(57)【要約】【課題】耐熱温度の低い樹脂基板に対しても、良好な性能のＴＦＴ等の半導体素子を作成する。【解決手段】樹脂性の絶縁性基板１上に半導体層４を形成してなる半導体装置において、絶縁性基板１上に断熱層２と熱伝導率が大きい絶縁性層３とを設け、その上に半導体層４を設けた。樹脂性の絶縁性基板上に半導体層を形成してなる半導体装置において、絶縁性基板の両面に断熱層を設け、絶縁性基板の片面の断熱層上に熱伝導率が大きい絶縁性層を設け、絶縁性層上に半導体層を設けた。熱伝導率が大きい絶縁性層３の代わりに、熱伝導率が大きい金属層と絶縁性層とを設けた。【選択図】      図１
2004342752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂性の絶縁性基板上に半導体層を形成してなる半導体装置において、前記絶縁性基板上に断熱層と熱伝導率が大きい絶縁性層とを設け、その上に前記半導体層を設けたことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に係り、特に耐熱温度の低い樹脂基板に半導体を形成する半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴと記す）は液晶表示素子やＥＬ表示素子、またはエリアセンサーなどに用いられ、液晶表示素子について言えば、各画素において液晶に印加する電位を制御する素子として用いられる。
【０００３】
各画素に設けたＴＦＴに用いられる半導体膜には非晶質のシリコン薄膜（ａ−Ｓｉ：Ｈ薄膜）や多結晶のシリコン薄膜（ｐｏｌｙ−Ｓｉ薄膜）がある。
【０００４】
このうち、ｐｏｌｙ−Ｓｉ薄膜を用いたＴＦＴは基板上に形成したａ−Ｓｉ薄膜をエキシマレーザーによりアニールして用いられることが多い。
【０００５】
このエキシマレーザーによるアニールではａ−Ｓｉ薄膜を一旦溶融させるため瞬間的ではあるが、ａ−Ｓｉ薄膜を１４００℃にも加熱しなければならない。
【０００６】
この熱が基板に影響を与えないように断熱層としてＳｉＯ２を０．１〜５．０μｍ設ける提案が特許文献１に開示されている。
【０００７】
また、特許文献２には下地層を３層構造としその中間層をＴａ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏなどの高融点の金属を用いる提案が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特表２００１−５０８９３７号公報
【特許文献２】
特開平４−３３３２７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１のように、断熱層を１層のみ設けた場合には、薄い場合には断熱効果が小さく基板に影響を与えてしまうし、断熱効果が期待できるほど厚いと基板に反りが発生したり、基板が撓んだとき、或いは、製造工程途中で熱がかかったとき線膨張係数の差により断熱層に亀裂が発生する等の問題が生ずる場合がある。
【００１０】
また、特許文献２で提案されている膜は、それぞれの膜厚が厚く成膜時のスループットが悪い。また、膜厚が厚いために膜の応力により基板に反りが発生し、マスクアライメントが出来ない等製造時に問題となる場合がある。
【００１１】
以上のように、従来技術においては、樹脂基板において半導体膜の下地層として、基板に反りを発生させること無く、充分な可撓性を有しながら、充分な熱遮断性を有した薄膜半導体装置を安価に提供することが困難であった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、樹脂性の絶縁性基板上に半導体層を形成してなる半導体装置において、前記絶縁性基板上に断熱層と熱伝導率が大きい絶縁性層とを設け、その上に前記半導体層を設けたことを特徴とする。絶縁性層は基板及び半導体層及び断熱層に対して熱伝導率が大きいことが好ましい。
【００１３】
本発明は、樹脂基板の上に断熱層を設け、その上に高熱伝導率を有する金属、或いはセラミクス等を積層した熱拡散層を設け、その熱拡散層が導電性の場合には更にその上に絶縁性の膜を積層することにより高性能の熱遮断層とし、その上に半導体層を設けたものである。
【００１４】
又、膜の引っ張り応力、又は圧縮応力による基板の反りを防止するために、樹脂基板の上に設ける断熱層をその樹脂基板の両面に設けたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００１６】
（実施形態１）
本発明の第１の実施形態について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態となるＴＦＴの構造を説明するための縦断面図である。
【００１７】
図１において、１は厚さが０．７ｍｍ程度のフレキシブル基板（材質：ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート））、２は断熱層（材質：ＳｉＯ２）、３は熱拡散層（材質：ＡｌＮ：Ｃａ）、４はレーザーアニールにより多結晶化したＳｉであり、５及び５′はレーザードーピングによりドーピングしたｎ＋層である。また、６はゲート絶縁膜、７はゲート電極、８，８′，８″は層間絶縁層である。１０はソース電極、１１はドレイン電極であり、コンタクトホール９，９′によりｎ＋層５，５′と接触している。また１２は画素電極である。これらを絶縁保護層１３で覆っている。
【００１８】
このＴＦＴを作る工程を図２〜図４によって順を追って説明する。
【００１９】
先ず、図２（ａ）に示すように、その後の製造工程で掛かる温度より高い温度でアニールされたＰＥＴ基板１（東レ製ルミラー）上にマグネトロンスパッタ法を用いて、断熱層２となる酸化シリコン膜を膜厚が３００ｎｍ程度となるように形成した。その時の成膜条件は、ターゲットにＳｉＯ２を用い、Ａｒ流量を１００ｓｃｃｍ、Ｈ２流量を３０ｓｃｃｍ、スパッタ室の圧力を０．２Ｐａ、ＲＦパワー密度を３Ｗ／ｃｍ２、基板温度を１００℃とした。
【００２０】
その上に熱拡散層３となるＡｌＮ：Ｃａをマグネトロンスパッタ法により厚さ２００ｎｍ程度形成した。この時の成膜条件は、ターゲットに徳山製ＡｌＮ系材料（熱伝導率＝１７０〜２６０Ｗ／ｍＫ）を用い、Ａｒ流量を５０ｓｃｃｍ、スパッタ室の圧力を０．２Ｐａ、ＲＦパワー密度を３Ｗ／ｃｍ２、基板温度を１００℃とした。
【００２１】
次に半導体層４となるＳｉを、マグネトロンスパッタ法で５０ｎｍの厚さに形成した。この時の成膜条件は、ターゲットにリンドープＳｉ単結晶を用い、Ａｒ流量を１００ｓｃｃｍ、スパッタ室の圧力を０．２Ｐａ、ＤＣパワー密度を６Ｗ／ｃｍ２、基板温度を１００℃とした。
【００２２】
ここで、半導体層４に波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザー１５を照射し多結晶Ｓｉ  ４を形成した。このとき、レーザーアニールの条件は３５０ｍＪ／ｃｍ２、２００Ｈｚで行った。
【００２３】
その後、図２（ｂ）に示すように、半導体層４を既知の方法により所定の形状にパターニングした。その上に、図２（ｃ）に示すように、ゲート絶縁膜６となる窒化シリコンをマグネトロンスパッタ法にて２００ｎｍの膜厚に形成した。この時の成膜条件は、ターゲットにＳｉ３Ｎ４を用い、Ａｒ流量を８０ｓｃｃｍ、Ｎ２流量を３０ｓｃｃｍ、Ｈ２流量を２０ｓｃｃｍ、スパッタ室の圧力を０．２５Ｐａ、ＲＦパワー密度を３Ｗ／ｃｍ２、基板温度を１００℃とした。
【００２４】
その上に、ゲート電極７となるＡｌＣｕをマグネトロンスパッタ法にて膜厚が７００ｎｍとなるように形成した。この時の成膜条件は、ターゲットに２ｗｔ％のＣｕを含有したＡｌを用い、Ａｒ流量を５０ｓｃｃｍ、スパッタ室の圧力を０．１Ｐａ、ＤＣパワー密度を７Ｗ／ｃｍ２、基板温度を１００℃とした。
【００２５】
その上に既知の方法にてフォトレジストを塗布した後に所定の形状にパターニングし、フォトレジストパターン１４を形成した。
【００２６】
次に、図２（ｄ）に示すように、フォトレジスト１４をマスクとしてＲＩＥ法によりゲート絶縁膜６とゲート電極７を形成した。この時、ゲート電極７の形成においては、エッチングガスとしてＣｌ２、ＢＣｌ３、エッチング圧力３Ｐａの条件で行い、ゲート絶縁膜６の形成においては、エッチングガスとしてＳＦ６、Ｏ２、エッチング圧力３Ｐａの条件で行った。
【００２７】
次に、図３（ａ）に示すように、フォトレジスト１４及びゲート電極７をマスクとしてエキシマレーザー１６を半導体層４に照射しドーピングを行いｎ＋層５，５′を形成した。この時の条件はＨｅにＰＨ３を０．５％混合した雰囲気中で波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーを、先ず、フルエンス（１発のパルスエネルギーを照射面積で割ったもの）１００ｍＪ／ｃｍ２で１０パルス照射し、次に、フルエンスを２８０ｍＪ／ｃｍ２に変更して１０パルス照射した。
【００２８】
そして、図３（ｂ）に示すように、フォトレジスト１４を取り除いた後、画素電極１２となるＩＴＯをマグネトロンスパッタ法にて５００ｎｍの厚さに成膜した。この時の成膜条件は、ターゲットにＳｎＯ２を１０ｗｔ％含むＩＴＯを用い、Ａｒ流量を５０ｓｃｃｍ、Ｏ２流量を５０ｓｃｃｍ、スパッタ室の圧力を０．１５Ｐａ、ＤＣパワー密度を６Ｗ／ｃｍ２、基板温度を１００℃とした。
【００２９】
その後、このＩＴＯ膜を既知の方法にて所望の形状にパターニングを行い、その後、層間絶縁層８として窒化シリコン層を前記ゲート絶縁膜６と同様の条件で６００ｎｍの厚さに形成した。
【００３０】
次に、図３（ｃ）に示すように、ＲＩＥ法により層間絶縁層８をパターニングすると共にコンタクトホール９，９′を形成した。ガス種としてはＳＦ６とＯ２の混合ガスを用い、圧力３Ｐａ、ＲＦパワー１．５ｋＷでレジスト後退法により、コンタクトホール９，９′はテーパー角５０°で形成した（図３（ｃ）では簡略化のためにテーパーが描かれていない。）。
【００３１】
その上に図４（ａ）に示すように、電極となるＡｌＣｕ膜をマグネトロンスパッタ法により前述のゲート電極７と同様の成膜条件で膜厚が７００ｎｍとなるように形成した。その後、既知の方法で所望の形状にパターニングし、ソース電極１０とドレイン電極１１を形成した。
【００３２】
更に、図４（ｂ）に示すように、この上に絶縁保護層１３として窒化シリコンを先ほどの層間絶縁膜８の成膜時と同様の条件で、マグネトロンスパッタ法にて５００ｎｍの厚さに形成した。
【００３３】
このように、熱伝導率の高い層を含む熱遮断層を設けると、ａ−Ｓｉのレーザーアニール時、或いはレーザードーピング時にも基板に伝わる熱が小さいので、耐熱温度の低い基板を用いてもＯＮ／ＯＦＦ比＝５×１０５、Ｖｔｈ＝１．２Ｖ、μ＝１２０ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃという良好な性能のＴＦＴを作ることが出来た。
【００３４】
更に、この基板を用いて液晶表示装置を作製したところ、良好な表示装置を作ることが出来た。その時の回路構成を図５に示す。図５において、１０２はゲート電極、１０２Ｂは走査ライン、１０７はソース電極、１０７Ｂはデータライン、１０８はドレイン電極、１１０は画素電極を示す。
【００３５】
又、本実施形態では熱拡散層としてＡｌＮ：Ｃａを用いたが、ＢｅＯ（熱伝導率＝２２０Ｗ／ｍＫ）等の高熱伝導性絶縁膜材料を用いても良い。但し、ＢｅＯを用いる場合には光が透過しないため反射式の表示素子として構成する。その場合には、画素電極としてＩＴＯを用いる必要は無く、ゲート電極と同じ材質で良いため工程削減により、より安価に製造可能となる。
【００３６】
（実施形態２）
本発明の第２の実施形態について、図６により説明する。図６は、本発明の実施形態２となるＴＦＴの構造を説明するための縦断面図である。尚、図中の番号は図１と同じ目的の膜は同じ番号を付してある。
【００３７】
まず、その後の加工で掛かる温度より高い温度でアニールされた、厚さが１．０ｍｍ程度のＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）基板１（住友ベークライト製）上に、マグネトロンスパッタ法を用いて、断熱層２となる酸化シリコン膜を膜厚が３００ｎｍ程度となるように形成した。この時の成膜条件は実施形態１と同様である。
【００３８】
次に、この断熱層２上に、マグネトロンスパッタ法を用いて、熱拡散層となるＡｌＣｕ（熱伝導率＝２２０Ｗ／ｍＫ）薄膜３を膜厚が２００ｎｍ程度となるように形成した。
【００３９】
この時の成膜条件は、ターゲットに２ｗｔ％のＣｕを含有したＡｌを用い、Ａｒ流量を５０ｓｃｃｍ、スパッタ室の圧力を０．１Ｐａ、ＤＣパワー密度を７Ｗ／ｃｍ２、基板温度を１００℃とした。更にその上に絶縁層１７として窒化シリコン層を２００ｎｍの厚さに形成した。この時の成膜条件は、ターゲットにＳｉ３Ｎ４を用い、Ａｒ流量を１００ｓｃｃｍ、Ｎ２流量を３０ｓｃｃｍ、スパッタ室の圧力を０．２５Ｐａ、ＲＦパワー密度を３Ｗ／ｃｍ２、基板温度を１００℃とした。
【００４０】
次に、この上にＳｉをターゲットとしてマグネトロンスパッタ法にて膜厚が５０ｎｍとなるように半導体層５を形成した。この時の成膜条件は、実施形態１と同様である。
【００４１】
以下、実施形態１と同様にしてＴＦＴを作製し、ＯＮ／ＯＦＦ比＝５×１０５、Ｖｔｈ＝１．２Ｖ、μ＝１２０ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃという良好な性能を得た。但し、本実施形態においては熱拡散層３は光を透過しないため、画素電極にＩＴＯを使う必要は無く、ゲート電極と同時に同じ材料で画素電極を形成したので、安価に製造可能となった。
【００４２】
このように、熱伝導率の高い層を含む熱遮断層を設けると、ａ−Ｓｉのレーザーアニール時、或いはレーザードーピング時にも基板に伝わる熱が小さいので、耐熱温度の低い基板を用いても性能の良いＴＦＴを作ることが出来る。
【００４３】
更に、この基板を用いて有機ＥＬ表示装置を作製した所、良好な表示装置を作ることが出来た。その時の回路構成を図７に示す。図７において、５０１はＸ方向信号線、５０２はＹ方向信号線、５０３は電源線、５０４はスイッチ用薄膜トランジスター、５０５は電流制御用薄膜トランジスター、５０６は有機ＥＬ素子、５０７はコンデンサーを示す。
【００４４】
（実施形態３）
本発明の第３の実施形態について、図８により説明する。図８は、本発明の実施形態３となるＴＦＴの構造を説明するための縦断面図である。尚、図中の番号は図１と同じ目的の膜は同じ番号を付してある。
【００４５】
まず、その後の加工で掛かる温度より高い温度でアニールされたＰＥＳ基板１（住友ベークライト製）を両面が露出するように基板の縁のみを固定するホルダーに支持し、マグネトロンスパッタ法を用いて、両面に窒化シリコン膜２，２′を膜厚が５００ｎｍ程度となるように同時に形成した。この時の成膜条件は、ターゲットにＳｉ３Ｎ４を用い、Ａｒ流量を１００ｓｃｃｍ、Ｎ２流量を３０ｓｃｃｍ、スパッタ室の圧力を０．２５Ｐａ、ＲＦパワー密度を３Ｗ／ｃｍ２、基板温度を１００℃とした。ここで、上面に形成した膜２は断熱層となり、下面に形成した膜２′は膜の応力による基板の反りを防止することを目的として形成した。
【００４６】
次に、この断熱層２上に、マグネトロンスパッタ法を用いて、熱拡散層３となるＡＰＣ（Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｕ合金で、熱伝導率≒４００Ｗ／ｍＫ）薄膜を膜厚が３００ｎｍ程度となるように形成した。この時の成膜条件は、ターゲットにＡＰＣ（フルヤ金属製）を用い、Ａｒ流量を５０ｓｃｃｍ、スパッタ室の圧力を０．２６Ｐａ、ＤＣパワー密度を７Ｗ／ｃｍ２、基板温度を８０℃とした。更にその上に絶縁層１７として窒化シリコン層を前記断熱層２と同様な成膜条件で２００ｎｍの厚さに形成した。
【００４７】
次に、この上にＳｉをターゲットとしてマグネトロンスパッタ法にて膜厚が５０ｎｍとなるように半導体層４を形成した。この時の成膜条件は実施形態１と同様である。
【００４８】
以下、実施形態１と同様にしてＴＦＴを作製した。但し、本実施形態においては実施形態２と同様に熱拡散層３は光を透過しないため、画素電極にＩＴＯを使う必要は無いので、ゲート電極７と同材料で同時に画素電極１２を形成した。
【００４９】
このように、熱伝導率の高い層を含む熱遮断層を設けると、ａ−Ｓｉのレーザーアニール時、或いはレーザードーピング時にも基板に伝わる熱が小さいので、耐熱温度の低い基板を用いても実施形態１及び２と同様に性能の良いＴＦＴを作ることが出来た。
【００５０】
さらに、この基板を用いて液晶表示装置を作製したところ、良好な表示装置を作ることが出来た。その時の回路構成は図５と同様である。
【００５１】
また、実施形態３では基板の反対面にも窒化シリコン膜を形成したため、熱拡散層３及び絶縁層１７の膜厚を厚くしても基板に反りが少なく、製作時の扱いが容易なだけでなく、表示装置とした時に品質の良いデバイスとなった。
【００５２】
実施形態２および実施形態３において熱拡散層３にはＡｌＣｕ、ＡＰＣのみでなく、Ａｇ（熱伝導率＝４３２Ｗ／ｍＫ）、Ｃｕ（熱伝導率＝４０１Ｗ／ｍＫ）、Ａｕ（熱伝導率＝３１０Ｗ／ｍＫ）、Ａｌ（熱伝導率＝２２１Ｗ／ｍＫ）、Ｍｇ（熱伝導率＝１７２Ｗ／ｍＫ）、及びこれらの金属を含む合金が利用できる。
【００５３】
又、実施形態３で断熱層を両面に設けた例を熱拡散層が金属の場合で説明したが、実施形態１で説明した熱拡散層が絶縁性の場合に断熱層を基板の両面に設けても良い。
【００５４】
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明の好適な実施の態様は以下に説明する態様である。
【００５５】
（実施態様１）  樹脂性の絶縁性基板上に半導体層を形成してなる半導体装置において、前記絶縁性基板上に断熱層と熱伝導率が大きい絶縁性層とを設け、その上に前記半導体層を設けたことを特徴とする半導体装置。
【００５６】
（実施態様２）  樹脂性の絶縁性基板上に半導体層を形成してなる半導体装置において、前記絶縁性基板の両面に断熱層を設け、前記絶縁性基板の片面の断熱層上に熱伝導率が大きい絶縁性層を設け、該絶縁性層上に前記半導体層を設けたことを特徴とする半導体装置。
【００５７】
（実施態様３）  前記絶縁性層は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする実施態様１又は２に記載の半導体装置。
【００５８】
（実施態様４）  前記絶縁性層に、ＢｅＯ、或いはＡｌＮ系材料を用いたことを特徴とする実施態様１から３のいずれかに記載の半導体装置。
【００５９】
（実施態様５）  樹脂性の絶縁性基板上に半導体層を形成してなる半導体装置において、前記絶縁性基板上に断熱層と熱伝導率が大きい金属層を設け、その上に絶縁性層を設け、更にその上に前記半導体層を設けたことを特徴とする半導体装置。
【００６０】
（実施態様６）  樹脂性の絶縁性基板上に半導体層を形成してなる半導体装置において、前記絶縁性基板の両面に断熱層を設け、前記絶縁性基板の片面の断熱層上に熱伝導率が大きい金属層を設け、その上に絶縁性層を積層し、更にその上に前記半導体層を形成したことを特徴とする半導体装置。
【００６１】
（実施態様７）  前記金属層は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする実施態様５又は６に記載の半導体装置。
【００６２】
（実施態様８）  前記金属層に、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、或いはＭｇ、又はそれらを含む合金を用いたことを特徴とする実施態様５から７のいずれかに記載の半導体装置。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、耐熱温度の低い樹脂基板に対しても、良好な性能のＴＦＴ等の半導体素子を作成することが可能である。さらに、下地層の遮熱効果が高いため全体の膜厚を薄くすることが出来、成膜時間を短縮することができる。
【００６４】
さらに、形成した膜の膜厚が薄いために基板が反りにくいと同時に製造工程途中および完成した製品が湾曲した場合にも膜に亀裂が入りにくい。
【００６５】
又、第１の層を基板の両面に形成したものは、製造工程中に反りが出にくいだけでなく、表示装置とした場合に表示装置の外側の保護膜となる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るＴＦＴ基板の構造を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るＴＦＴ基板の作製方法を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態１に係るＴＦＴ基板の作製方法を示す模式図である。
【図４】本発明の実施形態１に係るＴＦＴ基板の作製方法を示す模式図である。
【図５】本発明の実施形態１に係る液晶表示装置の説明図である。
【図６】本発明の実施形態２に係るＴＦＴ基板の構造を示す模式図である。
【図７】本発明の実施形態２に係る有機ＥＬ表示装置の説明図である。
【図８】本発明の実施形態３に係るＴＦＴ基板の構造を示す模式図である。
【符号の説明】
１  フレキシブル基板
２  断熱層
３  熱拡散層
４  半導体層
５、５′  ｎ＋層
６  ゲート絶縁層
６′  絶縁層
７  ゲート電極
８、８′、８″  層間絶縁層
９、９′  コンタクトホール
１０  ソース電極
１１  ドレイン電極
１２  画素電極
１３  絶縁保護層
１４  フォトレジスト
１５、１６  エキシマレーザー
１７  絶縁層
１０２  ゲート電極
１０２Ｂ  走査ライン
１０７  ソース電極
１０７Ｂ  データライン
１０８  ドレイン電極
１１０  画素電極
５０１  Ｘ方向信号線
５０２  Ｙ方向信号線
５０３  電源線
５０４  スイッチ用薄膜トランジスター
５０５  電流制御用薄膜トランジスター
５０６  有機ＥＬ素子
５０７  コンデンサー
【図１】
2004342752.tif 000003
【図２】
2004342752.tif 000004
【図３】
2004342752.tif 000005
【図４】
2004342752.tif 000006
【図５】
2004342752.tif 000007
【図６】
2004342752.tif 000008
【図７】
2004342752.tif 000009
【図８】
2004342752.tif 000010