(57)【要約】【課題】  本発明は、大電流駆動時の自己加熱による特性悪化を極力抑止可能な大電流対応型の低温ポリシリコンＴＦＴを提供するものである。【解決手段】  本発明の半導体装置は、ガラス基板１０と、能動層１２と、その上にゲート絶縁膜１３を介して形成されたゲート電極１４と、を有したＴＦＴ（薄膜トランジスタ）において、チャネル領域１２ｃの下方もしくは能動層１２全体の下方に、ＴＦＴの駆動時にチャネル領域１２ｃが発するジュール熱をＴＦＴ外部へ放熱し得る放熱用のボトムメタル層ＢＭを設けたことを特徴とするものである。また、本発明の半導体装置は、上記構成に加えて、ボトムメタル層ＢＭが、ゲート電極１４もしくは能動層１２のソース領域１２ｓと接続されていることを特徴とするものである。【選択図】  図１
2005109148.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板と、
ソース領域、チャネル領域、ドレイン領域を有し、かつ前記ガラス基板上に形成された能動層と、
前記能動層の前記チャネル領域に対応する位置に、ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
を有する半導体装置において、
少なくとも前記チャネル領域に対応して、放熱用メタル層を設けたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記能動層全体に対応して、前記放熱用メタル層を設けたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記放熱用メタル層が、前記ゲート電極と接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記放熱用メタル層が、前記ソース領域と接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体装置。
【請求項５】
前記能動層の前記ソース領域及び前記ドレイン領域のそれぞれが、
不純物が高濃度に添加された部分と、不純物が低濃度に添加された部分とから成ることを特徴とする請求項１，２，３，４のいずれかに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に、パワーデバイスとして用いられる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＬＣＤや有機ＥＬ表示装置などの表示装置における画素部や周辺回路に用いるＴＦＴ（薄膜トランジスタ）の１つとして、低温ポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）ＴＦＴ（以下、「ＬＴＰＳ−ＴＦＴ」と略称する）が知られている。ＬＴＰＳ−ＴＦＴは、低温（ガラス基板を用いることができる温度）で多結晶化が可能なポリシリコンを能動層としたＴＦＴであり、キャリアの移動度が高く、ガラス基板を用いた表示装置の画素の駆動やスイッチングに適している。
【０００３】
次に、従来例に係るＬＴＰＳ−ＴＦＴの構成について図面を参照して説明する。図３は、従来例に係るＬＴＰＳ−ＴＦＴの構成を示す断面図である。なお、図３の断面図は、ｎチャンネル型ＴＦＴの構造のみを示す。
【０００４】
ガラス基板２０上に絶縁膜２１が形成されている。この絶縁膜２１上には、低温ポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）から成る能動層２２が形成されている。能動層２２のソース領域２２ｓとドレイン領域２２ｄとの間には、チャネル領域２２ｃが形成されている。ここで、ソース領域２２ｓ及びドレイン領域２２ｄは、それぞれ、高濃度に不純物を添加したｎ＋層と、低濃度に不純物を添加したｎ−層とから成り、いわゆるＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ  Ｄｏｐｅｄ  Ｄｒａｉｎ）構造を有している。
【０００５】
チャネル領域２２ｃ上には、能動層２２上の全面を覆うようにして形成されたゲート絶縁膜２３を介して、ゲート電極２４が形成されている。
【０００６】
そして、ゲート電極２４上及びゲート絶縁膜２３上には、層間絶縁膜２５が形成されている。ここで、ゲート絶縁膜２３及び層間絶縁膜２５の、ソース領域２２ｓに対応する位置には、ゲート絶縁膜２３及び層間絶縁膜２５を貫通するコンタクトホールＣ２ｓが設けられ、ソース電極２６ｓが埋め込まれている。一方、ゲート絶縁膜２３及び層間絶縁膜２５の、ドレイン領域２２ｄに対応する位置には、ゲート絶縁膜２３及び層間絶縁膜２５を貫通するコンタクトホールＣ２ｄが設けられ、ドレイン電極２６ｄが埋め込まれている。
【０００７】
これらのソース電極２６ｓ上やドレイン電極２６ｄ上を含む層間絶縁膜２５上には、ＴＦＴの表面を平坦にして保護するパッシベーション層２７が形成されている。
【０００８】
なお、関連する技術文献としては、例えば、以下の特許文献１がある。
【特許文献１】特開平１１−１１１９９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来例におけるＬＴＰＳ−ＴＦＴでは、ＴＦＴに大電流を流す場合、即ち、ＴＦＴをパワーデバイスとして用いた場合、電流駆動時に、高抵抗領域であるチャネル領域２２ｃにおいてジュール熱が発生していた。このジュール熱がＴＦＴ内にこもってしまうことにより、ＴＦＴが自己加熱されるため、Ｉｄｓが低下したり、ＴＦＴの閾値が変動するなど、ＴＦＴの特性が悪化するという問題が生じていた。
【００１０】
そこで、本発明は、大電流駆動時の自己加熱による特性悪化を極力抑止可能な大電流対応型のＬＴＰＳ−ＴＦＴを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の半導体装置は、上述の課題に鑑みて為されたものであり、ガラス基板と、ソース領域、チャネル領域、ドレイン領域を有し、かつガラス基板上に形成された能動層と、能動層上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、を有するＴＦＴ（薄膜トランジスタ）において、チャネル領域に発生するジュール熱を、ＴＦＴ外へ放熱し得る放熱用メタル層が、少なくともチャネル領域の下方に形成されることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の半導体装置は、上記構成に加えて、放熱用メタル層が、能動層全体の下方に形成されるものである。
【００１３】
また、本発明の半導体装置は、上記構成に加えて、放熱用メタル層が、ゲート電極もしくは能動層のソース領域と接続されていることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の半導体装置は、上記構成において、能動層のソース領域及びドレイン領域のそれぞれが、不純物が高濃度に添加された部分と、不純物が低濃度に添加された部分とから成るＬＤＤ構造を有するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、ＴＦＴの能動層の下方（少なくともチャネル領域の下方）に、ヒートシンクとしての機能を有するボトムメタル層を形成した。これにより、大電流駆動時にチャネル領域周辺で発生するジュール熱が、ＴＦＴ内にこもらずに放熱されやすくなるので、ジュール熱による自己加熱を起因とするＴＦＴの特性悪化を低く抑えることが可能となる。
【００１６】
また、上記構成に加えてボトムメタル層をゲート電極もしくはソース領域に接続することにより、ＴＦＴ内にこもるジュール熱を効率よく外部へ放熱させることができる。
【００１７】
ここで、ボトムメタル層をゲート電極に接続した場合、上記熱の効率的な放熱に加えて、いわゆるデュアルゲート構造により、オン抵抗を低く抑えることができる。これにより、電力損失を最小限に抑えたパワーデバイスを実現することが可能となる。
【００１８】
また、ボトムメタル層をソース領域に接続した場合、上記熱のＴＦＴ外部への効率的な放熱に加えて、ＴＦＴの耐圧性能を向上することができる。これにより、大電流駆動時のＴＦＴの信頼性を向上することが可能となる。
【００１９】
また、基板にガラス材料を用いることができるため、製造コストの増大を低く抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明を実施するための最良の形態に係る半導体装置について、図面を参照して説明する。図１は、本発明を実施するための最良の形態に係る半導体装置、即ち、ＬＴＰＳ−ＴＦＴの断面図である。なお、図１の断面図は、ｎチャネル型ＴＦＴの構造を示している。
【００２１】
図１に示すように、ＬＴＰＳ−ＴＦＴを構成するガラス基板１０上に、ボトムメタル層ＢＭが形成されている。ボトムメタル層ＢＭは、ＴＦＴ内の熱を外部に放熱し得るヒートシンク（放熱用）としての機能を有した金属層であり、所定の熱伝導率を有している。ボトムメタル層ＢＭは、例えばクロム（Ｃｒ）を材料とすることにより形成される。
【００２２】
ボトムメタル層ＢＭ上及びガラス基板１０上には、絶縁膜１１が形成されている。この絶縁膜１１上において、ボトムメタル層ＢＭ上に対応した領域には、能動層１２が形成されている。能動層１２は、ガラス基板１０を用いることができる温度で多結晶化が可能な低温ポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）から成るものである。
【００２３】
この能動層１２のソース領域１２ｓとドレイン領域１２ｄとの間には、チャネル領域１２ｃが形成されている。チャネル領域１２ｃは、高抵抗領域であることから、大電流による駆動時に、ジュール熱を発生するが、このジュール熱は、能動層１２下に形成された上記ボトムメタル層ＢＭに伝播することで、チャネル領域１２ｃ外部に放熱される。
【００２４】
上記能動層１２のソース領域２２ｓ及びドレイン領域２２ｄは、それぞれ、高濃度に不純物を添加したｎ＋層と、低濃度に不純物を添加したｎ−層とから成り、いわゆるＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ  Ｄｏｐｅｄ  Ｄｒａｉｎ）構造を有している。
【００２５】
チャネル領域１２ｃ上には、能動層１２上の全面を覆うようにして形成されたゲート絶縁膜１３を介して、ゲート電極１４が形成されている。
【００２６】
そして、ゲート電極１４上及びゲート絶縁膜１３上には、層間絶縁膜１５が形成されている。ここで、ゲート絶縁膜１３及び層間絶縁膜１５の、ソース領域１２ｓに対応する位置には、ゲート絶縁膜１３及び層間絶縁膜１５を貫通するコンタクトホールＣ１ｓが設けられ、ソース電極２１ｓが埋め込まれている。一方、ゲート絶縁膜１３及び層間絶縁膜１５の、ドレイン領域１２ｄに対応する位置には、ゲート絶縁膜１３及び層間絶縁膜１５を貫通するコンタクトホールＣ１ｄが設けられ、ドレイン電極１６ｄが埋め込まれている。
【００２７】
これらのソース電極１６ｓ上やドレイン電極１６ｄ上を含む層間絶縁膜１５上には、ＴＦＴの表面を平坦にして保護するパッシベーション層１７が形成されている。
【００２８】
なお、上述した実施形態においては、ボトムメタル層ＢＭは、少なくとも能動層１２全体の下方に位置するガラス基板１０上の領域に形成されるものであるが、本発明は、これに限定されない。即ち、ボトムメタル層ＢＭは、少なくとも、能動層１２のチャネル領域１２ｃの下方にのみ対応したガラス基板１０上の領域に形成されていればよい。この場合、ボトムメタル層ＢＭより上層に位置する能動層１２のチャネル領域１２ｃのみが形成されるため、能動層をレーザーアニールして結晶化する際にレーザーによる熱がボトムメタル層ＢＭを介してガラス基板１０側に逃げてしまい、能動層１２の結晶性が劣化する（局所的に粒径が小さくなる）ものの、ＬＴＰＳ−ＴＦＴの動作時に、高抵抗領域であるチャネル領域１２ｃから発せられたジュール熱は、ボトムメタル層ＢＭに伝播して外部へ放熱される。
【００２９】
上述したように、ＬＴＰＳ−ＴＦＴの能動層１２下にヒートシンクとしての機能を有するボトムメタル層ＢＭを形成したため、ジュール熱による自己加熱が最小限に抑えられ、大電流に対応したＬＴＰＳ−ＴＦＴが実現可能となる。
【００３０】
また、本発明のＬＴＰＳ−ＴＦＴは、上記実施形態に示した構成に加えて、さらに、以下の特徴を有したＴＦＴを含むものである。即ち、本発明のＬＴＰＳ−ＴＦＴは、ボトムメタル層ＢＭとゲート電極１４とが、ビアホール等を介して接続されるものであってもよい。この場合、ＬＴＰＳ−ＴＦＴは、２つのゲートを有した構造、いわゆるデュアルゲート構造となる。即ち、ボトムメタル層ＢＭが、もう１つのゲート電極となり、絶縁膜１１は、もう１つのゲート絶縁膜となる。
【００３１】
この場合、ヒートシンクとしての機能を有する金属層の面積が増大するため、ボトムメタル層ＢＭのみによる放熱に比して、電流駆動時のジュール熱のＴＦＴ外部への放熱が効率的に行われる。
【００３２】
さらに、このデュアルゲート構造により、ＴＦＴのオン抵抗（導通状態におけるチャネル領域１２ｃの抵抗値と寄生抵抗値の総計）が低下する。即ち、一定の駆動電流を得るために必要な印加電圧が、デュアルゲート構造でない場合（シングルゲート構造）に比して少なくて済む。これにより、消費電力（消費電力＝一定の駆動電流×印加電圧）を低く抑えることが可能となる。従って、消費電力の低下に伴って、ジュール熱の発生も低く抑えることが可能となる。このように、本実施形態におけるデュアルゲート構造によれば、ジュール熱による自己加熱の影響を低く抑える効果に加えて、電力損失を最小限に抑えた大電流対応型のＬＴＰＳ−ＴＦＴを実現することが可能となる。
【００３３】
なお、上述したデュアルゲート構造のＬＴＰＳ−ＴＦＴにおいて、理想的にオン抵抗を低下させるためには、上記構成のうち、絶縁膜１１の膜厚とゲート絶縁膜１３の膜厚とを、互いに等しい膜厚で形成することが好ましい。この膜厚に関する条件の下では、理想的には通常の２倍のキャリアが能動層に発生して、駆動電流が導通しやすくなるためである。ただし、本発明は上記膜厚に関する条件には限定されず、例えば、ボトムメタル層ＢＭを１００ｎｍ程度、絶縁膜１１を１５０ｎｍ程度、能動層１２を４５ｎｍ程度、ゲート絶縁膜１３を１００ｎｍ程度、ゲート電極を２００ｎｍ〜３００ｎｍ程度の厚さで形成してもよい。
【００３４】
また、ゲート電極１４に接続されるボトムメタル層ＢＭは、能動層１２のチャネル領域１２ｃの下方に位置するガラス基板１０上の領域のみに形成してもよい。この場合、ボトムメタル層ＢＭに現れる寄生容量を小さくできるため、ＴＦＴの応答速度を向上することが可能となる。
【００３５】
一方、ＴＦＴの応答速度を優先させずに、ジュール熱のＴＦＴ外部への放熱を優先させる場合は、上記実施形態に示したように、ボトムメタル層ＢＭを、能動層１２全体の下方に位置するガラス基板１０上の領域に形成して、ジュール熱のＴＦＴ外部への放熱が可能な面積を広くすることが好ましい。
【００３６】
また、ボトムメタル層ＢＭは、ゲート電極１４に接続される替わりに、ソース領域１２ｓもしくはソース電極１６ｓに接続されても良い。これにより、ボトムメタル層ＢＭをゲート電極１４に接続した場合のように、ヒートシンクとしての機能を有する金属層の面積が増大するため、ボトムメタル層ＢＭを他の層や領域に接続しない場合に比して、ジュール熱のＴＦＴ外部への放熱を効率的に行うことが可能となる。この場合、ＴＦＴはデュアルゲート構造とならないため、オン抵抗の低下といった効果は生じないものの、ＴＦＴを駆動するための電圧に対する耐圧性能が向上するといった効果が生じる。
【００３７】
以上に示した実施形態においては、ｎチャネル型ＴＦＴの構造のみを示したが、本発明の半導体装置はこれに限定されない。即ち、本発明のＬＴＰＳ−ＴＦＴは、上記実施形態の構成において、能動層１２のソース領域１２ｓ及びドレイン領域１２ｄが、不純物を高濃度に添加して成るｐ＋層と、不純物を低濃度に添加して成るｐ−層とから形成された、ｐチャネル型のＬＴＰＳ−ＴＦＴであってもよい。
【００３８】
次に、上記実施形態のうち、ゲート電極１４とボトムメタル層ＢＭとが接続されたデュアルゲート構造のＬＴＰＳ−ＴＦＴにおいて、オン抵抗が低下する様子について、電流−電圧特性を示すグラフを参照して説明する。図２は、本発明の発明者が行った実験の計測結果を示した本実施形態のＬＴＰＳ−ＴＦＴにおける電流−電圧特性グラフである。ただし、この実験は、ｐチャネル型のＬＴＰＳ−ＴＦＴに関するものであるが、ｎチャネル型であっても同様の結果が得られる。
【００３９】
図２の電流−電圧特性グラフの縦軸と横軸は、それぞれ、ＴＦＴのドレイン電流ＩＤ[Ａ]とゲート電圧ＶＧ[Ｖ]に対応している。また、ＩＤｎは、本実施形態に係るＬＴＰＳ−ＴＦＴにおいて、ボトムメタル層ＢＭが他の層や領域に接続されない場合における電流−電圧特性を示すものである。ＩＤｇは、ゲート電極１４に接続されたボトムメタル層ＢＭに、ゲート電圧ＶＧ（ゲート電極１４に印加する電圧）と等しい電圧を印加した場合、即ち、ゲート電極１４とボトムメタル層ＢＭとをデュアルゲートとして用いた場合の電流−電圧特性を示すものである。ＩＤｓは、ソース領域１２ｓもしくはソース電極１６ｓに接続したボトムメタル層ＢＭに接地電位（０[Ｖ]）を接続した場合の電流−電圧特性を示すものである。
【００４０】
ゲート電極１４に、例えばゲート電圧ＶＧ＝−１０[Ｖ]を印加した場合をみると、図２に示すように、ゲート電極１４とボトムメタル層ＢＭとをデュアルゲートとして用いた場合のドレイン電流ＩＤｇは、ボトムメタル層ＢＭが他の層や領域に接続されない場合のドレイン電流ＩＤｎに比して大きくなる。即ち、一定の駆動電流を得るために必要な印加電圧は、ボトムメタル層ＢＭが他の層や領域に接続されないＬＴＰＳ−ＴＦＴに比して減少するため、オン抵抗の値も減少する。
【００４１】
一方、ソース領域１２ｓもしくはソース電極１６ｓに接続したボトムメタル層ＢＭに接地電位（０[Ｖ]）を接続した場合のドレイン電流ＩＤｓは、ボトムメタル層ＢＭが他の層や領域に接続されない場合のドレイン電流ＩＤｎに比して小さくなる。即ち、オン抵抗を減少させる効果は生じない。
【００４２】
なお、上記実施形態に示したＴＦＴは、能動層１２上にゲート絶縁膜１３を介してゲート電極１４が形成されているトップゲート構造を有していたが、本発明は、これに限定されない。即ち、ガラス基板１０と能動層１２との間であって、能動層１２のチャネル領域１２ｃに対応する位置に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極が形成されるボトムゲート型ＴＦＴであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明を実施するための最良の形態に係る半導体装置の断面図である。
【図２】図１に示した半導体装置に係る半導体装置の電流―電圧特性を示すグラフである。
【図３】従来例に係る半導体装置の断面図である。
【図１】
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【図２】
2005109148.tif 000004
【図３】
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