(57)【要約】【課題】工程数を増加させることなく、オン電流の増加、オフ電流の減少、及び、サブスレッショルド特性の急峻化を図ることができる半導体素子及び表示装置を提供する。【解決手段】ボトムゲート電極、ボトムゲート絶縁膜、半導体層、トップゲート絶縁膜及びトップゲート電極がこの順に積層された構造を有する半導体素子であって、上記ボトムゲート電極は、遮光性を有し、平面視したときに、トップゲート電極と対向する半導体層中の領域よりも広く、かつ上記領域を覆う半導体素子。【選択図】図１
2008117863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボトムゲート電極、ボトムゲート絶縁膜、半導体層、トップゲート絶縁膜及びトップゲート電極がこの順に積層された構造を有する半導体素子であって、
該ボトムゲート電極は、遮光性を有し、平面視したときに、トップゲート電極と対向する半導体層中の領域よりも広く、かつ該領域を覆うことを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記ボトムゲート絶縁膜は、トップゲート絶縁膜よりも酸化シリコン換算膜厚が大きいことを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項３】
前記ボトムゲート電極及びトップゲート電極は、互いに接続されることを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項４】
前記ボトムゲート電極及びトップゲート電極は、ボトムゲート絶縁膜及びトップゲート絶縁膜を貫通するコンタクトホールを介して互いに接続されることを特徴とする請求項３記載の半導体素子。
【請求項５】
前記コンタクトホールは、ボトムゲート電極の上面で該ボトムゲート電極と接続されることを特徴とする請求項４記載の半導体素子。
【請求項６】
前記半導体素子は、薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項７】
請求項１記載の半導体素子を備えることを特徴とする表示装置。
【請求項８】
請求項１記載の半導体素子を備える表示装置であって、
該表示装置は、表示パネル内に受光素子を有し、かつ、該受光素子の背面側に、該半導体素子のボトムゲート電極を構成する材料から構成される遮光膜を有することを特徴とする表示装置。
【請求項９】
請求項１記載の半導体素子を備える表示装置であって、
該表示装置は、表示パネル内に受光素子を有し、
該受光素子は、該半導体素子で構成されることを特徴とする表示装置。
【請求項１０】
ボトムゲート電極、ボトムゲート絶縁膜、半導体層、トップゲート絶縁膜及びトップゲート電極がこの順に積層された構造を有する半導体素子であって、
該トップゲート電極は、遮光性を有し、平面視したときに、ボトムゲート電極と対向する半導体層中の領域よりも広く、かつ該領域を覆うことを特徴とする半導体素子。
【請求項１１】
前記トップゲート絶縁膜は、ボトムゲート絶縁膜よりも酸化シリコン換算膜厚が大きいことを特徴とする請求項１０記載の半導体素子。
【請求項１２】
前記トップゲート電極及びボトムゲート電極は、互いに接続されることを特徴とする請求項１０記載の半導体素子。
【請求項１３】
前記トップゲート電極及びボトムゲート電極は、トップゲート絶縁膜及びボトムゲート絶縁膜を貫通するコンタクトホールを介して互いに接続されることを特徴とする請求項１２記載の半導体素子。
【請求項１４】
前記コンタクトホールは、トップゲート電極の下面で該トップゲート電極と接続されることを特徴とする請求項１３記載の半導体素子。
【請求項１５】
前記半導体素子は、薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項１０記載の半導体素子。
【請求項１６】
請求項１０記載の半導体素子を備えることを特徴とする表示装置。
【請求項１７】
請求項１０記載の半導体素子を備える表示装置であって、
該表示装置は、表示パネル内に受光素子を有し、かつ、該受光素子の背面側に、該半導体素子のトップゲート電極を構成する材料から構成される遮光膜を有することを特徴とする表示装置。
【請求項１８】
請求項１０記載の半導体素子を備える表示装置であって、
該表示装置は、表示パネル内に受光素子を有し、
該受光素子は、該半導体素子で構成されることを特徴とする表示装置。
【請求項１９】
ボトムゲート電極、ボトムゲート絶縁膜、半導体層、トップゲート絶縁膜及びトップゲート電極がこの順に積層された構造を有する半導体素子であって、
該ボトムゲート電極及びトップゲート電極は、互いに接続されることを特徴とする半導体素子。
【請求項２０】
前記ボトムゲート電極及びトップゲート電極は、ボトムゲート絶縁膜及びトップゲート絶縁膜を貫通するコンタクトホールを介して互いに接続されることを特徴とする請求項１９記載の半導体素子。
【請求項２１】
前記ボトムゲート電極は、平面視したときに、トップゲート電極よりも広く、かつ該トップゲート電極を覆うものであり、
前記コンタクトホールは、ボトムゲート電極の上面で該ボトムゲート電極と接続されることを特徴とする請求項２０記載の半導体素子。
【請求項２２】
前記トップゲート電極は、平面視したときに、ボトムゲート電極も広く、かつボトムゲート電極を覆うものであり、
前記コンタクトホールは、トップゲート電極の下面で該トップゲート電極と接続されることを特徴とする請求項２０記載の半導体素子。
【請求項２３】
前記半導体素子は、薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項１９記載の半導体素子。
【請求項２４】
請求項１９記載の半導体素子を備えることを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子及び表示装置に関する。より詳しくは、液晶表示パネル等に好適に用いることができる半導体素子及び表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置は、薄型・軽量・低消費電力といった特長を活かし、幅広い分野で利用されている。例えば、アクティブマトリクス駆動方式の液晶表示装置は、アクティブ素子として、薄膜トランジスタ（以下、「ＴＦＴ」という。）等の半導体素子が画素毎に設けられており、アクティブ素子がオンになると駆動電圧が画素に書き込まれ、アクティブ素子がオフになった後も保持容量素子によって駆動電圧は保持されるものであり、クロストークが少ない鮮明な画像を提供することができる。したがって、アクティブマトリクス駆動方式の液晶表示装置は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）等のモバイル情報機器及びカーナビゲーション等のディスプレイ装置として多用されている。
【０００３】
通常、アクティブマトリクス駆動方式の液晶表示装置では、アモルファスシリコンやポリシリコン等から構成される半導体層が、ＴＦＴの活性層して用いられる。しかしながら、アモルファスシリコン等は光伝導度が大きいため、ＴＦＴの活性層である半導体層に光が入射すると、光電界効果により光電流（オフ電流）が発生し、液晶表示装置のコントラスト比等の表示性能が低下してしまう。特に、アクティブマトリクス駆動方式の液晶表示装置を投射型表示装置のライトバルブとして用いる場合、液晶表示装置には高輝度の光が入射するため、光電流による影響が大きくなる。近年では、投射型表示装置の小型化や高輝度化が進んでおり、ライトバルブとして用いられる液晶表示装置に入射する光の輝度が増加する傾向にある。このため、光電流の問題はより深刻なものとなっている。
【０００４】
これに対しては、光電流による影響を低減する方法として、ＴＦＴの活性層の下側に高融点金属や高融点金属シリサイド等からなる遮光膜を設ける方法が開示されている（例えば、特許文献１〜６参照。）。なお、遮光膜とＴＦＴの活性層との距離に関し、特許文献４及び６では、遮光膜によるバックゲート効果がＴＦＴに与える影響を抑制するために適切に設定することが記載されている。また、遮光膜の電位に関し、特許文献２及び３では、ＴＦＴのスイッチング特性等に悪影響を及ぼさないようにするために、遮光膜は、接地されるか、定電位源に接続されることが記載されている。更に、特許文献２及び３では、遮光膜は、浮遊していてもよく、蓄積容量用の配線として用いることも可能であることが記載されている。
【０００５】
他方、ＴＦＴの微細化に伴い、ショートチャネル効果やゲート漏れ電流等の問題が顕在化しており、ＴＦＴの構造としては、半導体層を上下２つのゲート電極で挟んだダブルゲート構造が注目されている。このようなダブルゲート構造によれば、チャネル領域を２つ形成することができるため、オン電流を増加させることができるとともに、サブスレッショルド特性の急峻化を図ることができる。
【０００６】
しかしながら、ダブルゲート構造を有するＴＦＴにおいて、光電流による影響を低減しようすると、遮光膜によるバックゲート効果がＴＦＴに与える影響を抑制するべく、ボトムゲート電極の下側に遮光膜を別途設ける必要があるため、工程数を増加させてしまうという点で改善の余地があった。
【特許文献１】特開平６−１６０８９９号公報
【特許文献２】特開平１１−８４４２２号公報
【特許文献３】特開２０００−３３８９０３号公報
【特許文献４】特開２００１−３３７７１号公報
【特許文献５】特開２００４−２３５５５７号公報
【特許文献６】特開２００５−２２３０１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、工程数を増加させることなく、オン電流の増加、オフ電流の減少、及び、サブスレッショルド特性の急峻化を図ることができる半導体素子及び表示装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、工程数を増加させることなく、オン電流の増加、オフ電流の減少、及び、サブスレッショルド特性の急峻化を図ることができる半導体素子について種々検討したところ、ボトムゲート電極、ボトムゲート絶縁膜、半導体層、トップゲート絶縁膜及びトップゲート電極がこの順に積層された構造、すなわちダブルゲート構造を採用することにより、オン電流の増加、及び、サブスレッショルド特性の急峻化を図ることができることに着目した。
【０００９】
そこで、ボトムゲート電極に遮光性を持たせ、平面視したときに、上記ボトムゲート電極をトップゲート電極と対向する半導体層中の領域よりも広く、かつ上記ボトムゲート電極に上記領域を覆わせることにより、遮光膜を別途設けることなく、遮光性を有するボトムゲート電極を用いて、バックライト等から出射された光が下方からトップゲート電極と対向する半導体層中の領域（すなわち、トップゲート電極に電圧を印加したときにチャネルが形成される領域）に入射するのを抑制することができるため、オフ電流（光電流）を減少させることができることを見いだし、上記課題をみごとに解決することができることに想到し、本発明に到達したものである。
【００１０】
すなわち、本発明は、ボトムゲート電極、ボトムゲート絶縁膜、半導体層、トップゲート絶縁膜及びトップゲート電極がこの順に積層された構造を有する半導体素子であって、上記ボトムゲート電極は、遮光性を有し、平面視したときに、トップゲート電極と対向する半導体層中の領域よりも広く、かつ上記領域を覆う半導体素子（以下「第一の半導体素子」ともいう。）である。
以下に本発明を詳述する。
【００１１】
本発明の第一の半導体素子は、ボトムゲート電極、ボトムゲート絶縁膜、半導体層、トップゲート絶縁膜及びトップゲート電極がこの順に積層された構造を有する。上記第一の半導体素子としては特に限定されず、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、薄膜ダイオード（ＴＦＤ）が挙げられるが、中でも、ＴＦＴが好適である。このような半導体層を上下２つのゲート電極で挟んだダブルゲート構造によれば、チャネルが半導体層の上下２つに形成されることから、ゲート電極を半導体層の上下の一方にしか配置されないトップゲート構造やボトムゲート構造の半導体素子に比して、多くのオン電流を流すことができる。また、同一の電流を流す場合には、ゲート電極一つ当たりに流れる電流量を略半分にすることができる。更に、半導体素子の微少化に伴って現れるショートチャネル効果（短チャネル効果）を抑制することができるため、例えば、ドレイン電流（Ｉｄ）対ゲート電圧（Ｖｇ）特性（Ｉｄ−Ｖｇ特性、トランスファ特性）では、サブスレッショルド領域での立ち上がりを急峻化させることができるとともに、ロールオフ特性（ゲート閾値電圧の負側へのシフト）も有効に押さえることができる。
【００１２】
上記ボトムゲート電極は、遮光性を有し、平面視したときに、トップゲート電極と対向する半導体層中の領域よりも広く、かつ上記領域を覆う。上記半導体層は、通常、アモルファスシリコンやポリシリコン等から構成されるが、アモルファスシリコン等は光伝導度が大きいため、光が照射されると、光電界効果が現れ、オフ電流（光電流）が増加してしまう。したがって、例えば、半導体素子が液晶表示装置等に搭載される場合には、バックライト等から光が半導体層に入射するのを回避するために、ボトムゲート電極の下側に遮光膜を別途設けることが考えられるが、この場合、遮光層を形成する工程を追加する必要があり、プロセス上不利である。そこで、本発明の第一の半導体素子では、ボトムゲート電極に遮光性を持たせ、平面視したときに、上記ボトムゲート電極をトップゲート電極と対向する半導体層中の領域よりも広く、かつ上記ボトムゲート電極に上記領域を覆わせる。これにより、遮光膜を別途設けることなく、バックライト等から出射された光が下方からトップゲート電極と対向する半導体層中の領域（すなわち、トップゲート電極に電圧を印加したときに形成されるチャネル領域）に入射するのを抑制することができるため、工程数を増加させることなく、オフ電流を減少させることができる。このオフ電流減少の効果は、遮光性を有するボトムゲート電極が平面視したときにトップゲート電極と対向する半導体層中の領域と一致する形態に比べて大きい。
なお、本明細書で「遮光性」とは、可視全波長域において分光透過率が１０％未満であることをいうが、好ましくは、５％未満であることをいう。分光透過率の測定方法としては、分光光度計による測定等が挙げられる。
【００１３】
上記ボトムゲート電極の面積は、小さすぎると、露光工程におけるアライメントずれにより、ボトムゲート電極が、平面視したときに、トップゲート電極と対向する半導体層中の領域を覆わなくなるおそれがある。したがって、オフ電流を確実に減少させる観点からは、ボトムゲート電極は、トップゲート電極と対向する半導体層中の領域に加え、ボトムゲート電極とトップゲート電極との重ね合わせマージンも覆うことが好ましく、例えば、ボトムゲート電極の大きさは、トップゲート電極と対向する半導体層中の領域の大きさよりも０．５μｍ大きいことが好ましい。また、オフ電流をより減少させる観点からは、ボトムゲート電極は、ボトムゲート電極とトップゲート電極との重ね合わせマージンに加えて、光の回り込みマージンも覆うことがより好ましく、半導体層中のソース領域及びドレイン領域も覆うことが更に好ましく、半導体層全域を覆うことが特に好ましい。なお、上記ボトムゲート電極の面積は、大きすぎると、余分な容量成分が形成され、半導体素子の動作スピードを遅くするおそれがある。したがって、ボトムゲート電極の面積を必要以上に広げないことにより、寄生容量を増やさないようにすることが重要である。
【００１４】
本発明の第一の半導体素子は、上記ボトムゲート電極、ボトムゲート絶縁膜、半導体層、トップゲート絶縁膜及びトップゲート電極を構成要素として有するものである限り、その他の構成要素を有していても有さなくてもよく、特に限定されるものではない。なお、本発明の第一の半導体素子は、光が下方からトップゲート電極と対向する半導体層中の領域に入射するのを抑制することができることから、例えば、半導体素子よりも背面側に設けられたバックライトを用いて表示を行う液晶表示装置に特に好適に用いることができる。
【００１５】
本発明の第一の半導体素子における好ましい形態について以下に詳しく説明する。
上記ボトムゲート絶縁膜は、トップゲート絶縁膜よりも酸化シリコン換算膜厚が大きいことが好ましい。ボトムゲート電極をトップゲート電極よりも広くし、かつボトムゲート絶縁膜の酸化シリコン換算膜厚をトップゲート絶縁膜の酸化シリコン換算膜厚よりも大きくすることにより、ボトムゲート電極によるバックバイアス効果を用いることができるため、半導体素子の閾値電圧を制御することが可能となる。
【００１６】
なお、一般に、絶縁膜の酸化シリコン換算膜厚（ＥＯＴ）は、下記式（１）で表される。
ＥＯＴ＝εＳｉＯ２×Ｔ／ε      （１）
式中、εＳｉＯ２は、酸化シリコンの誘電率を表し、Ｔは、絶縁膜の物理的な膜厚を表し、εは、絶縁膜を構成する材料の誘電率を表す。
【００１７】
上記ボトムゲート絶縁膜は、トップゲート絶縁膜よりも酸化シリコン換算膜厚が０ｎｍ以上１００ｎｍ以下大きいことがより好ましい。０ｎｍ未満であると、ボトムゲート電極によるバックバイアス効果が過大になり、ボトムゲート電極がメインのゲート電極として機能する結果、寄生容量が増加してトランジスタ等の半導体素子の動作速度が低下するおそれがある。１００ｎｍを超えると、ボトムゲート電極によるバックバイアス効果が充分でなく、ボトムゲート電極がバックゲート電極として機能しなくなる結果、半導体素子の閾値電圧を制御することができなくなるおそれがある。
【００１８】
上記ボトムゲート絶縁膜の酸化シリコン換算膜厚は、３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。３０ｎｍ未満であると、ゲート電極と半導体層とがリークするおそれがあり、２００ｎｍを超えると、ボトムゲート電極によるバックバイアス効果を用いることができなくなるおそれがある。
【００１９】
上記トップゲート絶縁膜の酸化シリコン換算膜厚は、３０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であることが好ましい。３０ｎｍ未満であると、トップゲート絶縁膜の耐圧が充分でなく、トップゲート電極に充分な電圧を印加することができなくなるおそれがある。また、３０ｎｍ未満であると、トップゲート絶縁膜に局所的に膜厚が小さい箇所ができてしまい、トップゲート電極からのリーク電流が流れるおそれがある。一方、１２０ｎｍを超えると、トップゲート電極によるバイアス効果が半導体層に伝わらず、スイッチング素子としての機能を損なうおそれがある。
【００２０】
上記ボトムゲート絶縁膜がトップゲート絶縁膜を構成する材料から構成される場合等、ボトムゲート絶縁膜を構成する材料とトップゲート絶縁膜を構成する材料との誘電率が同じである場合には、ボトムゲート絶縁膜は、トップゲート絶縁膜よりも物理的な膜厚が大きいことが好ましい。これによれば、同一の材料を用いて、ボトムゲート絶縁膜の酸化シリコン換算膜厚をトップゲート絶縁膜の酸化シリコン換算膜厚よりも大きくすることが可能となる。
【００２１】
絶縁耐圧の向上の観点からは、ボトムゲート絶縁膜及びトップゲート絶縁膜は、それぞれ物理的な膜厚が大きいほど好ましい。ゲート絶縁膜としてシリコン窒化膜を用いることにより、ゲート絶縁膜の物理的な膜厚を大きくすることができる。ただし、シリコン窒化膜は、単独でなく、シリコン酸化膜と一緒に用いられることが好ましい。この場合、シリコン等からなる半導体層との界面にシリコン酸化膜を配置し、該シリコン酸化膜上にシリコン窒化膜を配置し、該シリコン窒化膜上にトップゲート電極又はボトムゲート電極を配置する。なお、シリコン酸化膜及びシリコン酸化膜の各々の膜厚は、略１：１とするのが一般的である。
【００２２】
上記ボトムゲート電極及びトップゲート電極は、互いに接続されることが好ましい。これによれば、ボトムゲート電極とトップゲート電極とを同電位とすることにより、ボトムゲート電極が基板バイアス効果を示すため、トランジスタ等の半導体素子の閾値電圧を低くすることができるとともに、サブスレショルド係数を小さくすることができる。したがって、このような形態はトランジスタ性能の向上に有利である。
【００２３】
上記ボトムゲート電極及びトップゲート電極は、ボトムゲート絶縁膜及びトップゲート絶縁膜を貫通するコンタクトホールを介して互いに接続されることが好ましい。このようにトップゲート電極とボトムゲート電極との接続を一つのコンタクトホールで実現することにより、レイアウト面積の低減及び工程の簡略化を図ることができる。
【００２４】
上記コンタクトホールは、ボトムゲート電極の側面で上記ボトムゲート電極と接続（接触）させてもよいが、ボトムゲート電極の上面で上記ボトムゲート電極と接続されることが好ましい。すなわち、上記コンタクトホールとボトムゲート電極との界面は、全体がボトムゲート電極上にあることが好ましい。これによれば、コンタクトホールとボトムゲート電極との接触面積を大きくすることができ、コンタクト抵抗を小さくすることができる。なお、上記コンタクトホールは、トップゲート電極の側面で上記トップゲート電極と接続されることが好ましい。
【００２５】
本発明はまた、上記第一の半導体素子を備える表示装置でもある。本発明の第一の半導体素子によれば、工程数を増加させることなく、オン電流の増加、オフ電流の減少、及び、サブスレッショルド特性の急峻化を図ることができるため、表示装置において第一の半導体素子を画素スイッチング素子等として用いることにより、高表示品位の表示装置を提供することができる。表示装置としては特に限定されず、例えば液晶表示装置等が挙げられる。
【００２６】
上記表示装置は、表示パネル内に受光素子を有し、かつ、上記受光素子の背面側に、上記第一の半導体素子のボトムゲート電極を構成する材料から構成される遮光膜を有することが好ましい。例えば、通常のタッチパネル液晶表示装置では、液晶表示装置の上にタッチスクリーンが重ねられるため、表示装置が分厚くなるとともに、輝度も落ちてしまう。そこで、本発明のように、光を検出する光センサー等の受光素子を表示パネル内に組み込むことにより、上記受光素子によって画面上への書き込みが可能となるため、タッチスクリーン等が不要となる結果、表示装置の輝度の低下やコントラストの低下等を抑制することができる。また、部品点数の削減で薄型化、小型化及び軽量化を図ることができる。更に、上記受光素子の背面側（バックライト等が配置された側）に、第一の半導体素子のボトムゲート電極と同一の材料から構成される遮光膜を設けることにより、第一の半導体素子のボトムゲート電極とともに形成することが可能な遮光膜を用いて、バックライト等から出射された光が下方から受光素子に入射するのを防ぐことができるため、工程数を増加させることなく、受光素子の受光感度を向上させることができる。
【００２７】
上記表示装置は、表示パネル内に受光素子を有し、上記受光素子は、第一の半導体素子で構成されることが好ましい。本発明の第一の半導体素子によれば、光が下方からトップゲート電極と対向する半導体層中の領域に入射するのを抑制することができるため、第一の半導体素子を受光素子、又は、その構成物品として用いることにより、受光素子の受光感度を向上させることができる。
【００２８】
本発明はまた、ボトムゲート電極、ボトムゲート絶縁膜、半導体層、トップゲート絶縁膜及びトップゲート電極がこの順に積層された構造を有する半導体素子であって、上記トップゲート電極は、遮光性を有し、平面視したときに、ボトムゲート電極と対向する半導体層中の領域よりも広く、かつ上記領域を覆う半導体素子（以下「第二の半導体素子」ともいう。）でもある。この第二の半導体素子は、トップゲート電極に遮光性を持たせ、平面視したときに、上記トップゲート電極をボトムゲート電極と対向する半導体層中の領域よりも広く、かつ上記トップゲート電極に上記領域を覆わせることにより、光が上方からボトムゲート電極と対向する半導体層中の領域（すなわち、ボトムゲート電極に電圧を印加したときに形成されるチャネル領域）に入射するのを抑制することができるようにしたこと以外は、第一の半導体素子と同様である。したがって、本発明の第二の半導体素子によれば、第一の半導体素子と同様の作用効果を奏することができる。
【００２９】
本発明の第二の半導体素子は、上記ボトムゲート電極、ボトムゲート絶縁膜、半導体層、トップゲート絶縁膜及びトップゲート電極を構成要素として有するものである限り、その他の構成要素を有していても有さなくてもよく、特に限定されるものではない。上記第二の半導体素子としては特に限定されず、例えばＴＦＴ、ＴＦＤが挙げられるが、中でも、ＴＦＴが好適である。なお、本発明の第二の半導体素子は、光が上方からボトムゲート電極と対向する半導体層中の領域に入射するのを抑制することができることから、例えば、半導体素子よりも表示面側に設けられた有機発光層を発光させることで表示を行う有機エレクトロルミネセンス表示装置に特に好適に用いることができる。
【００３０】
本発明の第二の半導体素子における好ましい形態は、トップゲート電極とボトムゲート電極との関係、及び、トップゲート絶縁膜とボトムゲート絶縁膜との関係が反対であることを除いて、本発明の第一の半導体素子における好ましい形態と同様である。
上記トップゲート絶縁膜は、ボトムゲート絶縁膜よりも酸化シリコン換算膜厚が大きいことが好ましい。
上記トップゲート電極及びボトムゲート電極は、互いに接続されることが好ましい。
上記トップゲート電極及びボトムゲート電極は、トップゲート絶縁膜及びボトムゲート絶縁膜を貫通するコンタクトホールを介して互いに接続されることが好ましい。
上記コンタクトホールは、トップゲート電極の下面で上記トップゲート電極と接続されることが好ましい。
上記コンタクトホールは、ボトムゲート電極の側面で上記ボトムゲート電極と接続されることが好ましい。
本発明はまた、上記第二の半導体素子を備える表示装置でもある。
上記表示装置は、表示パネル内に受光素子を有し、かつ、上記受光素子の背面側に、上記第二の半導体素子のトップゲート電極を構成する材料から構成される遮光膜を有することが好ましい。
上記表示装置は、表示パネル内に受光素子を有し、上記受光素子は、上記第二の半導体素子で構成されることが好ましい。
【００３１】
本発明は更に、ボトムゲート電極、ボトムゲート絶縁膜、半導体層、トップゲート絶縁膜及びトップゲート電極がこの順に積層された構造を有する半導体素子であって、上記ボトムゲート電極及びトップゲート電極は、互いに接続される半導体素子（以下「第三の半導体素子」ともいう。）でもある。この第三の半導体素子によれば、ボトムゲート電極とトップゲート電極とを同電位とすることにより、ボトムゲート電極が基板バイアス効果を示すため、トランジスタ等の半導体素子の閾値電圧を低くすることができるとともに、サブスレショルド係数を小さくすることができる。したがって、この形態はトランジスタ性能の向上に有利である。
【００３２】
本発明の第三の半導体素子は、上記ボトムゲート電極、ボトムゲート絶縁膜、半導体層、トップゲート絶縁膜及びトップゲート電極を構成要素として有するものである限り、その他の構成要素を有していても有さなくてもよく、特に限定されるものではない。上記第三の半導体素子としては特に限定されず、例えばＴＦＴ、ＴＦＤが挙げられるが、中でも、ＴＦＴが好適である。
【００３３】
本発明の第三の半導体素子における好ましい形態について以下に詳しく説明する。
上記ボトムゲート電極及びトップゲート電極は、ボトムゲート絶縁膜及びトップゲート絶縁膜を貫通するコンタクトホールを介して互いに接続されることが好ましい。このようにトップゲート電極とボトムゲート電極との接続を一つのコンタクトホールで実現することにより、レイアウト面積の低減及び工程の簡略化を図ることができる。
【００３４】
上記ボトムゲート電極は、平面視したときに、トップゲート電極よりも広く、かつ上記トップゲート電極を覆うものであり、上記コンタクトホールは、ボトムゲート電極の上面で上記ボトムゲート電極と接続されることが好ましい。また、上記トップゲート電極は、平面視したときに、ボトムゲート電極も広く、かつボトムゲート電極を覆うものであり、上記コンタクトホールは、トップゲート電極の下面で上記トップゲート電極と接続されることが好ましい。これらによれば、コンタクトホールとボトムゲート電極又はトップゲート電極との接触面積を大きくすることができ、コンタクト抵抗を小さくすることができる。
【００３５】
本発明はそして、上記第三の半導体素子を備える表示装置でもある。本発明の第三の半導体素子によれば、ボトムゲート電極が基板バイアス効果を示すため、トランジスタ等の半導体素子の閾値電圧を低くすることができるとともに、サブスレショルド係数を小さくすることができるため、表示装置において第三の半導体素子を画素スイッチング素子等として用いることにより、高表示品位の表示装置を提供することができる。表示装置としては特に限定されず、例えば液晶表示装置等が挙げられる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の半導体素子によれば、ダブルゲート構造を採用することにより、オン電流の増加、及び、サブスレッショルド特性の急峻化を図ることができるとともに、ボトムゲート電極に遮光性を付与し、平面視したときに、上記ボトムゲート電極をトップゲート電極と対向する半導体層中の領域よりも広く、かつ上記ボトムゲート電極に上記領域を覆わせることにより、工程数を増加させることなく、オフ電流を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下に実施形態を掲げ、本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。
【００３８】
（実施形態１）
図１（ａ）は、本発明の実施形態１に係るＮチャネル型ＴＦＴの構成を示す平面模式図である。図１（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ｂ線における断面模式図であり、（ｃ）は、（ａ）のＣ−Ｄ線における断面模式図である。
本実施形態に係るＮチャネル型ＴＦＴ（半導体素子）１００は、図１に示すように、基板１０上に、ボトムゲート電極１１、ボトムゲート絶縁膜１２、半導体層１３、トップゲート絶縁膜１４、トップゲート電極１５及び層間絶縁膜１６がこの順に積層された構造を有する。このようなダブルゲート構造を採用することにより、オン電流の増加を図ることができる。
【００３９】
本実施形態では、図１（ａ）に示すように、ボトムゲート電極１１は、トップゲート電極１５に比べて大きく、その大きさは、トップゲート電極１５と対向する半導体層１３中の領域１３ａに対して、１．０μｍ大きい。また、ボトムゲート電極１１を構成する材料は、モリブデンシリサイドであり、膜厚が０．２μｍであるため、ボトムゲート電極１１の可視全波長域における分光透過率が１％未満である。このように、ボトムゲート電極１１に遮光性を持たせ、平面視したときに、上記ボトムゲート電極１１を半導体層１３中の領域１３ａよりも広く、かつ上記ボトムゲート電極１１に半導体層１３中の領域１３ａを覆わせることにより、下方からの光が半導体層１３中の領域１３ａに届かないようにすることができるため、オフ電流を抑制することができる。
【００４０】
また、本実施形態では、ボトムゲート絶縁膜１２は、膜厚が１００ｎｍのシリコン酸化膜である。他方、トップゲート絶縁膜１４は、膜厚が７０ｎｍのシリコン酸化膜である。このように、トップゲート絶縁膜１４の酸化シリコン換算膜厚をボトムゲート絶縁膜１２の酸化シリコン換算膜厚より小さくすることにより、トップゲート電極１５でＮチャネル型ＴＦＴのオンオフを主に制御し、ボトムゲート電極１１の電位を制御することができるため、サブスレッショルド特性を急峻化させることができる。
【００４１】
更に、本実施形態のように、ボトムゲート電極１１をトップゲート電極１５よりも広くし、トップゲート絶縁膜１４の酸化シリコン換算膜厚をボトムゲート絶縁膜１２の酸化シリコン換算膜厚より小さくすることにより、ボトムゲート電極１１によるバックバイアス効果を用いることができるため、閾値電圧を制御することができる。
【００４２】
なお、図２は、ボトムゲート電極１１によるバックバイアス効果を説明するＩｄ−Ｖｇ特性図である。実線は、ボトムゲート電極１１への印加電圧が０Ｖの場合を示す。一点鎖線は、ボトムゲート電極１１への印加電圧が−１Ｖの場合を示す。破線は、ボトムゲート電極１１への印加電圧が＋１Ｖの場合を示す。
【００４３】
図２に示すように、ボトムゲート電極１１への印加電圧が０Ｖの場合に、Ｉ−Ｖ特性（実線）を示すトランジスタは、ボトムゲート電極の電圧−１Ｖの場合に、Ｉ−Ｖ特性は一点鎖線のような特性にシフトする。これは、ボトムゲート電極１１に負の電位を印加することで、半導体層１３の電子をトップゲート電極１５側に移動させて、トップゲート電極１５側に正の電位を加えて、反転層を形成しようとしたときに、半導体層１３が反転しにくくなり、閾値のプラスシフトを引き起こすことを示している。一方、ボトムゲート電極１１の電圧＋１Ｖの場合、Ｉ−Ｖ特性は破線のような特性にシフトする。これは、ボトムゲート電極１１に正の電位を印加することで、半導体層１３の電子をボトムゲート電極１１側に移動させて、トップゲート電極１５側に正の電位を加えて、反転層を形成しようとしたときに、半導体層１３が反転しやすくなり、閾値のマイナスシフトを引き起こすことを示している。
このように、本実施形態では、ボトムゲート電極１１によるバックバイアス効果を用いることにより、閾値電圧を制御することが可能である。
【００４４】
また、本実施形態では、ボトムゲート電極１１とトップゲート電極１５とが、コンタクトホール１７ｃで接続されている。このように、トップゲート電極１１とボトムゲート電極１３とを同電位にすることにより、半導体層１３に対するボトムゲート電極１１によるバックバイアス効果を印加電圧とともに変化させることができるため、オン電流の増加、及び、サブスレショルド特性の急峻化といった効果の更なる向上を見込める。
【００４５】
更に、本実施形態では、図１（ｃ）に示すように、ボトムゲート電極１１とトップゲート電極１５との接続を１つのコンタクトホール１７ｃでまかなっている。このように、ボトムゲート電極１１とトップゲート電極１５とを１つのコンタクトホールで接続することにより、レイアウト面積の増加を抑制することができる。
【００４６】
そして、本実施形態では、図１（ｃ）に示すように、コンタクトホール１７ｃとボトムゲート電極１１とは、ボトムゲート電極１１の上面で接続されている。これによれば、コンタクトホール１７ｃとボトムゲート電極１１との接触面積を大きくすることができるため、コンタクト抵抗を小さくすることができる。
なお、本実施形態では、Ｎチャネル型トランジスタについて説明したが、Ｐチャネル型トランジスタについても、同様の効果が見込める。
【００４７】
以下、ＴＦＴの各部材を構成する材料について説明する。
基板１０を構成する材料としては、絶縁材料が好ましく、例えばガラスやプラスチック等が挙げられる。
ボトムゲート電極１１及びトップゲート電極１５を構成する材料としては、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属や、モリブデンシリサイド等の高融点シリサイドが好適である。ボトムゲート電極１１及びトップゲート電極１５の形成方法としては、スパッタ法で金属材料やシリサイドを成膜した後、フォトエッチング法でパターニングする方法等が挙げられる。
【００４８】
ボトムゲート絶縁膜１２及びトップゲート絶縁膜１４を構成する材料としては、特に限定されず、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）が挙げられ、ＳｉＯ２よりも誘電率が低い材料として、ＳｉＯＦ、ＳｉＯＣ等が挙げられ、ＳｉＯ２よりも誘電率が高い材料として、四窒化三ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等の窒化シリコン（ＳｉＮｘ（ｘは正数））、シリコンオキシナイトライド（ＳｉＮＯ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、三酸化二アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、五酸化二タンタル（Ｔａ２Ｏ５）等の酸化タンタル、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等が挙げられる。なお、ボトムゲート絶縁膜１２及びトップゲート絶縁膜１４を構成する材料は、同一であってもよいし、異なってもよい。また、ボトムゲート絶縁膜１２及びトップゲート絶縁膜１４は、単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。ボトムゲート絶縁膜１２及びトップゲート絶縁膜１４の形成方法としては、プラズマＣＶＤ法で絶縁材料を成膜した後、フォトエッチング法でパターニングする方法等が挙げられる。
【００４９】
半導体層１３を構成する材料としては、廉価性及び量産性の観点から、シリコンが好ましく、例えば、アモルファスシリコン、ポリシリコン、連続粒界結晶（ＣＧ）シリコンが挙げられるが、高移動度を実現する観点から、ポリシリコン、ＣＧシリコン等より好ましい。半導体層１３の形成方法としては、アモルファスシリコン成膜後に、レーザによるアニール工程を経てポリシリコンを得る方法や、アモルファスシリコン成膜後に、金属触媒でシリコンの固層成長でＣＧシリコンを得る方法等が挙げられる。
層間絶縁膜１６を構成する材料としては、特に限定されず、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ（ｘは正数））が挙げられる。層間絶縁膜１６の形成方法としては、プラズマＣＶＤ法で絶縁材料を成膜する方法が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】（ａ）は、本発明の実施形態１に係るＮチャネル型ＴＦＴの構成を示す平面模式図である。（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ｂ線における断面模式図であり、（ｃ）は、（ａ）のＣ−Ｄ線における断面模式図である。
【図２】ボトムゲート電極によるバックバイアス効果を説明するＩｄ−Ｖｇ特性図である。実線は、ボトムゲート電極に０Ｖを印加したときを示す。一点鎖線は、ボトムゲート電極に−１Ｖを印加したときを示す。破線は、ボトムゲート電極に＋１Ｖを印加したときを示す。
【符号の説明】
【００５１】
１０：基板
１１：ボトムゲート電極
１２：ボトムゲート絶縁膜
１３：半導体層
１３ａ：トップゲート電極と対向する半導体層中の領域（斜線部）
１４：トップゲート絶縁膜
１５：トップゲート電極
１６：層間絶縁膜
１７ａ〜１７ｃ：コンタクトホール
１００：Ｎチャネル型ＴＦＴ（半導体素子）
【図１】
2008117863.tif 000003
【図２】
2008117863.tif 000004