JP2017224676A - 半導体装置及び表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 製造コストの高騰を抑制することのできる半導体装置及び表示装置を提供する。又は、信頼性に優れた半導体装置及び表示装置を提供する。
【解決手段】 半導体装置は、第1絶縁膜11と、多結晶シリコンで形成された第1半導体層SC1と、酸化物半導体で形成された第2半導体層SC2と、第2絶縁膜12と、第1ゲート電極GE1と、第2ゲート電極GE2と、シリコン窒化物で形成された第3絶縁膜13と、保護層20と、を備える。保護層20は、第2絶縁膜12と第3絶縁膜13との間に位置し第2半導体層SC2と対向しアルミニウム酸化物又はフッ化シリコン窒化物で形成されている。
【選択図】図2

Description

本発明の実施形態は、半導体装置及び表示装置に関する。
半導体装置として、例えば画像を表示する表示装置が知られている。アクティブマトリクス方式の表示装置において、画素のスイッチング素子に薄膜トランジスタ(Thin-film Transistor:TFT)が用いられている。また、アクティブエリア(表示領域)の外側の額縁領域(非表示領域)に形成されるドライバのスイッチング素子にも薄膜トランジスタが用いられている。薄膜トランジスタの半導体層に利用する材料としては、多結晶シリコン、酸化物半導体などが挙げられる。
特開2015−144265号公報
本実施形態は、製造コストの高騰を抑制することのできる半導体装置及び表示装置を提供する。又は、信頼性に優れた半導体装置及び表示装置を提供する。
一実施形態に係る半導体装置は、
第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜の上に位置し多結晶シリコンで形成された第1半導体層と、
前記第1絶縁膜の上に位置し酸化物半導体で形成された第2半導体層と、
前記第1絶縁膜、前記第1半導体層、及び前記第2半導体層の上に形成された第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜の上方に位置し前記第1半導体層と対向した第1ゲート電極と、
前記第2絶縁膜の上方に位置し前記第2半導体層と対向した第2ゲート電極と、
前記第2絶縁膜、前記第1ゲート電極、及び前記第2ゲート電極の上方に位置しシリコン窒化物で形成された第3絶縁膜と、
前記第2絶縁膜と前記第3絶縁膜との間に位置し前記第2半導体層と対向しアルミニウム酸化物又はフッ化シリコン窒化物で形成された保護層と、を備える。
また、一実施形態に係る表示装置は、
第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜の上に位置し多結晶シリコンで形成された第1半導体層と、
前記第1絶縁膜の上に位置し酸化物半導体で形成された第2半導体層と、
前記第1絶縁膜、前記第1半導体層、及び前記第2半導体層の上に形成された第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜の上方に位置し前記第1半導体層と対向した第1ゲート電極と、
前記第2絶縁膜の上方に位置し前記第2半導体層と対向した第2ゲート電極と、
前記第2絶縁膜、前記第1ゲート電極、及び前記第2ゲート電極の上方に位置しシリコン窒化物で形成された第3絶縁膜と、
前記第2絶縁膜と前記第3絶縁膜との間に位置し前記第2半導体層と対向しアルミニウム酸化物又はフッ化シリコン窒化物で形成された保護層と、を備える。
図1は、第1の実施形態に係る表示装置の構成及び等価回路を示す図である。 図2は、上記表示装置の一部を示す断面図であり、薄膜トランジスタを示す図である。 図3は、上記図2の第2薄膜トランジスタの一部を示す平面図であり、第2半導体層及び保護層を示す図である。 図4は、第2の実施形態に係る表示装置の一部を示す断面図であり、薄膜トランジスタを示す図である。 図5は、上記図4の第2薄膜トランジスタの一部を示す平面図であり、第2半導体層及び保護層を示す図である。
以下に、本発明の各実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。
まず、第1の実施形態に係る表示装置について詳細に説明する。図1は、第1の実施形態に係る表示装置の構成及び等価回路を示す図である。ここでは、薄膜トランジスタを有する表示装置としては、有機EL(electroluminescent)表示装置、液晶表示装置などを挙げることができる。
図1に示すように、表示装置1は、画像を表示する表示領域(アクティブエリア)AAと、表示領域の外側の非表示領域(額縁領域)と、を備えている。表示装置1は、表示パネルPNLを備えている。表示パネルPNLは、アレイ基板ARなどを備えている。表示領域AAにおいて、アレイ基板ARは、n本の走査線G(G1〜Gn)、m本の信号線S(S1〜Sm)、及びm×n個のマトリクス状の画素PXを備えている。各画素PXは、隣合う2本の走査線Gと隣合う2本の信号線Sとによって区画されている。
走査線Gは、第1方向Xに略平行に延出している。なお、走査線Gは、必ずしも直線的に延出していなくてもよい。信号線Sは、第2方向Yに略平行に延出している。信号線Sは、走査線Gと交差し、例えば走査線Gと略直交している。なお、信号線Sは、必ずしも直線的に延出していなくてもよい。なお、走査線G及び信号線Sは、それらの一部が屈曲していてもよい。走査線G及び信号線Sは、例えば、モリブデン、クロム、タングステン、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、タンタル、銀あるいはこれらの合金によって形成されているが、特に限定されるものではなく、その他の金属や合金、またはこれらの積層体で形成されていてもよい。
各走査線Gは、表示領域AAの外部まで延出し、走査線駆動回路GDに接続されている。各信号線Sは、表示領域AAの外部まで延出し、信号線駆動回路SDに接続されている。
各画素PXは、薄膜トランジスタTR、画素電極PEなどを備えている。画素電極PEは、薄膜トランジスタTRを介して信号線Sと電気的に接続されている。なお、各画素PXは、2個以上の薄膜トランジスタTRを備えていてもよい。また、各画素PXは、走査線G及び信号線S以外の配線を介して信号が与えられてもよい。
画素PXの薄膜トランジスタTRは、走査線駆動回路GDから走査線Gを経由して与えられる制御信号により、導通状態(オン)又は非導通状態(オフ)に切替えられる。信号線駆動回路SDから出力される映像信号は、信号線S及び画素の導通状態の薄膜トランジスタTRを経由して対応する画素電極PEに与えられる。
走査線駆動回路GD及び信号線駆動回路SDは、非表示領域に形成されている。走査線駆動回路GD及び信号線駆動回路SDは、それぞれスイッチング素子として機能する複数の薄膜トランジスタTRを備えている。
図2は、本実施形態に係る表示装置1のアレイ基板ARの一部を示す断面図であり、薄膜トランジスタTRを示す図である。なお、ここでは、アレイ基板ARのうち、説明に必要な主要部のみを図示している。図1に示した薄膜トランジスタTRは、それぞれ、図2に示す第1薄膜トランジスタTR1及び第2薄膜トランジスタTR2の何れか一方で形成されている。
図2に示すように、第1薄膜トランジスタTR1及び第2薄膜トランジスタTR2は、それぞれ、アレイ基板ARの絶縁基板10の主面の上方に形成され、スイッチング素子として機能する。第1薄膜トランジスタTR1は、第1半導体層SC1、第2絶縁膜12、第1ゲート電極GE1、第1電極E1、及び第2電極E2を備えている。第2薄膜トランジスタTR2は、第2半導体層SC2、第2絶縁膜12、第2ゲート電極GE2、第3電極E3、及び第4電極E4を備えている。
第1絶縁基板10は、ガラス、樹脂などの材料で形成されている。第1絶縁基板10の上方に、第1絶縁膜11が形成されている。ここで、第1絶縁基板10の主面は、互いに直交する第1方向Xと第2方向Yとで規定されるX−Y平面と平行な面である。本実施形態において、第1絶縁膜11は、第1絶縁基板10の上に形成されているが、これに限定されるものではない。例えば、第1絶縁基板10と第1絶縁膜11との間に他の絶縁膜が形成されていてもよい。
第1半導体層SC1及び第2半導体層SC2は、それぞれ第1絶縁膜11の上に位置している。
第1半導体層SC1は、多結晶シリコンで形成されている。第1半導体層SC1は、第1領域R1と、第2領域R2と、第1チャネル領域C1と、を有している。第1チャネル領域C1は、第1領域R1と第2領域R2との間に位置している。第1領域R1及び第2領域R2は、第1チャネル領域C1に比べて低抵抗化されている。本実施形態において、第1領域R1及び第2領域R2のそれぞれの不純物濃度を、第1チャネル領域C1の不純物濃度より高くしているためである。また、第1領域R1及び第2領域R2の一方がソース領域として機能し、他方がドレイン領域として機能している。
第2半導体層SC2は、酸化物半導体で形成されている。酸化物半導体としては、インジウム、ガリウム及び亜鉛の少なくとも1つを含む酸化物が好適に用いられる。酸化物半導体の体表的な例としては、例えば、酸化インジウムガリウム亜鉛(IGZO)、酸化インジウムガリウム(IGO)、インジウム亜鉛酸化物(IZO)、亜鉛スズ酸化物(ZnSnO)、亜鉛酸化物(ZnO)、及び透明アモルファス酸化物半導体(TAOS)などが挙げられる。本実施形態において、第2半導体層SC2は、TAOSで形成されている。
第2半導体層SC2は、第3領域R3と、第4領域R4と、第2チャネル領域C2と、を有している。第2チャネル領域C2は、第3領域R3と第4領域R4との間に位置している。第3領域R3と第4領域R4は、第2チャネル領域C2に比べて低抵抗化されている。本実施形態において、第3領域R3及び第4領域R4のそれぞれの不純物濃度を、第2チャネル領域C2の不純物濃度より高くしているためである。また、第3領域R3及び第4領域R4の一方がソース領域として機能し、他方がドレイン領域として機能している。
なお、第3領域R3と第4領域R4を低抵抗化する手法は、特に限定されるものではなく、一般に知られている手法を採用することができる。例えば、第1領域R1と、第2領域R2、第3領域R3、及び第4領域R4を低抵抗化する際、不純物注入法(イオン注入法)を利用し、同時に行うことも可能である。
第2絶縁膜12は、第1絶縁膜11、第1半導体層SC1、及び第2半導体層SC2の上に形成されている。
第1ゲート電極GE1は、第2絶縁膜12の上方に位置し、第1半導体層SC1と対向している。本実施形態において、第1ゲート電極GE1は、第2絶縁膜12の上に位置し、第1チャネル領域C1と対向している。
第2ゲート電極GE2は、第2絶縁膜12の上方に位置し、第2半導体層SC2と対向している。本実施形態において、第2ゲート電極GE2は、後述する保護層20の上に位置し、第2チャネル領域C2と対向している。
なお、第2絶縁膜12の上には、上述した走査線Gも形成されている。このため、第1半導体層SC1及び第2半導体層SC2は、走査線Gとともに、同一材料を利用し、同一層に形成されている。
第3絶縁膜13は、第2絶縁膜12、第1ゲート電極GE1、及び第2ゲート電極GE2の上方に位置している。第4絶縁膜14は、第3絶縁膜13の上に位置している。
上述した第1絶縁膜11、第2絶縁膜12、第3絶縁膜13、及び第4絶縁膜14は、シリコン酸化物(SiO)、シリコン窒化物(SiN)などの無機絶縁材料で形成されている。本実施形態において、第1絶縁膜11及び第2絶縁膜12は、酸化物で形成されている。詳しくは、第1絶縁膜11はSiOで形成され、第2絶縁膜12はシラン系の処理ガスを使用してなるSiOで形成され、第3絶縁膜13はSiNで形成され、第4絶縁膜14はSiOで形成されている。
保護層20は、第2絶縁膜12と第3絶縁膜13との間に位置し、第2半導体層SC2と対向している。本実施形態において、保護層20は、アルミニウム酸化物(AlO)で形成されている。保護層20は、第2絶縁膜12と第2ゲート電極GE2との間に位置している。但し、本実施形態と異なり、保護層20は、第2ゲート電極GE2の上に位置していてもよい。この場合、第2ゲート電極GE2は、第2絶縁膜12と保護層20との間に位置している。保護層20は、第2絶縁膜12より水素をブロックする性質を有している。保護層20における水素の濃度は、第3絶縁膜13における水素の濃度より低い。
X−Y平面視において、保護層20は、第2半導体層SC2の面積と同等又はそれ以上の面積を有し、第2半導体層SC2を完全に覆っていた方が望ましい。
図3に示すように、本実施形態において、保護層20は、第2半導体層SC2の面積より大きい面積を有し、第2半導体層SC2を完全に覆っている。このため、第2半導体層SC2の輪郭は、保護層20の輪郭の外側にはみ出していない。
図2に示すように、第1電極E1、第2電極E2、第3電極E3、及び第4電極E4は、第3絶縁膜13の上方に位置し、同一層に形成されている。本実施形態において、第1電極E1、第2電極E2、第3電極E3、及び第4電極E4は、第4絶縁膜14の上に形成されている。
第1電極E1は、第2絶縁膜12、第3絶縁膜13及び第4絶縁膜14に形成された第1コンタクトホールCH1を通って第1領域R1に接続されている。第2電極E2は、第2絶縁膜12、第3絶縁膜13及び第4絶縁膜14に形成された第2コンタクトホールCH2を通って第2領域R2に接続されている。第3電極E3は、第2絶縁膜12、保護層20、第3絶縁膜13及び第4絶縁膜14に形成された第3コンタクトホールCH3を通って第3領域R3に接続されている。第4電極E4は、第2絶縁膜12、保護層20、第3絶縁膜13及び第4絶縁膜14に形成された第4コンタクトホールCH4を通って第4領域R4に接続されている。
上記のように構成された第1の実施形態に係る表示装置によれば、表示装置1は、第1薄膜トランジスタTR1及び第2薄膜トランジスタTR2を備えている。第1半導体層SC1及び第2半導体層SC2は、同一層に形成されている。第1ゲート電極GE1及び第2ゲート電極GE2は、同一層に形成されている。第1電極E1、第2電極E2、第3電極E3、及び第4電極E4は、同一層に形成されている。第1薄膜トランジスタTR1及び第2薄膜トランジスタTR2を同一回路内に形成する場合であっても、製造工程の数を削減することができる。このため、製造コストの高騰を抑制することのできる表示装置1を得ることができる。また、表示装置1の薄型化に寄与することができる。
保護層20は、第1半導体層SC1を覆っていない。製造時に、第1半導体層SC1を水素化処理する際、保護層20は、第3絶縁膜13(SiN)から第1半導体層SC1に向かう水素をブロックしない。このため、第1半導体層SC1においては、水素による欠陥の終端化を行うことができる。
一方、保護層20は、第2半導体層SC2を覆っている。第1半導体層SC1を水素化処理する際、保護層20は、第3絶縁膜13(SiN)から第2半導体層SC2に向かう水素をブロックすることができる。保護層20は、第2半導体層SC2を保護することができる。第2半導体層SC2の特性の変化を低減することができるため、第2薄膜トランジスタTR2の信頼性の向上を図ることができる。
上記のことから、製造コストの高騰を抑制することのできる表示装置1を得ることができる。又は、信頼性に優れた表示装置1を得ることができる。
次に、第2の実施形態に係る表示装置について詳細に説明する。本実施形態に係る表示装置1は、保護層20が、アルミニウム酸化物(AlO)ではなく、フッ化シリコン窒化物(SiN:F)で形成されている点と、保護層20が第2ゲート電極GE2の上に位置している点以外、上記第1の実施形態係る表示装置と同様に形成されている。
図4は、本実施形態に係る表示装置1のアレイ基板ARの一部を示す断面図であり、薄膜トランジスタTRを示す図である。なお、ここでは、アレイ基板ARのうち、説明に必要な主要部のみを図示している。
図4に示すように、第2ゲート電極GE2は、第2絶縁膜12の上に位置している。保護層20は、第2絶縁膜12及び第2ゲート電極GE2の上に位置し、第2半導体層SC2と対向している。但し、本実施形態と異なり、保護層20は、第2絶縁膜12と第2ゲート電極GE2との間に位置していてもよい。保護層20は、フッ化シリコン窒化物で形成されている。保護層20は、第2絶縁膜12より水素をブロックする性質を有している。保護層20における水素の濃度は、第3絶縁膜13における水素の濃度より低い。また、保護層20におけるフッ素(F)の濃度は、第3絶縁膜13(SiN)におけるフッ素の濃度の10倍以上高い。
X−Y平面視において、保護層20は、第2半導体層SC2の面積と同等又はそれ以上の面積を有し、第2半導体層SC2を完全に覆っていた方が望ましい。
図5に示すように、本実施形態において、保護層20は、第2半導体層SC2の面積より大きい面積を有し、第2半導体層SC2を完全に覆っている。
上記のように構成された第2の実施形態に係る表示装置によれば、表示装置1は、第1薄膜トランジスタTR1及び第2薄膜トランジスタTR2を備えている。本実施形態においても、第2薄膜トランジスタTR2の第2半導体層SC2は保護層20によって保護されている。このため、本実施形態に係る表示装置1は、上記第1の実施形態に係る表示装置と、同様の効果を得ることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
例えば、上述した実施形態では、表示装置を例に開示した。しかし、上述した実施形態は、上述した表示装置への適用に限定されるものではなく、あらゆるフラットパネル型の表示装置に適用可能である。また、上述した実施形態は、表示装置以外の装置への適用も可能であり、第1半導体層SC1及び第2半導体層SC2を有する各種の半導体装置に適用可能である。
1…表示装置、11…第1絶縁膜、12…第2絶縁膜、13…第3絶縁膜、20…保護層、TR…薄膜トランジスタ、TR1…第1薄膜トランジスタ、TR2…第2薄膜トランジスタ、SC1…第1半導体層、SC2…第2半導体層、R1…第1領域、R2…第2領域、R3…第3領域、R4…第4領域、C1…第1チャネル領域、C2…第2チャネル領域、GE1…第1ゲート電極、GE2…第2ゲート電極、CH1,CH2,CH3,CH4…コンタクトホール、E1,E2,E3,E4…電極。

Claims (7)

  1. 第1絶縁膜と、
    前記第1絶縁膜の上に位置し多結晶シリコンで形成された第1半導体層と、
    前記第1絶縁膜の上に位置し酸化物半導体で形成された第2半導体層と、
    前記第1絶縁膜、前記第1半導体層、及び前記第2半導体層の上に形成された第2絶縁膜と、
    前記第2絶縁膜の上方に位置し前記第1半導体層と対向した第1ゲート電極と、
    前記第2絶縁膜の上方に位置し前記第2半導体層と対向した第2ゲート電極と、
    前記第2絶縁膜、前記第1ゲート電極、及び前記第2ゲート電極の上方に位置しシリコン窒化物で形成された第3絶縁膜と、
    前記第2絶縁膜と前記第3絶縁膜との間に位置し前記第2半導体層と対向しアルミニウム酸化物又はフッ化シリコン窒化物で形成された保護層と、を備える、半導体装置。
  2. 第1絶縁膜と、
    前記第1絶縁膜の上に位置し多結晶シリコンで形成された第1半導体層と、
    前記第1絶縁膜の上に位置し酸化物半導体で形成された第2半導体層と、
    前記第1絶縁膜、前記第1半導体層、及び前記第2半導体層の上に形成された第2絶縁膜と、
    前記第2絶縁膜の上方に位置し前記第1半導体層と対向した第1ゲート電極と、
    前記第2絶縁膜の上方に位置し前記第2半導体層と対向した第2ゲート電極と、
    前記第2絶縁膜、前記第1ゲート電極、及び前記第2ゲート電極の上方に位置しシリコン窒化物で形成された第3絶縁膜と、
    前記第2絶縁膜と前記第3絶縁膜との間に位置し前記第2半導体層と対向しアルミニウム酸化物又はフッ化シリコン窒化物で形成された保護層と、を備える、表示装置。
  3. 前記第2ゲート電極は、前記保護層の上に位置している、請求項2に記載の表示装置。
  4. 前記保護層は、前記第2ゲート電極の上に位置している、請求項2に記載の表示装置。
  5. 平面視において、前記保護層は、前記第2半導体層の面積と同等又はそれ以上の面積を有し、前記第2半導体層を完全に覆っている、請求項2に記載の表示装置。
  6. 前記第3絶縁膜の上方に位置し同一層に形成された第1電極、第2電極、第3電極、及び第4電極をさらに備え、
    前記第1半導体層は、第1領域と、第2領域と、前記第1領域と前記第2領域との間に位置した第1チャネル領域と、を有し、
    前記第2半導体層は、第3領域と、第4領域と、前記第3領域と前記第4領域との間に位置した第2チャネル領域と、を有し、
    前記第1電極は、前記第2絶縁膜及び前記第3絶縁膜に形成された第1コンタクトホールを通って前記第1領域に接続され、
    前記第2電極は、前記第2絶縁膜及び前記第3絶縁膜に形成された第2コンタクトホールを通って前記第2領域に接続され、
    前記第3電極は、前記第2絶縁膜及び前記第3絶縁膜に形成された第3コンタクトホールを通って前記第3領域に接続され、
    前記第4電極は、前記第2絶縁膜及び前記第3絶縁膜に形成された第4コンタクトホールを通って前記第4領域に接続されている、請求項2に記載の表示装置。
  7. 前記第1絶縁膜及び前記第2絶縁膜は、それぞれ酸化物で形成されている、請求項2に記載の表示装置。
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