[发明专利]半导体装置

说明书

技术领域

本发明涉及在同一基板上具备薄膜晶体管和二极管的半导体装置。

背景技术

液晶显示装置等用的有源矩阵基板在每个像素中具备薄膜晶体管(Thin Film Transistor；以下称为“TFT”)等开关单元。作为这样的开关单元，以前广泛使用把非晶硅膜作为活性层的TFT(以下称为“非晶硅TFT”)和把多晶硅膜作为活性层的TFT(以下称为“多晶硅TFT”)。

因为多晶硅膜中的电子和空穴的迁移率比非晶硅膜的迁移率高，所以多晶硅TFT具有比非晶硅TFT高的导通电流，可以进行高速动作。因此，用多晶硅TFT形成有源矩阵基板的话，不仅能使用多晶硅TFT作为开关单元，而且在驱动器等周边电路中也能使用多晶硅TFT。因此，具有能在同一基板上一体形成驱动器等周边电路的一部分或全部和显示部这样的优点。并且，还具有能以更短的开关时间对液晶显示装置等的像素电容进行充电这样的优点。

但是，要制造多晶硅TFT的话，除了用于使非晶硅膜结晶化的激光结晶化工序以外，还需要进行热退火工序、离子掺杂工序等复杂的工序，存在基板单位面积的制造成本变高这样的问题。因而，多晶硅TFT主要用于中型和小型的液晶显示装置。

另一方面，因为非晶硅膜比多晶硅膜容易形成，所以易于大面积化。因此，非晶硅TFT适合用于需要大面积的装置的有源矩阵基板。尽管具有比多晶硅TFT低的导通电流，非晶硅TFT仍然用于很多液晶电视的有源矩阵基板。

然而，使用非晶硅TFT的话，由于非晶硅膜的迁移率低，因而其高性能化有限。特别是近几年，对液晶电视等液晶显示装置，除了要求大型化之外，还强烈要求高画质化和低功耗化，非晶硅TFT难以充分地对应这样的要求。

因此，为了一边控制制造工序数和制造成本一边实现性能更好的TFT，作为TFT的活性层的材料，正在尝试使用非晶硅和多晶硅以外的材料。专利文献1、专利文献2和非专利文献1提议用微晶硅(μc-Si)膜形成TFT的活性层。把这样的TFT称为“微晶硅TFT”。

微晶硅膜是在内部有微结晶粒的硅膜，微结晶粒的晶界主要是非结晶相。即，具有由微结晶粒组成的结晶相和非结晶相的混合状态。各微结晶粒的尺寸比多晶硅膜包含的结晶粒的尺寸小。还有，如以后详述的，在微晶硅膜中各微结晶粒具有例如从基板面按柱状生长成的柱状形状。

微晶硅膜只能利用使用等离子体CVD法等的成膜工序形成。作为原料气体，能使用以氢气稀释的甲烷气体。形成多晶硅膜时，利用CVD装置等形成非晶硅膜之后，需要利用激光和热使非晶硅膜结晶化的工序(退火工序)。与此相对，形成微晶硅膜时，能利用CVD装置等形成包含基本结晶相的微晶硅膜，所以能省略利用激光和热的退火工序。这样，微晶硅膜能以比多晶硅膜的形成所需要的工序数少的工序数形成，所以微晶硅TFT能以与非晶硅TFT同程度的生产率，即同程度的工序数和成本来制作。还有，也可以使用用于制作非晶硅TFT的装置制作微晶硅TFT。

微晶硅膜具有比非晶硅膜高的迁移率，所以用微晶硅膜就能得到比非晶硅TFT高的导通电流。还有，微晶硅膜不用像多晶硅膜那样进行复杂的工序就能形成，所以大面积化也容易。

专利文献1记载了用微晶硅膜作为TFT的活性层来得到非晶硅TFT的1.5倍的导通电流的情况。还有，非专利文献1记载了用包含微晶硅和非晶硅的半导体膜来得到导通/截止电流比为10⁶、迁移率为约1cm²/Vs、阈值为约5V的TFT。该迁移率比非晶硅TFT的迁移率高。另外，在非专利文献1记载的TFT中，为了降低截止电流，在微晶硅层上形成了非晶硅层。再有，专利文献2披露了使用微晶硅的栅极电极下置型(底栅构造)的TFT。

还有，作为代替硅的新材料，提出了使用Zn-O系半导体(ZnO)膜、In-Ga-Zn-O系半导体(IGZO)膜等金属氧化物半导体的TFT。专利文献3记载了用包含ZnO的半导体层来得到导通/截止电流比为4.5×10⁵，迁移率为约150cm²/Vs，阈值为约1.3V的TFT。该迁移率是远比非晶硅TFT的迁移率高的值。还有，非专利文献2记载了用包含IGZO的半导体层来得到迁移率为约5.6～8.0cm²/Vs、阈值为约-6.6～-9.9V的TFT。同样，该迁移率是远比非晶硅TFT的迁移率高的值。