement auf die in Fig. 5 dargestellte Weise zeigt.

Fig. 7 ist eine schematische Draufsicht auf den bekannten Dünnfilm-Transistor und zeigt eine Elektrodenanordnung.

Fig. 8 ist eine schematische Draufsicht auf einen Dünnfilm-Transistor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und zeigt eine Elektrodenanordnung.

Fig. 9 ist eine ähnliche Ansicht wie Fig. 8 und zeigt die mit Abstand zueinander angeordneten Drain- und Gate-Elektroden.

1 30064/0854

Fig. 10 ist eine ähnliche Ansicht wie Fig. 8, zeigt jedoch eine zweite Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 11 zeigt eine graphische Darstellung, die die Beziehung der kumulativen Ausfälle in Abhängigkeit von der Zeit für die Dünnfilm-Transistoren mit dem in Fig. 7,

Fig. 8 und Fig. 9 dargestellten Aufbau veranschaulicht.

Fig. 12 zeigt eine graphische Darstellung, die die Gatespannungsabhängigkeit veranschaulicht, die für den Sättigungs-Drain-Strom in den Dünnfilm-Transistoren mit dem jeweils in Fig. 7, 8, 9 und 10 dargestellten Aufbau charakteristisch ist.

Bevor mit der Beschreibung der Erfindung begonnen wird, sei bemerkt, daß in allen Abbildungen gleiche Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.

In Fig. 8, die eine erste Ausführungsform der Erfindung darstellt, ist der Dünnfilm-Transistor mit dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau gemäß der Erfindung und für die Zwecke der Erfindung so modifiziert, daß ein Zwischenraum oder Spalt 8 zwischen Gate-Elektrode 2 und Source-Elektrode 5 gebildet wird, während die Gate-Elektrode 2 und die Drain-Elektrode 6 nach wie vor einander bei 7 überlappen. Bei dem Dünnfilm-Transistor mit dem gemäß Fig. modifizierten Aufbau wurde Al als Werkstoff für die Gate-Elektrode 2 verwendet, und die Gate-Isolierschicht 3 wurde durch Anodisieren der Gate-Elektrode 2 als 70 nm dicke Schicht aus Al„0, gebildet. Ferner wurden die Source-Elektrode 5 und die Drain-Elektrode 6 jeweils als 100 nm dicke Schicht aus Au gebildet, während die Halbleiterschicht 4 als 10 nm dicke Te-Schicht ausgebildet wurde.

Die Halbleiterschicht 4 hatte eine Kanalbreite von 300 pm und die Gate-Elektrode 2 eine Breite von 600 pm, während der Spalt 8 zwischen den Gate- und Source-Elektroden 2 und 5 ; eine Breite von 100 pm hatte.

Um die Zuverlässigkeit, d.h. die Brauchbarkeit zu prüfen,

130064/0854

wurden die Transistoren gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung getestet, indem sie jeweils einzeln als Schaltelement zum Treiben der bekannten Flüssigkristall-Anzeige vom Matrixtyp in der in Fig. 5 dargestellten Weise verwendet wurden, wobei die Source- und Gate-Spannung mit den jeweiligen Wellenformen (a) und (b) von Fig. 6 an die Source-Elektrode 5 bzw. die Gate-Elektrode 2 gelegt wurde. Als Ergebnis wurde festgestellt, daß, wie die Kurve m in der graphischen Darstellung von Fig.11 zeigt, die Transistoren eine beständige Leistung aufwiesen und nach Ablauf von 2800 Stunden kein dielektrischer Durchschlag der Isolierschicht 3 auftrat.

Für bekannte Dünnfilm-Transistoren, die sämtlich im Aufbau identisch mit dem erfindungsgemäßen Transistor waren, außer daß kein Zwischenraum zwischen den Source- und Gate-Elektroden 5 und 2 vorgesehen war, wie Fig. 7 zeigt, ergab sich die Kurve m., in der graphischen Darstellung von Fig. 11. Diese Kurve zeigt, daß nur etwa 20% der bekannten Dünnfilm-Transistoren bis zum Ablauf von 2000 Stunden eine beständige Leistung aufwiesen und nach Ablauf von 2600 Stunden ein dielektrischer Durchschlag bei allen Transistoren stattfand.

Die Kurve m₂ in der graphischen Darstellung von Fig. 11 veranschaulicht den kumulativen Ausfall von Dünnfilm-Transistoren, die jeweils einen Spalt 11 zwischen den Drain- und Gate-Elektroden 6 und 2 aufwiesen, während die Source- und Gate-Elektroden 5 und 2 sich bei 10 auf die in Fig. 9 dargestellte Weise überlappten. Diese Transistoren wurden in der gleichen Weise wie die Transistoren gemäß der Erfindung getestet. Die Kurve nu zeigt, daß der Prozentsatz der Transistoren, die nicht ausfielen, nach Ablauf von 2000 Stunden auf 20 bis 25% und nach Ablauf von 2800 Stunden auf 0% fiel.

Aus den vorstehenden Ausführungen und aus der graphischen Darstellung von Fig. 11 ergibt sich eindeutig, daß im

130064/0854

Vergleich zu den Transistoren mit der in Fig. 7 und Fig. dargestellten jeweiligen Elektrodenanordnungen der Transistor mit der in Fig. 8 dargestellten Elektrodenanordnung eine beständige Leistung über einen langen Zeitraum zeigte, ohne daß ein dielektrischer Durchschlag in der Isolierschicht 3 stattfand.

Da insbesondere bei dem Transistor mit der in Fig. 8 dargestellten Elektrodenanordnung der elektrische Widerstand eines Teils der Halbleiterschicht 3 des Spalts 8 sich als parasitärer Widerstand zum EIN-Widerstand des Transistors addiert, besteht die Möglichkeit, daß bei Verwendung des Transistors als vorstehend genannter Schalttransistor der Widerstand während des EIN-Zustandes auf einen solchen Wert steigt, daß das EIN - AUS-Verhältnis (^RAUS^/REIN ^{: R}EIN ^{Und R}AUS ^{stellen die EIN}~ ^bzw· ^AUS~ Widerstände des Transistors dar) des Transistors erniedrigt wird. Die Sättigungs-Drainstromcharakteristik des Transistors mit der in Fig. 8 dargestellten Elektrodenanordnung ist so gewählt, wie durch die Kurve η in der graphischen Darstellung in Fig. 12 gezeigt, während die des Transistors mit der in Fig. 7 dargestellten Elektrodenanordnung und die des Transistors mit der in Fig. 9 dargestellten Elektrodenanordnung durch die Kurven n-| bzw. n₂ in der graphischen Darstellung von Fig. 12 dargestellt sind.

Wenn, wie Fig. 12 zeigt, V„ < -8, ist die Sättigungs-Drain-Stromcharakteristik des Transistors mit der in Fig. 8 dargestellten Elektrodenanordnung im wesentlichen gleich derjenigen des Transistors mit der in Fig. 7 dargestellten Elektrodenanordnung, so daß die Erniedrigung des EIN-AUS-Verhältnisses des Transistors mit der in Fig. 8 dargestellten Elektrodenanordnung vernachlässigbar ist.

Im Gegensatz hierzu ist, wie aus der Kurve n~ in der graphischen Darstellung von Fig. 12 leicht erkennbar ist,

130064/0854

IO

bei dem Transistor mit der in Fig. 9 dargestellten Elektrodenanordnung der Sättigungs-Drainstrom bei erniedrigtem EIN-AUS-Verhältnis klein im Vergleich zu den beiden Transistoren mit den in Fig. 7 und Fig. 8 dargestellten Elektrodenanordnungen.

Die vorstehenden Ausführungen zeigen, daß bei einer Elektrodenanordnung des Transistors in der in Fig. 8 dargestellten Weise der erhaltene Transistor eine zuverlässige Leistung über einen langen Zeitraum zu erbringen vermag, ohne daß dielektrischer Durchschlag in der Isolierschicht stattfindet und ohne daß das EIN-AUS-Verhältnis kleiner wird.

Fig. 10 zeigt eine zweite Ausfuhrungsform der Erfindung. Der dort dargestellte Dünnfilm-Transistor ist im Aufbau und in den Werkstoffen mit dem im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform der Erfindung vorstehend beschriebenen Transistor identisch, außer daß die Source- und Drain-Elektroden 5 und 6 eine Breite von je 1000 pm haben, der Spalt 8 zwischen den Source- und Gate-Elektroden 5 und 2 eine Weite von 100 pm und die Halbleiterschicht 4 an Teilen angrenzend an den Spalt 8 und in der Nähe der Source- und Drain-Elektroden 5 und 6 eine Breite von 900 pm hat.

Der Transistor mit der in Fig. 10 dargestelltenElektrodenanordnung wurde zufriedenstellend während eines langen Zeitraums betrieben, ohne daß dielektrischer Durchschlag in der Isolierschicht auftrat, und zeigte eine ähnliche Leistung wie der Transistor mit der in Fig. 7 dargestellten Elektrodenanordnung. Die Sättigungs-Drain-Stromcharakteristik des Transistors mit dem in Fig. 10 dargestellten Aufbau ist durch die Kurve n₃ in Fig. 12 dargestellt, die der Kurve n- sehr ähnlich ist. Demgemäß ist das EIN-AUS-Verhältnis des Transistors mit der in Fig. 10 dargestellten Elektrodenanordnung auch bei lv.,1 >8 dem durch die Kurve n₁ dargestellten sehr ähnlich.

130064/0854

Es ist zu bemerken, daß ähnliche Angaben auch dann gelten, wenn die Gate-Elektrode 2 aus Ta, Hf, Nb, Mo oder Au besteht, die Gate-Isolierschicht 3 durch Anodisieren des Werkstoffs für die Gate-Elektrode oder aus SiO, SiO2i Al„O~ oder Si-,Ν. nach einer beliebigen bekannten chemischen Aufdampfmethode oder einer beliebigen bekannten Vakuum-Abscheidungsmethode oder einer beliebigen bekannten Sputtermethode gebildet worden ist, die Source- und Drain-Elektroden 5 und 6 beide aus Al, In, Ni oder Mo gebildet worden sind und/oder die Halbleiterschicht aus CdSe, CdS oder PbS gebildet ist.

Die Erfindung wurde vorstehend ausführlich im Zusammenhang mit bevorzugten Ausfuhrungsformen beschrieben, jedoch sind verschiedene Änderungen und Modifikationen für den Fachmann offensichtlich. Beispielsweise können bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung an Stelle der Verwendung einer Halbleiterschicht 4, deren an den Spalt 8 angrenzende und in der Nähe der Source- und Drain-Elektroden liegenden Teile breiter sind als der restliche Teil (Kanalbereich), diese Teile entweder eine größere Dicke als der restliche Teil oder eine hohe Konzentration an Verunreinigungen aufweisen, wodurch jede mögliche nachteilige Auswirkung, die der parasitäre Widerstand verursachen kann, vermieden wird. Diese Änderungen und Modifikationen sind als im Rahmen der Erfindung liegend anzusehen, so lange sie nicht davon abweichen.

130064/0854

Leerseite

Claims

VON KREISLER SCHCNWAlD: EISWQLCt FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNER

PATENTANWÄLTE Dr.-Ing. von Kreisler 11973

Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln

Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden

Dr. J. F. Fues, Köln

Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln

Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln

Dipl.-Ing. G. Selling, Köln

Dr. H-K. Werner, Köln

AvK/Ax 13. Mai 1981

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

D-5000 KÖLN 1

Sharp Kabushiki Kaisha, 22-22, Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka-shi_f Osaka-fu (Japan),

und

Japan Electronic Industriy Development Association , 5-8, Shibakoen 3-choitte, Minato-ku, Tokyo-to (Japan) .

Patentansprüche

Dünnfilm-Transistor aus einem Substrat, auf dem Source- und Drain-Elektroden gebildet sind, einer Halbleiterschicht, die teilweise mit der Source-Elektrode und teilweise mit der Drain-Elektrode in Kontakt steht, einer Gate-Elektrode und einer zwischen der Halbleiterschicht und der Gate-Elektrode angeordneten Gate-Isolierschicht, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Drain-Elektrode (6) in überlappender Beziehung zu einem Teil der Gate-Elektrode (2) gehalten wird, während ein Teil der Source-Elektrode (5) in einem Abstand zur Gate-Elektrode (2) gehalten wird.
2. Dünnfilm-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Zwischenraum 8 zwischen dem genannten Teil der Source-Elektrode (5) und dem anderen Teil der Gate-Elektrode (2) angrenzende und in der Nähe der Source- und Gate-Elektroden (5, 2) liegende Teile der Halbleiterschicht (4) breiter sind als ihr

130064/0854

Telefon: (0221) 131041 · Telex: 8882307 dopa d ■ Telegramm: Dompalem Köln

verbleibender Kanalteil.
3. Dünnfilm-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Zwischenraum (8) zwischen dem genannten Teil der Source-Elektrode (5) und den genannten anderen Teil der Gate-Elektrode (2) angrenzende und in der Nähe der Source- und Gate-Elektroden (5, 2) liegende Teile der Halbleiterschicht' (4) dicker sind als ihr verbleibender Kanalteil.
4. Dünnfilm-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Zwischenraum (8) zwischen dem genannten Teil der Source-Elektrode (5) und einem anderen Teil der Gate-Elektrode (2) angrenzende und in der Nähe der Source- und Gate-Elektroden (5, 2) liegende Teile der Halbleiters diicht (4) eine höhere Konzentration an Verunreinigungen aufweisen als ihr verbleibender Kanalteil.

130064/0854