Brevet FR2585884A1 — publié le 19870206

La présente invention concerne les structures géométriques en général pour transistors à effet de champ en silicium amorphe. Plus particulièrement, la présente inven- tion concerne une structure de transistor à effet de champ présentant un chevauchement réduit des contacts qui permet de diminuer la capacité intrinsèque de la source et de la grille et qui n'altère pas les performances du dispositif en introduisant des chutes de tension au contact avec la source ou avec la grille. Le dispositif de transistor à effet de champ résultant est particulièrement utile dans les disposi- tifs de visualisation à cristaux liquides adressés par ma- trice. Les transistors à effet de champ en silicium amorphe fournissent un choix séduisant pour les dispositifs de visualisation de télévision du type à panneau plat et contraste élevé. Ces dispositifs de visualisation comportent typiquement un matériau en cristaux liquides disposé entre des électrodes conductrices placées dans un réseau horizon- tal et vertical de manière à fournir une multitude impor- tante d'éléments d'image. L'application de tensions aux électrodes oriente le matériau en cristaux liquides de manière à avoir un effet sur la transmission de la lumière dans le matériau. Etant donné qu'au moins un jeu d'élec- trodes (et son substrat correspondant) est transparent, une image visible se trouve ainsi affichée. Dans le processus, -2- chaque élément d'image fonctionne d'une manière très proche de celled'un condensateur électrique. En effet, une capacité effective CCL des cristaux liquides est associée à chaque élément d'image. Idéalement, dans un dispositif de visua- lisation à cristaux liquides adressé par transistor à effet de champ, lorsqu'un transistor à effet de champ est rendu conducteur, le condensateur CCL de l'élément d'image en cristaux liquides se charge à la tension de la ligne des données ou des drains. Lorsque le transistor à effet de champ est rendu non conducteur, la tension des données est emmagasinée dans le condensateur CCL. Cependant, il y a de nombreuses capacités parasites dans la structure d'affichage qui ne sont pas négligeables lorsqu'on les compare à CCL. Deux capacités parasites importantes sont constitu6es par la capacité entre la source et le drain CSD, et par la capa- cité entre la source et la grille CSG. Plus particulière- ment, la capacité entre la source et la grille joue ici un rôle important. Considérons l'effet de la capacité entre source et drain, CSD. Le pire des cas est celui se produisant lors- qu'un 6élément d'une colonne du dispositif de visualisation est nonconducteur et que tous les autres éléments de la colonne sont conducteurs. Dans ce cas, la tension souhaitée aux bornes du condensateur de l'élément d'image, VCL, doit être nulle alors que la tension VCL aux bornes de tous les autres éléments d'image de la colonne doit être V0. La tension efficace appliquée à la ligne de données est alors approximativement V0 et la tension induite dans l'élément d'image "hors- circuit" est 6VcL = VoCSD/VCL. Pour que l'élément d'image hors-circuit reste dans cet état, la somme des tensions induites à partir de celui-ci et de toutes les autres capacités parasites doit être inférieure à la tension de seuil du matériau des cristaux liquides, à savoir, Vse se' L'effet de CSD sur un dispositif de visualistion à échelle de gris est davantage critique car si VCL est réglé à un -3 - niveau intermédiaire pour un élément d'image (Vse en fonction de l'état des autres éléments de la colonne. L'effet de la capacité entre grille et source CGS est similaire, sauf toutefois que les formes d'ondes de la tension sur la ligne de grilles sont appliquées par l'intermédiaire de CGS pour produire une tension supplé- mentaire indésirable sur l'électrode d'éléments d'image. Seule la partie de la forme d'onde de la ligne de grilles pour laquelle la tension de grille est inférieure à la tension de seuil est ainsi appliquée car, au-dessus de la tension de seuil, le transistor à effet de champ est suffi- samment conducteur pour maintenir la tension de l'élément d'image à la tension de la ligne de données. On peut diviser en deux catégories les capacités parasites dans un dispositif de visualisation à cristaux liquides. Celles qui dépendent de la structure du transistor à effet de champ et celles qui sont fonction de la structure d'ensemble de la matrice. Les capacité parasites qui dépen- dent de la structure du transistor à effet de champ compren- nent la capacité entre source et drain et la capacité entre source et grille. Les capacités parasites qui sont fonction de la structure de la matrice comportent les capacités entre l'électrode d'éléments d'image et les lignes de grilles et de données. Ces dernières capacités sont rendues minimales en choisissant des structures avec des valeurs appropriées pour les largeurs des lignes d'adresse, les espacements entre ligne d'adresse, l'épaisseur des cellules, et le maté- riau des cristaux liquides. Les capacités du transistor à effet de champ, c'est-à-dire les capacités ayant ici un intérêt primordial, sont rendues minimales en faisant en sorte que la surface des électrodes de grille, de source, et de drain soit la plus petite possible. Cela conduit à des réalisation de transistor à effet de champ ayant une petite surface de chevauchement entre la grille et l'électrode qui - 4 - est en contact avec l'élément d'image en oxyde d'étain et d'indium. Les structures classiques de transistor à effet de champ à couche mince avec le contact sur le côté opposé du silicium par rapport au canal électronique induit présentent de nombreux avantages de traitement. Pour les dispositifs de visualisation à cristaux liquides, elles ont l'avantage supplémentaire que l'isolement du croisement des lignes de données et de balayage s'obtient sans traitement addition- nel. Cependant, cette structure peut se traduire par la réduction des courants de drain et par une chute de la ten- sion aux contacts qui compliquent son application à des dispositifs de visualisation dans l'échelle de gris. La nature de cette structure des contacts nécessite également une surface de contact plus grande qui provoque une augmen- tation fâcheuse des capacités parasites associées à de tels dispositifs à transistor à effet de champ. Les courbes des courants de drain en fonction des tensions de drain pour les dispositifs classiques à transis- tor à effet de champ se traduisent généralement par des caractéristiques non idéales aux faibles tensions du drain. A ces tensions, la dépendance est presque parabolique, d'o une caractéristique de charge non-exponentielle pour le condensateur de l'élément d'image du dispositif de visua- lisation à cristaux liquides. Un dispositif idéal est géné- ralement linéaire quant à la caractéristique de sa tension de drain en fonction de sa tension de source aux faibles valeurs de la tension du drain. Un comportement non-idéal se traduit par l'introduction d'une chute de tension aux con- tacts, Vc. Cette chute est indésirable. Cependant, l'effet de la chute de tension aux contacts sur la diminution du courant de drain dans le transistor à effet de champ est moins évident. La chute pour des valeurs élevées du courant de drain est généralement supérieure à Vc. Cela réduit les tensions réelles de grille et de drain qui sont appliquées à - 5 - la structure interne du dispositif et par conséquent diminue le courant de drain par rapport à ce qu'on pourrait obtenir par ailleurs. De manière à rendre minimale la capacité entre source et grille, CSG, on souhaite généralement réduire à l'avenant le chevauchement entre les électrodes de source et de grille. Cependant, cette réduction se traduit par une augmentation de la chute de tension V aux contacts. c Par conséquent, la présente invention a pour objet des transistors à effet de champ en silicium amorphe qui réalisent un équilibre critique entre une capacité parasite minimum et la maîtrise de la chute de tension aux contacts. La présente invention a également pour objet des structures de transistor à effet de champ qui soient utiles dans des dispositifs de visualisation à cristaux liquides, en particulier dans des dispositifs au niveau échelle de gris. La présente invention a encore pour objet de réduire la capacité parasite entre source et grille dans un dispositif à transistor à effet de champ à couche mince. La présente invention a pour autre objet de réduire les chutes de tension aux contacts dans des disposi- tifs à transistor à effet de champ à couche mince. Enfin, sans que cela soit limitatif, la présente invention a pour objet d'obtenir de meilleures performances de transistors à effet de champ en silicium amorphe en ré- duisant sélectivement l'épaisseur de la couche de silicium amorphe en conjonction avec la maîtrise des dimensions du chevauchement des électrodes de source et de grille. Dans un mode de réalisation préféré de la pr6sente invention, un transistor à effet de champ à couche mince en silicium amorphe comprend un substrat isolant, une électrode de grille disposée sur ce substrat, une couche isolante placée sur l'électrode de grille, une couche de silicium amorphe disposée sur la couche isolante et présentant une -6 - épaisseur e. Le transistor à effet de champ comprend égale- ment une électrode de drain disposée sur la couche de sili- cium amorphe de manière à recouvrir partiellement l'élec- trode de grille. De plus, une électrode de source est dis- posée sur la couche de silicium amorphe de manière à définir une région de canal de longueur L dans la couche de silicium amorphe et o les électrodes de source et de grille se che- vauchent suivant une distance d. Dans la présente invention, la distance de chevauchement est approximativement donnée par la relation dcc = Cge/(2L a), dans laquelle c est la capacité de grille par unité de surface, ve est la mobi- lité effective des électrons dans le silicium amorphe, et a est le rapport entre densité de courant J dans la direction allant de l'électrode de grille à l'électrode de source dans la région de leur chevauchement et également la tension de grille élevée à la puissance n o n est ici égal à 2 (voir également l'équation 16 ci-après et la discussiou. pr.cédant l'équation 11). Plus particulièrement, c est la constante diélectrique associée à la couche isolante divisée par l'é- paisseur de la couche isolante h. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figure 1, un diagramme schématique illustrant l'utilisation de transistors à effet de champ dans des dis- positifs de visualisation à cristaux liquides adressés par matrice; figure 2, un schéma illustrant la présence de capacités parasites (représentées en tiret) dans un disposi- tif à transistor à effet de champ, plus particulièrement dans un dispositif utilisé dans un dispositif de visuali- sation à cristaux liquides; figure 3, une vue en élévation de côté, en coupe, de la structure physique et des dimensions d'un transistor à effet de champ typique à couche mince; figure 4, une vue en élévation de côté, en coupe, -7- d'un dispositif équivalent employé expérimentalement ici pour tester certaines relations entre paramètres; figure 5, une vue en élévation de côté, en coupe, d'une partie agrandie de la figure 3 de manière à illustrer plus particulièrement la densité du courant vertical J; figure 6, une courbe du courant de- drain en fonc- tion de la distance de chevauchement de la source ou du drain d; figure 7, un graphique du courant de drain en fonction de la tension de drain, dans le cas de valeurs calculées et mesurées à une tension de la grille de 8 volts; figure 8, un graphique de la densité mesurée du courant en fonction de la tension et de la température pour la structure illustrée en figure 4; figure 9, un graphique de la densité du courant des contacts en fonction de la chute de tension des contacts pour plusieurs épaisseurs de silicium à une température de C; figure 10, un graphique de la densité du courant latéral I et de la densité du courant vertical J, ces den- sités étant calculées, pour diverses distances de chevau- chement; figure 11, un graphique semblable à celui de la figure 10, sauf toutefois que la tension du drain est ici de 2 volts au lieu de 10 volts; figure 12, un graphique du courant calculé du drain (trait plein) en fonction de la distance de chevau- chement des contacts de la source pour diverses longueurs de canal L, les courbes en tiret représentant une approximation quadratique pour le courant limité des contacts dans le cas d'un petit chevauchement; figure 13, un graphique du courant de drain en fonction du chevauchement de la source pour les mêmes condi- tions qu'en figure 12, sauf toutefois que l'épaisseur du silicium est de 0,2 micromètre au lieu de 0,3 micromètre pour la figure 12; figure 14, un graphique de la caractéristique calculée (trait plein) et mesurée du courant de drain en fonction de la tension de drain pour une tension de grille de 8 volts; figure 15, un graphique du courant calculé de drain en fonction de l'épaisseur de silicium. Les transistors à effet de champ à couche mince en silicium amorphe de la présente invention sont particulière- ment utiles dans les dispositifs de visualisation à cristaux liquides. En particulier, les dispositifs de la présente invention présente une réduction des effets capacitifs et des effets de la chute de tension aux contacts qui sont avantageux dans le cas de dispositifs de cette nature. En figure 1, on a représenté un diagramme d'un dispositif clas- sique à cristaux liquides adressé par matrice. Plus parti- culièrement, les transistors à effet de champ 50 sont reliés a des électrodes 40 d'éléments d'image (généralement trans- parentes). Chaque transistor 50 est connecté à l'une d'une multitude de lignes de grilles 42. De même, chaque tran- sistor 50 a son électrode de drain reliée à une ligne de données 41. En conséquence, l'électrode de source de chaque transistor A effet de champ est typiquement connectée à l'électrode d'éléments d'image. L'agencement classique con- siste à disposer les éléments d'image sous forme d'une grille rectangulaire, dont une partie est représentée en figure 1. Par conséquent, la figure 1 fournit un contexte dans lequel le dispositif de la présente invention peut être employé. Comme on l'a indiqué ci-dessus, il existe un problème de capacité parasite dans les dispositifs à tran- sistor à effet de champ. En particulier, les problèmes traités dans la présente demande sont axés sur la capacité parasite existant entre les électrodes de source et de grille dans un transistor à effet de champ en silicium - 9 - amorphe à couche mince. En figure 2, on a illustré un schéma électrique représentant la présence de ces capacités para- sites (en tiret). Les capacités parasites CGS et CSD existent dans le circuit en dehors de la capacité effective CCL qui est due à la présence du matériau des cristaux liquides entre électrodes conductrices. On connaît bien dans l'art les dispositifs à transistor à effet de champ en silicium amorphe destinés à être utilisés dans les dispositifs de visualisation à cris- taux liquides. Cependant, la présente invention concerne des structures de transistor à effet de champ qui présentent certains critères dimensionnels critiques. En figure 3, on a illustré les dimensions physiques impliquées, cette figure étant une vue en coupe d'un transistor à effet de champ classique à couche mince. En particulier, l'électrode con- ductrice de grille 22 est typiquement déposée sur un subs- trat isolant 20 constitué d'un matériau tel que le verre. Une couche 24 de matériau isolant tel que le nitrure de silicium est alors déposée sur l'électrode de grille et une partie du substrat sous- jacent 20 et fonctionne en matériau isolant de la grille. Ensuite, une couche de silicium amorphe 26 est déposée sur la couche isolante 24. Les pelli- cules en silicium hydrogéné et nitrure de silicium sont obtenues par dépôt classique par vapeur chimique amélioré par plasma A des fréquences de plasma comprises entre envi- ron 50 kHz et 30 MHz. On utilise du silane SiH dilué à % d'argon pour les dépôts de silicium et emploie une com- binaison de silane et d'ammoniac pour les dépôts de nitrure. De manière à obtenir la couche 28 dopée en N, on utilise 1% de phosphine PH3 dans du silane dilué à l'argon. On peut également employer de l'hélium, du néon ou ne faire appel A aucune dilution. Les épaisseurs du silicium N du silicium intrinsèque et du nitrure sont typiquement 50 nano- mètres, 200 nanomètres, et 150 nanomètres, respectivement. La conductivité de la couche N peut être aussi élevée que - 10 - 102 Siemens par centimètre à une température de 20 C avec une énergie d'activation de 0,21 électron-volt (eV). Le métal de contact pour l'électrode de drain 30 et l'électrode de source 35 peut être du molybdène dépose par pulvérisa- N+À. tion. La couche en N est enlevée de la région du canal par attaque par plasma en cylindre dans une atmosphère du tétrafluorure de carbone CF4, combiné à 8% d'oxygène. Cependant, on remarquera que la présente invention n'est pas limitée à ces procédés, compositions, méthodes, ou plages specifiques. Pour bien comprendre la présente invention, il est nécessaire d'examiner les aspects dimensionnels spécifiques représentés en figure 3. En particulier, l'espacement entre l'électrode de source 35 et l'électrode de drain 30 est tel qu'il y a présence d'une région de canal ayant une longueur L. Il s'agit là d'une cote importante dans la pratique de la présente invention. De plus, on voit que les électrodes de source et de grille se chevauchent suivant une distance d, comme représenté. De plus, on remarquera que la couche 26 en silicium amorphe présente une épaisseur e. Cette épaisseur est directement liée au paramètre a qui est décrit ci-des- sous (se reporter à l'équation 16). Une autre cote est l'é- paisseur h de la couche isolante 24. Au sens o la couche 24 comprend un matériau diélectrique disposé entre les élec- trodes de source et de grille, elle possède une certaine capacité c par unité de surface, ou c = E s/h, expression s dans laquelle e s est la constante diélectrique associée à la couche 24. De fait, pour obtenir un fonctionnement cor- rect, la présente invention enseigne une relation critique entre les cotes précédentes. On se reportera à cet effet à l'équation 15 ci-après. Dans la présente invention, c est approximativement 4 x 10-8 farad/cm2. Comme indiqué ci-dessus, l'un des paramètres im- portants dans la configuration géométrique de la présente invention est la distance de chevauchement d entre la source - 11 - et la grille. Ce chevauchement a un effet fini sur le cou- rant de drain. Ce fait est indiqué en figure 6. La courbe inférieure de la figure 6 représente les valeurs mesurées du courant de drain à VG = 8 volts et VD = 10 volts en fonction de la distance d de chevauchement de la source pour un transistor à effet de champ ayant une largeur La de 100 micromètres pour l'électrode de grille et une longueur L de 7 micromètres pour le canal. L'électrode de drain a un che- vauchement plus-grand qui est supérieur à 2 micromètres. En figure 6 on a également représenté le courant de drain avec la tension d'attaque inversée de sorte que le côté du dis- positif ayant le petit chevauchement devient le drain. Comme, en saturation, l'effondrement du champ du canal est proche de l'électrode de drain, le chevauchement à proximité du drain peut être réellement négatif avant que le courant de drain soit réduit. En figure 6, les points remplis re- présentent des valeurs expérimentales obtenues pour le che- vauchement de la source et les petits x pour les chevauche- ment du drain. On a obtenu les valeurs de la figure 6 avec un dispositif semblable à celui représenté en figure 3. La figure 7 représente la caractéristique du cou- rant de drain en fonction de la tension de drain pour plu- sieurs dispositifs. Les courbes en trait plein de la figure 7 concernent des calculs sur modèle décrits ci-après. Les cercles représentent des mesures expérimentales. La carac- téristiques non-idéale aux faibles tensions de drain, qui est presque parabolique, se traduit par une caractéristique de charge nonexponentielle pour le condensateur CCL des éléments d'image du dispositif de visualisation à cristaux liquides. Pour des dispositifs de visualisation adressés par matrice avec l'échelle de gris, la tension du condensateur d'l6éments d'image doit être de l'ordre de quelques dizièmes de volt pour une tension appliquée totale de 5 volts (typi- que). A cause de l'aspect non-idéal de la caractéristique du drain, le temps de charge dans la marge requise de 5% ou - 12 - moins de la tension appliquée peut être plus grande que le temps de repos permis d'environ 10- 5 seconde dans des dispositifs de visualisation typiques. Alors qu'on peut compenser le manquement à une stabilisation complète par un décalage de tension, les variations de la chute de tension aux contacts du dispositif continuent à poser un problème. Il est donc souhaitable de comprendre, afin de le minimiser, le phénomène de la chute de tension aux contacts. La réduc- tion du courant à l'état passant avec la diminution du che- vauchement et cette chute aux contacts sont des phénomènes clairement liés. La chute de la tension au contact de la source a pour effet de diminuer tant la tension interne effective entre grille et source que la tension interne entre drain et source. Dans une tentative de compréhension et de minima- lisation de cette chute de tension, on a étudié la carac- téristique courant-tension du contact métallique N+, de la structure silicium intrinsèque/N, et l'influence de l'é- paisseur de la couche de silicium et du dopage sur la chute de tension et les courants à l'état passant. La structure employée pour cette étude est illustrée en figure 4. Dans cette configuration expérimentale, on a employé des contacts en molybdène sur les côtés opposés d'une couche d'une épais- seur de 500 nanomètres de silicium presque intrinsèque (Si-i). Le silicium intrinsèque comprenait également une couche de 50 nanomètres d'épaisseur en silicium dopé N+ sur chacun de ses côtés en contact avec l'électrode de mo- lybdène. La structure de contact peut être modèlisée comme une structure n-i-n. Le courant traversant cette structure peut être limité par la résistance de contact à l'interface molybdène/N ou par la circulation du courant limité en charges spatiales dans la couche intrinsèque. La conducti- vité de la couche N+ qui est 7 x 10-3 Siemens/cm est trop élevée pour constituer une limitation. La caractéristique courant-tension des structures - 13 - Mo/N+/Mo est presque linéaire et bien représentée par la relation JC = bV, dans laquelle b = 1,9 x 106 A/V-cm2 exp(-0,33 eV/kT). Ici, T est la température et k est la constante de Boltzmann. On ne peut expliquer cette caracté- ristique par le matériau N+ qui présente une conductivité plus élevée suivant un facteur de 100, à savoir 7 x 10-3 Siemens/cm, et une énergie d'activation plus faible, égale à 0,21 électron-volt. Par conséquent, il y a une limitation inhérente du contact Mo/N+. Les structures Mo/N+/Mo fabriquées en utilisant des conditions différentes de dépôt pour la couche N+ présentent des caractéristiques légère- ment différentes. Ces conditions différentes de fabrication concernent la puissance en radio-fréquence ou la dilution à l'argon. La figure 8 représente la caractéristique mesurée courant-tension à plusieurs températures. Les valeurs obte- nues ont été corrigées pour la chute de tension à l'inter- face Mo/N+. Les points indiqués sont des valeurs expéri- mentales et les traits pleins sont le résultat de l'adapta- tion des valeurs. Seule une polarité est représentée en figure 8, mais les courbes pour la polarité opposée sont symétriques. On peut comprendre le comportement jusqu'à environ 3 volts par la circulation du courant limité en charges spatiales dans la couche intrinsèque. On a discuté dans la technique la modélisation et les données expéri- mentales sur la circulation limitée en charges spatiales dans des structures en silicium amorphe (Si-a). On verra à ce sujet: W. Den Boer, J. Phys. Paris, Volume 42, C4, Page 451 (1981) et KD Mackenzie, PG Le Comber, et WE Spear, Phil. Mag., Volume B46, pages 377-389 (1982). Aux très faibles tensions, le courant est ohmique et l'intensité et la dépen- dance vis-X-vis de la température correspondent à la conduc- tivité volumique de la couche intrinsèque avec cO = 308 Siemens/cm et une énergie d'activation de 0,58 électron/- volts. Cela montre que la couche intrinsèque n'est pas - 14 - épuisée aux petits champs appliqués. Cela est en harmonie avec la densité de capture de 5 x 1016 #/cm3/eV déter- minée à partir de l'intensité du courant limité en charges spatiales aux tensions d'application plus élevées. Cette densité de capture implique une longueur de filtrage de 115 nm ou inférieure à 25% de l'épaisseur de la couche. Aux tensions élevées, la dépendance devient quadratique en matière de V, ce qui est caractéristique d'une circulation limitée en charges spatiales A densité de capture constante, avec encore des puissances plus élevées de V aux tensions plus hautes, car le niveau quasi-Fermi entre dans la région à densité de capture non-uniforme. La densité de capture peut être déterminée A partir des courants limités en charges spatiales. Pour les valeurs de la figure 8, elle est 5 x 1016 #/cm3/eV près du niveau de l'équilibre de Fermi. Sous forme de polynômes, on obtient l'équation sui- vante: Jsc = a1 (T)V/e + a2(T)VI/e' + a4(T)V'/e7 (1) dans laquelle les coefficients a. ont tous la forme a. i 1 ai exp(-E i /kT) avec des pré-facteurs expérimentaux -7 - aio de 308, 7,7 x 10, et 3,4 x 103 et des énergies d'activation Eio de 0, 58, 0,54 et 0,4 électron/volts, respectivement. Les valeurs de a, A2 et A4 s'entendent en volts,cm et A/cm pour V, e et Jsc' respectivement. Dans ce qui précède, T est la température mesurée en degrés Kelvin et k est la constante de Boltzmann. La forme de l'é- quation 1 est basée sur la loi d'échelle pour le courant limité en charges spatiales J/e=V/e2, de sorte qu'elle peut s'appliquer à d'autres épaisseurs du silicium intrin- séque, e, en supposant les mêmes propriétés des matériaux. La figure 9 représente la caractéristique de densité de courant-tension des contacts Mo/N /Si-i, celle-ci ayant été déterminée A partir des caractéristiques mesurées sépa- - 15 - rément pour des structures Mo/N+ et N+/Si-i. Les courbes No/N+ sont déterminées à partir de J -bV, comme ci-des- c sus, et sont dues seulement à des chutes à partir de l'in- terface Mo/N+ (c'est-à-dire avec une épaisseur zéro du silicium intrinsèque). En utilisant l'approximation d'un canal progressif standard pour la caractéristique du transistor à effet de champ et l'approximation selon laquelle la conductance du canal est proportionnelle au champ local, on peut modéliser l'effet de la chute de tension aux contacts sur la caracté- ristique du transistor à effet de champ. Si le transistor à effet de champ est en saturation, le courant du canal est donné par ID =0,5(La/L) ce(V vse - Vsc) (2) expression D a G se Sc dans laquelle Vsc est la chute de tension entre le canal au bord du contact de la source et le métal du contact de la source et Vse est la tension de seuil. Dans les matériaux se employés dans la présente invention, le' la mobilité des électrons est typiquement comprise entre environ 0,5 et 0,8 cm2/volt. A la saturation, la chute de tension aux con- tacts n'est importante qu'à la tension la plus basse des contacts (source) à cause des champs électriques très élevés a proximité de l'électrode de drain. La chute de tension des contacts au contact de la source Vsc est déterminée par: ID = Jc(Vsc)Lad (3) expression dans laquelle d est une distance effective du chevauchement des contacts et Jc est la densité de courant au bord du contact le plus proche du canal. Pour des dis- tances de chevauchement très petites, dc = d. Pour un chevauchement plus grand des contacts, on doit calculer la distribution du courant audessous du contact et déterminer une valeur effective pour dc à partir de cette distribu- tion. dc n'est pas en général constant pour une structure de transistor à effet de champ donnée, mais dépend de la polarisation de la grille et du drain. Cependant, il est - 16 - approximativement constant et constitue une quantité utile car il fournit un aperçu physique. * On examine trois méthodes pour déterminer dc et la dépendance du courant de drain sur le chevauchement réel d. Tout d'abord, on peut estimer l'échelle des distances pour la chute du courant sous le contact par la relation suivante: dc-1 = 2(1/J) (aJ/ax) = (a/J)(aJaV) (aV/ax) (4) dans laquelle x est la distance le long du canal et sous le contact et toutes les quantités sont évaluées au bord du contact le plus proche du canal. Se reporter & la figure 5. V est la tension le long du canal tant au-dessous du contact que dans le canal du transistor à effet de champ. J est la densité de courant à travers le contact. La formule est une approximation qui suppose que l'épaisseur du silicium est faible par rapport à l'échelle de la distance latérale. Un facteur égal & 2 définit dc de sorte que le courant total c du contact est approximativement dcJo, o Jo est la densité de courant au bord du contact. Si le transistor à effet de champ est & l'état saturé, l'équation 2 donne le courant du canal et la relation suivante permet d'obtenir le courant au bord du contact de la source: ID W (aV/ax)CUe(VG VSe- VsC) (5) Pour toutes les simulations, c = 3,8 x 108 farads/cm2, le = 0,26 cm2/V et Vse = 2V. En rendant égaux ces deux courants on obtient la dérivée de V et par conséquant la valeur estimée de la distance effective maximum des con- tacts, à savoir: - 17 - dcc = (L/(VG - VSe- Vsc)) (Vsc/n) () expression dans laquelle n est la pente de la loi des puis- sances de la densité du courant des contacts à V = Vsc. A cet égard, on se reportera à la figure 9. Le second terme est de l'ordre de l'unité et pour des valeurs typiques des autres paramètres, dcc est approximativement 2 micro- mètres. Cette estimation concorde raisonnablement avec la figure 6 lorsqu'on atteint le courant maximum du drain pour une distance de chevauchement d'environ 1 micromètre. Des distances de chevauchement des contacts supérieures à 1 à 2 micromètresont donc peu d'effet sur la chute de tension des contacts ou sur le courant du drain. Cette conclusion se vérifie par la modélisation plus exacte prOsentée ci-dessous. Une méthode plus exacte consiste à calculer la distribution du courant au-dessous du contact pour un che- vauchement fini des contacts. Le courant de canal ID est donné par les équations standard: 2ID(0) Ue(VG - VSe V(-))2 pour VG - Vse VD Si l'on suppose que la couche de silicium est fine par rap- port aux côtes latérales, on obtient l'équation suivante: - =- LaJ(V{x)), (8) x - 18 - dans laquelle J est obtenu en figure 9. Le courant latéral I(x) circulant dans le canal au-dessous du contact est lié à la tension V(x) au-dessous du contact par la relation sui- vante: I(x) =-La VG (V - V(x, (9) x G dans laquelle G(V) = ecV. Cette forme de conductance en feuille G du canal du transistor à effet de champ est une approximation qui est satisfaisante dans une forte accumu- lation mais ne peut être convenable à proximité du seuil. C'est la forme de conductance qui conduit à l'équation 7. On peut combiner ces trois équations pour obtenir une équation du premier ordre et une équation du second ordre. 32V I (x), xi (J(V(x))/cie) +Lacevu/V (10a) dans laquelle V = (VG VseV(x)) (lOb) et av -1 (x) -x =La Ce(VG - VSe- (x)). () On peut les résoudre pour obtenir V(x), I(x), et J(x) en utilisant une itération directe et une série de Taylor du second ordre pour V(x). La condition limite de départ, V(x) = Vc est la chute de tension au contact. On la fait SC - 19 - varier pour obtenir I(d) = O, o d est la distance de che- vauchement du contact. Cette approximation suppose que le courant du contact se termine brutalement au bord de la limite de la grille. Cette approximation est dans le même esprit que la séparation du courant vertical J et du courant latéral I (voir figure 5) et est valable si l'épaisseur du silicium est faible par rapport au chevauchement du contact. La figure 10 indique la densité de courant du contact J (courbes en tirets) et le courant latéral I (courbes en traits pleins) pour des distances de chevauchement du con- tact de 0,5, 1, 2, 3,8, 8, et 20 micromètres. L'échelle verticale ne s'applique qu'au courant latéral I. L'échelle pour la densité de courant J est en unités arbitraires. L'épaisseur du silicium est 300 nanomètres et la température 20 C. Dans la présente invention, l'épaisseur de la couche de silicium amorphe est de préférence inférieure à 300 nm et, mieux encore, d'environ 150 nm. D'autres paramètres sont indiqués en figure 10. Le courant du drain sans chute de tension au contact est 2,5 microampères. Pour un chevauche- ment inférieur à 1 micromètre, la densité du courant dans le contact est presque indépendante de x, mais augmente lors- que d d6croît. Ce fait est la base d'une approximation utile discutée cidessous. On notera que le courant du drain est presque indépendant du chevauchement pour des distances de chevauchement supérieures à 1 micromètre. Il en est ainsi en dépit du fait que, le chevauchement du contact augmentant, il y a une circulation importante du courant audessous du contact à des distances importantes du bord de la source. La raison peut en être attribuée au degré élevé de la non-li- néarité du courant dans le contact. La figure 11 repésente un calcul similaire pour une tension réduite de drain, égale à 2 volts. Même si le dispositif est hors saturation, la forme de base des courbes est similaire. La figure 12 repré- sente le courant de canal ID en fonction du chevauchement du contact d dans les mêmes conditions qu'en figure 10. La - 20 - figure 13 montre des calculs similaires pour une épaisseur de silicium de 0,2 micromètre et comporte les résultats de la figure 6. La longueur du canal pour les dispositifs de la figure 6 est 7 micromètres. Cela correspond d'une manière raisonnable si l'on considère qu'il est difficile d'estimer optiquement des chevauchements aussi petits. Pour d champs internes permettent une certaine circulation du cou- rant même pour des chevauchements négatifs. Le modèle simple à une dimension ne permet pas de traiter de tels effets. Cependant, le modèle permet de prévoir avec une assez bonne précision le chevauchement caractéristique de 1 micromètre qui a été constaté expérimentalement. Les figures 12 et 13 montrent que la chute de tension du contact est un problème très important pour des transistors à effet de champ à canal plus court. Pour L = 0,5 micromètre, le courant à l'état passant est à 15% de la valeur maximum possible sans chute de tension au contact pour une épaisseur de silicium de 0,3 micromètre. La réduc- tion exacte du courant à l'état passant est fonction de l'épaisseur du silicium et de la qualité de ce dernier (den- sité de capture) mais l'effet de la chute de tension au contact est toujours plus sévère pour des longueurs plus courtes du canal. Comme on l'a mentionné précédemment en ce qui concerne les figures 10 et 11, l'intensité du courant de drain pour des chevauchements de contact supérieurs à 1 micromètre ne signifie pas qu'il y a une circulation insi- gnifiante du courant dans le contact à des distances supé- rieures à 1 micromètre pour de plus grands chevauchements du contact. Ce résultat paradoxal est dû à la forte dépendance du courant du contact vis-à-vis de la tension. Sur la base de l'observation que pour un petit chevauchement la densité du courant du contact est presque uniforme entre x = 0 et x = d, on peut obtenir une expres- - 21 - sion ayant une forme plus proche pour le courant du canal à un chevauchement de faible valeur. Dans cette approximation, J = J(V(O)) et ID = J(V(O))Lad. On r=soud ces deux équa- tions et l'équation 2 pour V(O) = VSc et ID pour cer- taines approximations de J. Si J = a Vn, o n = 2 ou 4, on obtient alors: La ID C Ce(VG - Vse- V(O)) (11) dans laquelle: V() ((1-4(V SeVG))_I)/2, n = 4 (12) ou V(O) = (VG - VsI/(" 1) n = 2 (13) et "2 = (Ld)/(cue) (14) e Dans l'équation 14, on peut estimer a à partir de l'6quation 9 selon la densité du courant du contact. Les courbes en tirets de la figure 12 représentent cette approximation avec 2 2 n = 2 et a = 0,2 A/cm /volt. Cette approximation est suffisamment bonne pour être utile. Elle n'est pas valable pour un petit chevauchement car J est une meilleure adapta- tion pour n = 3 dans cette zone. On peut utiliser cette approximation pour estimer la pente de ID en fonction du chevauchement d. En utilisant cette pente dans les équations 11 et 3 avec n = 2, on définit un chevauchement critique du contact dcc = IDO/ ID/ ad), o IDO est le courant du drain pour une chute de tension nulle du contact. Une con- - 22 - clusion importante est le fait que dcc est lié à la géomé- trie du transistor à effet de champ par l'approximation suivante: Ue d c- dcc 2La Pour des distances de chevauchement très nettement supé- rieures à dc, le courant du canal à la saturation devient indépendant du chevauchement du contact. Cette approximation montre les dépendances importantes de la distance de che- vauchement minimum du contact vis-à-vis des paramètres du dispositif et des matériaux. Lorsqu'on applique cette for- mule, on doit vérifier que la région de fonctionnement reste à l'intérieur de la zone dans laquelle J peut être rapproché d'une fonction quadratique. Alors que la discussion précédente indique une méthode permettant de déterminer a expérimentalement, on peut également montrer que a est lié à l'épaisseur et à la densité de capture de la couche de silicium non-dopée ou légèrement dopée de la manière suivante: Nt O Ne e exp[-(Ec - Efn)/(kT) - e (16) dans laquelle Ne est la densité équivalente des états de la bande de conduction et Nt la densité des états à mi- bande. e est la constante diélectrique relative qui, dans le cas du silicium, est approximativement égale à 12,8. eO est la constante diélectrique de l'espace libre. La dif- férence Ec - Efn est la distance des niveaux quasi-Fermi à partir du bord de la bande de conduction. Avec une bonne approximation Efn = Ef, o Ef est le niveau de Fermi. Comme ci-dessus, ie est la mobilité des électrons dans le silicium amorphe. Pour le silicium amorphe et la plupart des - 23 - semi-conducteurs, N est approximativement 1021 #/cm3. e Pour du bon silicium amorphe, Nt est typiquement compris entre environ 101o5 et 1017 #/cm2/electron/volt. En général, on peut voir que a est une propriété dépendant du matériau. On notera toutefois que est inversement propor- tionnel à Nt de sorte qu'un meilleur matériau en silicium amorphe avec une densité plus faible d'états dans la bande a une valeur plus petite pour a et donc pour dcc. On notera également que, comme le matériau est dopé avec du phosphore ou un autre dopant du type N, la différence Ec - Ef est réduite. Pour une variation de 0,1 électron-volts pour E - Ef, a augmente de 47 fois à la température ambiante. Les courbes en traits pleins des figures 7 et 14 sont des simu- lations du courant de drain en fonction de la tension de drain en utilisant le modèle exact (équation 10). On obtient des résultats essentiellements équivalents en calculant le courant de drain en fonction du chevauchement en utilisant le modèle exact à une polarisation (par exemple, voir figure 12) et en employant ce courant pour choisir un chevauchement effectif dc, qui correspond au modèle approché (équations 3 et 7). En figure 7, on notera l'effet important de l'épaisseur de la couche de silicium intrinsèque sur le courant maximum a l'état passant et aussi la chute de ten- sion du contact aux faibles tensions du drain. Le dispositif théorique avec une épaisseur nulle du silicium intrinsèque suppose seulement la chute de tension due à l'interface Mo/N. La courbe idéale pour le contact suppose qu'il n'y a aucune chute de tension aux contacts. Les figures 7 et 14 représentent également des valeurs expérimentales pour des transistors à effet de champ ayant des épaisseurs de sili- cium intrinsèque et des dopages différents. Pour tous les dispositifs, L=7 micromètres et La = 200 micromtres. Les courbes a et d concernent du silicium intrinsèque de 300 nm d'épaisseur, b du silicium intrinsèque de 200 nm d'épaisseur - 24 - et c du silicium légèrement dopé de phosphore de 200 nm d'épaisseur avec une conductivité à la température ambiante de 2 x 10-5 Siemens/cm. Le chevauchement du contact pour ces dispositifs est compris entre 1 et 1,5 micromètre, à l'exception de la courbe d o ce chevauchement est de 5 micromètres. La courbe d concerne la même structure de dis- positif que la courbe a, sauf toutefois que le chevauchement du contact est de 5 micromètres. On notera la petite aug- mentation du courant à l'état passant pour cette augmenta- tion d'un facteur de 5 du chevauchement du contact. Le dis- positif avec une couche de silicium actif légèrement dopé en N, à savoir la courbe c, se comporte comme un dispositif qui est limité par le contact Mo/N et non par la conduction limitée en charges spatiales. Cela peut se comprendre d'après la théorie selon laquelle des courants limités en charges spatiales sont dus au changement du rapport entre électrons libres et électrons capturés car dans la région V2, le courant limité en charges spatiales peut être pro- portionnel à exp[(-(Ec-Ef)/kT]. Naturellement, le léger dopage du canal tend à augmenter les courants à l'état non- passant. Cependant, avec la petite quantité de dopant intro- duitedans l'expérience précédente, on a obtenu des courants non-passants à VG = -5 volts inférieurs à 10 10 ampere. La théorie et les valeurs obtenues en figure 2 montrent qu'une pénalité considérable se produit dans les performances du dispositif pour des couches de silicium intrinsèque supérieures à 300 mananomètres. La figure 15 résume cette conclusion. Elle indique des calculs par modèle exact sur la base de l'équation 10 et des valeurs de la chute de tension aux contacts indiquées en figure 9, pour le courant de drain à VG = 8V et VD = 10V en fonction de l'épaisseur du silicium pour deux chevauchements source- grille. On notera l'effet plutôt faible du chevauchement de 1 micromètre par rapport à celui de 5 micromètres. Au-des- sous de 1 micromètre, le courant de drain décroît rapide- - 25 - ment. Ces résultats dépendent de la qualit6 (densité de la capture à mibande) et du niveau de Fermi de la couche de silicium dans le canal. La réduction de la densité de cap- ture à mi-bande a pour effet de diminuer la chute de tension aux contacts. Des changements du niveau de Fermi de la couche de silicium intrinsèque ont un effet encore plus dramatique. Par conséquent, l'épaisseur critique pour la d6gradation des performances du dispositif dépend des divers proc6dés de traitement. Le fait qu'un léger dopage du type N soit utile est une fonction critique des impératifs de cou- rant à l'état non-passant pour l'application particulière. En résumé, on a vu qu'il existait une relation critique entre la longueur L du canal, le chevauchement d entre grille et source, et E. Plus particulièrement, on a vu que la diminution du chevauchement entre source et grille dans le but de réduire la capacité parasite CSG est limi- tée de manière critique par le fait que cela introduit une chute de tension aux contacts. Cependant, selon la pratique de la présente invention, on obtient une épaisseur maximum de silicium et une distance minimum de chevauchement dans la géométrie du dispositif afin de ramener ce problème à une valeur acceptable. On notera 6galement que la réduction de l'épaisseur du silicium à une petite valeur peut avoir pour effet de réduire la chute de la tension aux contacts. Cepen- dant, cela a des effets fâcheux sur le traitement des dis- positifs et sur la maîtrise de la tension de seuil. Par conséquent, il est généralement souhaitable d'avoir une épaisseur de silicium aussi grande que possible. - 26 - REVENDICATIONS 1. Transistor à effet de champ à couche mince en silicium amorphe, plus particulièrement pour emploi dans des dispositifs de visualisation à cristaux liquides,carac- térisé en ce qu'il comprend: un substrat isolant (20); une électrode de grille (22) disposée sur le subs- trat isolant; une couche isolante (24) placée sur l'électrode de grille; une couche de silicium amorphe (26) disposée sur la couche isolante, cette couche possédant une épaisseur e une électrode de drain (30) placée sur la couche de silicium amorphe de manière à recouvrir partiellement l'électrode de grille; une électrode de source (35) disposée sur la couche de silicium amorphe de manière à définir une région à canal de longueur L dans la couche de silicium amorphe, cette région à canal s'étendant dans la couche de silicium amorphe entre l'électrode de source et l'électrode de drain, l'électrode de source surplombant l'électrode de grille suivant une distance d, la distance d étant donnée approximativement par la relation c p e/(2La), dans laquelle c est la capacité de la grille par unité de surface, e la mobilité effective des électrons dans la couche de silicium amorphe et a le rapport entre la densité de courant J dans la direction allant de l'électrode de grille à l'électrode de source dans la région de leur chevauchement et la tension de grille élevée à la puissance 2. 2. Transistor selon la revendication 1, caracté- risé en ce que a est approximativement 0,2 ampère- 2 2 /cm2/volt2. 3. Transistor selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'épaisseur e est inférieure à environ 300 nm. - 27 - 4. Transistor selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'épaisseur e est inférieure à environ 150 Nm. 5. Transistor selon la revendication 1, caracté- risé en ce que pe est compris entre environ 0,5 cm2/volt et 0,8 cm2/volt. 6. Transistor selon la revendication 1, caracté- risé en ce que c est égal à environ 4 x 10 farad/cm. 7. Transistor selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la distance de chevauchement d est inférieure à environ 1 micromètre.