JP2010147303A - Thin-film transistor, method of manufacturing the same, thin-film transistor array substrate, and display device - Google Patents
Thin-film transistor, method of manufacturing the same, thin-film transistor array substrate, and display device Download PDFInfo
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Abstract
Description
本発明は、薄膜トランジスタ及びその製造方法に関する。また、前記薄膜トランジスタを備える薄膜トランジスタアレイ基板、及び表示装置に関する。 The present invention relates to a thin film transistor and a method for manufacturing the same. The present invention also relates to a thin film transistor array substrate including the thin film transistor and a display device.
薄膜トランジスタ(以下、「TFT」(Thin Film Transistor)とも云う)は、アクティブマトリクス型の液晶表示装置に広く適用されている。非晶質シリコンを半導体層として用いる逆スタガ構造のTFTは、以下のようにして製造することができる。まず、ガラス等の透明絶縁性基板上にゲート電極をフォトリソグラフィー工程、エッチング工程によってパターン形成する。次いで、プラズマCVD法によってゲート絶縁膜、不純物を含まない非晶質シリコン層、及び不純物を含む非晶質シリコン層を、順次、連続成膜する。そして、フォトリソグラフィー工程、エッチング工程によって島状の半導体層を得る。その後、金属膜をスパッタ法等で形成し、フォトリソグラフィー工程、エッチング工程によりソース電極、ドレイン電極をそれぞれ一括形成する。 Thin film transistors (hereinafter also referred to as “TFTs”) are widely applied to active matrix liquid crystal display devices. A TFT having an inverted stagger structure using amorphous silicon as a semiconductor layer can be manufactured as follows. First, a gate electrode is patterned on a transparent insulating substrate such as glass by a photolithography process and an etching process. Next, a gate insulating film, an amorphous silicon layer containing no impurities, and an amorphous silicon layer containing impurities are successively formed successively by a plasma CVD method. Then, an island-shaped semiconductor layer is obtained by a photolithography process and an etching process. Thereafter, a metal film is formed by sputtering or the like, and a source electrode and a drain electrode are collectively formed by a photolithography process and an etching process.
ソース電極、ドレイン電極を形成後、両電極が存在しない領域の不純物を含む非晶質シリコン層を、いわゆるバックチャネルエッチングにより除去し、チャネル領域を形成する。その後、窒化シリコン等を用いてパッシベーション膜を形成する。 After forming the source electrode and the drain electrode, the amorphous silicon layer containing impurities in a region where both electrodes are not present is removed by so-called back channel etching to form a channel region. Thereafter, a passivation film is formed using silicon nitride or the like.
上記製造方法によれば、ソース電極とドレイン電極をマスクとしてセルファラインによりチャネル領域を形成することができる。また、ゲート絶縁膜、半導体層を順次連続して成膜することができる。このため、製造工程が簡便である。また、ゲート絶縁膜と半導体層の成膜を連続的に行うのでTFT特性のバラツキが小さいというメリットもある。また、非晶質シリコンを半導体層として用いる逆スタガ構造のTFTとして、チャネルエッチ型の特性を改善したチャネル保護型のTFTも提案されている(例えば、特許文献1)。 According to the manufacturing method, the channel region can be formed by self-alignment using the source electrode and the drain electrode as a mask. In addition, a gate insulating film and a semiconductor layer can be sequentially formed. For this reason, the manufacturing process is simple. Further, since the gate insulating film and the semiconductor layer are continuously formed, there is an advantage that variation in TFT characteristics is small. In addition, as a reverse staggered TFT using amorphous silicon as a semiconductor layer, a channel protection type TFT having improved channel etch characteristics has been proposed (for example, Patent Document 1).
しかしながら、TFTのチャネル領域を構成する非晶質シリコン層は、通常は水素を多く含んでいる非晶質シリコン層により構成され、膜中には欠陥準位が多く存在する。このため、上記製造方法により得られたTFTは、電界効果移動度(μ)が1cm2/V・s以下である、リーク電流(Ioff)が大きい、長時間動作時のストレスで閾値電圧(Vth)シフトが発生するという問題を抱えている。これらの特性は、スイッチング素子として用いる際には問題ないが、これらを駆動させるための周辺回路に適用することは困難である。 However, the amorphous silicon layer constituting the channel region of the TFT is usually composed of an amorphous silicon layer containing a large amount of hydrogen, and there are many defect levels in the film. For this reason, the TFT obtained by the above manufacturing method has a field effect mobility (μ) of 1 cm 2 / V · s or less, a large leakage current (Ioff), and a threshold voltage (Vth) due to stress during long-time operation. ) I have a problem of shifting. These characteristics have no problem when used as a switching element, but are difficult to apply to a peripheral circuit for driving them.
そこで、これらの問題を克服する方法として、エキシマレーザ(XeCl 波長:308nm)光を照射してレーザアニール処理を施すことにより非晶質シリコンを多結晶化する方法がある。エキシマレーザによれば、酸化膜やガラス基板等の材料に熱的影響をほとんど与えることなく、非晶質シリコン層のみを溶融させることができる。そして、非晶質シリコン層を溶融させた後、冷却することで多結晶シリコンを形成することができる。 Therefore, as a method of overcoming these problems, there is a method of polycrystallizing amorphous silicon by irradiating an excimer laser (XeCl wavelength: 308 nm) light and performing laser annealing. According to the excimer laser, only the amorphous silicon layer can be melted with little thermal influence on the material such as the oxide film and the glass substrate. Then, after the amorphous silicon layer is melted, the polycrystalline silicon can be formed by cooling.
特許文献2においては、各トランジスタの役割に応じて、非晶質シリコン層のみからなる半導体層、多結晶シリコン層と非晶質シリコン層が積層された半導体層を同一基板上に作り分ける方法が提案されている。 In Patent Document 2, there is a method in which a semiconductor layer composed only of an amorphous silicon layer, or a semiconductor layer in which a polycrystalline silicon layer and an amorphous silicon layer are stacked, is formed on the same substrate in accordance with the role of each transistor. Proposed.
図9に、特許文献2に記載のTFTの切断部断面図を示す。絶縁性基板101上にゲート電極102を形成し、その上層にゲート絶縁層103を形成する。次いで、多結晶半導体層を形成するための非晶質シリコン層を形成する。そして、多結晶シリコン層を形成したい領域にエキシマレーザを選択的に照射する。レーザアニール後、エッチング工程等により下層半導体層111のパターンを得る。その後、非晶質シリコン層からなる上層半導体層112、ソース電極105、及びドレイン電極106を形成する。上記方法により、各トランジスタの役割に応じて、同一基板上に上層半導体層112のみからなる半導体層、下層半導体層111と上層半導体層112が積層された半導体層を作り分けている。 FIG. 9 is a cross-sectional view of the cut portion of the TFT described in Patent Document 2. A gate electrode 102 is formed on the insulating substrate 101, and a gate insulating layer 103 is formed thereon. Next, an amorphous silicon layer for forming a polycrystalline semiconductor layer is formed. Then, an excimer laser is selectively irradiated to a region where the polycrystalline silicon layer is to be formed. After the laser annealing, a pattern of the lower semiconductor layer 111 is obtained by an etching process or the like. Thereafter, an upper semiconductor layer 112 made of an amorphous silicon layer, a source electrode 105, and a drain electrode 106 are formed. By the above method, a semiconductor layer including only the upper semiconductor layer 112 and a semiconductor layer in which the lower semiconductor layer 111 and the upper semiconductor layer 112 are stacked are formed on the same substrate in accordance with the role of each transistor.
特許文献3においては、CVD法により基板上に直接微結晶粒の多結晶シリコン層を形成する薄膜トランジスタの製造方法が提案されている。図10(a)〜(c)に、特許文献3に記載のTFT252の製造工程断面図を示す。まず、絶縁性基板201上にゲート電極202、ゲート絶縁膜203を形成し、その上層に、多結晶シリコン層である下層半導体層211をCVD法により直接形成する。続いて、下層半導体層211上に、上層半導体層212をCVD法により堆積する。 Patent Document 3 proposes a method of manufacturing a thin film transistor in which a polycrystalline silicon layer having microcrystalline grains is directly formed on a substrate by a CVD method. 10A to 10C are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the TFT 252 described in Patent Document 3. First, a gate electrode 202 and a gate insulating film 203 are formed on an insulating substrate 201, and a lower semiconductor layer 211, which is a polycrystalline silicon layer, is directly formed thereon by a CVD method. Subsequently, the upper semiconductor layer 212 is deposited on the lower semiconductor layer 211 by a CVD method.
具体的には、水素化非晶質シリコン層212A、高濃度不純物添加シリコン層212Bを形成する(図9(a)参照)。その後、図9(b)に示すように、ゲート絶縁膜203から上層半導体層212までの積層膜を、トランジスタ部分のみ島状に残してエッチングにより除去する。ゲート電極202上部において上層半導体層212をエッチングにより除去して、ソース領域のシリコン層及びドレイン領域のシリコン層に互いに離間させる。次いで、層間絶縁膜204を成膜してパターン形成し、ソース電極205、ドレイン電極206を形成する(図9(c)参照)。
上記特許文献2においては、下層半導体層111の側壁部と、ソース電極105及びドレイン電極106が接触する構造を採用している。このため、オン電流を大きくすることができる一方で、リーク電流(オフ電流)が大きくなってしまうという問題を抱えている。 In Patent Document 2, a structure in which the side wall portion of the lower semiconductor layer 111 is in contact with the source electrode 105 and the drain electrode 106 is employed. For this reason, the on-current can be increased, but the leakage current (off-current) is increased.
上記特許文献3においては、CVD法により基板上に直接形成した微結晶粒の多結晶シリコン層を用いた薄膜トランジスタであっても、オフ電流を抑止して性能向上を図ることができる旨が記載されている。さらに、これに付加して、レーザ照射により多結晶シリコン層の結晶化又は再結晶化を行うことにより、比較的大きい結晶粒の多結晶シリコン層に変換する方法が記載されている。そして、レーザ照射を加えることによって、オフ電流、及びそのばらつきを低減し、より高機能、高集積化されたモノリシック化回路を実現することができる旨が記載されている。 Patent Document 3 describes that even a thin film transistor using a microcrystalline polycrystalline silicon layer directly formed on a substrate by a CVD method can improve off-state current and improve performance. ing. In addition to this, a method is described in which a polycrystalline silicon layer is crystallized or recrystallized by laser irradiation to be converted into a polycrystalline silicon layer having relatively large crystal grains. Further, it is described that by applying laser irradiation, an off-current and its variation can be reduced, and a monolithic circuit with higher functionality and higher integration can be realized.
しかしながら、レーザ照射により、シリコン層表面において少なくとも大気との暴露が生じる。そして、その結果、シリコン層同士の接合面に界面が生じる。この界面では、シリコン層同士の密着力が悪い。成膜時に運よく剥離が生じなかった場合であっても、液晶表示装置に用いられるガラス基板等の絶縁性基板端などにおいて、プロセス途中に機械的接触等によって傷やこすれが生じる恐れがある。そして、これに起因して前述の界面の部分の剥がれが生じやすい。また、その剥がれの一部が異物となり歩留まり低下を招来したり、製造装置の汚染を招来したりする恐れがある。 However, laser irradiation causes at least exposure to the atmosphere on the surface of the silicon layer. As a result, an interface is formed at the bonding surface between the silicon layers. At this interface, the adhesion between the silicon layers is poor. Even when peeling does not occur fortunately during film formation, there is a risk that scratches or rubbing may occur due to mechanical contact or the like during the process at the edge of an insulating substrate such as a glass substrate used in a liquid crystal display device. Due to this, the above-mentioned interface portion is easily peeled off. In addition, part of the peeling may become a foreign substance, leading to a decrease in yield or contamination of the manufacturing apparatus.
本発明は、上記背景に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、優れたオン電流特性と、優れたオフ電流特性を兼ね備え、かつ、歩留まりの向上が可能な薄膜トランジスタ、及び前記薄膜トランジスタを備えた薄膜トランジスタアレイ基板、並びに表示装置を提供することである。 The present invention has been made in view of the above background, and the object of the present invention is to provide a thin film transistor that has excellent on-current characteristics and excellent off-current characteristics and that can improve the yield, and the thin film transistor. And a display device.
本発明に係る薄膜トランジスタは、半導体層を介してゲート電極と、ソース電極/ドレイン電極の一部が互いに対向配置される薄膜トランジスタであって、前記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜の上層に下層半導体層が形成され、前記ソース電極/ドレイン電極の下層に上層半導体層が形成されたものである。そして、前記下層半導体層と、前記上層半導体層の間には、ソース領域/ドレイン領域に開口部を有する絶縁膜が形成され、前記開口部を介して、前記下層半導体層と前記上層半導体層が接続される。前記下層半導体層のうち、少なくとも前記ソース領域/ドレイン領域の間に配置されるチャネル領域、及び前記開口部と対向する領域のうちの前記チャネル領域から延設された少なくとも一部の領域は、多結晶半導体層であり、前記上層半導体層は、非晶質半導体層である。 A thin film transistor according to the present invention is a thin film transistor in which a gate electrode and a part of a source electrode / drain electrode are arranged to face each other with a semiconductor layer interposed therebetween, and a lower layer on an upper layer of a gate insulating film formed on the gate electrode A semiconductor layer is formed, and an upper semiconductor layer is formed below the source / drain electrodes. An insulating film having an opening in a source region / drain region is formed between the lower semiconductor layer and the upper semiconductor layer, and the lower semiconductor layer and the upper semiconductor layer are interposed through the opening. Connected. Of the lower semiconductor layer, at least a channel region disposed between the source region / drain region, and at least a part of the region extending from the channel region in a region facing the opening, It is a crystalline semiconductor layer, and the upper semiconductor layer is an amorphous semiconductor layer.
本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法は、半導体層を介してゲート電極と、ソース電極/ドレイン電極の一部が互いに対向配置される薄膜トランジスタの製造方法であって、前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を成膜し、前記ゲート絶縁膜上に下層半導体層を形成し、前記下層半導体層上に、ソース領域/ドレイン領域に開口部を有する絶縁膜を形成し、前記絶縁膜上に、上層半導体層を成膜し、前記上層半導体層上に前記ソース電極/ドレイン電極を形成するための導電層を成膜する。さらに、前記導電層上に、厚み方向に段差構造を有する第1のレジストパターンを形成し、前記第1のレジストパターンを利用して前記ソース電極/ドレイン電極、前記上層半導体層、前記絶縁膜、前記下層半導体層を島状にパターン形成し、前記第1のレジストパターンの膜厚の厚い部分がパターンとして残るように第2のレジストパターンを形成し、前記第2のレジストパターンをマスクとして、前記導電層及び前記上層半導体層を分断することにより、前記ソース電極/ドレイン電極、及びソース領域/ドレイン領域を形成する工程を備える。そして、前記下層半導体層は、チャネル領域と、当該チャネル領域から延設された前記ソース領域/ドレイン領域の少なくとも一部の領域とが多結晶半導体層となるように形成する。 A method of manufacturing a thin film transistor according to the present invention is a method of manufacturing a thin film transistor in which a gate electrode and a part of a source electrode / drain electrode are arranged to face each other through a semiconductor layer, and a gate insulating film is formed on the gate electrode. Forming a film, forming a lower semiconductor layer on the gate insulating film, forming an insulating film having an opening in a source region / drain region on the lower semiconductor layer, and forming an upper semiconductor layer on the insulating film A conductive layer for forming the source / drain electrode is formed on the upper semiconductor layer. Further, a first resist pattern having a step structure in a thickness direction is formed on the conductive layer, and the source electrode / drain electrode, the upper semiconductor layer, the insulating film, using the first resist pattern, The lower semiconductor layer is patterned in an island shape, a second resist pattern is formed so that a thick portion of the first resist pattern remains as a pattern, and the second resist pattern is used as a mask, A step of forming the source / drain electrodes and the source / drain regions by dividing the conductive layer and the upper semiconductor layer; The lower semiconductor layer is formed such that a channel region and at least a part of the source region / drain region extending from the channel region become a polycrystalline semiconductor layer.
本発明によれば、優れたオン電流特性と、優れたオフ電流特性を兼ね備え、かつ、歩留まりの向上が可能な薄膜トランジスタ、及び前記薄膜トランジスタを備えた薄膜トランジスタアレイ基板、並びに表示装置を提供することができるという優れた効果を有する。 According to the present invention, it is possible to provide a thin film transistor having both excellent on-current characteristics and excellent off-current characteristics and capable of improving yield, a thin film transistor array substrate including the thin film transistor, and a display device. It has an excellent effect.
以下、本発明を適用した実施形態の一例について説明する。なお、本発明の趣旨に合致する限り、他の実施形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。また、以降の図における各部材のサイズや比率は、説明の便宜上のものであり、これに限定されるものではない。 Hereinafter, an example of an embodiment to which the present invention is applied will be described. It goes without saying that other embodiments may also belong to the category of the present invention as long as they match the gist of the present invention. Moreover, the size and ratio of each member in the following drawings are for convenience of explanation, and are not limited to this.
本実施形態1に係る表示装置は、多結晶シリコンを備えた薄膜トランジスタ(TFT)を有するアクティブマトリクス型のTFTアレイ基板が搭載された表示装置である。ここでは、表示装置の一例として液晶表示装置について説明する。 The display device according to the first embodiment is a display device on which an active matrix TFT array substrate having a thin film transistor (TFT) including polycrystalline silicon is mounted. Here, a liquid crystal display device will be described as an example of the display device.
図1は、TFTアレイ基板となる部分が複数形成された、本実施形態1に係るマザー基板55の模式的平面図であり、図2は、液晶表示装置50の模式的平面図である。なお、図2においては、説明の便宜上、対向基板の図示を省略する。 FIG. 1 is a schematic plan view of a mother substrate 55 according to the first embodiment in which a plurality of portions to be TFT array substrates are formed, and FIG. 2 is a schematic plan view of a liquid crystal display device 50. In FIG. 2, the counter substrate is not shown for convenience of explanation.
マザー基板55には、液晶表示装置50を構成する一対の基板のうちのTFTアレイ基板51となる部分が複数形成されている(図1参照)。図1の例においては、ガラス基板や石英基板などの透明絶縁性基板56上に12個のTFTアレイ基板51となる部分がマトリクス状に形成されている。 The mother substrate 55 is formed with a plurality of portions to be the TFT array substrate 51 of the pair of substrates constituting the liquid crystal display device 50 (see FIG. 1). In the example of FIG. 1, 12 TFT array substrates 51 are formed in a matrix on a transparent insulating substrate 56 such as a glass substrate or a quartz substrate.
TFTアレイ基板51は、図2に示すように、ゲート信号線21、ゲート駆動回路22、蓄積容量配線24、ソース信号線31、ソース駆動回路32等を備える。 As shown in FIG. 2, the TFT array substrate 51 includes a gate signal line 21, a gate drive circuit 22, a storage capacitor line 24, a source signal line 31, a source drive circuit 32, and the like.
ゲート信号線(走査信号線)21は、図2中の横方向に延在し、縦方向に複数並設されている。ソース信号線(表示信号線)31は、ゲート信号線21とゲート絶縁層(不図示)を介して交差するように、図2中の縦方向に延在し、横方向に複数並設されている。複数のゲート信号線21と、複数のソース信号線31は、ほぼ直交するようにマトリクスを形成し、隣接するゲート信号線21及びソース信号線31とで囲まれた領域が、画素40となる。従って、画素40は、マトリクス状に配列される。複数の画素40が形成されている領域が表示領域45となる。そして、表示領域45の外側に区画された領域が、額縁領域46である。 A plurality of gate signal lines (scanning signal lines) 21 extend in the horizontal direction in FIG. 2 and are arranged in parallel in the vertical direction. The source signal line (display signal line) 31 extends in the vertical direction in FIG. 2 so as to intersect with the gate signal line 21 via a gate insulating layer (not shown), and a plurality of source signal lines (display signal lines) are arranged in parallel in the horizontal direction. Yes. The plurality of gate signal lines 21 and the plurality of source signal lines 31 form a matrix so as to be substantially orthogonal, and a region surrounded by the adjacent gate signal lines 21 and source signal lines 31 is a pixel 40. Accordingly, the pixels 40 are arranged in a matrix. A region where the plurality of pixels 40 are formed becomes a display region 45. A region partitioned outside the display region 45 is a frame region 46.
ゲート駆動回路22及びソース駆動回路32は、周辺駆動回路として額縁領域46に形成されている。各ゲート信号線21は、表示領域45からゲート駆動回路22まで延設されている。同様に、各ソース信号線31は、表示領域45から当該ソース駆動回路32まで延設されている。ゲート駆動回路22やソース駆動回路32からは、配線が端子まで延設され、端子を介してICチップ34や、FPC(Flexible Printed Circuit)などの配線基板33に接続されている。 The gate drive circuit 22 and the source drive circuit 32 are formed in the frame region 46 as a peripheral drive circuit. Each gate signal line 21 extends from the display area 45 to the gate drive circuit 22. Similarly, each source signal line 31 extends from the display area 45 to the source drive circuit 32. From the gate drive circuit 22 and the source drive circuit 32, the wiring extends to the terminal, and is connected to the wiring substrate 33 such as an IC chip 34 or an FPC (Flexible Printed Circuit) through the terminal.
外部からの各種信号は、配線基板33を介してゲート駆動回路22、ソース駆動回路32に供給される。ゲート駆動回路22は外部からの制御信号に基づいて、ゲート信号(走査信号)をゲート信号線21に供給する。このゲート信号によって、ゲート信号線21が順次選択されることになる。ソース駆動回路32は、外部からの制御信号や、表示データに基づいて表示信号をソース信号線31に供給する。これにより、表示データに応じた表示電圧を各画素40に供給することができる。 Various signals from the outside are supplied to the gate drive circuit 22 and the source drive circuit 32 via the wiring board 33. The gate driving circuit 22 supplies a gate signal (scanning signal) to the gate signal line 21 based on a control signal from the outside. The gate signal lines 21 are sequentially selected by this gate signal. The source drive circuit 32 supplies a display signal to the source signal line 31 based on an external control signal or display data. As a result, a display voltage corresponding to the display data can be supplied to each pixel 40.
各画素のゲート信号線21とソース信号線31の交差点付近には、少なくとも一つの信号伝達用のTFT52が設けられている。また、各画素には、TFT52と接続する蓄積容量素子42が形成されている。画素に形成されたTFT52のゲート電極はゲート信号線21に、TFT52のソース電極5はソース信号線31に接続されている。ゲート電極に電圧を印加するとソース信号線31から電流が流れるようになる。これにより、ソース信号線31から、TFT52のドレイン電極6に接続された画素電極に表示電圧が印加される。そして、画素電極と対向電極との間に、表示電圧に応じた電界が生じる。 Near the intersection of the gate signal line 21 and the source signal line 31 of each pixel, at least one signal transmission TFT 52 is provided. Each pixel has a storage capacitor element 42 connected to the TFT 52. The gate electrode of the TFT 52 formed in the pixel is connected to the gate signal line 21, and the source electrode 5 of the TFT 52 is connected to the source signal line 31. When a voltage is applied to the gate electrode, a current flows from the source signal line 31. Thereby, a display voltage is applied from the source signal line 31 to the pixel electrode connected to the drain electrode 6 of the TFT 52. An electric field corresponding to the display voltage is generated between the pixel electrode and the counter electrode.
一方、蓄積容量素子42は、TFT52のほか、蓄積容量配線24を介して対向電極とも電気的に接続されている。従って、蓄積容量素子42は、画素電極と対向電極との間の容量と並列に接続されていることになる。また、ゲート駆動回路22及びソース駆動回路32にも、画素40内に設けられたTFT52を駆動するための駆動用のTFT52が配置されている。TFTアレイ基板51の液晶側表面には、配向膜が形成されている。 On the other hand, the storage capacitor element 42 is electrically connected to the counter electrode through the storage capacitor wiring 24 in addition to the TFT 52. Therefore, the storage capacitor element 42 is connected in parallel with the capacitor between the pixel electrode and the counter electrode. The gate driving circuit 22 and the source driving circuit 32 are also provided with a driving TFT 52 for driving the TFT 52 provided in the pixel 40. An alignment film is formed on the liquid crystal side surface of the TFT array substrate 51.
上記マザー基板55には、対向基板(不図示)となる領域が複数形成された対向マザー基板(不図示)が対向配置されている。対向基板は、例えば、カラーフィルタ基板であり、視認側に配置される。対向基板には、カラーフィルタ、ブラックマトリクス(BM)、対向電極、及び配向膜等が形成されている。なお、対向電極は、TFTアレイ基板51側に配置されている場合もある。液晶表示パネルは、マザー基板55と、これに対向配置された対向マザー基板とを、液晶表示パネル単位に切り出し、これら一対の基板間に液晶を注入して封止することにより得られる。 Opposed to the mother substrate 55 is a counter mother substrate (not shown) in which a plurality of regions to be the counter substrate (not shown) are formed. The counter substrate is, for example, a color filter substrate, and is disposed on the viewing side. On the counter substrate, a color filter, a black matrix (BM), a counter electrode, an alignment film, and the like are formed. The counter electrode may be arranged on the TFT array substrate 51 side. The liquid crystal display panel is obtained by cutting out a mother substrate 55 and a counter mother substrate disposed so as to face the mother substrate 55 in units of liquid crystal display panels, and injecting liquid crystal between the pair of substrates to seal them.
TFTアレイ基板51と対向基板との外側の面には、偏光板、及び位相差板等が設けられる。液晶表示装置50は、液晶表示パネルの反視認側に、バックライトユニット等を配設することにより得られる。 A polarizing plate, a retardation plate, and the like are provided on the outer surfaces of the TFT array substrate 51 and the counter substrate. The liquid crystal display device 50 is obtained by disposing a backlight unit or the like on the non-viewing side of the liquid crystal display panel.
液晶分子は、画素電極と対向電極との間の電界によって配向方向が変化する。液晶分子の配向変化に応じて、液晶層を通過する光の偏光状態が変化する。すなわち、バックライトユニットから偏光板を通過することにより形成された直線偏光が、液晶層を通過することによって、偏光状態が変化する。従って、偏光状態によって、対向基板側の偏光板を通過する光量が変化する。すなわち、バックライトユニットから液晶表示パネルを透過する透過光のうち、視認側の偏光板を通過する光の光量が変化する。 The alignment direction of the liquid crystal molecules is changed by an electric field between the pixel electrode and the counter electrode. The polarization state of light passing through the liquid crystal layer changes according to the change in the orientation of the liquid crystal molecules. That is, the polarization state changes when linearly polarized light formed by passing through the polarizing plate from the backlight unit passes through the liquid crystal layer. Therefore, the amount of light passing through the polarizing plate on the counter substrate side changes depending on the polarization state. That is, among the transmitted light that passes through the liquid crystal display panel from the backlight unit, the amount of light that passes through the viewing-side polarizing plate changes.
液晶の配向方向は、印加される表示電圧によって変化する。従って、表示電圧を制御することによって、視認側の偏光板を通過する光量を変化させることができる。すなわち、画素毎に表示電圧を変えることによって、所望の画像を表示することができる。なお、蓄積容量素子42において、画素電極と対向電極との間の電界と並列に電界を形成することにより、表示電圧を保持することができる。 The alignment direction of the liquid crystal changes depending on the applied display voltage. Therefore, the amount of light passing through the viewing-side polarizing plate can be changed by controlling the display voltage. That is, a desired image can be displayed by changing the display voltage for each pixel. In the storage capacitor element 42, the display voltage can be maintained by forming an electric field in parallel with the electric field between the pixel electrode and the counter electrode.
次に、本実施形態1に係る薄膜トランジスタ(TFT)の構造について説明する。図3に、本実施形態1に係るTFT近傍の模式的断面図を示す。TFT52は、図3に示すように、逆スタガ型であり、絶縁性基板1、ゲート電極2、ゲート絶縁膜3、絶縁膜4、ソース電極5、ドレイン電極6、半導体層10等を有している。 Next, the structure of the thin film transistor (TFT) according to the first embodiment will be described. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view in the vicinity of the TFT according to the first embodiment. As shown in FIG. 3, the TFT 52 is an inverted staggered type, and includes an insulating substrate 1, a gate electrode 2, a gate insulating film 3, an insulating film 4, a source electrode 5, a drain electrode 6, a semiconductor layer 10, and the like. Yes.
半導体層10は、多結晶半導体層からなる下層半導体層11、非晶質半導体層からなる上層半導体層12からなる。本実施形態1に係る上層半導体層12は、第1上層半導体層12A及び第2上層半導体層12Bの2層構造からなる。本実施形態1においては、下層半導体層11は不純物を含まない多結晶シリコン層により構成し、第1上層半導体層12Aは不純物を含まない非晶質シリコン層、第2上層半導体層12Bは不純物を含む非晶質シリコン層により構成する。また、ここで用いられる下層半導体層11の多結晶シリコンは、微結晶粒からなる多結晶シリコンとすることが好ましい。なお、ここで言う微結晶粒とは、概ね100nm以下の粒径を持つ結晶粒を指すものとする。また、下層半導体層11や第1上層半導体層12Aは、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、低濃度の不純物を含んでいてもよい。 The semiconductor layer 10 includes a lower semiconductor layer 11 made of a polycrystalline semiconductor layer and an upper semiconductor layer 12 made of an amorphous semiconductor layer. The upper semiconductor layer 12 according to the first embodiment has a two-layer structure of a first upper semiconductor layer 12A and a second upper semiconductor layer 12B. In the first embodiment, the lower semiconductor layer 11 is composed of a polycrystalline silicon layer containing no impurities, the first upper semiconductor layer 12A is an amorphous silicon layer containing no impurities, and the second upper semiconductor layer 12B is free of impurities. The amorphous silicon layer is included. The polycrystalline silicon of the lower semiconductor layer 11 used here is preferably polycrystalline silicon made of microcrystalline grains. Note that the fine crystal grains referred to here refer to crystal grains having a grain size of approximately 100 nm or less. Further, the lower semiconductor layer 11 and the first upper semiconductor layer 12A may contain low-concentration impurities without departing from the spirit of the present invention.
ゲート電極2は、絶縁性基板1上に形成され、ゲート信号線21、蓄積容量配線24、蓄積容量電極層(不図示)等と同一のレイヤである第1金属膜により形成されている。ゲート絶縁膜3は、ゲート電極2を覆うように、その上層に形成されている。 The gate electrode 2 is formed on the insulating substrate 1 and is formed of a first metal film that is the same layer as the gate signal line 21, the storage capacitor wiring 24, the storage capacitor electrode layer (not shown), and the like. The gate insulating film 3 is formed in an upper layer so as to cover the gate electrode 2.
ゲート絶縁膜3は、単層膜、積層膜のいずれでもよい。例えば、窒化シリコン(SiNx)の単層膜や、窒化シリコン(SiNx)と酸化膜(SiO)の積層膜を適用することができる。下層半導体層11の結晶性を良好に保つ観点からは、窒化シリコン(SiNx)の上層に酸化膜(SiO)を積層することが好ましい。酸化膜上に多結晶シリコン層を形成する構造とすることにより、多結晶半導体層とゲート絶縁膜3界面との固定電荷を減少することができる。酸化膜の膜厚は、50nm以上、200nm以下とすることが好ましい。その理由については後述する。 The gate insulating film 3 may be either a single layer film or a laminated film. For example, a single layer film of silicon nitride (SiNx) or a stacked film of silicon nitride (SiNx) and an oxide film (SiO) can be used. From the viewpoint of maintaining good crystallinity of the lower semiconductor layer 11, it is preferable to stack an oxide film (SiO) on top of silicon nitride (SiNx). By adopting a structure in which a polycrystalline silicon layer is formed on the oxide film, the fixed charge between the polycrystalline semiconductor layer and the interface of the gate insulating film 3 can be reduced. The thickness of the oxide film is preferably 50 nm or more and 200 nm or less. The reason will be described later.
半導体層10は、前述したように3層構造となっており、ゲート絶縁膜3の上に下層半導体層11が形成されている。下層半導体層11は、ゲート絶縁膜3を介してゲート電極2の少なくとも一部と対向配置されている。下層半導体層11の上層には、第1開口部H1、第2開口部H2を有する絶縁膜4が形成されている。 As described above, the semiconductor layer 10 has a three-layer structure, and the lower semiconductor layer 11 is formed on the gate insulating film 3. The lower semiconductor layer 11 is disposed opposite to at least a part of the gate electrode 2 with the gate insulating film 3 interposed therebetween. Over the lower semiconductor layer 11, an insulating film 4 having a first opening H1 and a second opening H2 is formed.
第1上層半導体層12Aは、絶縁膜4の上層、及び絶縁膜4に設けられた第1開口部H1、第2開口部H2内に配設されている。第2上層半導体層12Bは、第1上層半導体層12Aの上層に形成されている。そして、第2上層半導体層12B上に、ソース電極5及びドレイン電極6が配設されている。本実施形態1においては、上層半導体層12と下層半導体層11との接続は、専ら第1開口部H1、及び第2開口部H2を介して接続するようにしている。また、下層半導体層11をゲート絶縁膜2の上に、上層半導体層12をソース電極5及びドレイン電極6の下層に形成している。これにより、ソース電極5及びドレイン電極6と、下層半導体層11とが接触しない構造となり、オフ電流が大きくなるという問題を回避することができる。 The first upper semiconductor layer 12A is disposed in the upper layer of the insulating film 4 and in the first opening H1 and the second opening H2 provided in the insulating film 4. The second upper semiconductor layer 12B is formed in the upper layer of the first upper semiconductor layer 12A. The source electrode 5 and the drain electrode 6 are disposed on the second upper semiconductor layer 12B. In the first embodiment, the upper semiconductor layer 12 and the lower semiconductor layer 11 are connected exclusively through the first opening H1 and the second opening H2. Further, the lower semiconductor layer 11 is formed on the gate insulating film 2, and the upper semiconductor layer 12 is formed below the source electrode 5 and the drain electrode 6. As a result, the source electrode 5 and the drain electrode 6 and the lower semiconductor layer 11 are not in contact with each other, and the problem of an increase in off-current can be avoided.
ソース電極5及びドレイン電極6は、第2金属膜である導電層9により構成されている。電気的に分断されたソース電極5及びドレイン電極6を形成するために、導電層9表面からチャネル領域10C上に形成された絶縁膜4の表面まで貫通する第3開口部H3が形成されている。すなわち、第1上層半導体層12A及び第2上層半導体層12Bも第3開口部H3により2つに分断されている。換言すると、TFT52において、ソース電極5及びドレイン電極6を構成する導電層9のパターンと、上層半導体層12のパターンは、平面視上、実質的に同一形状となっている。これにより、ソース電極5及びドレイン電極6と、下層半導体層11とが接触しない構造となり、オフ電流が大きくなるという問題を回避することができる。 The source electrode 5 and the drain electrode 6 are composed of a conductive layer 9 that is a second metal film. In order to form the electrically separated source electrode 5 and drain electrode 6, a third opening H3 penetrating from the surface of the conductive layer 9 to the surface of the insulating film 4 formed on the channel region 10C is formed. . That is, the first upper semiconductor layer 12A and the second upper semiconductor layer 12B are also divided into two by the third opening H3. In other words, in the TFT 52, the pattern of the conductive layer 9 constituting the source electrode 5 and the drain electrode 6 and the pattern of the upper semiconductor layer 12 have substantially the same shape in plan view. As a result, the source electrode 5 and the drain electrode 6 and the lower semiconductor layer 11 are not in contact with each other, and the problem of an increase in off-current can be avoided.
半導体層10におけるソース領域10S,チャネル領域10C,ドレイン領域10Dは、以下の領域となる(図3参照)。すなわち、ソース領域10Sは、第1開口部H1の形成領域とその上部に位置する第1上層半導体層12A、及び第1開口部H1の下部に配置される下層半導体層11、並びに第1開口部H1の上部に配置される第2上層半導体層12Bの領域である。同様にして、ドレイン領域10Dは、第2開口部H2の形成領域とその上部に位置する第1上層半導体層12A、及び第2開口部H2の下部に配置される下層半導体層11、並びに第2開口部H2の上部に配置される第2上層半導体層12Bの領域である。 The source region 10S, the channel region 10C, and the drain region 10D in the semiconductor layer 10 are the following regions (see FIG. 3). That is, the source region 10S includes the formation region of the first opening H1, the first upper semiconductor layer 12A located above the formation region, the lower semiconductor layer 11 disposed below the first opening H1, and the first opening. This is a region of the second upper semiconductor layer 12B disposed on the top of H1. Similarly, the drain region 10D includes the formation region of the second opening H2, the first upper semiconductor layer 12A located above the formation region, the lower semiconductor layer 11 disposed below the second opening H2, and the second This is a region of the second upper semiconductor layer 12B disposed above the opening H2.
チャネル領域10Cは、下層半導体層11のソース領域10Sとドレイン領域10Dに挟まれた領域となる。すなわち、チャネル領域10Cは、下層半導体層11により構成されている。一方、ソース領域10S及びドレイン領域10Dは、前述したように、下層半導体層11、第1上層半導体層12A、第2上層半導体層12Bにより構成されている。ソース領域10S,チャネル領域10C,ドレイン領域10Dは、ゲート電極2の一部と対向配置されている。また、チャネル領域10Cの上層に絶縁膜4を介して第3開口部H3が形成されている。 The channel region 10C is a region sandwiched between the source region 10S and the drain region 10D of the lower semiconductor layer 11. That is, the channel region 10 </ b> C is configured by the lower semiconductor layer 11. On the other hand, as described above, the source region 10S and the drain region 10D are configured by the lower semiconductor layer 11, the first upper semiconductor layer 12A, and the second upper semiconductor layer 12B. The source region 10S, the channel region 10C, and the drain region 10D are arranged to face a part of the gate electrode 2. A third opening H3 is formed above the channel region 10C via the insulating film 4.
ソース電極5及びドレイン電極6は、ゲート絶縁膜3、下層半導体層11、第1上層半導体層12A、第2上層半導体層12Bを介して、ゲート電極2の一部と対向配置されている。すなわち、TFT52として動作するために、薄膜トランジスタ領域が、ゲート電極2上に存在して、ゲート電極2に電圧を印加した時の電界の影響を受けやすい状態とする。換言すると、第1開口部H1を介して、ソース電極5、第2上層半導体層12B及び第1上層半導体層12Aと、下層半導体層11とが接続されている。同様にして、第2開口部H2を介して、ドレイン電極6、第2上層半導体層12B及び第1上層半導体層12Aと、下層半導体層11とが接続されている。 The source electrode 5 and the drain electrode 6 are arranged to face a part of the gate electrode 2 through the gate insulating film 3, the lower semiconductor layer 11, the first upper semiconductor layer 12A, and the second upper semiconductor layer 12B. That is, in order to operate as the TFT 52, the thin film transistor region exists on the gate electrode 2 and is easily affected by an electric field when a voltage is applied to the gate electrode 2. In other words, the source electrode 5, the second upper semiconductor layer 12B, the first upper semiconductor layer 12A, and the lower semiconductor layer 11 are connected via the first opening H1. Similarly, the lower electrode semiconductor layer 11 is connected to the drain electrode 6, the second upper semiconductor layer 12B, the first upper semiconductor layer 12A, and the second opening H2.
本実施形態1に係るTFT52においては、ソース電極5、及びドレイン電極6を構成する導電層9のパターン、及びソース電極5、及びドレイン電極6の間隙である第3開口部H3を合わせた平面視上の形状と、下層半導体層11のパターンの平面視上の形状が、実質的に同一である。また、下層半導体層11とゲート絶縁膜3の各パターンの平面視上の形状が、実施的に同一である。換言すると、ソース電極5及びドレイン電極6を構成する導電層のパターン、及びこれらの間隙である第3開口部H3を合わせた平面視上のパターン形成時に、一括して、半導体層10、絶縁膜4、ゲート絶縁膜3をパターン形成している。これにより、ソース電極5及びドレイン電極6と、下層半導体層11とが接触しない構造となり、オフ電流が大きくなるという問題を回避することができる。また、パターン形成のためのフォトリソグラフィー工程やエッチング工程数を削減することができる。 In the TFT 52 according to the first embodiment, a plan view in which the pattern of the conductive layer 9 constituting the source electrode 5 and the drain electrode 6 and the third opening H3 that is a gap between the source electrode 5 and the drain electrode 6 are combined. The upper shape and the shape of the pattern of the lower semiconductor layer 11 in plan view are substantially the same. Further, the shapes of the respective patterns of the lower semiconductor layer 11 and the gate insulating film 3 in plan view are practically the same. In other words, when forming the pattern of the conductive layer constituting the source electrode 5 and the drain electrode 6 and the pattern in plan view in which the third opening H3 that is a gap between them is formed, the semiconductor layer 10 and the insulating film 4. The gate insulating film 3 is patterned. As a result, the source electrode 5 and the drain electrode 6 and the lower semiconductor layer 11 are not in contact with each other, and the problem of an increase in off-current can be avoided. In addition, the number of photolithography processes and etching processes for pattern formation can be reduced.
なお、「ソース電極5、及びドレイン電極6を構成する導電層9のパターン」とは、TFTアレイ基板51の場合、ソース電極5及びドレイン電極6と同一レイヤに構成される導電層9のパターンである、ソース信号線31等のパターンも含むことを意味する。なお、ゲート絶縁膜3について、ソース電極5及びドレイン電極6を構成する導電層のパターン、及びこれらの間隙である第3開口部H3を合わせた平面視上のパターン形成時に、下層半導体層11と同様にエッチングを行ってもよい。すなわち、ゲート絶縁膜3も下層半導体層11と同一形状となるようにパターン形成してもよい。 In the case of the TFT array substrate 51, the “pattern of the conductive layer 9 constituting the source electrode 5 and the drain electrode 6” is a pattern of the conductive layer 9 configured in the same layer as the source electrode 5 and the drain electrode 6. It also means that a pattern such as a certain source signal line 31 is included. When the gate insulating film 3 is formed with a pattern in a plan view in which the pattern of the conductive layer constituting the source electrode 5 and the drain electrode 6 and the third opening H3 that is a gap between them are formed, Etching may be performed similarly. That is, the gate insulating film 3 may be patterned so as to have the same shape as the lower semiconductor layer 11.
絶縁膜4、ソース電極5、ドレイン電極6の上層には、これらを覆うように不図示のパッシベーション膜が形成されている。画素40の領域に配設されるTFT52においては、パッシベーション膜上に、画素電極(不図示)が形成され、パッシベーション膜に形成されたコンタクトホール(不図示)を介して、ドレイン電極6と画素電極が電気的に接続されている。 A passivation film (not shown) is formed on the insulating film 4, the source electrode 5, and the drain electrode 6 so as to cover them. In the TFT 52 disposed in the region of the pixel 40, a pixel electrode (not shown) is formed on the passivation film, and the drain electrode 6 and the pixel electrode are connected via a contact hole (not shown) formed in the passivation film. Are electrically connected.
次に、図4(a)〜(d)及び図5(e)〜(g)を用いて、本実施形態1に係る薄膜トランジスタの製造方法について説明する。なお、本実施形態1において、画素40内に配設されたスイッチング素子用の薄膜トランジスタと、ゲート駆動回路22及びソース駆動回路32に配置された薄膜トランジスタが同様の構成となっており、両TFTを区別せずにTFT52と表記する。これらは、同時に形成する。 Next, the manufacturing method of the thin film transistor according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 4 (a) to 4 (d) and FIGS. 5 (e) to 5 (g). In the first embodiment, the switching element thin film transistor disposed in the pixel 40 and the thin film transistors disposed in the gate drive circuit 22 and the source drive circuit 32 have the same configuration, and the two TFTs are distinguished from each other. Without being described as TFT52. These are formed simultaneously.
まず、絶縁性基板1上に第1金属膜を成膜し、ゲート電極2を形成する。第1金属膜としては、Al、Mo,Cr、これらを主成分とする合金等を挙げることができる。MoやCrは、高融点材料であるのでより好ましい。第1金属膜は、これらの金属の積層膜としてもよい。ゲート電極2の形成と同時に、ゲート信号線等も形成する。本実施形態1においては、ガラス基板上にアルミ合金膜をスパッタ法で形成し、第1のフォトリソグラフィー工程、エッチング工程、レジスト剥離工程等を経て、所望のパターンを形成した(図4(a)参照)。 First, a first metal film is formed on the insulating substrate 1 to form the gate electrode 2. Examples of the first metal film include Al, Mo, Cr, alloys containing these as main components, and the like. Mo and Cr are more preferable because they are high melting point materials. The first metal film may be a laminated film of these metals. Simultaneously with the formation of the gate electrode 2, a gate signal line and the like are also formed. In the first embodiment, an aluminum alloy film is formed on a glass substrate by a sputtering method, and a desired pattern is formed through a first photolithography process, an etching process, a resist stripping process, and the like (FIG. 4A). reference).
次に、ゲート電極2及び絶縁性基板1上に、プラズマCVD法により、ゲート絶縁膜3と、下層半導体層11である多結晶半導体膜を形成するための非晶質半導体膜を順次連続成膜する(図4(a)参照)。本実施形態1においては、ゲート絶縁膜3として、窒化シリコン(SiNx)を200nm成膜し、次いで、酸化膜(SiO)を50nmの厚さで成膜した。 Next, on the gate electrode 2 and the insulating substrate 1, a gate insulating film 3 and an amorphous semiconductor film for forming a polycrystalline semiconductor film which is the lower semiconductor layer 11 are successively formed by plasma CVD. (See FIG. 4 (a)). In the first embodiment, 200 nm of silicon nitride (SiNx) is formed as the gate insulating film 3, and then an oxide film (SiO) is formed to a thickness of 50 nm.
非晶質シリコン層を成膜後、エキシマレーザ照射時の非晶質シリコン層のアブレーション等を抑制する目的で、400℃程度の温度で脱水処理を行う。そして、非晶質シリコン層に対し、表面に成長した自然酸化膜をフッ酸液等で除去し、間髪入れずに不活性ガス雰囲気中で絶縁膜基板1の上方よりエキシマレーザを照射する。これにより、非晶質シリコン層を多結晶シリコン層に変換する(図4(b)参照)。 After the amorphous silicon layer is formed, dehydration treatment is performed at a temperature of about 400 ° C. for the purpose of suppressing ablation of the amorphous silicon layer during excimer laser irradiation. Then, the natural oxide film grown on the surface is removed from the amorphous silicon layer with a hydrofluoric acid solution or the like, and an excimer laser is irradiated from above the insulating film substrate 1 in an inert gas atmosphere without putting a gap. As a result, the amorphous silicon layer is converted into a polycrystalline silicon layer (see FIG. 4B).
非晶質シリコン層をエキシマレーザにより多結晶シリコン等に変換する場合には、非晶質シリコン層に対するエキシマレーザの吸収係数が106cm−1であるので、エキシマレーザからの照射光の吸収は、非晶質シリコン層表面より7nm程度までの表面付近に限られる。このため、結晶性が不均一となりやすい。換言すると、TFT特性についてばらつきが大きくなりやすい。 When the amorphous silicon layer is converted to polycrystalline silicon or the like by an excimer laser, the absorption coefficient of the excimer laser with respect to the amorphous silicon layer is 10 6 cm −1 , so that the absorption of irradiation light from the excimer laser is It is limited to the vicinity of the surface up to about 7 nm from the surface of the amorphous silicon layer. For this reason, crystallinity tends to be non-uniform. In other words, variations in TFT characteristics tend to increase.
逆スタガ構造のTFTのキャリアである電子の移動経路は、図3の矢印に示すように、レーザ光を照射する側とは反対側に位置するゲート絶縁膜3との界面付近の半導体層に限られる。このため、非晶質シリコン層を結晶化させる際には、ゲート絶縁膜3の界面近傍まで多結晶シリコン等に変換する必要がある。しかしながら、非晶質シリコン層の深さ方向の溶融は、潜熱によって行うため、ゲート絶縁膜3の界面近傍の非晶質シリコン層の結晶化を制御することは難しい。ゲート絶縁膜の界面近傍に、非晶質シリコン層が残ったり、一部に非晶質な部分が存在したりする場合には、TFT特性(電界効果移動度、リーク電流、閾値電圧シフト抑制)が改善されない。 As shown by the arrow in FIG. 3, the movement path of electrons that are carriers of the TFT having the inverted stagger structure is limited to the semiconductor layer near the interface with the gate insulating film 3 located on the side opposite to the laser irradiation side. It is done. For this reason, when the amorphous silicon layer is crystallized, it is necessary to convert it to polycrystalline silicon or the like up to the vicinity of the interface of the gate insulating film 3. However, since the amorphous silicon layer is melted in the depth direction by latent heat, it is difficult to control the crystallization of the amorphous silicon layer near the interface of the gate insulating film 3. TFT characteristics (field effect mobility, leakage current, threshold voltage shift suppression) when an amorphous silicon layer remains in the vicinity of the interface of the gate insulating film or an amorphous part exists in part Is not improved.
そこで、成膜する非晶質シリコン層の膜厚は、30nm以上、50nm以下とすることが好ましい。より好ましい範囲は、面内均一性を考慮して35nm以上、45nm以下である。本実施形態1においては、下層半導体層11の非晶質シリコン層を40nm±5nmの範囲の膜厚になるように成膜した。 Therefore, the thickness of the amorphous silicon layer to be formed is preferably 30 nm or more and 50 nm or less. A more preferable range is 35 nm or more and 45 nm or less in consideration of in-plane uniformity. In the first embodiment, the amorphous silicon layer of the lower semiconductor layer 11 is formed to have a thickness in the range of 40 nm ± 5 nm.
照射エネルギー密度は、非晶質シリコン層が、膜厚方向に対して、一旦は完全に溶融させて再結晶化する下限値と、レーザ照射中にゲート電極2やゲート絶縁膜3に熱ダメージを与えない上限値範囲に設定する。本実施形態1に係る製造条件においては、照射エネルギー密度は、200mJ/cm2以上、300mJ/cm2以下に設定することが好ましい。より好ましい範囲は、結晶粒が安定する250mJ/cm2以上、300mJ/cm2以下である。本実施形態1の条件において、ゲート電極2が損傷する照射エネルギー密度は350mJ/cm2であった。 The irradiation energy density is a lower limit value in which the amorphous silicon layer is once completely melted and recrystallized in the film thickness direction, and the gate electrode 2 and the gate insulating film 3 are thermally damaged during laser irradiation. Set the upper limit value range not to be given. In the manufacturing conditions according to the first embodiment, the irradiation energy density is preferably set to 200 mJ / cm 2 or more and 300 mJ / cm 2 or less. A more preferred range is crystal grains 250 mJ / cm 2 or more to stabilize, it is 300 mJ / cm 2 or less. Under the conditions of the first embodiment, the irradiation energy density for damaging the gate electrode 2 was 350 mJ / cm 2 .
図6に、250mJ/cm2のエキシマレーザ照射後の下層半導体層11表面のAFM像を示す。同図より、100nm程度の円形状粒が密集しているのが確認できる。また、その時の表面粗さ(Ra)は、概ね3nmであった。さらに、図7に、酸化膜上の多結晶シリコンの断面TEM写真を示す。同図より、250mJ/cm2のエキシマレーザ照射において、ゲート絶縁膜3の界面まで非晶質シリコンが結晶化されていることが確認できる。 FIG. 6 shows an AFM image of the surface of the lower semiconductor layer 11 after irradiation with an excimer laser of 250 mJ / cm 2 . From the figure, it can be confirmed that circular grains of about 100 nm are densely packed. Further, the surface roughness (Ra) at that time was approximately 3 nm. Further, FIG. 7 shows a cross-sectional TEM photograph of polycrystalline silicon on the oxide film. From the figure, it can be confirmed that the amorphous silicon is crystallized up to the interface of the gate insulating film 3 in the excimer laser irradiation of 250 mJ / cm 2 .
エキシマレーザ照射によって、非晶質シリコン層を溶融させて所望の多結晶シリコン層を得るためには、前述したようにある程度の照射エネルギー密度が必要となる。その際、下層半導体層11の潜熱(1500K程度)以上の熱がゲート絶縁膜3に伝播する。ゲート絶縁膜3として熱伝導率が大きい窒化シリコン(SiNx)を適用する場合、ゲート電極2に与える熱的影響はごく短時間である。例えば、ゲート電極2として、融点が930K程度のアルミ(Al)合金を用いた場合であっても、ゲート電極2は、ほとんど熱的ダメージを受けない。 In order to obtain a desired polycrystalline silicon layer by melting the amorphous silicon layer by excimer laser irradiation, a certain irradiation energy density is required as described above. At that time, heat equal to or higher than the latent heat (about 1500 K) of the lower semiconductor layer 11 propagates to the gate insulating film 3. When silicon nitride (SiNx) having a high thermal conductivity is applied as the gate insulating film 3, the thermal influence on the gate electrode 2 is very short. For example, even when an aluminum (Al) alloy having a melting point of about 930 K is used as the gate electrode 2, the gate electrode 2 hardly receives thermal damage.
一方、熱伝導率の小さい酸化膜(SiO)をゲート絶縁膜3として適用する場合には、酸化膜の膜厚が200nmを超えると、ゲート電極2に与える熱的影響が無視できない恐れがある。例えば、ゲート電極2として、アルミ(Al)合金を用いた場合、ゲート電極2が融点以上の温度に曝される時間が長くなる。その結果、ゲート電極2が損傷する恐れがある。 On the other hand, when an oxide film (SiO) having a low thermal conductivity is applied as the gate insulating film 3, if the thickness of the oxide film exceeds 200 nm, the thermal influence on the gate electrode 2 may not be ignored. For example, when an aluminum (Al) alloy is used as the gate electrode 2, it takes a long time for the gate electrode 2 to be exposed to a temperature equal to or higher than the melting point. As a result, the gate electrode 2 may be damaged.
すなわち、所望の結晶性を得る照射エネルギー密度と、ゲート電極2が損傷しないような照射エネルギー密度とを両立させる必要がある。ゲート電極2にアルミ合金を用い、多結晶半導体層とゲート絶縁膜3界面との固定電荷を減少させる為に、ゲート絶縁膜3に酸化膜(SiO)を用いる場合、酸化膜の上限膜厚を200nm以下とすることが好ましい。また、多結晶半導体層の結晶性を良好に保つ観点から、酸化膜の下限膜厚を50nm以上とすることが好ましい。勿論、ゲート電極2として高融点材料であるモリブデン(Mo)、クロム(Cr)を用いる場合には、アルミ(Al)合金に比べ、さらに許容温度を上げることができる。すなわち、材料等に応じて、適宜膜厚条件や照射条件等を設定すればよい。 That is, it is necessary to satisfy both the irradiation energy density for obtaining the desired crystallinity and the irradiation energy density that does not damage the gate electrode 2. When an aluminum alloy is used for the gate electrode 2 and an oxide film (SiO) is used for the gate insulating film 3 in order to reduce the fixed charge between the polycrystalline semiconductor layer and the interface of the gate insulating film 3, the upper limit film thickness of the oxide film is set. The thickness is preferably 200 nm or less. In addition, from the viewpoint of keeping the crystallinity of the polycrystalline semiconductor layer favorable, it is preferable that the lower limit film thickness of the oxide film be 50 nm or more. Of course, when the high melting point material molybdenum (Mo) or chromium (Cr) is used as the gate electrode 2, the allowable temperature can be further increased as compared with the aluminum (Al) alloy. That is, film thickness conditions, irradiation conditions, and the like may be set as appropriate in accordance with materials and the like.
次いで、多結晶シリコン層である第1半導体層を、一旦、フッ酸等で洗浄した後、下層半導体層11上に絶縁膜4を形成する(図4(c)参照)。絶縁膜4については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、特に材料の制約はないが、好適な例として、酸化膜(SiO)、窒化シリコン(SiNx)を挙げることができる。絶縁膜4として酸化膜(SiO)を適用した場合と、窒化シリコン(SiNx)を適用した場合について、TFT特性について検討した結果、特に影響がないことを確認した。本実施形態1においては、酸化膜(SiO)とした。 Next, after the first semiconductor layer, which is a polycrystalline silicon layer, is once washed with hydrofluoric acid or the like, the insulating film 4 is formed on the lower semiconductor layer 11 (see FIG. 4C). The insulating film 4 is not particularly limited by materials as long as it does not depart from the spirit of the present invention, but preferred examples include an oxide film (SiO) and silicon nitride (SiNx). As a result of examining TFT characteristics when an oxide film (SiO) is applied as the insulating film 4 and when silicon nitride (SiNx) is applied, it was confirmed that there is no particular influence. In the first embodiment, an oxide film (SiO) is used.
絶縁膜4の膜厚は、少なくとも下層半導体層11の膜厚よりも厚く設定する。その理由は、下層半導体層11の結晶化に伴って、結晶粒表面の凹凸が大きくなり、凸部分がおよそ非晶質シリコン層の際の膜厚程度(凡そ40nm)となるためである。このときの下層半導体層11表面の平均粗さ(Ra)は、3〜4nm程度である。そこで、下層半導体層11表面を十分に被膜するように絶縁膜4は厚膜化することが好ましい。本実施形態1においては、膜厚を100nmとした。 The film thickness of the insulating film 4 is set to be larger than at least the film thickness of the lower semiconductor layer 11. The reason for this is that as the lower semiconductor layer 11 is crystallized, the unevenness of the crystal grain surface becomes larger, and the convex portion is about the thickness of the amorphous silicon layer (approximately 40 nm). At this time, the average roughness (Ra) of the surface of the lower semiconductor layer 11 is about 3 to 4 nm. Therefore, it is preferable to increase the thickness of the insulating film 4 so that the surface of the lower semiconductor layer 11 is sufficiently coated. In the first embodiment, the film thickness is 100 nm.
絶縁膜4は、ソース領域10S、ドレイン領域10Dにおいて、其々、第1開口部H1、第2開口部H2を第2のフォトリソグラフィー工程により形成する。この際、下層半導体層11表面をできるだけ削らないようにエッチングを行う。第1開口部H1、第2開口部H2の寸法精度は第2のフォトリソグラフィー工程で決定される。 In the insulating film 4, the first opening H1 and the second opening H2 are formed in the source region 10S and the drain region 10D, respectively, by a second photolithography process. At this time, etching is performed so as not to cut the surface of the lower semiconductor layer 11 as much as possible. The dimensional accuracy of the first opening H1 and the second opening H2 is determined by the second photolithography process.
続いて、絶縁膜4上に、第1上層半導体層12A、第2上層半導体層12Bを順に成膜する(図4(d)参照)。第1上層半導体層12Aは、前述したように不純物を含まない非晶質シリコン層であり、第2上層半導体層12Bは、不純物を含む非晶質シリコン層である。第2上層半導体層12Bは、例えば、リン(P)ドープしたn型の非晶質シリコン層である。 Subsequently, the first upper semiconductor layer 12A and the second upper semiconductor layer 12B are sequentially formed on the insulating film 4 (see FIG. 4D). As described above, the first upper semiconductor layer 12A is an amorphous silicon layer containing no impurities, and the second upper semiconductor layer 12B is an amorphous silicon layer containing impurities. The second upper semiconductor layer 12B is, for example, a phosphorus (P) doped n-type amorphous silicon layer.
第2上層半導体層12Bに不純物を導入することにより、低抵抗化を図り、ソース電極5及びドレイン電極6のオーミックコンタクト特性を保つことができる。第1上層半導体層12Aと第2上層半導体層12Bを連続成膜することにより、それぞれの膜の接合面のオーミック性を良好に保つことができる。また、製造ばらつきを小さくすることができる。なお、第1上層半導体層12Aと第2上層半導体層12Bは、明確に区別する必要はなく、ソース電極5及びドレイン電極6側に向かうにつれて不純物濃度が高くなるような濃度勾配を有するように形成してもよい。 By introducing impurities into the second upper semiconductor layer 12B, the resistance can be reduced and the ohmic contact characteristics of the source electrode 5 and the drain electrode 6 can be maintained. By continuously forming the first upper semiconductor layer 12A and the second upper semiconductor layer 12B, the ohmic property of the bonding surfaces of the respective films can be kept good. In addition, manufacturing variations can be reduced. The first upper semiconductor layer 12A and the second upper semiconductor layer 12B do not need to be clearly distinguished, and are formed so as to have a concentration gradient such that the impurity concentration increases toward the source electrode 5 and drain electrode 6 sides. May be.
本実施形態1によれば、第1上層半導体層12Aの下面側の大半の接触領域は絶縁膜4であり、下層半導体層11とは第1開口部H1、第2開口部H2の領域において接触する。前述したように、多結晶半導体層と非晶質半導体層の接合部においては、その界面が剥離しやすいという問題があった。本実施形態1によれば、下層半導体層11と第1上層半導体層12Aの接触領域の縮小化を図ることにより、界面の剥離を抑制することができる。その結果、歩留まりの低下を防止することができる。 According to the first embodiment, most of the contact region on the lower surface side of the first upper semiconductor layer 12A is the insulating film 4, and contacts the lower semiconductor layer 11 in the regions of the first opening H1 and the second opening H2. To do. As described above, there is a problem in that the interface between the polycrystalline semiconductor layer and the amorphous semiconductor layer easily peels off. According to the first embodiment, the contact region between the lower semiconductor layer 11 and the first upper semiconductor layer 12A can be reduced to suppress the peeling of the interface. As a result, it is possible to prevent a decrease in yield.
続いて、ソース電極5、ドレイン電極6を形成するための第2金属膜である導電層9をスパッタ法で成膜する。この導電層9には、ゲート電極2と同様に、Al、CrやMo、これらを含む合金等の材料を用いることができる。積層膜により構成することも可能である。成膜後、この導電層9上に膜厚方向に段差構造を有する第1のレジストパターン17を形成する(図5(e)参照)。 Subsequently, a conductive layer 9 which is a second metal film for forming the source electrode 5 and the drain electrode 6 is formed by sputtering. For the conductive layer 9, similarly to the gate electrode 2, a material such as Al, Cr, Mo, or an alloy containing them can be used. It is also possible to configure with a laminated film. After the film formation, a first resist pattern 17 having a step structure in the film thickness direction is formed on the conductive layer 9 (see FIG. 5E).
第1のレジストパターン17は、公知のハーフトーン露光技術やグレートーン露光技術を適用することにより得ることができる。具体的には、第3開口部H3の形成領域に対応する領域の膜厚が、ソース電極5及びドレイン電極6を形成する領域の膜厚に比して薄くなるようなパターンとする。次いで、第1のレジストパターン17をマスクとして、エッチング処理により、導電膜9、第2上層半導体層12B、第1上層半導体層12A、絶縁膜4、下層半導体層11をエッチングする。これにより、図5(f)に示すように、第1のレジストパターン17がマスキングされていない領域において、導電膜9、第2上層半導体層12B、第1上層半導体層12A、絶縁膜4、下層半導体層11が除去される。 The first resist pattern 17 can be obtained by applying a known halftone exposure technique or gray tone exposure technique. Specifically, a pattern is set such that the film thickness of the region corresponding to the formation region of the third opening H3 is thinner than the film thickness of the region where the source electrode 5 and the drain electrode 6 are formed. Next, the conductive film 9, the second upper semiconductor layer 12B, the first upper semiconductor layer 12A, the insulating film 4, and the lower semiconductor layer 11 are etched by an etching process using the first resist pattern 17 as a mask. As a result, as shown in FIG. 5F, in the region where the first resist pattern 17 is not masked, the conductive film 9, the second upper semiconductor layer 12B, the first upper semiconductor layer 12A, the insulating film 4, and the lower layer The semiconductor layer 11 is removed.
次いで、第1のレジストパターン17の膜厚の厚い部分がパターンとして残るように、アッシングにより一律に膜厚を減じる。これにより、第2のレジストパターン18を得る。第2のレジストパターン18は、第3開口部H3の形成領域に対応する領域の導電層9の表面が露出するパターンを有する。そして、第2のレジストパターン18をマスクとして、エッチングにより第3開口部H3を形成する。これにより、図5(g)に示すように、所望の形状のソース電極5、ドレイン電極6のパターン、第3開口部H3等を得る。 Next, the film thickness is uniformly reduced by ashing so that the thick part of the first resist pattern 17 remains as a pattern. Thereby, the second resist pattern 18 is obtained. The second resist pattern 18 has a pattern in which the surface of the conductive layer 9 in a region corresponding to the formation region of the third opening H3 is exposed. Then, the third opening H3 is formed by etching using the second resist pattern 18 as a mask. As a result, as shown in FIG. 5G, a pattern of the source electrode 5 and the drain electrode 6 having a desired shape, the third opening H3, and the like are obtained.
その後、ゲート絶縁膜3、チャネル領域10C、ソース電極5、及びドレイン電極6を覆うように、プラズマCVD法等によりパッシベーション膜を形成する。パッシベーション膜としては、例えば窒化シリコンを用いることができる。上記工程等を経て、TFT52が完成する。 Thereafter, a passivation film is formed by plasma CVD or the like so as to cover the gate insulating film 3, the channel region 10C, the source electrode 5, and the drain electrode 6. For example, silicon nitride can be used as the passivation film. Through the above steps, the TFT 52 is completed.
ゲート駆動回路22やソース駆動回路32に用いるTFTは、常時動作しているものである。このため、非晶質シリコン層からなるTFTをゲート駆動回路22やソース駆動回路32に用いると、連続動作が長時間に及ぶことによってVthシフトが発生し、正常な駆動動作をしなくなるという問題があった。すなわち、正常な表示ができなくなってしまうという問題があった。そのため、ゲート駆動回路22やソース駆動回路32の動作には、外付けのICチップを用いていた。 The TFTs used for the gate drive circuit 22 and the source drive circuit 32 are always operating. For this reason, when a TFT made of an amorphous silicon layer is used for the gate drive circuit 22 and the source drive circuit 32, there is a problem that a Vth shift occurs due to continuous operation for a long time and normal drive operation is not performed. there were. That is, there is a problem that normal display cannot be performed. Therefore, an external IC chip is used for the operation of the gate drive circuit 22 and the source drive circuit 32.
本実施形態1に係るTFT52によれば、ゲート絶縁膜との界面近傍の半導体層を多結晶化している。これにより、優れたオン電流を提供することができる。換言すると、電界効果移動度(μ)を高めることができる。また、結晶化させたシリコン層やその界面では、トラップ密度や欠陥準位を低減することができる。その結果、長時間動作させた際の閾値電圧シフト(Vthシフト)を、従来の非晶質シリコン層を用いる場合に比して、大幅に抑えることができる。 In the TFT 52 according to the first embodiment, the semiconductor layer in the vicinity of the interface with the gate insulating film is polycrystallized. Thereby, an excellent on-current can be provided. In other words, the field effect mobility (μ) can be increased. Further, trap density and defect level can be reduced in the crystallized silicon layer and its interface. As a result, the threshold voltage shift (Vth shift) when operated for a long time can be significantly suppressed as compared with the case where a conventional amorphous silicon layer is used.
本実施形態1に係るTFTによれば、優れたオン電流特性と、優れたオフ電流特性を兼ね備え、かつ、長時間動作させた場合の閾値電圧シフトを抑制することができる。これらの特性を兼ね備え、かつ、歩留まり向上を実現できるため、生産時の安定性が増す。さらに、多結晶シリコン層を概ね100nm以下の微結晶粒からなる多結晶シリコンとすることにより20%以下程度に結晶粒径のばらつきを抑え、結晶性を均一化できる。また、同時にさらなるオフ電流の低減を実現できる。その結果、スイッチング素子用のTFTとして要求される表示面内でのトランジスタ特性の均一化と、オフ電流特性の向上を実現して、表示特性の高品質化を図ることができる。換言すると、周辺駆動回路用のTFTと、スイッチング素子用のTFTに求められる特性を同時に満足させることができる。また、非晶質シリコン層をエキシマレーザにより多結晶シリコン層に変換し微結晶シリコンを得る際にも、概ね100nm以下の微結晶シリコンを得るための適正なレーザエネルギーの範囲が、一般的な多結晶シリコンを得るための適正なレーザエネルギーの範囲と比較して数倍程度に広いことから、安定して製造することが可能である。 The TFT according to the first embodiment has excellent on-current characteristics and excellent off-current characteristics, and can suppress a threshold voltage shift when operated for a long time. Since these characteristics are combined and the yield can be improved, the stability during production increases. Furthermore, the polycrystalline silicon layer is made of polycrystalline silicon having fine crystal grains of approximately 100 nm or less, so that variation in crystal grain size can be suppressed to about 20% or less, and crystallinity can be made uniform. At the same time, further reduction of off-current can be realized. As a result, it is possible to achieve uniform transistor characteristics in the display surface required for TFTs for switching elements and to improve off-current characteristics, thereby improving the display characteristics. In other words, the characteristics required for the TFT for the peripheral drive circuit and the TFT for the switching element can be satisfied at the same time. In addition, when an amorphous silicon layer is converted into a polycrystalline silicon layer by an excimer laser to obtain microcrystalline silicon, an appropriate laser energy range for obtaining microcrystalline silicon of approximately 100 nm or less is generally used. Since it is several times wider than the appropriate laser energy range for obtaining crystalline silicon, it can be stably manufactured.
周辺駆動回路用のTFTとスイッチング素子用のTFTを同一基板上に同時に形成することにより、ICチップの部品点数を減らすことが可能となる。すなわち、減量化、軽量化、さらには小型化の実現が期待できる。従って、本発明は、同一基板上に周辺駆動回路用のTFTと画素内のスイッチング素子用のTFTを同時形成する用途に、特に好適に適用することができる。無論、本発明の薄膜トランジスタを、これらの用途以外に用いることができることは言うまでもない。 By simultaneously forming the TFT for the peripheral drive circuit and the TFT for the switching element on the same substrate, the number of parts of the IC chip can be reduced. That is, it can be expected to realize weight reduction, weight reduction, and further miniaturization. Therefore, the present invention can be particularly suitably applied to an application in which a TFT for a peripheral drive circuit and a TFT for a switching element in a pixel are simultaneously formed on the same substrate. Of course, it goes without saying that the thin film transistor of the present invention can be used for other purposes.
上記特許文献2においては、ソース電極105、ドレイン電極106と、多結晶シリコン層である下層半導体層111側壁が直接接触している構造を採用していた。一方、本実施形態1に係るTFT52においては、ソース電極5及びドレイン電極6と下層半導体層11とが直接接触しない構造を採用している。その結果、特に、ドレイン側に印加電圧をかけた際に発生する電界による電流が、ドレイン電極6側にリークし難くなる。すなわち、オフ電流を抑制することが可能となる。また、レーザ光照射により非晶質シリコン層を多結晶シリコン層に変換する方式を採用することにより、オフ電流、及びそのばらつきを低減することができる。 In Patent Document 2, a structure in which the source electrode 105 and the drain electrode 106 and the side wall of the lower semiconductor layer 111 that is a polycrystalline silicon layer are in direct contact is employed. On the other hand, the TFT 52 according to the first embodiment employs a structure in which the source electrode 5 and the drain electrode 6 and the lower semiconductor layer 11 are not in direct contact. As a result, in particular, current due to an electric field generated when an applied voltage is applied to the drain side is less likely to leak to the drain electrode 6 side. That is, the off current can be suppressed. Further, by adopting a method in which an amorphous silicon layer is converted into a polycrystalline silicon layer by laser light irradiation, off-state current and variations thereof can be reduced.
さらに、上記特許文献3のように、結晶化したシリコン層の表面全面に、非晶質シリコン層を積層せず、絶縁膜4の開口部H1,H2を介してこれらを接続する構造を採用しているので、良好なコンタクト抵抗を維持できる。また、これらの界面における密着力低下の問題を改善することができ、歩留まり向上を図ることができる。 Further, as in Patent Document 3, an amorphous silicon layer is not laminated on the entire surface of the crystallized silicon layer, and a structure in which these are connected through the openings H1 and H2 of the insulating film 4 is adopted. Therefore, good contact resistance can be maintained. Further, the problem of decrease in adhesion at these interfaces can be improved, and the yield can be improved.
本実施形態1に係るTFT52の製造方法によれば、駆動用ICを別途に実装させる場合に比して生産性向上、コスト削減を図ることができる。また、実装時の品質ロスの発生を防止することができる。しかも、本実施形態1によれば、ソース電極/ドレイン電極形成までのマスク枚数を上記特許文献3に比して1枚削減し、バックチャネルエッチ型のTFTと同様のマスク枚数により製造することができる。また、バックチャネルエッチ型の場合、チャネル領域にプラズマダメージが残るという問題があったが、本実施形態1によれば、チャネル領域に絶縁膜4を積層しているので、前記問題を解決することができる。また、新たな製造装置を導入せずに、既存の製造装置により製造可能であるというメリットも有する。 According to the manufacturing method of the TFT 52 according to the first embodiment, productivity can be improved and cost can be reduced as compared with the case where the driving IC is separately mounted. Further, it is possible to prevent quality loss during mounting. Moreover, according to the first embodiment, the number of masks until the formation of the source electrode / drain electrode is reduced by one as compared with the above-mentioned Patent Document 3, and the mask can be manufactured with the same number of masks as the back channel etch type TFT. it can. Further, in the case of the back channel etch type, there is a problem that plasma damage remains in the channel region. However, according to the first embodiment, since the insulating film 4 is laminated in the channel region, the above problem can be solved. Can do. Moreover, it has the merit that it can manufacture with the existing manufacturing apparatus, without introducing a new manufacturing apparatus.
以上のことから、本発明を適用することにより、TFT性能向上、信頼性向上、歩留まり向上、及び品質向上を兼ね備えた薄膜トランジスタ、薄膜トランジスタアレイ基板、表示装置及びその製造方法を提供することができる。また、低コスト化も実現することができる。 From the above, by applying the present invention, it is possible to provide a thin film transistor, a thin film transistor array substrate, a display device, and a method for manufacturing the same, which have improved TFT performance, improved reliability, improved yield, and improved quality. Also, cost reduction can be realized.
なお、レーザアニールの光源としてエキシマレーザを用いる例について述べたが、これに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において他の方法により多結晶半導体層を得ることができる。例えば、エキシマレーザに代えてYAGレーザを照射してもよい。YAGレーザの第2高調波を用いることにより、深さ方向に対して結晶化を効率的に進行させることができる。 In addition, although the example which uses an excimer laser as a light source of laser annealing was described, it is not limited to this, A polycrystalline semiconductor layer can be obtained by another method in the range which does not deviate from the meaning of this invention. For example, a YAG laser may be irradiated instead of the excimer laser. By using the second harmonic of the YAG laser, crystallization can proceed efficiently in the depth direction.
また、本実施形態1においては、非晶質半導体層として非晶質シリコンの例を、多結晶半導体層として多結晶シリコンを例にとり説明したが、これに限定されるものではなく、本件発明を他の半導体層に広く適用することができる。また、TFT特性を更に向上するために、シリコン界面の結晶欠陥の回復処理や膜中の欠陥準位低減のための熱処理を行ってもよい。 In the first embodiment, an example of amorphous silicon as an amorphous semiconductor layer and polycrystalline silicon as an example of a polycrystalline semiconductor layer have been described. However, the present invention is not limited to this example. It can be widely applied to other semiconductor layers. In order to further improve the TFT characteristics, a crystal defect recovery treatment at the silicon interface or a heat treatment for reducing the defect level in the film may be performed.
また、本実施形態1においては、TFTアレイ基板を液晶表示装置に搭載した例について述べたが、これに限定されるものではなく、EL表示装置(有機EL表示装置、無機EL表示装置)等の平面型表示装置(フラットパネルディスプレイ)に好適に搭載することができる。有機EL表示装置の場合、TFTアレイ基板上に、画素電極であるアノード電極、対向電極であるカソード電極を設ける。また、アノード電極とカソード電極との間には、有機層が配置される。なお、画素電極をアノード電極とするか、カソード電極とするかは、光学的な設計により適宜選択すればよい。 In the first embodiment, an example in which a TFT array substrate is mounted on a liquid crystal display device has been described. However, the present invention is not limited to this, and an EL display device (organic EL display device, inorganic EL display device) or the like is used. It can be suitably mounted on a flat display device (flat panel display). In the case of an organic EL display device, an anode electrode as a pixel electrode and a cathode electrode as a counter electrode are provided on a TFT array substrate. An organic layer is disposed between the anode electrode and the cathode electrode. Note that whether the pixel electrode is an anode electrode or a cathode electrode may be appropriately selected depending on the optical design.
アノード電極とカソード電極との間に電流を供給することによって、アノード電極からは正孔が、カソード電極からは電子がそれぞれ有機層に注入されて再結合する。その際に生ずるエネルギーにより有機層内の発光性化合物の分子が励起される。励起された分子は基底状態に失活し、その過程において有機層が発光する。そして、有機層から発光された光は、視認側に出射する。有機EL素子に所望の電流を伝播するために駆動回路やスイッチング素子、補正回路が必要となり、複数のTFTが形成されている。特にこれらのTFTの駆動能力や閾値電圧の変動の低減が要求されている。従って、本件発明は、有機EL表示装置に搭載するTFTアレイ基板として特に有効である。 By supplying a current between the anode electrode and the cathode electrode, holes are injected from the anode electrode and electrons are injected from the cathode electrode into the organic layer to recombine. The molecules of the luminescent compound in the organic layer are excited by the energy generated at that time. The excited molecules are deactivated to the ground state, and the organic layer emits light in the process. Then, the light emitted from the organic layer is emitted to the viewing side. In order to propagate a desired current to the organic EL element, a drive circuit, a switching element, and a correction circuit are required, and a plurality of TFTs are formed. In particular, it is required to reduce fluctuations in driving capability and threshold voltage of these TFTs. Therefore, the present invention is particularly effective as a TFT array substrate mounted on an organic EL display device.
[実施形態2]
次に、上記実施形態とは異なる構造のTFTの一例について説明する。なお、以降の説明において、上記実施形態と同一の要素部材は同一の符号を付し、適宜その説明を省略する。
[Embodiment 2]
Next, an example of a TFT having a structure different from that of the above embodiment will be described. In the following description, the same elements as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted as appropriate.
本実施形態2に係るTFTは、以下の点を除く基本的な構成、及び製造方法は上記実施形態1と同様である。すなわち、上記実施形態1に係る下層半導体層11は、全領域において、成膜した非晶質シリコン層を多結晶シリコン層に変換することにより形成していたが、本実施形態2に係る下層半導体層は、第1開口部H1、第2開口部H2、チャネル領域10Cと対向する下層半導体層11aのみ、非晶質シリコン層から多結晶シリコン層に変換することにより形成している点において相違する。 The basic structure and manufacturing method of the TFT according to the second embodiment are the same as those of the first embodiment except for the following points. That is, the lower semiconductor layer 11 according to the first embodiment is formed by converting the formed amorphous silicon layer into a polycrystalline silicon layer in the entire region, but the lower semiconductor according to the second embodiment. The layers are different in that only the lower semiconductor layer 11a facing the first opening H1, the second opening H2, and the channel region 10C is formed by converting the amorphous silicon layer to the polycrystalline silicon layer. .
図8に、本実施形態2に係るTFT近傍の模式的断面図を示す。TFT52aの下層半導体層11aは、前述したように、チャネル領域10C、及び第1開口部H1、第2開口部H2と対向する領域を、非晶質シリコン層から多結晶シリコン層Aに変換し、他の領域は、非晶質シリコン層11Bにより構成している。具体的には、エキシマレーザをチャネル領域10C、及び第1開口部H1と第2開口部H2と対向する下層半導体層11aに選択的に照射することにより、上記構成を得る。レーザ光の選択的照射は、例えば、メタルマスクを用いることにより簡便に行うことができる。 FIG. 8 is a schematic cross-sectional view in the vicinity of the TFT according to the second embodiment. As described above, the lower semiconductor layer 11a of the TFT 52a converts the channel region 10C and the regions facing the first opening H1 and the second opening H2 from the amorphous silicon layer to the polycrystalline silicon layer A, The other region is constituted by the amorphous silicon layer 11B. Specifically, the above configuration is obtained by selectively irradiating the excimer laser to the channel region 10C and the lower semiconductor layer 11a facing the first opening H1 and the second opening H2. The selective irradiation of the laser beam can be easily performed by using, for example, a metal mask.
本実施形態2によれば、下層半導体層11aのチャネル領域10C,ソース領域10S,ドレイン領域10Dを多結晶シリコン層としているので、上記実施形態1と同様の効果を得ることができる。 According to the second embodiment, since the channel region 10C, the source region 10S, and the drain region 10D of the lower semiconductor layer 11a are the polycrystalline silicon layers, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
なお、本実施形態2に係る下層半導体層11aにおいては、チャネル領域10C、及び第1開口部H1、第2開口部H2と対向する下層半導体層11aを非晶質シリコン層から多結晶シリコン層に変換する例について述べたが、チャネル領域10Cを構成する下層半導体層11a、並びに、第1開口部H1のうちのチャネル領域10Cから延設された少なくとも一部、及び第2開口部H2のうちのチャネル領域10Cから延設された少なくとも一部と対向する下層半導体層11aが多結晶半導体層であればよい。 In the lower semiconductor layer 11a according to the second embodiment, the channel region 10C and the lower semiconductor layer 11a facing the first opening H1 and the second opening H2 are changed from an amorphous silicon layer to a polycrystalline silicon layer. Although an example of conversion is described, the lower semiconductor layer 11a constituting the channel region 10C, at least a part extending from the channel region 10C of the first opening H1, and the second opening H2 The lower semiconductor layer 11a facing at least a part extending from the channel region 10C may be a polycrystalline semiconductor layer.
上記実施形態1及び2においては、画素40内に配設されたスイッチング素子用のTFTと、ゲート駆動回路22等の周辺駆動回路に配設されたTFTが同様の構成である例について述べたが、これに限定されるものではない。例えば、同一のTFTアレイ基板内で、周辺駆動回路のTFTの下層半導体層11のみに選択的にレーザ照射を行って多結晶半導体層に変換し、スイッチング素子用のTFTは非晶質半導体層のまま適用してもよい。 In the first and second embodiments, the switching element TFT disposed in the pixel 40 and the TFT disposed in the peripheral driving circuit such as the gate driving circuit 22 have the same configuration. However, the present invention is not limited to this. For example, in the same TFT array substrate, only the lower semiconductor layer 11 of the peripheral drive circuit TFT is selectively irradiated with laser to be converted into a polycrystalline semiconductor layer, and the switching element TFT is formed of an amorphous semiconductor layer. You may apply as it is.
また、上記実施形態1及び2においては、ソース電極/ドレイン電極の上層に形成するレジストパターンとして、ハーフトーン露光技術等を適用することにより膜厚方向に段差構造を有するものを用いたが、通常のレジストパターンによりパターン形成するものを排除するものではない。また、下層半導体層11の多結晶半導体層を得る方法として、レーザアニール法を適用する例について述べたが、求められる特性に応じて、直接、多結晶半導体層、若しくは微結晶半導体層を積層する方法を適用してもよい。 In the first and second embodiments, the resist pattern formed on the upper layer of the source electrode / drain electrode is a resist pattern having a step structure in the film thickness direction by applying a halftone exposure technique or the like. It does not exclude what forms a pattern with the resist pattern. Further, an example in which a laser annealing method is applied as a method for obtaining a polycrystalline semiconductor layer of the lower semiconductor layer 11 has been described. However, a polycrystalline semiconductor layer or a microcrystalline semiconductor layer is directly stacked depending on required characteristics. A method may be applied.
1 絶縁性基板
2 ゲート電極
3 ゲート絶縁膜
4 絶縁膜
5 ソース電極
6 ドレイン電極
9 導電膜
10 半導体層
11 下層半導体層
12 上層半導体層
12A 第1上層半導体層
12B 第2上層半導体層
17 第1レジストパターン
18 第2レジストパターン
21 ゲート信号線
22 ゲート駆動回路
24 蓄積容量配線
31 ソース信号線
32 ソース駆動回路
33 配線基板
40 画素
45 表示領域
46 額縁領域
50 液晶表示装置
51 薄膜トランジスタアレイ基板
52 TFT
55 マザー基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Insulating substrate 2 Gate electrode 3 Gate insulating film 4 Insulating film 5 Source electrode 6 Drain electrode 9 Conductive film 10 Semiconductor layer 11 Lower layer semiconductor layer 12 Upper layer semiconductor layer 12A First upper layer semiconductor layer 12B Second upper layer semiconductor layer 17 First resist Pattern 18 Second resist pattern 21 Gate signal line 22 Gate drive circuit 24 Storage capacitor wiring 31 Source signal line 32 Source drive circuit 33 Wiring substrate 40 Pixel 45 Display region 46 Frame region 50 Liquid crystal display device 51 Thin film transistor array substrate 52 TFT
55 Mother board
Claims (11)
前記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜の上層に下層半導体層が形成され、
前記ソース電極/ドレイン電極の下層に上層半導体層が形成され、
前記下層半導体層と、前記上層半導体層の間には、ソース領域/ドレイン領域に開口部を有する絶縁膜が形成され、
前記開口部を介して、前記下層半導体層と前記上層半導体層が接続され、
前記下層半導体層のうち、少なくとも前記ソース領域/ドレイン領域の間に配置されるチャネル領域、及び前記開口部と対向する領域のうちの前記チャネル領域から延設された少なくとも一部の領域は、多結晶半導体層であり、
前記上層半導体層は、非晶質半導体層である薄膜トランジスタ。 A thin film transistor in which a gate electrode and a part of a source electrode / drain electrode are arranged to face each other via a semiconductor layer,
A lower semiconductor layer is formed on an upper layer of the gate insulating film formed on the gate electrode;
An upper semiconductor layer is formed under the source / drain electrodes,
Between the lower semiconductor layer and the upper semiconductor layer, an insulating film having an opening in the source region / drain region is formed,
The lower semiconductor layer and the upper semiconductor layer are connected via the opening,
Of the lower semiconductor layer, at least a channel region disposed between the source region / drain region, and at least a part of the region extending from the channel region in a region facing the opening, A crystalline semiconductor layer,
The upper semiconductor layer is a thin film transistor which is an amorphous semiconductor layer.
前記下層半導体層と接する層は、膜厚が50nm以上、200nm以下の酸化膜により構成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。 The gate insulating film is a laminated film,
5. The thin film transistor according to claim 1, wherein the layer in contact with the lower semiconductor layer is formed of an oxide film having a thickness of 50 nm to 200 nm.
前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を成膜し、
前記ゲート絶縁膜上に、下層半導体層を形成し、
前記下層半導体層上に、ソース領域/ドレイン領域に開口部を有する絶縁膜を形成し、
前記絶縁膜上に、上層半導体層を成膜し、
前記上層半導体層上に前記ソース電極/ドレイン電極を形成するための導電層を成膜し、
前記導電層上に、厚み方向に段差構造を有する第1のレジストパターンを形成し、
前記第1のレジストパターンを利用して前記ソース電極/ドレイン電極、前記上層半導体層、前記絶縁膜、前記下層半導体層をパターン形成し、
前記第1のレジストパターンの膜厚の厚い部分がパターンとして残るように第2のレジストパターンを形成し、
前記第2のレジストパターンをマスクとして、前記導電層及び前記上層半導体層を分断することにより、前記ソース電極/ドレイン電極、及びソース領域/ドレイン領域を形成する工程を備え、
前記下層半導体層は、チャネル領域と、当該チャネル領域から延設された前記ソース領域/ドレイン領域の少なくとも一部の領域とが多結晶半導体層となるように形成する薄膜トランジスタの製造方法。 A method of manufacturing a thin film transistor in which a gate electrode and a part of a source electrode / drain electrode are arranged to face each other through a semiconductor layer,
Forming a gate insulating film on the gate electrode;
Forming a lower semiconductor layer on the gate insulating film;
Forming an insulating film having an opening in a source region / drain region on the lower semiconductor layer;
An upper semiconductor layer is formed on the insulating film,
Forming a conductive layer on the upper semiconductor layer to form the source / drain electrodes;
A first resist pattern having a step structure in the thickness direction is formed on the conductive layer,
Patterning the source / drain electrodes, the upper semiconductor layer, the insulating film, and the lower semiconductor layer using the first resist pattern;
Forming a second resist pattern so that a thick portion of the first resist pattern remains as a pattern;
Forming the source electrode / drain electrode and the source region / drain region by dividing the conductive layer and the upper semiconductor layer using the second resist pattern as a mask,
The method of manufacturing a thin film transistor, wherein the lower semiconductor layer is formed such that a channel region and at least a part of the source region / drain region extending from the channel region become a polycrystalline semiconductor layer.
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