(57)【要約】【課題】動作時の薄膜トランジスタにおける能動層の温度特性を検査する。【解決手段】本発明の半導体装置は、薄膜トランジスタの温度特性を評価するための半導体装置である。チャネル領域１４２を含んだ能動層１４を有する薄膜トランジスタと、薄膜トランジスタのチャネル領域１４２に絶縁膜１３を介して重ね合わされるように配置された半導体材料からなる感温部１２と、を備えている。【選択図】図１
2009130254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜トランジスタの温度特性を評価するための半導体装置であって、
チャネル領域を含んだ能動層を有する薄膜トランジスタと、
前記薄膜トランジスタのチャネル領域に絶縁膜を介して重ね合わされるように配置された半導体材料からなる感温部と、を備えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記能動層が多結晶シリコンからなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記能動層が、前記薄膜トランジスタのゲート電極と前記感温部との間に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記薄膜トランジスタを複数備えているともに、これら薄膜トランジスタのそれぞれに対応させて前記感温部が設けられており、前記複数の薄膜トランジスタのうちのいくつかは、それぞれに対応する感温部との相対位置が、互いに異なっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記薄膜トランジスタの一つに対応させて、複数の前記感温部が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記絶縁膜の膜厚が、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記感温部のフェルミ準位が、価電子帯の上端よりも０．１ｅＶ以上高いか、もしくは伝導帯の下端よりも０．１ｅＶ以上低いことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記感温部が不純物を含有しており、該不純物の濃度が２×１０１８／ｃｍ３以下となっていることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
チャネル領域を含んだ能動層を有する薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタのチャネル領域に絶縁膜を介して重ね合わされるように配置された半導体材料からなる感温部と、を備えた半導体装置の前記感温部に、該感温部に流れる電流を検知する第１検知装置を電気的に接続するとともに、前記チャネル領域に該チャネル領域に流れる電流を検知する第２検知装置を電気的に接続する第１工程と、
前記第１工程の後に、前記感温部を所定の温度に加熱するとともに、該感温部に所定の電圧を印加して、該感温部に流れる電流を第１検知装置によって検知する第２工程と、
前記第１工程の後に、前記薄膜トランジスタのゲート電極に所定の電圧を印加し、かつ前記チャネル領域に所定の電圧を印加して、該チャネル領域に流れる電流を前記第２検知装置によって検知するとともに、前記感温部に所定の電圧を印加して、前記第１検知装置によって該感温部に流れる電流を検知する第３工程と、
前記第２工程で前記第１検知装置によって検知された結果と、前記第３工程で前記第１検知装置によって検知された結果と、を比較することにより、前記ゲート電極に所定の電圧を印加しかつ前記チャネル領域に所定の電圧を印加した際の前記感温部の温度を算出してこれを前記チャネル領域の温度とするとともに、前記第３工程で前記第２検知装置によって検知された結果に基づいて、前記チャネル領域の温度に対する特性を評価する第４工程と、を有していることを特徴とする特性検査方法。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体装置を備えているとともに、該半導体装置の薄膜トランジスタと同じ構成の薄膜トランジスタをスイッチング素子として備えていることを特徴とする電気光学装置。
【請求項１１】
画素電極と、
前記画素電極と電気的に接続された薄膜トランジスタと、
前記薄膜トランジスタのチャネル領域と絶縁膜を介して重ね合わされるように配置された半導体材料からなる感温部と、
前記感温部と接続され、該感温部の導電率の変化に基づいて前記チャネル領域に供給される電流の値を制御する制御装置と、を備えていることを特徴とする電気光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、電気光学装置、特性検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機ＥＬ装置や液晶装置等の電気光学装置において薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴと称す）は、スイッチング素子等として機能する極めて重要な構成要素である。電気光学装置の特性は、ＴＦＴの特性によって大きく影響されるため、これを向上さるためにはＴＦＴの特性を向上させることが有効である。また、ＴＦＴの特性を向上させようとすれば、動作時のＴＦＴの特性を評価することが不可欠であり、特に能動層の温度上昇に伴うＴＦＴの特性変化（劣化）を知ることが重要である。半導体装置の分野では、エミッション顕微鏡を用いて劣化解析を行っている（例えば特許文献１）。
【０００３】
エミッション顕微鏡は、非常に微弱な光を検知することができる光検知器である。半導体装置にリーク電流を生じた場合には、リーク箇所が微弱な光を発するので、この光をエミッション顕微鏡で検知することにより、リーク箇所が特定できるようになっている。また、検知された光の強度に基づいて、特定部分の温度を計測することもできるようになっている。
【特許文献１】特開平１０−４１２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、エミッション顕微鏡等の光学的手段を用いた劣化解析によっても、動作時における能動層の温度を知ることは困難である。一般に、能動層のチャネル領域と重なり合うゲート電極は遮光性材料からなっており、ゲート電極が形成された側から能動層をエミッション顕微鏡で観察することはできない。また、ゲート電極が形成された側と反対側から能動層を観察しようとしても、ＴＦＴがスイッチング素子等として基板等に実装された状態では、能動層を覆って高屈折率の膜や端的には遮光性の膜が形成されている場合が多く、良好に観察することが難しい。
【０００５】
そこで、前記した高屈折率の膜や遮光性の膜が形成される前に、能動層の温度をエミッション顕微鏡で調べる方法が考えられる。しかしながら、これらの膜が形成されていないことにより、実装時の動作時における能動層の放熱性や伝熱性と異なっており、実際の動作時における能動層の温度を知ることは難しい。また、実装時に半導体装置を覆う部分の伝熱性や放熱性を別に評価しておき、これらの結果から実装時の半導体装置の状態を推定する方法も考えられる。しかしながら、伝熱性や放熱性を精度よく評価することは非常に難しく、これらの結果に基づいて能動層の温度を推定しても、推定精度が低くなってしまうおそれがある。
【０００６】
本発明は、前記事情に鑑み成されたものであって、動作時における能動層の温度を知ることができる半導体装置を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の半導体装置は、薄膜トランジスタの温度特性を評価するための半導体装置であって、チャネル領域を含んだ能動層を有する薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタのチャネル領域に絶縁膜を介して重ね合わされるように配置された半導体材料からなる感温部と、を備えていることを特徴とする。
【０００８】
半導体材料からなる半導体膜は、その温度が上昇するにつれて、キャリア密度が高くなることが知られている。例えば、ｎ型不純物を含有する半導体膜のキャリア密度ｎは、ボルツマン定数ｋ、伝導帯における有効状態密度Ｎｃ、伝導帯下端のエネルギー準位Ｅｃ、フェルミ準位Ｅｆ、ケルビン温度Ｔを用いて、ｎ＝Ｎｃ×ｅｘｐ（−（Ｅｃ-Ｅｆ）／ｋＴ）で表される。また、ｐ型不純物を含有する半導体膜のキャリア密度ｐは、価電子帯Ｅ上端のエネルギー準位Ｅｖ、価電子帯における有効状態密度Ｎｖを用いると、ｐ＝Ｎｖ×ｅｘｐ（（Ｅｆ-Ｅｖ）／ｋＴ）で表される。
【０００９】
本発明によれば、前記薄膜トランジスタのチャネル領域がオンとされここに電流が流れると、チャネル領域を含んだ能動層は自己発熱により温度が上昇する。すると、その熱が絶縁膜を介して感温部に伝わり、感温部の温度を上昇させる。感温部は、半導体材料からなっておりその温度が上昇するとそのキャリア密度が急激に増加するので、導電率が急激に高くなる。したがって、薄膜トランジスタを動作させた状態で、感温部に所定の電圧を印加するとともに、感温部に流れる電流を検知すれば、その電流値の変化に基づいて動作時におけるチャネル領域の温度を知ることができる。
【００１０】
また、薄膜トランジスタの電気特性は、動作時にゲート電極に印加された電圧やチャネル領域に印加された電圧等の制御量、及びチャネル領域に流れた電流の値に基づいて求めることができる。前記制御量は所定の値とすることができ、またチャネル領域に流れた電流はドレイン領域側等から取り出されるので容易にその値を知ることができる。これにより、薄膜トランジスタの電気特性を知ることができ、チャネル領域の温度と薄膜トランジスタとの電気特性とを関係付けることができる。このようにして、薄膜トランジスタの温度特性を評価することが可能となっており、例えば薄膜トランジスタの特性向上を図る上で重要な情報を得ることができる。
【００１１】
また、前記能動層が多結晶シリコンからなる構成とすることもできる。
多結晶シリコンからなる能動層は、チャネルとなる部分やゲート絶縁膜と当接する部分等に欠陥準位を生じないように、欠陥準位を防止する水素を含有して形成されている。能動層の温度がある程度以上になると、この水素が脱離して能動層の特性を劣化させてしまう。
前記能動層が多結晶シリコンからなっていれば、動作時における多結晶シリコンからなる能動層の温度特性を知ることができ、能動層の温度特性と材質（多結晶シリコン）劣化の程度とを関係付けることができる。これにより、例えば半導体装置の長寿命化を図る上で重要な情報を得ることが可能になる。
【００１２】
また、前記能動層が、前記薄膜トランジスタのゲート電極と前記感温部との間に配置されていることが好ましい。
このようにすれば、能動層とゲート電極との間に感温部が配置されていないので、これらの間のゲート絶縁膜を薄くすることができ、チャネル領域を良好にオンオフすることが可能となる。また、感温部と能動層との間にゲート電極が配置されていないので、これらの間の絶縁膜を薄くすることもできる。これにより、チャネル領域の熱が感温部へ良好に伝わるようになる。
【００１３】
また、前記薄膜トランジスタを複数備えているともに、これら薄膜トランジスタのそれぞれに対応させて前記感温部が設けられており、前記複数の薄膜トランジスタのいくつかは、それぞれに対応する感温部との相対位置が、互いに異なっている構成とすることもできる。
このようにすれば、チャネル領域における感温部と重なり合う部分は、複数の薄膜トランジスタにおいて、互いに異なるようになる。例えば、チャネル領域におけるソース領域側やドレイン領域側、あるいはチャネル領域の中央部等の温度を知ることができるようになり、薄膜トランジスタの特性ばらつきが小さいという仮定に基づいて、動作時における能動層の温度分布を知ることができる。特に、一つの薄膜トランジスタに対応させて一つの感温部を設けるようにすれば、一つの薄膜トランジスタに複数の感温部を設ける場合よりも微細なパターニングが不要となるので、高コスト化や位置ずれ等の不都合を回避することができる。
【００１４】
また、前記薄膜トランジスタの一つに対応させて、複数の前記感温部が設けられている構成とすることもできる。
このようにすれば、一つの薄膜トランジスタのチャネル領域における複数箇所の温度を知ることができるようになり、動作時における能動層の温度分布を知ることができる。また、薄膜トランジスタの特性ばらつきに影響されることなく温度分布を知ることができるので、温度分布の計測精度が高められる。
【００１５】
また、前記絶縁膜の膜厚が、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。
絶縁膜の膜厚を５０ｎｍ以上とすれば、能動層と感温部との間の絶縁性を確保することができる。また、５００ｎｍ以下とすれば、チャネル領域の熱が感温部へ良好に伝わるようになる。
【００１６】
また、前記感温部のフェルミ準位が、価電子帯の上端よりも０．１ｅＶ以上高いか、もしくは伝導帯の下端よりも０．１ｅＶ以上低いことが好ましく、この場合には、前記感温部が不純物を含有しており、該不純物の濃度が２×１０１８／ｃｍ３以下となっていればよい。
能動層のフェルミ準位が前記のようになっていれば、３００Ｋ（常温）における能動層のキャリア密度に比べて、３１０Ｋにおける能動層のキャリア密度が１０％程度高くなる。したがって、感温部の導電率が１０％程度高くなり、ここに流れる電流の値が１０％程度大きくなる。電流値が１０％程度変動すれば、この変動を通常の電流計等により検知することできるので、能動層の温度を少なくとも１０Ｋ以下の刻み幅で知ることができる。これにより、能動層の温度の計測精度を確保することができる。
【００１７】
また、感温部をこのようなフェルミ準位にするためには、感温部に含まれる不純物の濃度を調整すればよい。その不純物濃度は、前記したキャリア密度の式から理論的に求めることができ、例えば感温部がｎ型不純物を５．９３×１０１７／ｃｍ３程度の濃度で含有していれば、前記のようなフェルミ準位となる。この値は、不純物が全て活性化されキャリア密度に寄与すると仮定した理論値である。実際には、半導体膜に含まれる不純物の一部のみが活性化されているので、不純物の活性化率を考慮する必要がある。また、通常の半導体膜には欠陥準位があるため、この欠陥準位に捕捉されてキャリア数に寄与しない不純物もあるため、欠陥準位密度を考慮する必要もある。これらを考慮すると、感温部の不純物濃度が２×１０１８／ｃｍ３以下であれば前記のフェルミ準位とすることができる。
【００１８】
本発明の特性検査方法は、チャネル領域を含んだ能動層を有する薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタのチャネル領域に絶縁膜を介して重ね合わされるように配置された半導体材料からなる感温部と、を備えた半導体装置の前記感温部に、該感温部に流れる電流を検知する第１検知装置を電気的に接続するとともに、前記チャネル領域に該チャネル領域に流れる電流を検知する第２検知装置を電気的に接続する第１工程と、前記第１工程の後に、前記感温部を所定の温度に加熱するとともに、該感温部に所定の電圧を印加して、該感温部に流れる電流を第１検知装置によって検知する第２工程と、前記第１工程の後に、前記薄膜トランジスタのゲート電極に所定の電圧を印加し、かつ前記チャネル領域に所定の電圧を印加して、該チャネル領域に流れる電流を前記第２検知装置によって検知するとともに、前記感温部に所定の電圧を印加して、前記第１検知装置によって該感温部に流れる電流を検知する第３工程と、前記第２工程で前記第１検知装置によって検知された結果と、前記第３工程で前記第１検知装置によって検知された結果と、を比較することにより、前記ゲート電極に所定の電圧を印加しかつ前記チャネル領域に所定の電圧を印加した際の前記感温部の温度を算出してこれを前記チャネル領域の温度とするとともに、前記第３工程で前記第２検知装置によって検知された結果に基づいて、前記チャネル領域の温度に対する特性を評価する第４工程と、を有していることを特徴とする。
【００１９】
第２工程では、感温部の温度を制御することができるので、任意の温度において感温部に印加される電圧とここに流れる電流との関係、すなわち導電率を知ることができる。また、第３工程では、薄膜トランジスタの動作時における感温部の導電率を知ることができる。したがって、第３工程を所定の温度条件下（例えば常温）で行えば、第２工程で得られた感温部の温度に対する導電率の関係に基づいて、第３工程で得られた感温部の導電率から、動作時における感温部の温度を知ることができる。動作時において感温部は、チャネル領域の自己発熱により加熱されており、動作前よりも感温部の温度が上昇した分だけ、チャネル領域の温度も上昇したと考えることができる。これにより、動作時におけるチャネル領域を含む能動層の温度を知ることができる。
【００２０】
また、動作時における薄膜トランジスタの電気特性は、ゲート電極に印加する電圧やチャネル領域に印加する電圧等の制御量、及びチャネル領域に流れる電流の値から求めることができる。前記制御量は当然ながら適宜定めることができるし、チャネル領域に流れる電流はドレイン領域等から取り出すことができその値を容易に知ることができるので、動作時における薄膜トランジスタの電気特性を知ることができる。以上のようにして、動作時における能動層との温度に対する薄膜トランジスタの電気特性を検査することが可能となっている。
【００２１】
本発明の電気光学装置は、前記の本発明の半導体装置を備えているとともに、該半導体装置の薄膜トランジスタと同じ構成の薄膜トランジスタをスイッチング素子として備えていることを特徴とする。
このようにすれば、前記電気光学装置に実装された状態で前記半導体装置の薄膜トランジスタの温度特性を検査することができる。前記電気光学装置のスイッチング素子は、前記薄膜トランジスタと同じ構成にしているので、その温度特性は前記薄膜トランジスタとほぼ同じになる。したがって、動作時における前記薄膜トランジスタの温度特性を調べることにより、動作時における前記スイッチング素子の温度特性を知ることができる。このように、電気光学装置の特性向上を図る上で重要な情報を得ることが可能になっている。
【００２２】
本発明の電気光学装置は、画素電極と、前記画素電極と電気的に接続された薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタのチャネル領域と絶縁膜を介して重ね合わされるように配置された半導体材料からなる感温部と、前記感温部と接続され、該感温部の導電率の変化に基づいて前記チャネル領域に供給される電流の値を制御する制御装置と、を備えていることを特徴とする。
このようにすれば、電気光学装置を動作させると、薄膜トランジスタのチャネル領域に電流が流れてここが自己発熱する。その熱は感温部に伝わり、感温部の温度が上昇しその導電率が高くなる。例えば、感温部の導電率が所定の値よりも高くなった場合に、制御装置によりチャネル領域に供給される電流の値を小さくすれば、チャネル領域の過熱が防止される。これにより、薄膜トランジスタの特性安定化が図られ、良好に動作することが可能な電気光学装置となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の一実施形態を説明するが、本発明の技術範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以降の説明では図面を用いて各種の構造を例示するが、構造の特徴的な部分を分かりやすく示すために、図面中の構造はその寸法や縮尺を実際の構造に対して異ならせて示す場合がある。なお、本実施形態は、トップゲートトップコンタクト型の半導体装置に本発明を適用した例である。
【００２４】
［半導体装置］
図１（ａ）は、本実施形態の半導体装置１００の構成を概略して示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ―Ａ’線矢視断面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＢ―Ｂ’線矢視断面図である。また、図２は、半導体装置１００の等価回路図である。
図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、半導体装置１００は、ガラス等からなる基板１０と、基板１０を覆う下地保護層１１と、下地保護層１１上に設けられた感温部１２と、感温部１２を覆う絶縁膜１３と、絶縁膜１３上に設けられた能動層１４と、能動層１４を覆うゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に設けられたゲート電極１６と、ゲート電極１６を覆う層間絶縁膜１７と、を備えて構成されている。なお、能動層１４とゲート絶縁膜１５とゲート電極１６とが薄膜トランジスタを構成している。
【００２５】
図１（ａ）に示すように、ゲート電極１６は能動層１４と重ね合わされるように配置されており、重ね合わされる部分における能動層１４がチャネル領域１４２となっている。また、感温部１２は、チャネル領域１４２と重ね合わされるように配置されており、ここでは図１（ｃ）に示すように、ドレイン領域１４３（後述する）の一部、及びチャネル領域１４２におけるドレイン領域１４３側の一部に重ね合わされるように配置されている。
【００２６】
本実施形態では、能動層１４と感温部１２とが、互いに略直交して延びている。能動層１４の延在方向における一方の端側はソース領域１４１となっており、他方の端側はドレイン領域１４３となっている。また、ソース領域１４１上のゲート絶縁膜１５及び層間絶縁膜１７は開口されており、この開口内側には、ソース領域１４１と接触して導通するソース電極１４４が設けられている。ドレイン領域１４３上のゲート絶縁膜１５及び層間絶縁膜１７も同様に開口されており、ここにドレイン領域１４３と接触して導通するドレイン電極１４５が設けられている。
【００２７】
また、感温部１２の延在方向における一方の端側には、ここに接触して感温部１２と導通する第１電極１２１が設けられており、他方の端側には、ここに接触して感温部１２と接触する第２電極１２２が設けられている。図２に示すように、第１電極１２１及び第２電極１２２は、配線と電気的に接続されており、この配線には半導体装置の外部に設けられた第１検知装置５００が電気的に接続されている。第１検知装置５００は、感温部１２に流れる電流を検知するものであり、感温部１２に流れる電流の値を計測する電流計５１０と、感温部１２に電圧を印加する電源５２０とを備えて構成されている。電流計５１０としては、電流値に１０％程度の変動があればこれを計測することが可能なものを採用している。
なお、第１電極１２１及び第２電極１２２も配線の一部とすることができるので、例えば層間絶縁膜１７上に引き出された第１電極１２１や第２電極１２２を端子として、これに電流計のプローブを接触させて感温部１２に流れる電流の値を計測してもよい。
【００２８】
このような構成により、ゲート電極１６に電圧が印加されるとチャネル領域１４２がオンとなりここに電流を流すことが可能となる。チャネル領域１４２に電流が流れるとチャネル領域１４２の温度が上昇し、その熱は絶縁膜１３を介して感温部１２に伝わり、絶縁膜１３を加熱するようになっている。
【００２９】
絶縁膜１３は、能動層１４と感温部１２との間を絶縁とするとともに、これを介して能動層１４から感温部１２へ熱を伝えるものである。絶縁膜の膜厚は、絶縁性を確保するためには５０ｎｍ以上となっていることが好ましく、良好に熱を伝えるためには５００ｎｍ以下となっていることが好ましい。本実施形態では、絶縁膜１３の厚さを１００ｎｍ程度としている。
層間絶縁膜１７や、ゲート絶縁膜１５、絶縁膜１３、下地保護層１１は、シリコン酸化物（ＳｉＯｘ）やシリコン窒化物（ＳｉＮ）、シリコン窒化酸化物（ＳｉＯＮ）等をＣＶＤ法やスパッタリング法等で成膜した膜、あるいは絶縁性のセラミックス薄膜等からなるものである。
【００３０】
本実施形態の能動層１４は、多結晶シリコンからなるものであり、チャネルとなる部分やゲート絶縁膜と当接する部分等に欠陥準位を生じないように、欠陥準位を防止する水素を含有して形成されている。水素を含有した多結晶シリコンからなる半導体膜は、その温度がある程度以上（例えば５００Ｋ）以上になると水素の脱離を生じるようになり、特に６５０Ｋ以上になると水素の脱離が顕著となる。水素が脱離すると能動層の材質が劣化するので、動作時における能動層、特にそのチャネル領域の温度を知ることが重要である。
能動層１４は、ソース電極１４４側及びドレイン電極１４５側に高濃度に不純物が注入されており、それぞれソース領域１４１、ドレイン領域１４３となっている。また、ソース領域１４１及びドレイン領域１４３の間がチャネル領域１４２となっている。チャネル領域１４２をスイッチング素子のチャネルとして機能させるためには、能動層１４の厚さが２０〜１００ｎｍ程度となっていることが好ましく、ここでは５０ｎｍ程度としている。
【００３１】
感温部１２は、半導体材料からなるものである。半導体材料の具体例としては、シリコンやゲルマニウム等の元素半導体や、ガリウム砒素等の化合物半導体等が挙げられる。また、シリコンからなるものとする場合には、単結晶シリコン、非晶質シリコン、多結晶シリコンのいずれを採用してもよい。また、感温部１２は、不純物が所定の濃度で含まれるように形成されている。不純物の種類としては、リン、ボロンや砒素等、半導体材料に導電性を付与するものであれば、公知のものを用いることができる。不純物の濃度は、後述する理由により、２×１０１８／ｃｍ３以下とすることが好ましく、５×１０１７/ｃｍ３以下とすることがより好ましい。本実施形態の感温部１２は、不純物としてリンを含有しており、その濃度が１×１０１７／ｃｍ３となるように形成されている。
【００３２】
感温部１２は、常温（例えば３００Ｋ）におけるキャリア密度に対して、所定の温度におけるキャリア密度が所定の倍率で大きくなるように、前記不純物濃度によりフェルミ準位が調整されている。以下、フェルミ準位を調整する方法について説明する。
前記所定の温度は、能動層１４の温度を計測する際の計測の細かさに基づいて定められる量である。例えば、能動層１４の温度を１０Ｋ以下の刻み幅で計測するためには、所定の温度を３００Ｋに１０Ｋを加えた３１０Ｋ以下とすればよい。また、５Ｋ以下の刻み幅で計測するためには、所定の温度を３０５Ｋ以下とすればよい。なお、前記刻み幅としては、計測精度を確保するために１０Ｋ以下とすることが好ましく、５Ｋ以下とすることがより好ましい。
【００３３】
前記所定の倍率は、検知装置の電流計で計測可能な電流値の変動量に基づいて定められる量である。電流値が１０％程度変動した際にこれを計測可能であれば、計測誤差に対して有意な値が得られるので、ここでは１０％程度の変動を計測可能な電流計５１０を用いており、この場合には前記所定の倍率を１．１とすればよい。例えば、５％程度の変動を計測可能な電流計を用いる場合には、前記所定の倍率を１．０５とすればよい。
【００３４】
図３は、伝導帯下端のエネルギー準位Ｅｃとフェルミ準位Ｅｆとの差（Ｅｃ−Ｅｆ）に対して、常温（３００Ｋ）におけるキャリア密度に対する所定の温度におけるキャリア密度の比（倍率）をプロットしたグラフである。符号Ａは、所定の温度として３１０Ｋを選択したものであり、符号Ｂは、所定の温度として３０５Ｋを選択したものである。なお、ｎ型不純物を含有する半導体膜のキャリア密度ｎは、ボルツマン定数ｋ、伝導帯における有効状態密度Ｎｃ、ケルビン温度Ｔ等を用いて、ｎ＝Ｎｃ×ｅｘｐ（−（Ｅｃ-Ｅｆ）／ｋＴ）で表されることが知られており、図３に示したグラフは、この式から理論的に求められる値に基づいている。
【００３５】
図３において縦軸はキャリア密度の比を示しており、この比が大きいほど、感温部の温度上昇に伴うキャリア密度の増加が顕著になる。横軸は、伝導帯下端のエネルギー準位Ｅｃとフェルミ準位Ｅｆとの差を示しており、感温部に含まれる不純物の濃度が低くなるほど、大きくなる。
【００３６】
例えば、能動層の温度を計測する刻み幅として１０Ｋを選択し、かつ１０％程度の変動を計測可能な電流計を採用した場合には、符号Ａで示した３１０Ｋに対応する線において、縦軸の値が１．１以上となっていればよく、これに対応させて横軸の値を読み取れば、（Ｅｃ-Ｅｆ）として０．１ｅＶ以上であれば十分であることが分かる。この値を用いて前記の式からキャリア密度ｎを求めることにより、キャリア密度ｎに基づいて不純物濃度を定めることができる。これにより、（Ｅｃ−Ｅｆ）の値を０．１ｅＶ以上とするためには、活性化された不純物の濃度が５．９３×１０１７／ｃｍ３以下であればよいことが分かる。実際には、感温部に含まれる不純物は、ほとんどが不活性であり、また感温部の欠陥準位に捕捉されることによりキャリア密度に寄与しないものもある。そのため、不純物の活性化率及び感温部の欠陥準位密度を加味することにより、感温部に含まれるべき不純物の濃度を求めることができる。これにより、活性化された不純物の濃度が５．９３×１０１７／ｃｍ３以下とするためには、不活性なものを含む不純物の濃度を２×１０１８／ｃｍ３以下とすればよいことが分かる。
【００３７】
前記の例よりも能動層の温度に対する感度を向上させて、温度計測の刻み幅を５Ｋ程度とするためには、符号Ｂで示した３０５Ｋに対応する線において、縦軸の値が１．１以上となる横軸の値を読み取れば、（Ｅｃ-Ｅｆ）が０．１５ｅＶ以上であればよいことが分かる。この値を用いて前記の例と同様に計算すると、活性化された不純物の濃度が８．５４×１０１６／ｃｍ３以下であればよいことが分かり、不活性なものを含む不純物の濃度を５×１０１７／ｃｍ３以下とすればよい。
なお、感温部がｐ型不純物を含有している場合には、キャリア密度ｐが、価電子帯Ｎｖ、価電子帯における有効状態密度Ｎｖを用いて、ｐ＝Ｎｖ×ｅｘｐ（（Ｅｖ-Ｅｆ）／ｋＴ）で表され、この式を用いてｎ型半不純物を含有している場合と同様にして不純物濃度を求めることができる。
【００３８】
本発明においては、計測精度を確保するために感温部が１０Ｋ以下の刻み幅で温度を感じることが好ましく、５Ｋ以下の刻み幅で感じることがより好ましい。すなわち、感温部のフェルミ準位が、価電子帯の上端よりも０．１ｅＶ以上高いか、もしくは伝導帯の下端よりも０．１ｅＶ以上低いことが好ましく、価電子帯の上端よりも０．１５ｅＶ以上高いか、もしくは伝導帯の下端よりも０．１５ｅＶ以上低いことがより好ましい。このようにするためには、感温部に含まれる不純物の濃度が、２×１０１８／ｃｍ３以下であることが好ましく、５×１０１７／ｃｍ３以下であることがより好ましい。
【００３９】
［特性検査方法］
次に、前記実施形態の半導体装置１００に基づいて、本発明の特性検査方法の一実施形態を説明する。
【００４０】
まず、図２に示したように、半導体装置１００の感温部１２に、感温部１２に流れる電流を検知する第１検知装置５００を電気的に接続する（第１工程）。第１検知装置５００は、感温部１２に流れる電流の値を計測する電流計５１０と、感温部１２に電圧を印加する電源５２０とを備えて構成されている。また、図示しないが、半導体装置１００のゲート電極１６に所定の電圧を印加可能としておくとともに、能動層１４に流れる電流を計測可能としておく。例えば、電気光学装置等に用いられる走査線駆動回路をゲート電極１６に電気的に接続するとともに、データ線駆動回路をソース電極１４４に電気的に接続し、かつドレイン電極１４５とデータ線駆動回路との間に、能動層１４に流れる電流を検知する第２検知装置を電気的に接続する。第２検知装置は、電流計を備えて構成されたものである。
【００４１】
そして、例えば半導体装置１００の外部に設けられたヒーター等の加熱手段により、半導体装置１００を所定の温度に加熱する。これにより、能動層１４が所定の温度に加熱される。そして、電源５２０により感温部１２に所定の電圧を印加して、電流計５１０により感温部１２に流れる電流の値を計測する。前記所定の温度を変化させながら、感温部１２に流れる電流の値を計測する（第２工程）。これにより、感温部１２の温度特性、すなわち温度に対する導電率の関係を求めることができる。
【００４２】
そして、半導体装置１００を例えば３００Ｋ（常温）とした後、半導体装置１００を加熱しないで動作させる。すなわち、前記走査線駆動回路によりゲート電極１６に所定の電圧を印加するとともに、前記データ線駆動回路によりソース領域１４１及びドレイン領域１４２間に所定の電圧を印加する。そして、感温部１２に所定の電圧を印加して、感温部１２に流れる電流の値を計測し、かつ前記第２検知装置により能動層１４のチャネル領域１４２に流れる電流の値も計測する（第３工程）。例えば、第１検知装置５００及び第２検知装置に同時にトリガーをかけて計測を開始して、計測された電流値をＰＣ等の記憶装置や波形計測装置等に時系列データとして記録しておく。このように、所定の時刻における感温部１２の電流値とチャネル領域１４２の電流値とを対応させることができるように、これら電流値を同期計測する。
【００４３】
そして、第３工程で得られた電流値の時系列データを解析して、能動層１４の温度を算出する（第４工程）。第１検知装置５００により計測された電流値を用いれば、感温部１２の導電率の時間変化を求めることができる。導電率の時間変化と、第２工程で得られた感温部１２の温度特性とを比較することにより、感温部１２の温度の時間変化を求めることができる。感温部１２と能動層１４とは、同程度の温度変化であると考えられるので、能動層１４の温度の時間変化を求めることができる。
【００４４】
また、第２検知装置により計測された能動層１４に流れた電流の値を用いれば、能動層１４の電気特性の時間変化を求めることができる。前記したように感温部１２の電流値と能動層１４の電流値とを同期計測しているので、能動層１４の電気特性と温度とを時間的に対応させることができる。このようにして、能動層１４の温度上昇による電気特性の変化を検査することができる。通常、薄膜トランジスタは、チャネル領域におけるドレイン領域側がソース領域側よりも自己発熱が顕著である。したがって、前記実施形態の半導体装置１００のように、感温部１２が、チャネル領域１４２におけるドレイン領域１２３側の一部及びドレイン領域１４３に重ね合わされるように配置されていれば、チャネル領域１４２において温度上昇が顕著な部分の温度を知ることができる。
【００４５】
本発明の半導体装置にあっては、チャネル領域１４２の温度が上昇すると、その熱が絶縁膜１３を介して感温部１２を加熱するようになっており、感温部１２に流れる電流を検知することによりチャネル領域１４２を含んだ能動層１４の温度を知ることができる。半導体装置１００が基板等に形成された状態、あるいはこの基板が電気光学装置等のデバイスに組み込まれた状態であっても、本発明によれば能動層１４の温度を知ることができる。したがって、半導体装置を実際に動作させる動作条件下で能動層１４の温度を知ることができるとともに、この温度と能動層１４の電気特性を対応させることもできる。よって、半導体装置の電気特性等を向上させる上で重要な情報を得ることが可能となっている。
【００４６】
［変形例］
なお、前記実施形態は本発明の実施形態の一例であり、本発明の趣旨を損なわない範囲で種々の変形が可能である。例えば、前記実施形態では、トップゲートトップコンタククト型の半導体装置１００を例示したが、ボトムゲートトップコンタクト型、トップゲートボトムコンタクト型、ボトムゲートボトムコンタクト型のいずれの半導体装置にも本発明は適用可能である。また、感温部１２の構造や配置等に関する変形を行うことも可能である。以下、感温部１２の構造や配置を変形した例を説明する。
【００４７】
図４（ａ）〜（ｃ）は、能動層の数や、薄膜トランジスタに対する能動層の相対位置を変化させた変形例を示す平面図である。
図４（ａ）に示す変形例１は、感温部１２と能動層１４とが重ね合わされる部分が、前記実施形態よりもソース領域１４１側（図１参照）に配置されている例である。このようにすれば、チャネル領域１４２におけるソース領域１４１側の温度を良好に検知することが可能となる。
図４（ｂ）に示す変形例２は、感温部１２と能動層１４とが重ね合わされる部分が、チャネル領域１４２の中央部に配置されている例である。このようにすれば、チャネル領域１４２の中央部の温度を良好に検知することが可能となる。このように、感温部１２と能動層１４とが重ね合わされる部分を異ならせることにより、チャネル領域１４２における所望の部分の温度を知ることができるようになる。また、前記実施形態で示した構成や、変形例１に示した構成、変形例２で示した構成を２以上含んだ構成としてもよい。例えば、３つの薄膜トランジスタと、それぞれの薄膜トランジスタに設けられた感温部とを備えた半導体装置を構成し、薄膜トランジスタとこれに対応する感温部との相対位置が、３つの薄膜トランジスタで互いに異なっていてもよい。このようにすれば、薄膜トランジスタの特性ばらつきが小さいという仮定に基づいて、チャネル領域の３箇所の温度を知ることができ、チャネル領域の温度分布を知ることもできる。
【００４８】
図４（ｃ）に示す変形例３は、一つの薄膜トランジスタに２つの感温部１２Ａ、１２Ｂが設けられている例である。感温部１２Ａは、前記実施形態と同様に、チャネル領域１４２におけるドレイン領域１４３側に重ねあわされるように配置されており、感温部１２Ｂは、前記変形例１と同様に、チャネル領域１４２におけるソース領域１４１側に重ねあわされるように配置されている。このようにすれば、一つの薄膜トランジスタのチャネル領域１４２におけるソース領域１４１側及びドレイン領域１４３側の温度を一括して計測することができ、チャネル領域１４２の温度分布を精度よく計測することができる。なお、１つの薄膜トランジスタに３以上の感温部を設けるようにしてもよい。
【００４９】
図５（ａ）、（ｂ）は、第４変形例の半導体装置２００の構成を示す要部断面図であり、  図５（ａ）には図１（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図に対応する部分を、図５（ｂ）には図１（ａ）のＢ−Ｂ’線矢視断面図に対応する部分を、それぞれ図示している。半導体装置２００が前記実施形態と異なる点は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、感温層１２が低濃度不純物領域１２４と高濃度不純物領域１２３、１２５とからなっている点である。低濃度不純物領域１２４は、チャネル領域１４２と重ね合わされるように配置されており、前記実施形態の能動層１４と同様に所定のフェルミ準位となるように不純物濃度が調整されている。また、高濃度不純物領域１２３、１２５は、低濃度不純物領域１２４を挟んで配置されている。高濃度不純物領域１２３、１２５は、不純物を高濃度に含有して形成されて導電率を高められており、それぞれ第１電極１２１、あるいは第２電極１２２に接触してこれと導通するようになっている。このような構成によれば、第１電極１２１や第２電極１２２等の金属配線と感温部１２とのオーミック接続が容易に得られるようになる。なお、低濃度不純物領域１２４のみで感温部１２を構成して、高濃度不純物領域１２３、１２５に替えて金属配線を設けてもよい、この場合には金属配線が第１電極１２１あるいは第２電極１２２の一部として機能する。
【００５０】
［製造例］
次に、半導体装置１００を製造する方法の一例を説明する。
図６（ａ）〜（ｅ）は、半導体装置１００の製造方法を示す断面工程図である。なお、図６（ａ）〜（ｅ）は、図１（ｂ）に示したＡ−Ａ’線矢視断面図に対応する部分、及び図１（ｃ）に示したＢ−Ｂ’線矢視断面図に対応する部分を対にして一つの図に示している。
【００５１】
まず、図６（ａ）に示すように、ガラス基板１０上に、下地保護層１１、感温部１２、第２絶縁膜１３を順次形成する。
具体的には、ガラス基板１０上の略全面にＳｉＯ２をＰＥＣＶＤ法で成膜して下地保護層１１を形成する。そして、下地保護層１１上にホスフィン(ＰＨ３)とシラン(ＳｉＨ４)と水素(Ｈ２)とからなる混合ガスを原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法を用いて、不純物（リン）を含有した非晶質シリコンを５００ｎｍ程度の厚さに成膜する。前記混合ガスの混合比は、不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３となるように定める。そして、不純物を含有した非晶質シリコンをフォトリソグラフィ法及びドライエッチング法等を用いてパターニングし、感温部１２を形成する。なお、感温部１２は、その材料膜を形成した後、これに不純物を添加することにより形成してもよい。例えば、真性のＳｉ膜を堆積した後、この膜にイオン注入法によって不純物を導入してもよい。そして、下地保護層１１及び感温部１２を覆って、ＳｉＯ２をＣＶＤ法で５０〜５００ｎｍ程度の厚さに成膜し絶縁膜１３を形成する。
【００５２】
次に、図６（ｂ）に示すように、絶縁膜１３上に、ＰＥＣＶＤ法で非晶質シリコンを２０〜１００ｎｍ程度の厚さに成膜する。そして、この膜にエキシマレーザーを照射すること等により、この膜を結晶化させて多結晶シリコン膜１４ａを形成する。多結晶シリコン膜１４ａは、後に能動層１４となる膜である。そして、図６（ｃ）に示すように、多結晶シリコン膜１４ａをフォトリソグラフィ法及びエッチング法等を用いてパターニングして素子分離を行った後、多結晶シリコン膜１４ａ及び絶縁膜１３上の略全面にＳｉＯ２をＰＥＣＶＤ法で成膜してゲート絶縁膜１５を形成する。
【００５３】
次に、図６（ｄ）に示すように、ゲート絶縁膜１５上にアルミニウム（Ａｌ）をスパッタリング法で成膜し、この膜をフォトリソグラフィ法及びエッチング法等を用いてパターニングして、ゲート絶縁膜１５上において多結晶シリコン膜１４ａを覆うゲート電極１７及びゲート電極の配線を一体に形成する。そして、ゲート電極１６をマスクにして、多結晶シリコン膜１４ａに不純物をイオン注入法で高濃度に導入して、ソース領域１４１およびドレイン領域１４３を形成する。なお、不純物を導入する際にゲート電極１６をマスクとしているので、これに覆われていた部分には不純物が導入されずにチャネル領域１４２となる。
【００５４】
次に、図６（ｅ）に示すように、ゲート絶縁膜１５上及びゲート電極１６上の略全面に、ＳｉＯ２をＰＥＣＶＤ法で成膜し、層間絶縁膜１７を形成する。ソース領域１４１、ドレイン領域１４２、及び感温部１２の延在方向における両端側のそれぞれ上において、ゲート絶縁膜１５及び層間絶縁膜１７を貫通するコンタクトホールを形成する。そして、これらコンタクトホールの内側、及び層間絶縁膜１７上にアルミニウムをスパッタリング法で成膜し、この膜をパターニングすることによりソース電極１４４、ドレイン電極１４５、第１電極１２１、及び第２電極１２２を一括して形成する。
以上のようにして半導体装置１００が得られる。
【００５５】
［電気光学装置］
次に、本発明の電気光学装置の実施形態を説明する。一般に、電気光学装置は、一対の電極間に挟持された電気光学物質層を有する発光素子を多数備えている。以下の実施形態は、有機ＥＬ材料からなる有機発光層を含んだ有機機能層を前記電気光学物質層として電気光学装置を構成した例である。
【００５６】
［第１実施形態］
図７は、第１実施形態に係る電気光学装置（有機ＥＬ装置）１を模式的に示す概略構成図である。電気光学装置１は、ガラスや石英、プラスチック等からなる基板本体２を基体としてなり、基体２上に、陽極（画素電極）３、正孔注入層４、有機発光層５及び陰極８を備えている。正孔注入層４及び有機発光層５は有機材料によって形成されており、これらは有機機能層７を構成している。また、有機機能層７は陽極３と陰極８との間に挟持されており、陽極３、有機機能層７及び陰極８は、発光素子である有機ＥＬ素子９を構成している。
【００５７】
陽極３及び陰極８の間には、有機ＥＬ素子９を駆動するデータ線駆動回路６００と、本発明に係る半導体装置１００の薄膜トランジスタと、が直列に電気的に接続されている。データ線駆動回路６００は、半導体装置１００のソース電極１４４と電気的に接続されている。半導体装置１００のドレイン電極１４５は、有機ＥＬ素子の陽極３と電気的に接続されており、半導体装置１００のゲート電極１６は、走査線駆動回路７００に電気的に接続されている。半導体装置１００の感温部１２は、電流計５１０及び電源５２０を有する第１検知装置５００と電気的に接続されている。電流計５１０は、制御装置８００と電気的に接続されており、制御装置８００は、データ線駆動回路６００及び走査線駆動回路７００と電気的に接続されている。
【００５８】
半導体装置１００は、走査線駆動回路７００からの電気信号等によりゲート電極１６に電圧が印加されるとチャネル領域１４２がオンとなり、ソース電極１４４とドレイン電極１４５との間に電流が流れることが可能となる。すなわち、半導体装置１００は、有機ＥＬ素子のスイッチング素子として機能する。データ線駆動回路６００からの電気信号は、半導体装置１００によりスイッチングされて、所定のタイミングで陽極３に伝達される。陽極３に電気信号が伝達されると、有機発光層５には、陽極３から正孔が、陰極８から電子がそれぞれ注入されるようになっている。有機発光層５に注入された正孔及び電子は、有機発光層５中を移動して再結合し、発光を生じる。有機ＥＬ素子９から発せられた光は、ガラス基板等からなる基体２から射出され、外部に取り出される（ボトムエミッション方式）。陰極８がＩＴＯ等の透明導電膜によって形成される場合には、有機ＥＬ素子９から発せられた光を陰極８側から取り出すこともできる（トップエミッション方式）。
【００５９】
半導体装置１００がスイッチング素子として動作すると、チャネル領域１４２は自己発熱によりその温度が上昇し、その熱により感温部１２が加熱されるようになっている。感温部１２には、電源５２０により所定の電圧が印加可能となっており、電圧が印加された際に感温部１２に流れる電流の値は、電流計５１０により検知することができるようになっている。その検知結果は、制御装置８００に送られるようになっており、制御装置８００は受け取った検知結果に基づいて、走査線駆動回路７００やデータ線駆動回路６００に制御信号を送るようになっている。制御信号を受け取った走査線駆動回路７００やデータ線駆動回路６００は、ソース電極１４４、あるいはゲート電極１６に送る電気信号を調整して、チャネル領域１４２に流れる電流の値を調整するようになっている。
【００６０】
本実施形態の電気光学装置１にあっては、チャネル領域１４２の温度に応じて、ここに流れる電流を制御装置８００により調整することができるので、例えばチャネル領域１４２が所定の温度以上になった場合に、ここに流れる電流を小さくすることができる。これにより、チャネル領域１４２の過熱が防止され、チャネル領域１４２の特性安定化が図られる。したがって、半導体装置１００をスイッチング素子として良好に機能させることができ、有機ＥＬ素子９を正常に機能させることができる。よって、所望の発光を得ることができる良好な電気光学装置となっている。
［第２実施形態］
本実施形態の電気光学装置（有機ＥＬ装置）は、前記第１実施形態の電気光学装置１と同様の有機ＥＬ素子９（図７参照）を備えている。有機ＥＬ素子９は、スイッチング素子として機能する薄膜トランジスタと電気的に接続されている。また、この薄膜トランジスタと同じ構成の薄膜トランジスタを有する半導体装置を備えている。この半導体装置は、図１及び図２に示した半導体装置１００と同じ構成となっており、能動層１４の温度特性を知ることができるようになっている。
【００６１】
本実施形態の電気光学装置にあっては、電気光学装置に実装された状態で半導体装置の薄膜トランジスタの温度特性を検査することができる。有機ＥＬ素子９のスイッチング素子は、前記薄膜トランジスタと同じ構成にしているので、その温度特性は前記薄膜トランジスタの温度特性とほぼ同じとなる。したがって、前記薄膜トランジスタの温度特性を検査することにより、動作時における電気光学装置のスイッチング素子の温度特性を検査することができ、電気光学装置の特性向上を図る上で重要な情報を得ることが可能になっている。
【００６２】
なお、電気光学装置は、電気光学物質層を有機機能層で構成する他にも、例えば液晶層で構成してもよく、液晶層を備えた液晶装置にあっても同様に本発明の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】（ａ）は、本発明の半導体装置を示す平面図、（ｂ）、（ｃ）は断面図である。
【図２】本発明の半導体装置の等価回路図である。
【図３】キャリア密度の増加率を示すグラフである。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、いくつかの変形例の構成を示す平面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、第４変形例の構成を示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｅ）は、製造例を示す断面工程図である。
【図７】本発明の電気光学装置の要部を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００６４】
１・・・有機ＥＬ装置（電気光学装置）、１２、１２Ａ、１２Ｂ・・・感温部、１３・・・絶縁膜、１４・・・能動層、１４１・・・ソース領域、１４２・・・チャネル領域、１４３・・・ドレイン領域、１５・・・ゲート絶縁膜、１６・・・ゲート電極、１００、２００・・・半導体装置、５００・・・第１検知装置、６００・・・データ線駆動回路、７００・・・走査線駆動回路、８００・・・制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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