JP2010165922A - Field effect transistor, method for manufacturing field effect transistor and method for manufacturing semiconductor element - Google Patents

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Kiminori Yano
公規 矢野
Kazuyoshi Inoue
一吉 井上
Shigekazu Tomai
重和 笘井
Masashi Kasami
雅司 笠見
Hirokazu Kawashima
浩和 川嶋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a field effect transistor with high cut-off frequency. <P>SOLUTION: The field effect transistor includes a semiconductor layer 13 containing an oxide, and a protective layer 16 of the semiconductor layer. An etching rate of the semiconductor layer to the following A or B is 1/2 of an etching rate of a silicon dioxide or below. A is a wet etching liquid containing a hydrofluoric acid of 10 mass%, and B is a wet etching liquid containing an ammonium fluoride of 15 mass%. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、電界効果型トランジスタ、半導体素子の製造方法及び電界効果型トランジスタの製造方法に関する。   The present invention relates to a field effect transistor, a method for manufacturing a semiconductor element, and a method for manufacturing a field effect transistor.

電界効果型トランジスタは、半導体メモリ集積回路の単位電子素子、高周波信号増幅素子、液晶駆動用素子等として広く用いられており、現在、最も多く実用化されている電子デバイスである。   Field effect transistors are widely used as unit electronic elements, high frequency signal amplifying elements, liquid crystal driving elements and the like of semiconductor memory integrated circuits, and are the most widely used electronic devices at present.

そのなかでも、近年における表示装置のめざましい発展に伴い、液晶表示装置(LCD)のみならず、エレクトロルミネッセンス表示装置(EL)や、フィールドエミッションディスプレイ(FED)等の各種の表示装置において、表示素子に駆動電圧を印加して表示装置を駆動させるスイッチング素子として、薄膜トランジスタ(TFT)が多用されている。   Among them, with the remarkable development of display devices in recent years, not only liquid crystal display devices (LCD) but also various display devices such as electroluminescence display devices (EL) and field emission displays (FED) are used as display elements. Thin film transistors (TFTs) are frequently used as switching elements that drive a display device by applying a driving voltage.

TFTの材料としては、シリコン半導体化合物が最も広く用いられている。一般に、高速動作が必要な高周波増幅素子、集積回路用素子等には、シリコン単結晶が用いられ、液晶駆動用素子等には、大面積化の要求からアモルファスシリコンが用いられている。   As a material for TFT, a silicon semiconductor compound is most widely used. In general, a silicon single crystal is used for a high-frequency amplifier element, an integrated circuit element, and the like that require high-speed operation, and amorphous silicon is used for a liquid crystal driving element and the like because of a demand for a large area.

しかしながら、結晶性のシリコン系薄膜は、結晶化を図る際に、例えば、800℃以上の高温が必要であるため、ガラス基板上や有機物基板上への構成が困難である。このため、シリコンウェハーや石英等の耐熱性の高い高価な基板上にしか形成できなかった。また、製造に際して多大なエネルギーと工程数を要する等の問題があった。
また、結晶性のシリコン系薄膜は、通常TFTの素子構成がトップゲート構成に限定されるため、マスク枚数の削減等によるコストダウンが困難であった。
However, a crystalline silicon-based thin film requires a high temperature of, for example, 800 ° C. or higher when crystallization is performed, so that it is difficult to construct on a glass substrate or an organic substrate. For this reason, it could be formed only on an expensive substrate having high heat resistance such as a silicon wafer or quartz. In addition, there is a problem that a great deal of energy and the number of processes are required for the production.
In addition, a crystalline silicon-based thin film is usually difficult to reduce costs by reducing the number of masks and the like because the element configuration of the TFT is limited to a top gate configuration.

一方、比較的低温で形成できる非晶性のシリコン半導体(アモルファスシリコン)は、結晶性のものに比べてスイッチング速度が遅いため、表示装置を駆動するスイッチング素子として使用したときに、高速な動画の表示に追従できない場合がある。   On the other hand, amorphous silicon semiconductors (amorphous silicon) that can be formed at a relatively low temperature have a lower switching speed than crystalline ones. Therefore, when used as a switching element for driving a display device, a high-speed moving image The display may not be followed.

尚、現在、表示装置を駆動させるスイッチング素子としては、シリコン系の半導体膜を用いた素子が主流を占めているが、それは、シリコン薄膜の安定性、加工性の良さの他、スイッチング速度が速い等、種々の性能が良好なためである。そして、このようなシリコン系薄膜は、一般に化学蒸気析出法(CVD)法により製造されている。   Currently, as a switching element for driving a display device, an element using a silicon-based semiconductor film occupies the mainstream, but it has a high switching speed in addition to the stability and workability of a silicon thin film. This is because various performances are good. Such silicon-based thin films are generally manufactured by a chemical vapor deposition (CVD) method.

また、従来のTFTは、ガラス等の基板上にゲ−ト電極、ゲ−ト絶縁層、水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)等の半導体層、ソ−ス及びドレイン電極を積層した逆スタガ構造のものがある。このTFTは、イメ−ジセンサを始め、大面積デバイスの分野において、アクティブマトリスク型の液晶ディスプレイに代表されるフラットパネルディスプレイ等の駆動素子として用いられている。これらの用途では、ドライバ回路等の周辺回路の高精細化、高周波数化、大画面化に伴う作動の高速化が求められてきている。   A conventional TFT has a reverse structure in which a gate electrode, a gate insulating layer, a semiconductor layer such as hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H), a source and a drain electrode are laminated on a substrate such as glass. There is a staggered structure. The TFT is used as a driving element for a flat panel display represented by an active matrix type liquid crystal display in the field of large area devices including image sensors. In these applications, there has been a demand for high-speed operation due to high definition, high frequency, and large screen of peripheral circuits such as driver circuits.

このような状況下、近年にあっては、シリコン系半導体薄膜よりも安定性が優れるものとして、金属酸化物からなる透明半導体薄膜が注目されている。一般に、酸化物結晶の電子移動度は、金属イオンのs軌道の重なりが大きくなるほど大きくなり、原子番号の大きなZn,In,Snの酸化物結晶は、0.1から200cm/Vsの大きな電子移動度を持つ。さらに、酸化物では、酸素と金属イオンとがイオン結合しているために、化学結合の方向性がなく、結合の方向が不均一な非晶質状態でも、結晶状態の移動度に近い電子移動度を有することが可能となる。そのため、Si系半導体と異なり、金属酸化物は非晶質でも電界効果移動度の高いトランジスタを作ることが可能である。
上記の利点から、Zn,In,Snを含む結晶質・非晶質の金属酸化物を用いた様々な半導体デバイスや、それを用いた回路等が検討されている。
Under such circumstances, in recent years, a transparent semiconductor thin film made of a metal oxide has been attracting attention as being more stable than a silicon-based semiconductor thin film. In general, the electron mobility of an oxide crystal increases as the s orbital overlap of metal ions increases, and a Zn, In, Sn oxide crystal having a large atomic number has a large electron of 0.1 to 200 cm 2 / Vs. Has mobility. In addition, in an oxide, since oxygen and metal ions are ionically bonded, there is no direction of chemical bonding, and even in an amorphous state where the bonding direction is not uniform, electron mobility close to the mobility of the crystalline state It is possible to have a degree. Therefore, unlike a Si-based semiconductor, a transistor with high field-effect mobility can be formed even if the metal oxide is amorphous.
Because of the above advantages, various semiconductor devices using crystalline / amorphous metal oxides containing Zn, In, and Sn, circuits using the same, and the like have been studied.

金属酸化物を用いた半導体デバイスとして、例えば、酸化亜鉛(ZnO)を使用したTFTが検討されている。しかしながら、酸化亜鉛からなる半導体層は、電界効果移動度が1cm/V・sec程度と低く、on−off比も小さかった。また、漏れ電流が発生しやすいため、工業的には実用化が困難であった。 As a semiconductor device using a metal oxide, for example, a TFT using zinc oxide (ZnO) has been studied. However, the semiconductor layer made of zinc oxide has a field effect mobility as low as about 1 cm 2 / V · sec and a small on-off ratio. Also, since leakage current is likely to occur, it has been difficult to put it to practical use industrially.

酸化亜鉛の結晶質を含む酸化物半導体膜を使用したTFTについては、多数の検討がなされている。しかしながら、工業的に一般に行われているスパッタリング法で半導体膜を成膜した場合には、移動度が低い、on−off比が低い、漏れ電流が大きい、ピンチオフが不明瞭である、ノーマリーオンになりやすい等の問題があり、TFTの性能が低くなるおそれがあった。
また、耐薬品性が劣るため、ウェットエッチングが難しい等、製造プロセスや使用環境の制限があった。
また、性能を上げるには半導体膜を高い圧力で成膜する必要がある。そのため、成膜速度が遅く、また、700℃以上の高温処理が必要である等、工業化には問題があった。
また、ボトムゲート型のTFTとした場合、電解移動度等の性能が低かった。性能を上げるには、トップゲート型のTFTとし、半導体層の膜厚を50nm以上にする必要があるため、TFTの構成についても制限があった。
Many studies have been made on TFTs using an oxide semiconductor film containing a crystalline zinc oxide. However, when a semiconductor film is formed by a sputtering method commonly used in industry, the mobility is low, the on-off ratio is low, the leakage current is large, the pinch-off is unclear, and normally on As a result, there is a risk that the performance of the TFT may be lowered.
In addition, since chemical resistance is inferior, there are limitations on the manufacturing process and use environment, such as difficulty in wet etching.
In order to improve performance, it is necessary to form a semiconductor film at a high pressure. Therefore, there have been problems in industrialization, such as a slow film formation rate and the necessity of high-temperature treatment at 700 ° C. or higher.
Further, in the case of a bottom gate type TFT, performance such as electrolytic mobility was low. In order to improve the performance, it is necessary to use a top gate type TFT, and the thickness of the semiconductor layer needs to be 50 nm or more. Therefore, the configuration of the TFT is also limited.

酸化亜鉛の半導体膜の他に、酸化インジウムと酸化亜鉛からなる非晶質の酸化物半導体膜や、インジウム、亜鉛及びガリウム元素を含む複合酸化物(IGZO)の膜を、TFTに応用することが検討されている。
しかしながら、酸化物半導体を用いたTFTを検討したところ、膜の組成や製造条件にもよるが、TFTのトランジスタ特性(Id−Vg特性)にばらつきが生じる場合があった。特性のばらつきは、例えば、ディスプレイの画素回路等に用いる場合に、駆動対象となる有機ELや液晶等の動作にばらつきを生じさせ、最終的にディスプレイの画像品位を低下させる原因となる。特性のばらつきは、TFTを構成する各部材の形成位置や寸法の精度が十分でないため、各TFT間で寄生容量がばらつくためと思われる。
また、ドライバ等の周辺回路やリングオシレーター(RO)等の回路を構成した時に動作周波数低いという問題があった。これは、寄生容量が大きいため、遮断周波数が小さくなっていることによるものと思われる。
In addition to a zinc oxide semiconductor film, an amorphous oxide semiconductor film made of indium oxide and zinc oxide, or a composite oxide (IGZO) film containing indium, zinc and gallium elements can be applied to a TFT. It is being considered.
However, when a TFT using an oxide semiconductor was examined, there was a case in which variation in transistor characteristics (Id-Vg characteristics) of the TFT occurred depending on the composition of the film and the manufacturing conditions. The variation in characteristics, for example, causes variations in the operation of an organic EL, liquid crystal, or the like to be driven when used in a pixel circuit of a display and the like, which ultimately causes a reduction in image quality of the display. The variation in characteristics is thought to be due to variations in parasitic capacitance between the TFTs because the formation position and dimensional accuracy of each member constituting the TFT are not sufficient.
In addition, there is a problem that the operating frequency is low when a peripheral circuit such as a driver or a circuit such as a ring oscillator (RO) is configured. This seems to be due to the fact that the cut-off frequency is reduced due to the large parasitic capacitance.

上記の課題を解決するために、ゲート電極とソース・ドレイン電極が自己整合したトランジスタの製造が検討されている(特許文献1)。この製法では、イオン注入法により、非晶質の酸化物半導体のソース・ドレイン部位の性質をチャンネル部位と異ならせている。しかしながら、イオン注入を用いると、注入したイオンが散乱元となり移動度が低下する、ゲート絶縁膜に欠陥が発生しリーク電流が増加する、界面にトラップが発生し閾値電圧が上昇する、注入されたイオンが駆動時のストレスで移動して特性が変化する等、トランジスタ性能が大きく低下するという問題点があった。また、イオン注入の設備は大型化が難しく、かつ製造コストが高くなるという問題点があった。   In order to solve the above-described problems, the manufacture of a transistor in which a gate electrode and a source / drain electrode are self-aligned has been studied (Patent Document 1). In this manufacturing method, the nature of the source / drain region of the amorphous oxide semiconductor is made different from that of the channel region by ion implantation. However, when ion implantation is used, the implanted ions become a source of scattering, the mobility is lowered, defects are generated in the gate insulating film, the leakage current is increased, traps are generated at the interface, and the threshold voltage is increased. There is a problem that the transistor performance is greatly deteriorated, for example, the characteristics change due to the ions moving due to stress during driving. In addition, the ion implantation equipment has a problem that it is difficult to increase the size and the manufacturing cost is high.

また、リフトオフプロセスにより非晶質の酸化物半導体を用いた、ゲート電極とソース・ドレイン電極が自己整合したトランジスタの製造が検討されている(特許文献2)。しかしながら、リフトオフプロセスは工業的に問題が多く実用化が困難である。即ち、歩留りが低い、加工精度が低くばらつきが大きい、微細化が難しい(TFT部が大きくなり開口率が小さくなる)等の問題があった。
特に、リフトオフプロセスではTFTの微細化が困難であるという問題がある。得られるTFTが比較的大きなものとなり、その結果、TFTの遮断周波数が低くなるため、回路を構成したときの動作周波数(発振周波数等)に限界があった(非特許文献1)。
特開2007−250983号公報 特開2006−165527号公報 IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,vol.28,No.4,(2007)273
In addition, the manufacture of a transistor in which a gate electrode and a source / drain electrode are self-aligned using an amorphous oxide semiconductor by a lift-off process has been studied (Patent Document 2). However, the lift-off process is industrially problematic and difficult to put into practical use. That is, there are problems such as low yield, low processing accuracy, large variation, and difficulty in miniaturization (the TFT portion becomes large and the aperture ratio becomes small).
In particular, there is a problem that it is difficult to miniaturize the TFT in the lift-off process. Since the obtained TFT becomes relatively large and as a result, the cutoff frequency of the TFT becomes low, there is a limit to the operating frequency (oscillation frequency, etc.) when the circuit is configured (Non-patent Document 1).
JP 2007-259883 A JP 2006-165527 A IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, vol. 28, no. 4, (2007) 273

本発明の目的は、遮断周波数の高い電界効果型トランジスタを提供することである。
また、遮断周波数の高い電界効果型トランジスタによって、動作周波数の高い回路やばらつきの小さいTFT基板を提供することである。
An object of the present invention is to provide a field effect transistor having a high cutoff frequency.
Another object of the present invention is to provide a circuit with a high operating frequency and a TFT substrate with small variations by using a field effect transistor having a high cutoff frequency.

本発明者らは、ゲート電極と半導体層(チャンネル層)の保護層を自己整合させて形成することにより、トランジスタ特性のばらつきが低減でき、また、トランジスタの遮断周波数が高くなると考えた。
上述したように、ゲート電極とソース・ドレイン電極が自己整合したTFTは検討されている。一方、ゲート電極と保護層を自己整合させることはほとんど検討されていない。これは、各層の成膜方法の相違や、酸化物半導体層と保護層の、化学的及び物理的性質により、製造方法が制限されるためである。
The present inventors considered that by forming the protective layer of the gate electrode and the semiconductor layer (channel layer) so as to be self-aligned, variation in transistor characteristics can be reduced and the cutoff frequency of the transistor is increased.
As described above, a TFT in which a gate electrode and a source / drain electrode are self-aligned has been studied. On the other hand, little consideration has been given to self-alignment of the gate electrode and the protective layer. This is because the manufacturing method is limited by the difference in the deposition method of each layer and the chemical and physical properties of the oxide semiconductor layer and the protective layer.

具体的に、チャンネル層の保護層としては、通常、酸化ケイ素(SiOx)等が使用され、保護層のパターニングは、リフトオフ、ドライエッチング、ウェットエッチングで行われている。しかしながら、リフトオフは歩留りや加工精度が低く、ばらつきが大きかった。また、微細化が難しい等の問題があり、工業化が困難であった。
また、ドライエッチングはエッチング速度が非常に遅いため、保護層が厚い場合、エッチング時間が長くなるという問題があり、こちらも工業化が困難であった。
Specifically, silicon oxide (SiOx) or the like is usually used as the protective layer of the channel layer, and patterning of the protective layer is performed by lift-off, dry etching, or wet etching. However, lift-off has low yield and processing accuracy, and has a large variation. Moreover, there existed problems, such as difficult refinement | miniaturization, and industrialization was difficult.
In addition, since dry etching has a very low etching rate, there is a problem that the etching time becomes long when the protective layer is thick, which is also difficult to industrialize.

一方、半導体層として従来から盛んに検討されている酸化物半導体(結晶質であるZnOや、アモルファスであるIGZOやインジウム亜鉛酸化物等)では、弗化水素酸系エッチング液に対する耐性が十分でないものがあった。そのため、これらの酸化物半導体上のSiOxを、弗化水素酸系エッチング液でウェットエッチングすると、酸化物半導体が溶けてしまうため、半導体層を形成することが困難であった。
以上の理由から、ウェットエッチングを用いゲート電極と保護層を自己整合させた酸化物半導体を用いた電界効果型トランジスタの作製は困難であった。
On the other hand, oxide semiconductors (crystalline ZnO, amorphous IGZO, indium zinc oxide, etc.) that have been extensively studied as semiconductor layers are not sufficiently resistant to hydrofluoric acid-based etching solutions. was there. For this reason, when SiOx on these oxide semiconductors is wet-etched with a hydrofluoric acid-based etchant, the oxide semiconductor is dissolved, so that it is difficult to form a semiconductor layer.
For the above reasons, it has been difficult to manufacture a field effect transistor using an oxide semiconductor in which a gate electrode and a protective layer are self-aligned using wet etching.

そこで、本発明者らは弗化水素酸系エッチング液に溶けにくく、良好な電界効果型トランジスタとなりうる酸化物半導体材料や組成比を各種検討した。その結果、ゲート電極と保護層を自己整合させることができ、電界効果型トランジスタのトランジスタ特性を向上できることを見出した。   Therefore, the present inventors have studied various oxide semiconductor materials and composition ratios that are difficult to dissolve in a hydrofluoric acid-based etching solution and can be a good field effect transistor. As a result, it has been found that the gate electrode and the protective layer can be self-aligned, and the transistor characteristics of the field effect transistor can be improved.

本発明によれば、以下の電界効果型トランジスタ等が提供される。
1.酸化物を含む半導体層、及び前記半導体層の保護層を有し、前記半導体層の、下記A又はBに対するエッチングレートが、酸化ケイ素のエッチングレートの2分の1以下である、電界効果型トランジスタ。
A:10質量%の弗化水素酸を含むウェットエッチング液
B:15質量%の弗化アンモニウムを含むウェットエッチング液
2.前記半導体層が、In、Zn、Sn及びGaから選択される少なくとも1以上の元素を含む酸化物からなる1に記載の電界効果型トランジスタ。
3.前記半導体層が、結晶状態の酸化物を含む1又は2に記載の電界効果型トランジスタ。
4.前記半導体層が、In元素を含み、かつ希土類酸化物C型の結晶構造を示す酸化物を含む1〜3のいずれかに記載の電界効果型トランジスタ。
5.前記半導体層が、In元素と、少なくとも1種類以上の正二価元素又は少なくとも1種類以上の正三価元素を含む酸化物である1〜4のいずれかに記載の電界効果型トランジスタ。
6.遮断周波数が1MHz以上である1〜5のいずれかに記載の電界効果型トランジスタ。
7.ゲート電極をパターンとして、半導体保護層を形成した半導体素子。
8.前記半導体保護層がウェットエッチングで選択エッチングされて形成されている7に記載の半導体素子。
9.前記ウェットエッチングに弗化水素酸又は弗化アンモニウムを含むウェットエッチング液を用いる8に記載の半導体素子。
10.電界効果型トランジスタである、請求項9に記載の半導体素子。
11.In、Zn、Sn及びGaから選択される少なくとも1以上の元素を含む酸化物膜を形成する工程と、前記酸化物膜上に、ゲート電極をマスクにして保護層を形成する工程を含み、前記保護層を形成する際のエッチングプロセスで、弗化水素酸又は弗化アンモニウムを含むウェットエッチング液を用いる、電界効果型トランジスタの製造方法。
12.前記酸化物膜の、下記A又はBに対するエッチングレートが、酸化ケイ素のエッチングレートの2分の1以下である、請求項11に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
A:10質量%の弗化水素酸を含むウェットエッチング液
B:15質量%の弗化アンモニウムを含むウェットエッチング液
13.前記酸化物膜が結晶状態の酸化物である11又は12に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
14.上記1〜6の電界効果型トランジスタを有するドライバ回路を含むディスプレイ用基板。
15.第一の導電体層、第一の絶縁体層、酸化物を含む半導体層、第二の絶縁体層及び第二の導電体層を、この順に有する積層体。
16.上記15に記載の積層体を含む電界効果型トランジスタ。
17.前記第一の絶縁体層が酸化物であり、前記酸化物を含む半導体層がInを含み希土類酸化物C型の結晶構造を示す多結晶酸化物であり、第二の絶縁体層が酸化物である16に記載の電界効果型トランジスタ。
18.ゲート電極と半導体層の保護層が自己整合している16又は17に記載の電界効果型トランジスタ。
According to the present invention, the following field effect transistors and the like are provided.
1. A field effect transistor having a semiconductor layer containing an oxide and a protective layer for the semiconductor layer, wherein an etching rate of the semiconductor layer with respect to A or B below is half or less of an etching rate of silicon oxide .
A: Wet etching solution containing 10% by mass of hydrofluoric acid B: Wet etching solution containing 15% by mass of ammonium fluoride 2. The field effect transistor according to 1, wherein the semiconductor layer is made of an oxide containing at least one element selected from In, Zn, Sn, and Ga.
3. 3. The field effect transistor according to 1 or 2, wherein the semiconductor layer includes an oxide in a crystalline state.
4). 4. The field effect transistor according to any one of 1 to 3, wherein the semiconductor layer contains an In element and an oxide having a rare earth oxide C-type crystal structure.
5). The field effect transistor according to any one of 1 to 4, wherein the semiconductor layer is an oxide containing an In element and at least one kind of positive divalent element or at least one kind of positive trivalent element.
6). The field effect transistor according to any one of 1 to 5, wherein the cutoff frequency is 1 MHz or more.
7). A semiconductor element in which a semiconductor protective layer is formed using a gate electrode as a pattern.
8). 8. The semiconductor element according to 7, wherein the semiconductor protective layer is formed by selective etching by wet etching.
9. 9. The semiconductor device according to 8, wherein a wet etching solution containing hydrofluoric acid or ammonium fluoride is used for the wet etching.
10. The semiconductor element according to claim 9, which is a field effect transistor.
11. Forming an oxide film containing at least one element selected from In, Zn, Sn and Ga, and forming a protective layer on the oxide film using a gate electrode as a mask, A method for manufacturing a field effect transistor, which uses a wet etching solution containing hydrofluoric acid or ammonium fluoride in an etching process for forming a protective layer.
12 The method for manufacturing a field effect transistor according to claim 11, wherein an etching rate of the oxide film with respect to A or B below is half or less of an etching rate of silicon oxide.
A: Wet etching solution containing 10% by mass of hydrofluoric acid B: Wet etching solution containing 15% by mass of ammonium fluoride 13. 13. The method for producing a field effect transistor according to 11 or 12, wherein the oxide film is a crystalline oxide.
14 A display substrate comprising a driver circuit comprising the field effect transistors according to 1 to 6 above.
15. The laminated body which has a 1st conductor layer, a 1st insulator layer, a semiconductor layer containing an oxide, a 2nd insulator layer, and a 2nd conductor layer in this order.
16. 16. A field effect transistor comprising the laminate according to 15.
17. The first insulator layer is an oxide, the semiconductor layer containing the oxide is a polycrystalline oxide containing In and containing a rare earth oxide C-type crystal structure, and the second insulator layer is an oxide. The field effect transistor according to 16, wherein
18. 18. The field effect transistor according to 16 or 17, wherein the gate electrode and the protective layer of the semiconductor layer are self-aligned.

本発明によれば、遮断周波数の高い電界効果型トランジスタが得られる。また、本発明の電界効果型トランジスタにより、動作周波数の高い回路や特性のばらつきが小さいTFT基板が製造できる。
また、ゲート電極とチャンネル層の保護層を自己整合させた電界効果型トランジスタを製造できる。
According to the present invention, a field effect transistor having a high cutoff frequency can be obtained. In addition, with the field effect transistor of the present invention, a circuit with a high operating frequency and a TFT substrate with small variations in characteristics can be manufactured.
In addition, a field effect transistor in which the gate electrode and the protective layer of the channel layer are self-aligned can be manufactured.

本発明の電界効果型トランジスタは、酸化物を含む半導体層、及び半導体層の保護層を有する。
図1は、本発明の一実施形態の電界効果型トランジスタの概略断面図である。
この電界効果型トランジスタでは、基板10上に、ゲート電極11がストライプ状に形成されている。このゲート電極11を覆うようにゲート絶縁膜12を有し、このゲート絶縁膜12上であって、かつ、ゲート電極12上に酸化物半導体層13(チャンネル層)が形成されている。
半導体層13の一端側に、ゲート電極11と直交する方向にソース電極14が接続されている。また、半導体層13の他端側にドレイン電極15が接続されている。
半導体層13、ソース電極14及びドレイン電極15の中間の位置に保護層(エッチングストッパー)16が形成されている。
The field effect transistor of the present invention includes a semiconductor layer containing an oxide and a protective layer for the semiconductor layer.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a field effect transistor according to an embodiment of the present invention.
In this field effect transistor, gate electrodes 11 are formed in stripes on a substrate 10. A gate insulating film 12 is provided so as to cover the gate electrode 11, and an oxide semiconductor layer 13 (channel layer) is formed on the gate insulating film 12 and on the gate electrode 12.
A source electrode 14 is connected to one end side of the semiconductor layer 13 in a direction orthogonal to the gate electrode 11. A drain electrode 15 is connected to the other end side of the semiconductor layer 13.
A protective layer (etching stopper) 16 is formed at an intermediate position between the semiconductor layer 13, the source electrode 14 and the drain electrode 15.

本発明の電界効果型トランジスタでは、酸化物半導体層13の、下記A又はBに対するエッチングレートが、酸化ケイ素のエッチングレートの二分の一以下であることを特徴とする。
A:10質量%の弗化水素酸を含むウェットエッチング液
B:15質量%の弗化アンモニウムを含むウェットエッチング液
The field effect transistor of the present invention is characterized in that the etching rate of the oxide semiconductor layer 13 with respect to the following A or B is half or less of the etching rate of silicon oxide.
A: Wet etching solution containing 10% by mass of hydrofluoric acid B: Wet etching solution containing 15% by mass of ammonium fluoride

半導体層13のエッチングレートが酸化ケイ素(SiOx)の2分の1以下である場合、保護層16を、ゲート電極11をマスクとして、背面露光ウェットエッチングによりパターニングすることができる。これにより、ゲート電極11と保護層16を自己整合させた電界効果型トランジスタが得られる。   When the etching rate of the semiconductor layer 13 is half or less of silicon oxide (SiOx), the protective layer 16 can be patterned by back exposure wet etching using the gate electrode 11 as a mask. Thereby, a field effect transistor in which the gate electrode 11 and the protective layer 16 are self-aligned is obtained.

ここで、自己整合とは、ゲート電極11と保護層16の重なりが実質的に無いことである。即ち、ゲート電極11の両端部と保護層16の両端部が、ほぼ図1に示す線X,Yの位置にあることを意味する。
本発明の自己整合では、ゲート電極11と保護層16の重なりは、通常3.0μm以下、好ましくは2.0μm以下、より好ましくは1.0μm以下、さらに好ましくは0.5μm以下、特に好ましくは0.2μm以下である。
Here, the self-alignment means that there is substantially no overlap between the gate electrode 11 and the protective layer 16. That is, it means that both ends of the gate electrode 11 and both ends of the protective layer 16 are substantially at the positions of the lines X and Y shown in FIG.
In the self-alignment of the present invention, the overlap between the gate electrode 11 and the protective layer 16 is usually 3.0 μm or less, preferably 2.0 μm or less, more preferably 1.0 μm or less, further preferably 0.5 μm or less, particularly preferably. 0.2 μm or less.

ゲート電極11と、ソース電極14及びドレイン電極15の重なり部分は、寄生容量として働く場合がある。この寄生容量は、トランジスタの高速動作を妨げる。また、上記の重なり部分が各トランジスタ間でばらつくと、各トランジスタのトランジスタ特性がばらつくことになる。
本発明では、保護層16をゲート電極11に自己整合させて形成できるので、上記の重なり部分を各トランジスタ間で均一とすることができる。従って、トランジスタの寄生容量を均一にできる。その結果、駆動能力が高く、均一性に優れたトランジスタを作製することができる。
The overlapping portion of the gate electrode 11 and the source electrode 14 and drain electrode 15 may function as a parasitic capacitance. This parasitic capacitance prevents high-speed operation of the transistor. In addition, if the overlapping portion varies between the transistors, the transistor characteristics of the transistors vary.
In the present invention, since the protective layer 16 can be formed in self-alignment with the gate electrode 11, the overlapping portion can be made uniform among the transistors. Therefore, the parasitic capacitance of the transistor can be made uniform. As a result, a transistor with high driving ability and excellent uniformity can be manufactured.

本発明の電界効果型トランジスタは、半導体層13、保護層16、ソース電極14及びドレイン電極15の順で積層された部位を含むことが好ましい。ゲート電極11とソース電極14やドレイン電極15の重なり部分があっても、これらの電極間に保護層16を介することで寄生容量を小さくでき、遮断周波数の高い電界効果型トランジスタが得られる。   The field effect transistor of the present invention preferably includes a portion where the semiconductor layer 13, the protective layer 16, the source electrode 14, and the drain electrode 15 are stacked in this order. Even if there is an overlapping portion of the gate electrode 11 and the source electrode 14 or the drain electrode 15, the parasitic capacitance can be reduced by providing the protective layer 16 between these electrodes, and a field effect transistor having a high cutoff frequency can be obtained.

本発明では、ソース電極14又はドレイン電極15が、保護層16に接していることが好ましい。また、ソース電極14又はドレイン電極15が、ともにゲート電極11と自己整合している保護層16に接していることがより好ましい。ソース電極14又はドレイン電極15が、ゲート電極11と自己整合している保護層16に接していると、ソース電極14、ドレイン電極15と、ゲート電極11の間に生じる容量が一定となる。これにより、同一の基板内に複数形成された電界効果型トランジスタ間のばらつきを低減できる。
尚、ゲート電極11と保護層16が自己整合していればよく、ゲート電極11とソース電極14、ドレイン電極15は、必ずしも自己整合していなくともよい。
In the present invention, the source electrode 14 or the drain electrode 15 is preferably in contact with the protective layer 16. More preferably, the source electrode 14 or the drain electrode 15 is in contact with the protective layer 16 that is self-aligned with the gate electrode 11. When the source electrode 14 or the drain electrode 15 is in contact with the protective layer 16 that is self-aligned with the gate electrode 11, the capacitance generated between the source electrode 14, the drain electrode 15, and the gate electrode 11 becomes constant. Thereby, it is possible to reduce variations among field effect transistors formed in the same substrate.
Note that the gate electrode 11 and the protective layer 16 need only be self-aligned, and the gate electrode 11, the source electrode 14, and the drain electrode 15 do not necessarily have to be self-aligned.

本発明において、電界効果型トランジスタはボトムゲート型であることが好ましい。ボトムゲート型では、製造時のマスク枚数を少なくできる。また、ガラス基板等の金属イオンが半導体層に移動する危険が少ない等の利点がある。さらに、トランジスタ特性も良好であり、ゲート電極11と保護層16の自己整合も取りやすい。
以下、本発明の電界効果型トランジスタを構成する部材の例について説明する。
In the present invention, the field effect transistor is preferably a bottom gate type. The bottom gate type can reduce the number of masks during manufacturing. In addition, there is an advantage that metal ions such as a glass substrate are less likely to move to the semiconductor layer. Further, the transistor characteristics are also good, and the gate electrode 11 and the protective layer 16 are easily self-aligned.
Hereinafter, examples of members constituting the field effect transistor of the present invention will be described.

1.基板
特に制限はなく、本技術分野で公知のものを使用できる。例えば、ケイ酸アルカリ系ガラス、無アルカリガラス、石英ガラス等のガラス基板、シリコン基板、アクリル、ポリカーボネート、ポリエチレンナフタレート(PEN)等の樹脂基板、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミド等の高分子フィルム基材等が使用できる。基板や基材の厚さは0.1〜10mmが一般的であり、0.3〜5mmが好ましい。ガラス基板の場合は、化学的に、或いは熱的に強化させたものが好ましい。透明性や平滑性が求められる場合は、ガラス基板、樹脂基板が好ましく、ガラス基板が特に好ましい。軽量化が求められる場合は樹脂基板や高分子機材が好ましい。
1. Substrate There is no particular limitation, and those known in this technical field can be used. For example, glass substrates such as alkali silicate glass, non-alkali glass and quartz glass, silicon substrates, resin substrates such as acrylic, polycarbonate and polyethylene naphthalate (PEN), polymer film bases such as polyethylene terephthalate (PET) and polyamide Materials can be used. As for the thickness of a board | substrate or a base material, 0.1-10 mm is common, and 0.3-5 mm is preferable. In the case of a glass substrate, those chemically or thermally reinforced are preferred. When transparency and smoothness are required, a glass substrate and a resin substrate are preferable, and a glass substrate is particularly preferable. When weight reduction is required, a resin substrate or a polymer material is preferable.

2.半導体層
半導体層は上述したエッチング特性を有する。エッチング速度が、酸化ケイ素(SiOx)よりも遅いと、半導体層に積層した保護層(SiOx)をウェットエッチングで選択エッチングできる。選択比(酸化ケイ素のエッチングレート÷半導体層のエッチングレート)が5以上であるとより好ましく、10以上であるとさらに好ましい。
本発明で使用する半導体層としては、In、Zn、Sn及びGaから選択される少なくとも1以上の元素を含む酸化物からなるものが挙げることができる。好ましくは、InとZn、InとGa、ZnとSn、InとZnとSn、InとZnとGa、ZnとSnとGaを含む酸化物である。これらの酸化物を使用することにより、得られる電界効果型トランジスタの特性がよくなる。特に、InとZn、InとGa、ZnとSn、InとZnとSnを含むものが好ましく、最も好ましくは、InとZn、InとGa、InとZnとSnを含むものである。
2. Semiconductor layer The semiconductor layer has the etching characteristics described above. When the etching rate is slower than that of silicon oxide (SiOx), the protective layer (SiOx) stacked on the semiconductor layer can be selectively etched by wet etching. The selectivity (silicon oxide etching rate / semiconductor layer etching rate) is more preferably 5 or more, and even more preferably 10 or more.
Examples of the semiconductor layer used in the present invention include a layer made of an oxide containing at least one element selected from In, Zn, Sn, and Ga. Preferred are oxides containing In and Zn, In and Ga, Zn and Sn, In and Zn and Sn, In and Zn and Ga, and Zn, Sn and Ga. By using these oxides, the characteristics of the obtained field effect transistor are improved. In particular, those containing In and Zn, In and Ga, Zn and Sn, and In and Zn and Sn are preferred, and most preferred are those containing In and Zn, In and Ga, and In, Zn and Sn.

半導体層は結晶状態の酸化物を含むことが好ましい。結晶状態であることは、X線回折で確認することができる。結晶とは、X線で特定の回折線を示すものをいう。TEM等の観察により非晶質中に微結晶が確認できるものを含む。尚、非晶質とは、X線回折でハローパターンが観測され特定の回折線を示さないものをいう。   The semiconductor layer preferably contains an oxide in a crystalline state. The crystalline state can be confirmed by X-ray diffraction. A crystal refers to a crystal exhibiting a specific diffraction line with X-rays. Including those in which microcrystals can be confirmed in the amorphous by TEM observation. In addition, an amorphous thing means that a halo pattern is observed by X-ray diffraction and does not show a specific diffraction line.

半導体層の結晶質酸化物としては、少なくともインジウム元素(In)を含む酸化物が好ましい。インジウム元素を含む場合、酸素を除く全原子に占めるインジウム元素の含有率は、好ましくは85原子%以上100原子%以下であり、より好ましくは87原子%以上100原子%以下、さらに好ましくは90原子%以上100原子%以下である。インジウム元素の含有率が85原子%以上だと、半導体層を低温で結晶化させることができる。   As the crystalline oxide of the semiconductor layer, an oxide containing at least indium element (In) is preferable. When indium element is included, the content of indium element in all atoms excluding oxygen is preferably 85 atomic percent or more and 100 atomic percent or less, more preferably 87 atomic percent or more and 100 atomic percent or less, and further preferably 90 atoms. % Or more and 100 atom% or less. When the indium element content is 85 atomic% or more, the semiconductor layer can be crystallized at a low temperature.

また、半導体層はInを含み、かつ希土類酸化物C型の結晶構造を示す酸化物を含むことが好ましい。希土類酸化物C型の結晶構造を示す酸化物は、弗化水素酸系エッチング液に対する耐性が高く好ましい。
ここで、希土類酸化物C型の結晶構造とは、(T ,Ia3)の空間群を持つ立方晶系のことで、Mn(I)型酸化物結晶構造とも言う。X線回折では、JCPDSカードNo.6−0416のパターンを示す。Sc、Y、Tl、Pu、Am、Cm、In、ITO(Inに10wt%程度以下のSnをドープしたもの)が上記の結晶構造を示す。
本願では、半導体層をX線回折により評価した結果、JCPDSカードNo.6−0416のパターンが確認される場合に、希土類酸化物C型の結晶構造を持つと判断する。尚、JCPDSカードNo.6−0416のパターンを示していれば、格子間距離の変化や膜応力等によってピーク位置がシフトしていてもよい(一般に格子間距離が狭くなればピーク位置は広角側にシフトする)。
また、希土類酸化物C型の結晶構造は、X線回折でJCPDSカードNo.6−0416のパターンを示していれば、化学量論比がMからずれていてもよい。即ち、M3−dとなっていてもよい。ここで、酸素欠損量dが3×10−5〜3×10−1の範囲であることが好ましい。酸素欠損量dとは、1モルの酸化物結晶中に含まれる酸素イオンの数を、化学量論量の酸素イオンの数から差し引いた値である。酸素欠損量dは、成膜条件や、成膜後の後処理等で調整することができる。
酸化物結晶中に含まれる酸素イオンの数は、例えば、酸化物を炭素粉末中で加熱させて生成する二酸化炭素の量を赤外吸収スペクトルで測定することで算出することができる。また、化学量論量の酸素イオンの数は酸化物結晶の質量から算出することができる。
The semiconductor layer preferably contains In and contains an oxide exhibiting a rare earth oxide C-type crystal structure. An oxide having a rare earth oxide C-type crystal structure is preferable because of its high resistance to a hydrofluoric acid-based etching solution.
Here, the rare earth oxide C-type crystal structure refers to a cubic system having a space group of (T h 7 , I a3 ), and is also referred to as an Mn 2 O 3 (I) -type oxide crystal structure. In X-ray diffraction, JCPDS card no. 6-0416 pattern is shown. Sc 2 O 3 , Y 2 O 3 , Tl 2 O 3 , Pu 2 O 3 , Am 2 O 3 , Cm 2 O 3 , In 2 O 3 , ITO (In 2 O 3 doped with Sn of about 10 wt% or less Shows the above crystal structure.
In the present application, as a result of evaluating the semiconductor layer by X-ray diffraction, JCPDS card No. When the pattern 6-0416 is confirmed, it is determined that the crystal structure of the rare earth oxide C type is obtained. The JCPDS card No. If the pattern of 6-0416 is shown, the peak position may be shifted due to a change in interstitial distance, film stress, or the like (generally, the peak position shifts to the wide angle side as the interstitial distance becomes narrow).
The rare earth oxide C-type crystal structure is obtained by X-ray diffraction according to JCPDS Card No. If the pattern of 6-0416 is shown, the stoichiometric ratio may be deviated from M 2 X 3 . That is, it may be M 2 O 3-d . Here, the oxygen deficiency d is preferably in the range of 3 × 10 −5 to 3 × 10 −1 . The oxygen deficiency d is a value obtained by subtracting the number of oxygen ions contained in one mole of oxide crystal from the number of stoichiometric oxygen ions. The oxygen deficiency d can be adjusted by film forming conditions, post-treatment after film formation, and the like.
The number of oxygen ions contained in the oxide crystal can be calculated, for example, by measuring the amount of carbon dioxide produced by heating the oxide in carbon powder using an infrared absorption spectrum. The number of stoichiometric oxygen ions can be calculated from the mass of the oxide crystal.

希土類酸化物C型の結晶構造は、化学量論比がM(M:陽イオン、X:陰イオン)である。これは、MXで示される化合物の結晶構造の一つである蛍石型結晶構造から、陰イオンが一つ抜けた構造である。陽イオンに対して、陰イオン(通常酸化物の場合は、酸素)が6配位し、残りの二つの陰イオンサイトは空となっている(空となっている陰イオンサイトは準イオンサイトとも呼ばれる)。陽イオンに酸素(陰イオン)が6配位した希土類酸化物C型の結晶構造は、酸素八面体稜共有構造を有している。酸素八面体稜共有構造を有していると、陽イオンであるp金属のns軌道が互いに重なり合って電子の伝導路を形成し、また、有効質量が小さくなるので、高い電子移動度を示す。 The crystal structure of the rare earth oxide C type has a stoichiometric ratio of M 2 X 3 (M: cation, X: anion). This fluorite-type crystal structure which is one of the crystal structure of the compound represented by MX 2, a structure in which the anion is missing one. The anion (usually oxygen in the case of an oxide) is 6-coordinated to the cation, and the remaining two anion sites are empty (the empty anion sites are quasi-ion sites) Also called). A rare earth oxide C-type crystal structure in which oxygen (anion) is coordinated to 6 positive ions (cations) has an oxygen octahedral ridge sharing structure. When the oxygen octahedral ridge sharing structure is used, the ns orbitals of the p metal that is a cation overlap each other to form an electron conduction path, and the effective mass is reduced, so that high electron mobility is exhibited.

希土類酸化物C型の結晶構造を得るためには、半導体層は酸素元素及びIn元素以外に、Ga、Zn、Sn、Mg、Al、B、Sc、Y、ランタノイド類(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)、Zr、Hf、Ge、Si、Ti、Mn、W、Mo、V、Cu、Ni、Co、Fe、Cr及びNbから選択される2種類以上の元素を含むことが好ましい。   In order to obtain a rare earth oxide C-type crystal structure, the semiconductor layer includes Ga, Zn, Sn, Mg, Al, B, Sc, Y, lanthanoids (La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu), Zr, Hf, Ge, Si, Ti, Mn, W, Mo, V, Cu, Ni, Co, Fe, Cr And two or more elements selected from Nb.

本発明の半導体層は、希土類酸化物C型の結晶構造を主成分とすることが好ましい。主成分であるとは、X線回折で希土類酸化物C型の結晶構造に帰属されるピークの最大強度が、他の結晶型に帰属されるピークの最大強度の、2倍以上であることを意味する。X線回折で希土類酸化物C型の結晶構造に帰属されるピークの最大強度が他の結晶型に帰属されるピークの最大強度の5倍以上がより好ましく、10倍以上がさらに好ましく、20倍以上が特に好ましい。   The semiconductor layer of the present invention preferably has a rare earth oxide C-type crystal structure as a main component. The main component means that the maximum intensity of a peak attributed to a rare earth oxide C-type crystal structure in X-ray diffraction is at least twice the maximum intensity of a peak attributed to another crystal type. means. The maximum intensity of the peak attributed to the crystal structure of the rare earth oxide C type by X-ray diffraction is preferably 5 times or more, more preferably 10 times or more, more preferably 20 times the maximum intensity of the peak attributed to other crystal types. The above is particularly preferable.

尚、半導体層のX線回折測定において、β−Ga構造(JCPDSカードNo.43−1012)やβ−GaInO構造(JCPDSカードNo.21−0334)が確認できないことが好ましい。特に、β−Ga構造は、X線回折で確認されないことが好ましい。β−Ga構造が存在すると移動度が低下するおそれがある。 In the X-ray diffraction measurement of the semiconductor layer, it is preferable that the β-Ga 2 O 3 structure (JCPDS card No. 43-1012) or β-GaInO 3 structure (JCPDS card No. 21-0334) cannot be confirmed. In particular, the β-Ga 2 O 3 structure is preferably not confirmed by X-ray diffraction. If the β-Ga 2 O 3 structure exists, the mobility may be lowered.

結晶質酸化インジウム薄膜を半導体層とする場合、結晶質酸化インジウム薄膜の格子定数は、酸化インジウム単体からなる薄膜の格子定数より小さいことが好ましい。結晶格子が縮小されることは、金属元素間距離が小さくなることを意味し、これにより、金属元素の軌道上を移動する電子の動く速度が大きくなり、得られるトランジスタの移動度が大きくなる効果がある。   When the crystalline indium oxide thin film is used as the semiconductor layer, the lattice constant of the crystalline indium oxide thin film is preferably smaller than the lattice constant of the thin film made of indium oxide alone. Reduction of the crystal lattice means that the distance between metal elements is reduced, which increases the speed of movement of electrons moving on the orbit of the metal element and increases the mobility of the resulting transistor. There is.

また、本発明では半導体層が、In元素と、正二価元素及び正三価元素から選択される1種以上の元素を含む酸化物であることが好ましい。
正二価の金属元素とは、イオン状態での価数として正二価を取り得る元素である。正三価の元素であるインジウムと正二価の金属元素を含むことにより、半導体層を結晶化する際に、酸素欠損により生じる電子を制御することができるため、キャリア密度を低く保つことができる。
正二価の金属元素としては、Zn,Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Pd,Pt,Cu,Ag,Cd,Hg,Sm,Eu,Yb等が挙げられる。効率的にキャリア濃度を制御できる観点から、好ましくはZn,Mg,Mn,Co,Ni,Cu又はCaである。添加によるキャリア制御効果の観点から、より好ましくはCu及びNiである。また、透過率及びバンドギャップの広さの観点からでは、より好ましくはZn及びMgである。
正二価の金属元素は、2種以上含まれていてもよい。
In the present invention, the semiconductor layer is preferably an oxide containing an In element and one or more elements selected from a positive divalent element and a positive trivalent element.
A positive divalent metal element is an element that can take a positive divalence as a valence in an ionic state. By including indium, which is a positive trivalent element, and a positive divalent metal element, electrons generated by oxygen deficiency can be controlled when the semiconductor layer is crystallized, so that the carrier density can be kept low.
As the positive divalent metal element, Zn, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Cd, Hg, Sm, Eu, Yb etc. are mentioned. From the viewpoint of efficiently controlling the carrier concentration, Zn, Mg, Mn, Co, Ni, Cu or Ca is preferable. From the viewpoint of the carrier control effect by addition, Cu and Ni are more preferable. Further, Zn and Mg are more preferable from the viewpoint of transmittance and wide band gap.
Two or more kinds of positive divalent metal elements may be contained.

正二価の金属元素Xの原子比[X/(X+In)]は、好ましくは0.0001〜0.13である。原子比[X/(X+In)]が0.0001未満の場合、正二価の金属元素の含有率が少なく、キャリア数が制御できないおそれがある。一方、原子比[X/(X+In)]が0.13を超える場合、結晶質層及び非晶質層の界面又は結晶質層の表面が変質しやすくなって不安定となる、結晶化温度が高なって結晶化が困難になる、キャリア濃度が高くなる、ホール移動度が低下する、トランジスタを駆動させた際に閾値電圧が変動する、又は駆動が不安定となるおそれがある。   The atomic ratio [X / (X + In)] of the positive divalent metal element X is preferably 0.0001 to 0.13. When the atomic ratio [X / (X + In)] is less than 0.0001, the content of the positive divalent metal element is small, and the number of carriers may not be controlled. On the other hand, when the atomic ratio [X / (X + In)] exceeds 0.13, the interface between the crystalline layer and the amorphous layer or the surface of the crystalline layer is easily changed and becomes unstable. There is a possibility that the crystallization becomes difficult and the carrier concentration becomes high, the hole mobility decreases, the threshold voltage fluctuates when the transistor is driven, or the driving becomes unstable.

正三価の金属元素とは、イオン状態での価数として正三価を取りうる元素である。上記正三価の元素としては、Ga、Al、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等が挙げられる。正三価の金属元素は、2種以上含まれていてもよい。正三価の金属元素の含有量は、好ましくは20原子%以下である。   The positive trivalent metal element is an element that can take positive trivalence as a valence in an ionic state. Examples of the positive trivalent element include Ga, Al, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. Two or more kinds of positive trivalent metal elements may be contained. The content of the positive trivalent metal element is preferably 20 atomic% or less.

さらに、正四価の金属元素を含んでいてもよい。正四価の金属元素とは、イオン状態での価数として正四価を取りうる元素である。上記正四価の元素として、Sn、Ge、Si、Zr、Ti、Hf、V等が挙げられる。正四価の金属元素は、2種以上含まれていてもよい。
正四価の金属元素の含有量は、好ましくは半導体層に含まれる正三価の金属元素の0.01原子%〜10原子%である。
Furthermore, a positive tetravalent metal element may be included. A positive tetravalent metal element is an element that can take a positive tetravalence as a valence in an ionic state. Examples of the positive tetravalent element include Sn, Ge, Si, Zr, Ti, Hf, and V. Two or more kinds of positive tetravalent metal elements may be contained.
The content of the positive tetravalent metal element is preferably 0.01 atomic% to 10 atomic% of the positive trivalent metal element contained in the semiconductor layer.

尚、正二価元素、正三価元素及び正四価元素のうち、2種以上を組み合わせて含むことが好ましい。   In addition, it is preferable to include a combination of two or more of positive divalent elements, positive trivalent elements, and positive tetravalent elements.

半導体層は、例えば、酸化物ターゲット(半導体層用ターゲット)を使用して薄膜を形成することで作製できる。   The semiconductor layer can be produced, for example, by forming a thin film using an oxide target (semiconductor layer target).

半導体層の電子キャリア濃度は、1013〜1018/cmであることが好ましく、特に1014〜1017/cmであることが好ましい。電子キャリア濃度が上記の範囲であれば、非縮退半導体となりやすく、トランジスタとして用いた際に移動度とオンオフ比のバランスが良好となり好ましい。また、バンドギャップが2.0〜6.0eVであることが好ましく、特に、2.8〜5.0eVがより好ましい。バンドギャップは、2.0eVより小さいと可視光を吸収し電界効果型トランジスタが誤動作するおそれがある。一方、6.0eVより大きいとキャリアが供給されにくくなり電界効果型トランジスタが機能しなくなるおそれがある。 The electron carrier concentration of the semiconductor layer is preferably 10 13 to 10 18 / cm 3 , and particularly preferably 10 14 to 10 17 / cm 3 . When the electron carrier concentration is in the above range, it is easy to become a non-degenerate semiconductor, and when used as a transistor, the balance between mobility and on / off ratio is good, which is preferable. The band gap is preferably 2.0 to 6.0 eV, and more preferably 2.8 to 5.0 eV. If the band gap is smaller than 2.0 eV, visible light is absorbed and the field effect transistor may malfunction. On the other hand, if it is larger than 6.0 eV, it is difficult to supply carriers and the field effect transistor may not function.

半導体層は、熱活性型を示す非縮退半導体であることが好ましい。縮退半導体であるとキャリアが多すぎてオフ電流・ゲートリーク電流が増加する、閾値が負になりノーマリーオンとなるおそれがある。半導体層が非縮退半導体であるかは、ホール効果を用いた移動度とキャリア密度の温度変化の測定を行うことにより判断できる。また、半導体層を非縮退半導体とするには、成膜時の酸素分圧を調整する、後処理をする等で酸素欠陥量を制御しキャリア密度を最適化することで達成できる。   The semiconductor layer is preferably a non-degenerate semiconductor exhibiting a thermal activation type. In the case of a degenerate semiconductor, there are too many carriers to increase the off-current / gate leakage current, and the threshold value may become negative and normally on. Whether the semiconductor layer is a non-degenerate semiconductor can be determined by measuring temperature changes in mobility and carrier density using the Hall effect. In addition, the semiconductor layer can be made a non-degenerate semiconductor by adjusting the oxygen partial pressure during film formation, post-processing, etc., and controlling the amount of oxygen defects to optimize the carrier density.

半導体層の表面粗さ(RMS)は、1nm以下が好ましく、0.6nm以下がさらに好ましく、0.3nm以下が特に好ましい。1nmより大きいと、移動度が低下するおそれがある。   The surface roughness (RMS) of the semiconductor layer is preferably 1 nm or less, more preferably 0.6 nm or less, and particularly preferably 0.3 nm or less. If it is larger than 1 nm, the mobility may decrease.

半導体層の膜厚は、通常0.5〜500nm、好ましくは1〜150nm、より好ましくは3〜80nm、特に好ましくは10〜60nmである。0.5nmより薄いと工業的に均一に成膜することが難しい。一方、500nmより厚いと成膜時間が長くなり工業的に採用できない。また、3〜80nmの範囲内にあると、移動度やオンオフ比等TFT特性が特に良好である。   The film thickness of the semiconductor layer is usually 0.5 to 500 nm, preferably 1 to 150 nm, more preferably 3 to 80 nm, and particularly preferably 10 to 60 nm. If it is thinner than 0.5 nm, it is difficult to form a uniform film industrially. On the other hand, if it is thicker than 500 nm, the film formation time becomes long and cannot be adopted industrially. Moreover, when it exists in the range of 3-80 nm, TFT characteristics, such as a mobility and an on / off ratio, are especially favorable.

3.半導体層の保護層
本発明の電界効果型トランジスタは、半導体の保護層を有する。保護層が無いと、真空中や低圧下で、半導体層表面付近の酸素が脱離し電流が流れるため、オフ電流が高くなり、また、閾値電圧が負になるおそれがある。また、大気下でも湿度等周囲の影響を受けるため、閾値電圧等のトランジスタ特性のばらつきが大きくなるおそれがある。
3. Protective layer of semiconductor layer The field effect transistor of the present invention has a protective layer of a semiconductor. Without the protective layer, oxygen in the vicinity of the surface of the semiconductor layer is desorbed and a current flows in a vacuum or under a low pressure, so that the off-current increases and the threshold voltage may become negative. Further, since it is affected by ambient conditions such as humidity even in the atmosphere, there is a risk that variations in transistor characteristics such as threshold voltage will increase.

保護層の厚みは、100〜1000nmが好ましく、200〜800nmがより好ましく、250〜700nmがさらに好ましい。保護層が100nm以上あると、ソース・ドレイン電極の寄生容量への影響が小さくなる。
また、保護層の厚みは半導体層よりも厚いことが好ましい。保護層の厚みは半導体層の厚みの2倍以上であることがより好ましく、3倍以上であることがさらに好ましい。これにより、寄生容量のばらつきが小さくなり、また、寄生容量自体も小さくなる。
The thickness of the protective layer is preferably 100 to 1000 nm, more preferably 200 to 800 nm, and further preferably 250 to 700 nm. When the protective layer is 100 nm or more, the influence on the parasitic capacitance of the source / drain electrodes is reduced.
The protective layer is preferably thicker than the semiconductor layer. As for the thickness of a protective layer, it is more preferable that it is 2 times or more of the thickness of a semiconductor layer, and it is more preferable that it is 3 times or more. Thereby, the variation of the parasitic capacitance is reduced, and the parasitic capacitance itself is also reduced.

半導体の保護層を形成する材料は、上述したウェットエッチング液(A又はB)に対するエッチング速度が、酸化ケイ素と同様以上であればよく、特に制限されない。本発明の効果を失わない範囲で一般に用いられているものを任意に選択できる。
例えば、SiOx(SiO),SiNx,Al,Ta,TiO,MgO,ZrO,CeO,KO,LiO,NaO,RbO,Sc,Y,Hf,CaHfO,PbTi,BaTa,SrTiO,AlN等を用いることができる。これらのなかでも、SiO,SiNx,Al,Y,Hf,CaHfOを用いるのが好ましく、より好ましくはSiO,SiNx,Y,Hf,CaHfOであり、特に好ましくはSiOx,Y,Hf,CaHfO等の酸化物である。これらの酸化物の酸素数は、必ずしも化学量論比と一致していなくともよい(例えば、SiOでもSiOxでもよい)。また、SiNxは水素元素を含んでいてもよい(SiNx:Hでもよい)。
SiOxが特に好ましい。これにより、保護層成膜時に酸化物を含む半導体から酸素が抜けてキャリアが発生することを防ぐことができる。
The material for forming the semiconductor protective layer is not particularly limited as long as the etching rate for the above-described wet etching solution (A or B) is equal to or higher than that of silicon oxide. What is generally used can be arbitrarily selected as long as the effects of the present invention are not lost.
For example, SiOx (SiO 2), SiNx , Al 2 O 3, Ta 2 O 5, TiO 2, MgO, ZrO 2, CeO 2, K 2 O, Li 2 O, Na 2 O, Rb 2 O, Sc 2 O 3 , Y 2 O 3 , Hf 2 O 3 , CaHfO 3 , PbTi 3 , BaTa 2 O 6 , SrTiO 3 , AlN, or the like can be used. Among these, SiO 2, SiNx, Al 2 O 3, Y 2 O 3, Hf 2 O 3, it is preferable to use CaHfO 3, more preferably SiO 2, SiNx, Y 2 O 3, Hf 2 O 3 , CaHfO 3 , and oxides such as SiOx, Y 2 O 3 , Hf 2 O 3 , and CaHfO 3 are particularly preferable. The number of oxygen in these oxides does not necessarily match the stoichiometric ratio (for example, it may be SiO 2 or SiO x). SiNx may contain a hydrogen element (SiNx: H may be used).
SiOx is particularly preferred. Accordingly, it is possible to prevent carriers from being generated due to release of oxygen from a semiconductor containing an oxide during the formation of the protective layer.

尚、保護層は、異なる2層以上の絶縁膜を積層した構造でもよい。
また、保護層は、結晶質、多結晶質、非晶質のいずれであってもよいが、工業的に製造しやすい多結晶質か、非晶質であるのが好ましい。しかし、保護層が非晶質であることが特に好ましい。非晶質膜でないと界面の平滑性が悪く移動度が低下する、閾値電圧やS値が大きくなりすぎるおそれがある。
The protective layer may have a structure in which two or more different insulating films are stacked.
The protective layer may be crystalline, polycrystalline, or amorphous, but is preferably polycrystalline or amorphous that is easy to produce industrially. However, it is particularly preferred that the protective layer is amorphous. If it is not an amorphous film, the smoothness of the interface is poor and the mobility is lowered, and the threshold voltage and S value may be too large.

半導体層の保護層は、非晶質酸化物あるいは非晶質窒化物であることが好ましく、非晶質酸化物であることが特に好ましい。また、保護層が酸化物でないと半導体中の酸素が保護層側に移動し、オフ電流が高くなったり、閾値電圧が負になりノーマリーオフを示すおそれがある。   The protective layer of the semiconductor layer is preferably an amorphous oxide or an amorphous nitride, and particularly preferably an amorphous oxide. Further, if the protective layer is not an oxide, oxygen in the semiconductor moves to the protective layer side, and there is a possibility that the off current becomes high or the threshold voltage becomes negative and normally off.

4.ゲート絶縁膜
ゲート絶縁膜を形成する材料には特に制限はない。本発明の効果を失わない範囲で一般に用いられているものを任意に選択できる。例えば、SiO,SiNx,Al,Ta,TiO,MgO,ZrO,CeO,KO,LiO,NaO,RbO,Sc,Y,Hf,CaHfO,PbTi,BaTa,SrTiO,AlN等を用いることができる。これらのなかでも、SiO,SiNx,Al,Y,Hf,CaHfOを用いるのが好ましく、より好ましくはSiO,SiNx,Y,Hf,CaHfOである。これらの酸化物の酸素数は、必ずしも化学量論比と一致していなくともよい(例えば、SiOでもSiOxでもよい)。また、SiNxは水素元素を含んでいても良い。
また、露光波長の光線透過率が高いものが、露光が容易となるのでより好ましい。
4). Gate insulating film There is no particular limitation on the material for forming the gate insulating film. What is generally used can be arbitrarily selected as long as the effects of the present invention are not lost. For example, SiO 2, SiNx, Al 2 O 3, Ta 2 O 5, TiO 2, MgO, ZrO 2, CeO 2, K 2 O, Li 2 O, Na 2 O, Rb 2 O, Sc 2 O 3, Y 2 O 3 , Hf 2 O 3 , CaHfO 3 , PbTi 3 , BaTa 2 O 6 , SrTiO 3 , AlN, or the like can be used. Among these, SiO 2, SiNx, Al 2 O 3, Y 2 O 3, Hf 2 O 3, it is preferable to use CaHfO 3, more preferably SiO 2, SiNx, Y 2 O 3, Hf 2 O 3 , CaHfO 3 . The number of oxygen in these oxides does not necessarily match the stoichiometric ratio (for example, it may be SiO 2 or SiO x). SiNx may contain a hydrogen element.
Moreover, the thing with a high light transmittance of an exposure wavelength is more preferable since exposure becomes easy.

ゲート絶縁膜は、異なる2層以上の絶縁膜を積層した構造でもよい。また、ゲート絶縁膜は、結晶質、多結晶質、非晶質のいずれであってもよいが、工業的に製造しやすい多結晶質か、非晶質であるのが好ましい。   The gate insulating film may have a structure in which two or more different insulating films are stacked. The gate insulating film may be crystalline, polycrystalline, or amorphous, but is preferably polycrystalline or amorphous that is easy to manufacture industrially.

ゲート絶縁膜は、SiOxかSiNxが好ましく、SiOxが特に好ましい。SiOxとSiNxは工業的に実績があり、安価に安定して成膜することができる。   The gate insulating film is preferably SiOx or SiNx, and particularly preferably SiOx. SiOx and SiNx have an industrial track record and can be stably formed at low cost.

5.電極
ゲート電極、ソ−ス電極及びドレイン電極の各電極を形成する材料に特に制限はなく、本発明の効果を失わない範囲で一般に用いられているものを任意に選択することができる。例えば、インジウム錫酸化物(ITO)、インジウム亜鉛酸化物、ZnO、SnO等の透明電極や、Al,Ag,Cr,Ni,Mo,Au,Ti,Ta、Cu等の金属電極、又はこれらを含む合金の金属電極を用いることができる。
尚、ゲート電極をマスクとして使用する場合には、光を遮断する材料を使用する。
また、2層以上を積層してもよい。これにより、接触抵抗を低減したり、界面強度を向上させることが好ましい。
ソ−ス電極、ドレイン電極の接触抵抗を低減させるため半導体の電極との界面をプラズマ処理、オゾン処理等で抵抗を調整してもよい。
5). Electrode There are no particular limitations on the material for forming each of the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode, and any material that is generally used can be selected as long as the effects of the present invention are not lost. For example, transparent electrodes such as indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide, ZnO, SnO 2 , metal electrodes such as Al, Ag, Cr, Ni, Mo, Au, Ti, Ta, Cu, or these An alloy metal electrode can be used.
In addition, when using a gate electrode as a mask, the material which interrupts | blocks light is used.
Two or more layers may be stacked. Thereby, it is preferable to reduce contact resistance or improve interface strength.
In order to reduce the contact resistance of the source electrode and the drain electrode, the resistance of the interface with the semiconductor electrode may be adjusted by plasma treatment, ozone treatment or the like.

ソース電極・ドレイン電極は半導体層がホモ接合していると好ましい。ホモ接合していると接触抵抗が下げられ、またソース電極・ドレイン電極と半導体層の間の物質の移動が起りにくく、安定性が向上する。ホモ接合とは、主成分や構造が同一のもの同士の接合をいう。   It is preferable that the semiconductor layer of the source / drain electrode is homojunction. When homojunction is achieved, the contact resistance is lowered, and the movement of the substance between the source / drain electrodes and the semiconductor layer hardly occurs, and the stability is improved. Homojunction refers to the joining of the same main components and structures.

本発明の電界効果型トランジスタでは、チャンネル幅Wとチャンネル長Lの比W/Lは、通常0.1〜100、好ましくは0.5〜20、特に好ましくは1〜8である。W/Lが100を越えると漏れ電流が増えたり、on−off比が低下したりするおそれがある。0.1より小さいと電界効果移動度が低下したり、ピンチオフが不明瞭になったりするおそれがある。また、チャンネル長Lは通常0.1〜1000μm、好ましくは1〜100μm、さらに好ましくは2〜10μmである。0.1μm以下は工業的に製造が難しくまた漏れ電流が大きくなるおそれがある、1000μm以上では素子が大きくなりすぎて好ましくない。   In the field effect transistor of the present invention, the ratio W / L of the channel width W to the channel length L is usually 0.1 to 100, preferably 0.5 to 20, and particularly preferably 1 to 8. If W / L exceeds 100, the leakage current may increase or the on-off ratio may decrease. If it is less than 0.1, the field effect mobility may be lowered, or pinch-off may be unclear. The channel length L is usually 0.1 to 1000 μm, preferably 1 to 100 μm, and more preferably 2 to 10 μm. If the thickness is 0.1 μm or less, it is difficult to produce industrially and the leakage current may increase.

本発明の電界効果型トランジスタでは、半導体層とソース電極・ドレイン電極との間にコンタクト層を設けてもよい。コンタクト層は半導体層よりも抵抗が低いことが好ましい。コンタクト層の形成材料は、上述した半導体層と同様な組成の複合酸化物が使用できる。   In the field effect transistor of the present invention, a contact layer may be provided between the semiconductor layer and the source / drain electrodes. The contact layer preferably has a lower resistance than the semiconductor layer. As a material for forming the contact layer, a composite oxide having the same composition as that of the semiconductor layer described above can be used.

コンタクト層の作製方法に特に制約はないが、成膜条件を変えて半導体層と同じ組成比のコンタクト層を成膜したり、半導体層と組成比の異なる層を成膜したり、半導体の電極とのコンタクト部分をプラズマ処理やオゾン処理により抵抗を高めることで構成したり、半導体層を成膜する際に酸素分圧等の成膜条件により抵抗を高くなる層を構成してもよい。   There are no particular restrictions on the method for forming the contact layer, but a contact layer having the same composition ratio as the semiconductor layer can be formed by changing the film formation conditions, a layer having a composition ratio different from that of the semiconductor layer can be formed, or a semiconductor electrode The contact portion may be formed by increasing the resistance by plasma treatment or ozone treatment, or a layer having a higher resistance may be formed by film formation conditions such as oxygen partial pressure when forming the semiconductor layer.

また、本発明の電界効果型トランジスタでは、半導体層とゲート絶縁膜との間、及び/又は半導体層と保護層との間に、半導体層よりも抵抗の高い酸化物抵抗層を有していてもよい。酸化物抵抗層があるとオフ電流が低減でき、閾値電圧が正となりノーマリーオフとしやすい、保護層成膜やエッチング等の後処理工程時に半導体層が変質し特性が劣化するおそれが低減できる。   In the field effect transistor of the present invention, an oxide resistance layer having a higher resistance than the semiconductor layer is provided between the semiconductor layer and the gate insulating film and / or between the semiconductor layer and the protective layer. Also good. The presence of the oxide resistance layer can reduce the off-current, the threshold voltage becomes positive, and the transistor is likely to be normally off, so that the possibility that the semiconductor layer is altered and the characteristics are deteriorated during a post-treatment process such as protective film formation or etching can be reduced.

本発明の電界効果型トランジスタの特性について、遮断周波数は1MHz以上であることが好ましく、10MHz以上がより好ましく、さらに100MHz以上が好ましく、特に、1GHz以上が好ましい。遮断周波数が1MHz以上だと、周辺回路を構成したときに、回路の動作周波数を高くできる。遮断周波数を高くするには、トランジスタの寄生容量を小さくし、チャンネル長を短くし、移動度を高くすることが効果的である。遮断周波数を高くするためにトランジスタの寄生容量を小さくする場合には、ゲート電極と保護膜を自己整合させることが効果的である。   Regarding the characteristics of the field effect transistor of the present invention, the cutoff frequency is preferably 1 MHz or more, more preferably 10 MHz or more, further preferably 100 MHz or more, and particularly preferably 1 GHz or more. When the cut-off frequency is 1 MHz or more, the operating frequency of the circuit can be increased when the peripheral circuit is configured. In order to increase the cutoff frequency, it is effective to reduce the parasitic capacitance of the transistor, shorten the channel length, and increase the mobility. In order to reduce the parasitic capacitance of the transistor in order to increase the cutoff frequency, it is effective to self-align the gate electrode and the protective film.

遮断周波数とは電流増幅率(遮断周波数/使用周波数)が1になる周波数である。遮断周波数よりも低い周波数で素子を動作させるほど、電流増幅率が上がる。即ち、遮断周波数が高くなるほど、高速動作や消費電力の面で有利となる。
遮断周波数(f)は、ゲート容量(C)と相互コンダクタンス(g)から、下記の式で求めることができる
=g/2πC
The cut-off frequency is a frequency at which the current amplification factor (cut-off frequency / use frequency) becomes 1. The current amplification factor increases as the element is operated at a frequency lower than the cutoff frequency. That is, the higher the cutoff frequency, the more advantageous in terms of high-speed operation and power consumption.
The cut-off frequency (f T ) can be obtained from the gate capacitance (C G ) and the mutual conductance (g m ) according to the following equation: f T = g m / 2πC G

移動度は3cm/Vs以上が好ましく、8cm/Vs以上がより好ましく、12cm/Vs以上がさらに好ましく、16cm/Vs以上が特に好ましい。1cm/Vsより大きいとスイッチング速度が速くなり大画面高精細のディスプレイに用いることができるようになる。 Mobility is preferably not less than 3 cm 2 / Vs, more preferably at least 8 cm 2 / Vs, more preferably at least 12cm 2 / Vs, and particularly preferably equal to or greater than 16cm 2 / Vs. If it is greater than 1 cm 2 / Vs, the switching speed becomes faster and it can be used for a large-screen high-definition display.

オンオフ比は、10以上が好ましく、10以上がより好ましく、10以上が特に好ましい。 The on / off ratio is preferably 10 6 or more, more preferably 10 7 or more, and particularly preferably 10 8 or more.

オフ電流は、2pA以下が好ましく、1pA以下がより好ましい。オフ電流が2pAより大きいとディスプレイのTFTとして用いた場合にコントラストが悪くなる、画面の均一性が悪くなるおそれがある。   The off current is preferably 2 pA or less, and more preferably 1 pA or less. If the off-current is larger than 2 pA, the contrast may be deteriorated when used as a TFT of a display, and the uniformity of the screen may be deteriorated.

ゲートリーク電流は1pA以下が好ましい。1pAより小さいとディスプレイのTFTとして用いた場合にコントラストが悪くなるおそれが減る。   The gate leakage current is preferably 1 pA or less. If it is less than 1 pA, the risk of poor contrast when used as a TFT of a display is reduced.

閾値電圧は、通常−5〜10Vであるが、−2〜4Vが好ましく、−1〜3Vがより好ましく、0〜2Vが特に好ましい。−5Vより大きいとオフ時の電圧を小さくでき消費電力を小さく出来る。10Vより小さいと駆動電圧を小さくでき、消費電力を抑えることができる。   The threshold voltage is usually −5 to 10V, preferably −2 to 4V, more preferably −1 to 3V, and particularly preferably 0 to 2V. If it is larger than -5V, the voltage at the off time can be reduced and the power consumption can be reduced. If it is less than 10V, the drive voltage can be reduced and the power consumption can be suppressed.

また、S値は0.8V/dec以下が好ましく、0.3V/dec以下がより好ましく、0.25V/dec以下がさらに好ましく、0.2V/dec以下が特に好ましい。0.8V/decより小さいと駆動電圧が小さくでき消費電力がちいさくできる。特に、有機ELディスプレイで用いる場合は、直流駆動のためS値を0.3V/dec以下にすると消費電力を大幅に低減できるため好ましい。尚、S値(Swing Factor)とは、オフ状態からゲート電圧を増加させた際に、オフ状態からオン状態にかけてドレイン電流が急峻に立ち上がるが、この急峻さを示す値である。下記式で定義されるように、ドレイン電流が1桁(10倍)上昇するときのゲート電圧の増分をS値とする。
S値=dVg/dlog(Ids)
S値が小さいほど急峻な立ち上がりとなる(「薄膜トランジスタ技術のすべて」、鵜飼育弘著、2007年刊、工業調査会)。S値を小さくできると、オンからオフに切り替える際に高いゲート電圧をかける必要がなくなり、消費電力を小さくできる。
The S value is preferably 0.8 V / dec or less, more preferably 0.3 V / dec or less, further preferably 0.25 V / dec or less, and particularly preferably 0.2 V / dec or less. If it is less than 0.8 V / dec, the drive voltage can be reduced and the power consumption can be reduced. In particular, when used in an organic EL display, it is preferable to set the S value to 0.3 V / dec or less because of direct current drive because power consumption can be greatly reduced. The S value (Swing Factor) is a value indicating the steepness of the drain current that rises sharply from the off state to the on state when the gate voltage is increased from the off state. As defined by the following equation, an increment of the gate voltage when the drain current increases by one digit (10 times) is defined as an S value.
S value = dVg / dlog (Ids)
The smaller the S value, the sharper the rise ("All about Thin Film Transistor Technology", Ikuhiro Ukai, 2007, Industrial Research Committee). If the S value can be reduced, it is not necessary to apply a high gate voltage when switching from on to off, and power consumption can be reduced.

また、10μAの直流電圧50℃で100時間加えた前後の閾値電圧のシフト量は、1.0V以下が好ましく、0.5V以下がより好ましい。1Vより大きいと有機ELディスプレイのトランジスタとして利用した場合、画質が変化してしまうおそれがある。   Further, the shift amount of the threshold voltage before and after being applied for 100 hours at a DC voltage of 10 μA at 50 ° C. is preferably 1.0 V or less, more preferably 0.5 V or less. If it is greater than 1V, the image quality may change when used as a transistor in an organic EL display.

また、伝達曲線でゲート電圧を昇降させた場合のヒステリシスが小さい方が好ましい。   Further, it is preferable that the hysteresis is small when the gate voltage is raised or lowered on the transfer curve.

続いて、本発明の半導体素子の製造方法について説明する。
本発明の製造方法は、酸化物を含む半導体の上の絶縁体をウェットエッチングで選択エッチングする工程を含む。絶縁体をウェットエッチングした場合、ドライエッチングに比べ処理時間を短くでき、コストも低くなる。
Then, the manufacturing method of the semiconductor element of this invention is demonstrated.
The manufacturing method of the present invention includes a step of selectively etching an insulator on a semiconductor containing an oxide by wet etching. When the insulator is wet-etched, the processing time can be shortened and the cost can be reduced as compared with dry etching.

酸化物を含む半導体と、その上の絶縁体との選択比(絶縁体のエッチングレート/酸化物を含む半導体のエッチングレート)は、2以上が好ましく、5以上がより好ましく、10以上がさらに好ましく、20以上が特に好ましい。選択比が高いほど、半導体側のダメージを少なくして絶縁体のエッチングができる。また、エッチング時間のマージン(許容される範囲)も広くなる。   The selectivity between the semiconductor containing an oxide and the insulator thereover (the etching rate of the insulator / the etching rate of the semiconductor containing the oxide) is preferably 2 or more, more preferably 5 or more, and even more preferably 10 or more 20 or more is particularly preferable. The higher the selectivity, the less the damage on the semiconductor side and the more the insulator can be etched. Further, the etching time margin (allowable range) is widened.

ウェットエッチングに用いるウェットエッチング液は、弗化水素酸系が好ましい。弗化水素酸系のウェットエッチング液としては、弗酸/水系、弗酸/弗化アンモニウム/水系(BHFともいう、後述)、弗酸/過酸化水素水/水系などが一般的である。このような弗化水素酸を含むウェットエッチング液を用いると、酸化ケイ素(SiOx)等の酸化膜やSiNx(SiNx:Hを含む)等の窒化膜をエッチングすることができる。また、エッチングレートが高いので、他のウェットエッチング液でエッチングが難しい酸化膜、特に酸化ケイ素(SiOx)のウェットエッチングに適する。   The wet etching solution used for wet etching is preferably hydrofluoric acid. As hydrofluoric acid-based wet etching solutions, hydrofluoric acid / water system, hydrofluoric acid / ammonium fluoride / water system (also referred to as BHF, which will be described later), hydrofluoric acid / hydrogen peroxide solution / water system, and the like are common. When such a wet etching solution containing hydrofluoric acid is used, an oxide film such as silicon oxide (SiOx) or a nitride film such as SiNx (including SiNx: H) can be etched. Further, since the etching rate is high, it is suitable for wet etching of an oxide film, particularly silicon oxide (SiOx), which is difficult to etch with other wet etching solutions.

弗化水素酸は、通常47wt%程度の水溶液で市販されている。これを希釈して0.1〜10wt%で使用することが好ましく、0.5〜7.5wt%がより好ましく、1〜5wt%が特に好ましい。10wt%以下だと、ガラスが溶ける速度が遅くなるのでガラス基板を用いることができる。また、弗化水素酸は、弗化アンモニウムとの緩衝溶液(BHF:Buffered HF)の状態で用いてもよい。BHFはpHが一定に保たれるので、条件の再現性がよくなり好ましい。   Hydrofluoric acid is usually marketed as an aqueous solution of about 47 wt%. It is preferable to dilute and use at 0.1 to 10 wt%, more preferably 0.5 to 7.5 wt%, and particularly preferably 1 to 5 wt%. If it is 10 wt% or less, the glass melting rate becomes slow, so that a glass substrate can be used. Further, hydrofluoric acid may be used in a buffer solution (BHF: Buffered HF) with ammonium fluoride. BHF is preferable because the pH is kept constant and the reproducibility of conditions is improved.

上記の緩衝溶液は、8〜35重量%の弗化アンモニウムと、0.1〜10重量%の弗化水素酸を含有することが好ましい。この範囲だとエッチングレートが高くなり、また、エッチング液の温度が低くてもエッチングが可能である等の利点がある。   The buffer solution preferably contains 8 to 35% by weight of ammonium fluoride and 0.1 to 10% by weight of hydrofluoric acid. Within this range, there are advantages that the etching rate is high and that etching is possible even when the temperature of the etching solution is low.

ウェットエッチング液は、SiOxに対する30℃でのエッチングレートが50〜450nmのものが好ましく、70〜300nmがより好ましい。この範囲だと、タクトタイムに適したエッチングレートでエッチングができる。   The wet etching solution preferably has an etching rate of 50 to 450 nm with respect to SiO x at 30 ° C., more preferably 70 to 300 nm. Within this range, etching can be performed at an etching rate suitable for tact time.

弗化水素酸を含むウェットエッチング液には、界面活性剤を添加することが好ましい。界面活性剤が含まれるとエッチングの均一性が向上し好ましい。   It is preferable to add a surfactant to the wet etching solution containing hydrofluoric acid. The inclusion of a surfactant is preferable because it improves the etching uniformity.

エッチング温度は、5〜50℃が好ましく、10〜35℃がより好ましく、15〜30℃が特に好ましい。上記の温度範囲だと、適切なエッチングレートに制御しやすく、また、簡易な設備で温度制御が可能である。   The etching temperature is preferably 5 to 50 ° C, more preferably 10 to 35 ° C, and particularly preferably 15 to 30 ° C. In the above temperature range, it is easy to control to an appropriate etching rate, and temperature control is possible with simple equipment.

本発明の製造方法は、電界効果型トランジスタ、ガスセンサーや紫外線センサー等のセンサー、抵抗変化型メモリ等のメモリ、太陽電池等の、半導体素子の製造に適用できる。
半導体素子は、半導体/絶縁体/導電体、又は半導体/絶縁体/半導体の順に積層された構造を含むものが好ましい。上記構造だと、絶縁体をウェットエッチングすることで微細加工が可能となる。
以下、電界効果型トランジスタの製造に適用した例を説明する。
The manufacturing method of the present invention can be applied to the manufacture of semiconductor elements such as field effect transistors, sensors such as gas sensors and ultraviolet sensors, memories such as resistance change memories, and solar cells.
The semiconductor element preferably includes a structure in which semiconductor / insulator / conductor or semiconductor / insulator / semiconductor are stacked in this order. With the above structure, fine processing is possible by wet etching the insulator.
Hereinafter, an example applied to the manufacture of a field effect transistor will be described.

図2a〜2cは、本発明の半導体素子(電界効果型トランジスタ)の製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。
基板10上にゲート電極11、ゲート絶縁膜12及び酸化物膜13aを順次形成する(図2a(a)〜(c))。酸化物膜13aをパターニングし、半導体層13とする(図2a(d))。半導体層13及びゲート絶縁膜12上に半導体層の保護層となる絶縁層16aを形成し(図2a(e))、その上にフォトレジスト21を形成する(図2a(f))。
尚、本実施形態では、半導体層13が「酸化物を含む半導体」に該当し、絶縁層16aが「半導体の上の絶縁体」に該当する。
2a to 2c are process diagrams for explaining an embodiment of a method for producing a semiconductor element (field effect transistor) according to the present invention.
A gate electrode 11, a gate insulating film 12, and an oxide film 13a are sequentially formed on the substrate 10 (FIGS. 2a (a) to (c)). The oxide film 13a is patterned to form the semiconductor layer 13 (FIG. 2a (d)). An insulating layer 16a serving as a protective layer for the semiconductor layer is formed on the semiconductor layer 13 and the gate insulating film 12 (FIG. 2a (e)), and a photoresist 21 is formed thereon (FIG. 2a (f)).
In the present embodiment, the semiconductor layer 13 corresponds to “a semiconductor including an oxide”, and the insulating layer 16a corresponds to “an insulator on a semiconductor”.

フォトレジスト21を露光する(図2b(g))。本実施形態では、基板10側から光を照射し、フォトレジスト21をパターニングしている。ゲート電極11は光を透過しないので、その背面部にあるフォトレジスト21は露光されない(図2b(h)、非露光部21a)。即ち、ゲート電極11をマスクとして利用している。一方、ゲート電極11を除き、光を透過する部材を使用することにより、フォトレジスト21は非露光部21aを除き露光される(露光部21b)。
非露光部21aは、保護層16の形状となるものである。従って、保護層16はゲート電極11に自己整合する。
The photoresist 21 is exposed (FIG. 2b (g)). In this embodiment, the photoresist 21 is patterned by irradiating light from the substrate 10 side. Since the gate electrode 11 does not transmit light, the photoresist 21 on the back surface thereof is not exposed (FIG. 2b (h), non-exposed portion 21a). That is, the gate electrode 11 is used as a mask. On the other hand, by using a member that transmits light except for the gate electrode 11, the photoresist 21 is exposed except for the non-exposed portion 21a (exposed portion 21b).
The non-exposed portion 21 a is the shape of the protective layer 16. Therefore, the protective layer 16 is self-aligned with the gate electrode 11.

自己整合させることにより、ゲート電極11と保護層16の位置関係を自動的に決定することができる。即ち、誤差の生じやすい、マスクの位置合わせ等の工程が不要となる。また、マスクの位置合わせで生じる誤差を考慮する必要がないため、トランジスタの寸法を小さくすることができる。   By making self-alignment, the positional relationship between the gate electrode 11 and the protective layer 16 can be automatically determined. That is, steps such as mask alignment that are likely to cause errors are not necessary. In addition, since it is not necessary to consider an error caused by mask alignment, the size of the transistor can be reduced.

露光後、フォトレジストの露光部21bを洗浄等により除去して、フォトレジストのパターンを形成する(図2b(i))。
その後、ウェットエッチングにより絶縁層16aをエッチングし、フォトレジストを除去して、保護層16を形成する(図2c(j)(k))。
After the exposure, the exposed portion 21b of the photoresist is removed by washing or the like to form a photoresist pattern (FIG. 2b (i)).
Thereafter, the insulating layer 16a is etched by wet etching, the photoresist is removed, and the protective layer 16 is formed (FIGS. 2c (j) (k)).

続けて、保護層16等の上にソース電極及びドレイン電極となる金属層14aを形成し、公知の方法にてパターニングすることにより、ソース電極14及びドレイン電極15を形成する。以上により、電界効果型トランジスタが製造できる。
尚、ソース電極14及びドレイン電極15の形成後、さらに、第二の保護層17を形成してもよい(図2c(n))。この場合、ソース電極14及びドレイン電極15と外部電極を接続するためのコンタクトホール18を形成してもよい。
保護層16がSiOx等の酸化膜の場合、第二の保護層17はSiNx等の窒化膜であることが好ましい。窒化膜を形成すると耐湿性が向上する。第二の保護層17は保護層16の片面側に積層させてもよい。
Subsequently, a metal layer 14a to be a source electrode and a drain electrode is formed on the protective layer 16 and the like, and patterned by a known method, thereby forming the source electrode 14 and the drain electrode 15. Thus, a field effect transistor can be manufactured.
Note that a second protective layer 17 may be further formed after the formation of the source electrode 14 and the drain electrode 15 (FIG. 2c (n)). In this case, a contact hole 18 for connecting the source electrode 14 and the drain electrode 15 to the external electrode may be formed.
When the protective layer 16 is an oxide film such as SiOx, the second protective layer 17 is preferably a nitride film such as SiNx. When the nitride film is formed, the moisture resistance is improved. The second protective layer 17 may be laminated on one side of the protective layer 16.

本発明の電界効果型トランジスタの製造方法では、特に、以下の工程を有することが好ましい。
工程1:In、Zn、Sn及びGaから選択される少なくとも1以上の元素を含む酸化物膜を形成する工程
工程2:酸化物膜上に、ゲート電極をマスクにして保護層を形成する工程
In the method for producing a field effect transistor of the present invention, it is particularly preferable to have the following steps.
Step 1: Step of forming an oxide film containing at least one element selected from In, Zn, Sn, and Ga Step 2: Step of forming a protective layer on the oxide film using the gate electrode as a mask

工程1について、酸化物膜13aとして、In、Zn、Sn及びGaから選択される少なくとも1以上の元素を含む酸化物膜を形成する(図2a(d))。酸化物膜の材料の具体例は上述した本発明のトランジスタの半導体層の例と同様である。酸化物膜は、スパッタリングで形成できるが、形成された膜は非晶質膜である場合があるが、その後の加熱処理等により結晶化させることができる。本発明では、酸化物膜を、非晶質の状態でエッチングし、その後、非晶質膜を結晶化させることが好ましい。非晶質の状態でエッチングするとエッチングしやすい。また、非晶質膜を形成してから結晶化させると、結晶質膜を直接形成するよりも均一で移動度の高い膜を形成しやすい。
非晶質膜はキャリア密度が1018cm−3以上の縮退半導体、非晶質膜を結晶化させてできた結晶膜はキャリア密度が1018cm−3未満の非縮退半導体であることが好ましい。
In Step 1, an oxide film containing at least one element selected from In, Zn, Sn, and Ga is formed as the oxide film 13a (FIG. 2a (d)). Specific examples of the material of the oxide film are the same as those of the semiconductor layer of the transistor of the present invention described above. Although an oxide film can be formed by sputtering, the formed film may be an amorphous film, but can be crystallized by a subsequent heat treatment or the like. In the present invention, it is preferable to etch the oxide film in an amorphous state and then crystallize the amorphous film. Etching is easy when etched in an amorphous state. Further, when an amorphous film is formed and then crystallized, it is easier to form a uniform and high mobility film than directly forming a crystalline film.
The amorphous film is preferably a degenerate semiconductor having a carrier density of 10 18 cm −3 or more, and the crystal film formed by crystallizing the amorphous film is preferably a non-degenerate semiconductor having a carrier density of less than 10 18 cm −3. .

工程2おいて、保護層を形成する際のエッチングプロセスでは、弗化水素酸又は弗化アンモニウムを含むウェットエッチング液を用いる。   In step 2, an etching process for forming the protective layer uses a wet etching solution containing hydrofluoric acid or ammonium fluoride.

上述した電界効果型トランジスタの各構成部材(層)は、本技術分野で公知の手法で形成できる。
具体的に、成膜方法としては、スプレー法、ディップ法、CVD法等の化学的成膜方法、又はスパッタ法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、パルスレーザーディポジション法等の物理的成膜方法を用いることができる。キャリア密度が制御し易い、及び膜質向上が容易であることから、好ましくは物理的成膜方法を用い、より好ましくは生産性が高いことからスパッタ法を用いる。
Each constituent member (layer) of the above-described field effect transistor can be formed by a method known in this technical field.
Specifically, as a film formation method, a chemical film formation method such as a spray method, a dip method, or a CVD method, or a physical film formation method such as a sputtering method, a vacuum evaporation method, an ion plating method, or a pulse laser deposition method. The method can be used. Since the carrier density is easily controlled and the film quality can be easily improved, a physical film formation method is preferably used, and a sputtering method is more preferably used because of high productivity.

スパッタリングでは、複合酸化物の焼結ターゲットを用いる方法、複数の焼結ターゲットを用いコスパッタを用いる方法、合金ターゲットを用い反応性スパッタを用いる方法等が利用できる。但し、複数の焼結ターゲットを用いコスパッタを用いる方法や、合金ターゲットを用い反応性スパッタを用いる方法では、均一性や再現性が悪くなる場合や、非局在準位のエネルギー幅(E)が大きくなる場合があり、移動度が低下する、閾値電圧が大きくなる等、トランジスタ特性が低下するおそれがある。好ましくは、複合酸化物の焼結ターゲットを用いる。 In sputtering, a method using a sintered complex oxide target, a method using co-sputtering using a plurality of sintered targets, a method using reactive sputtering using an alloy target, and the like can be used. However, in the method using co-sputtering using a plurality of sintered targets or the method using reactive sputtering using an alloy target, the uniformity and reproducibility are deteriorated, or the energy width of delocalized levels (E 0 ) May increase, resulting in a decrease in transistor characteristics such as a decrease in mobility and an increase in threshold voltage. Preferably, a composite oxide sintered target is used.

形成した膜を各種エッチング法によりパターニングできる。
本発明では半導体層を、DC又はACスパッタリングにより成膜することが好ましい。DC又はACスパッタリングを用いることにより、RFスパッタリングの場合と比べて、成膜時のダメージを低減できる。このため、電界効果型トランジスタにおいて、閾値電圧シフトの低減、移動度の向上、閾値電圧の減少、S値の減少等の効果が期待できる。
The formed film can be patterned by various etching methods.
In the present invention, the semiconductor layer is preferably formed by DC or AC sputtering. By using DC or AC sputtering, damage during film formation can be reduced as compared with RF sputtering. For this reason, in the field effect transistor, effects such as a reduction in threshold voltage shift, an improvement in mobility, a reduction in threshold voltage, and a reduction in S value can be expected.

また、本発明では半導体層と半導体の保護層を形成した後に、70〜450℃で熱処理することが好ましい。70℃より高いと得られるトランジスタの熱安定性や耐熱性が低下したり、移動度が低くなったり、S値が大きくなったり、閾値電圧が高くなるおそれが減る。一方、450℃より高いと耐熱性のない基板が使用できない、熱処理用の設備費用がかかるおそれがある。   Moreover, in this invention, after forming a semiconductor layer and a semiconductor protective layer, it is preferable to heat-process at 70-450 degreeC. When the temperature is higher than 70 ° C., the thermal stability and heat resistance of the obtained transistor are decreased, the mobility is decreased, the S value is increased, and the threshold voltage is increased. On the other hand, when the temperature is higher than 450 ° C., there is a possibility that the equipment cost for heat treatment cannot be used because the substrate without heat resistance cannot be used.

熱処理温度は80〜350℃が好ましく、90〜280℃がより好ましく、100〜180℃がさらに好ましい。特に、熱処理温度が180℃以下であれば、基板としてPEN等の耐熱性の低い樹脂基板を利用できるため好ましい。   The heat treatment temperature is preferably 80 to 350 ° C, more preferably 90 to 280 ° C, and further preferably 100 to 180 ° C. In particular, a heat treatment temperature of 180 ° C. or lower is preferable because a resin substrate having low heat resistance such as PEN can be used as the substrate.

熱処理時間は、通常1秒〜24時間が好ましいが、処理温度により調整することが好ましい。例えば、70〜180℃では、10分から24時間がより好ましく、20分から6時間がさらに好ましく、30分〜3時間が特に好ましい。180〜260℃では、6分から4時間がより好ましく、15分から2時間がさらに好ましい。260〜300℃では、30秒から4時間がより好ましく、1分から2時間が特に好ましい。300〜350℃では、1秒から1時間がより好ましく、2秒から30分が特に好ましい。   The heat treatment time is usually preferably 1 second to 24 hours, but is preferably adjusted by the treatment temperature. For example, at 70 to 180 ° C., 10 minutes to 24 hours are more preferable, 20 minutes to 6 hours are more preferable, and 30 minutes to 3 hours are particularly preferable. In 180-260 degreeC, 6 minutes to 4 hours are more preferable, and 15 minutes to 2 hours are still more preferable. At 260 to 300 ° C., 30 seconds to 4 hours is more preferable, and 1 minute to 2 hours is particularly preferable. At 300 to 350 ° C., 1 second to 1 hour is more preferable, and 2 seconds to 30 minutes is particularly preferable.

熱処理は、不活性ガス中で酸素分圧が10−3Pa以下の環境下で行うか、あるいは半導体層を保護層で覆った後に行うことが好ましい。上記条件下だと再現性が向上する。 The heat treatment is preferably performed in an inert gas in an environment where the oxygen partial pressure is 10 −3 Pa or less, or after the semiconductor layer is covered with a protective layer. Reproducibility is improved under the above conditions.

続いて、本発明の積層体について説明する。
本発明の積層体は、第一の導電体層、第一の絶縁体層、酸化物を含む半導体層、第二の絶縁体層及び第二の導電体層を、この順に有する。
図3は本発明の積層体の一実施形態を示す概略断面図である。本図は図1と同じ電界効果型トランジスタを示す。このトランジスタは本発明の積層体を含む。ゲート電極11は第一の導電体層に、ゲート絶縁膜12は第一の絶縁体層に、酸化物半導体層13は酸化物を含む半導体層に、保護層16は第二の絶縁体層に、ドレイン電極15が第二の導電体層に相当する。
この積層体の構造を、電界効果型トランジスタ等の素子に用いることで、導電体と導電体間で生じる寄生容量が低減され、導電体と導電体の重なり部分がばらついても素子の容量のばらつきを小さくできる。
Then, the laminated body of this invention is demonstrated.
The laminate of the present invention has a first conductor layer, a first insulator layer, a semiconductor layer containing an oxide, a second insulator layer, and a second conductor layer in this order.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of the laminate of the present invention. This figure shows the same field effect transistor as in FIG. This transistor includes the laminate of the present invention. The gate electrode 11 is a first conductor layer, the gate insulating film 12 is a first insulator layer, the oxide semiconductor layer 13 is a semiconductor layer containing an oxide, and the protective layer 16 is a second insulator layer. The drain electrode 15 corresponds to the second conductor layer.
By using this stack structure for an element such as a field effect transistor, the parasitic capacitance generated between the conductors is reduced, and the capacitance of the elements varies even when the overlapping portions of the conductors and conductors vary. Can be reduced.

第一又は二の導電体層は、インジウム錫酸化物(ITO)、インジウム亜鉛酸化物、ZnO、SnO等の透明電極や、Al,Ag,Cr,Ni,Mo,Au,Ti,Ta、Cu等の金属電極、又はこれらを含む合金の金属電極を用いることができる。また、これらを2層以上積層してもよい。 The first or second conductor layer is made of a transparent electrode such as indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide, ZnO, SnO 2 , Al, Ag, Cr, Ni, Mo, Au, Ti, Ta, Cu. Etc., or a metal electrode of an alloy containing these can be used. Two or more of these may be laminated.

第一又は二の絶縁層は、酸化物あるいは窒化物が好ましく、酸化物がより好ましく、酸化ケイ素(SiOx)は誘電率が低く、電気容量も小さいので特に好ましい。窒化物は積層時に酸化物を含む半導体層を還元して導電体としてしまうおそれがある。   The first or second insulating layer is preferably an oxide or nitride, more preferably an oxide, and silicon oxide (SiOx) is particularly preferable because of its low dielectric constant and low electric capacity. Nitride may reduce a semiconductor layer containing an oxide during stacking to be a conductor.

酸化物を含む半導体は、インジウム元素を含む希土類酸化物C型の結晶構造示す多結晶酸化物半導体が好ましい。   As the semiconductor containing an oxide, a polycrystalline oxide semiconductor having a rare earth oxide C-type crystal structure containing indium element is preferable.

第一の絶縁体が酸化物であり、酸化物を含む半導体層がInを含み希土類酸化物C型の結晶構造を示す多結晶酸化物であり、第二の絶縁体層が酸化物であることが好ましい。
酸化物からなる絶縁体は、SiO,SiOx,Al,Y,Hf,TiO、CaHfOを用いるのが好ましく、特に、SiOxは誘電率が低く寄生容量が小さいため好ましい。
The first insulator is an oxide, the semiconductor layer including the oxide is a polycrystalline oxide including In and containing a rare earth oxide C-type crystal structure, and the second insulator layer is an oxide. Is preferred.
The insulator made of oxide is preferably SiO 2 , SiOx, Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , Hf 2 O 3 , TiO 2 , or CaHfO 3. In particular, SiOx has a low dielectric constant and a parasitic capacitance. It is preferable because it is small.

また、積層体構造を有する電界効果型トランジスタは、ゲート電極と半導体層の保護層が自己整合していることが好ましい。   In the field-effect transistor having a stacked structure, the gate electrode and the protective layer of the semiconductor layer are preferably self-aligned.

実施例1[電界効果型トランジスタの作製]
(1)スパッタリングターゲットの製造
原料として、酸化インジウム及び酸化ガリウムの粉末を、原子比〔In/(In+Ga)〕が0.95、原子比〔Ga/(In+Ga)〕が0.05となるように混合した。これを湿式ボールミルに供給し、混合粉砕して原料微粉末を得た。
Example 1 [Fabrication of Field Effect Transistor]
(1) Production of Sputtering Target As a raw material, powders of indium oxide and gallium oxide have an atomic ratio [In / (In + Ga)] of 0.95 and an atomic ratio [Ga / (In + Ga)] of 0.05. Mixed. This was supplied to a wet ball mill, mixed and pulverized to obtain a raw material fine powder.

得られた原料微粉末を造粒した後、直径10cm、厚さ5mmの寸法にプレス成形し、これを焼成炉に入れ、1400℃で12時間焼成して、焼結体(ターゲット)を得た。   After granulating the obtained raw material fine powder, it was press-molded into dimensions of 10 cm in diameter and 5 mm in thickness, put in a firing furnace and fired at 1400 ° C. for 12 hours to obtain a sintered body (target). .

ターゲットのバルク抵抗は12mΩ、理論相対密度は0.99であった。尚、理論相対密度は各酸化物の比重とその量比から計算した密度を、アルキメデス法で測定した密度との比率を計算して求めた。   The target had a bulk resistance of 12 mΩ and a theoretical relative density of 0.99. The theoretical relative density was obtained by calculating the ratio of the density calculated from the specific gravity of each oxide and the amount ratio thereof to the density measured by the Archimedes method.

(2)トランジスタの作製
図1に示す電界効果型トランジスタを、図2a〜cに示す工程で作製した。
ガラス基板10上に、室温のRFスパッタリングでモリブデン金属を200nm積層した後、ウェットエッチングでパターニングし、ゲート電極11を作製した(図2a(a))。
次に、ゲート電極11を作製した基板にプラズマ化学気相成長装置(PECVD)にて、SiNxを300℃で成膜(厚さ200nm)し、ゲート絶縁膜12を形成した(図2a(b))。
次に、上記(1)で製造したターゲットを、DCマグネトロンスパッタリングの成膜装置に装着し、酸化物膜をゲート絶縁膜12上に成膜し、その後、フォトリソ工程によりパターニングして半導体層(チャンネル部)13(膜厚50nm)を形成した(図2a(c)〜(d))。
(2) Fabrication of Transistor The field effect transistor illustrated in FIG. 1 was fabricated in the steps illustrated in FIGS.
After depositing 200 nm of molybdenum metal on the glass substrate 10 by RF sputtering at room temperature, patterning was performed by wet etching to produce the gate electrode 11 (FIG. 2 a (a)).
Next, SiNx was formed at a temperature of 300 ° C. (thickness: 200 nm) on the substrate on which the gate electrode 11 was produced by a plasma enhanced chemical vapor deposition apparatus (PECVD) to form the gate insulating film 12 (FIG. 2a (b)). ).
Next, the target manufactured in (1) above is mounted on a DC magnetron sputtering film forming apparatus, an oxide film is formed on the gate insulating film 12, and then patterned by a photolithography process to form a semiconductor layer (channel Part) 13 (film thickness 50 nm) was formed (FIGS. 2a (c) to (d)).

尚、スパッタ条件は、基板温度;25℃、到達圧力;1×10−6Pa、雰囲気ガス;Ar99%及び酸素1%、スパッタ圧力(全圧);4×10−1Pa、投入電力100W、S−T距離80mmとした。
半導体層13をX線回折で確認したところ、非晶質膜であった。この非晶質膜は弗化水素酸系エッチング液に対して耐性がなかった。また、半導体層13のキャリア密度は1×1020cm−3であり、縮退半導体であった。
The sputtering conditions were as follows: substrate temperature: 25 ° C., ultimate pressure: 1 × 10 −6 Pa, atmospheric gas: Ar 99% and oxygen 1%, sputtering pressure (total pressure): 4 × 10 −1 Pa, input power 100 W, The ST distance was 80 mm.
When the semiconductor layer 13 was confirmed by X-ray diffraction, it was an amorphous film. This amorphous film was not resistant to a hydrofluoric acid-based etching solution. In addition, the carrier density of the semiconductor layer 13 was 1 × 10 20 cm −3 and was a degenerate semiconductor.

尚、キャリア密度はホール測定装置で下記の測定条件で測定した。
・ホール測定装置
東陽テクニカ製:Resi Test8310
・測定条件
測定温度:室温(25℃)
測定磁場:0.5T
測定電流:10−12〜10−4
測定モード:AC磁場ホール測定
また、非縮退半導体と縮退半導体は移動度の温度依存性で判断した。
図4に移動度の温度依存性の例を示す。直線の傾きから活性化エネルギーを計算できる。図中(1)が縮退半導体に相当し、(2)が非縮退半導体に相当する。
The carrier density was measured with a Hall measuring device under the following measurement conditions.
・ Hall measuring device manufactured by Toyo Technica: Resi Test 8310
・ Measurement conditions Measurement temperature: Room temperature (25 ℃)
Measurement magnetic field: 0.5T
Measurement current: 10 −12 to 10 −4 A
Measurement mode: AC magnetic field Hall measurement Further, non-degenerate semiconductors and degenerate semiconductors were judged by temperature dependence of mobility.
FIG. 4 shows an example of temperature dependence of mobility. The activation energy can be calculated from the slope of the straight line. In the figure, (1) corresponds to a degenerate semiconductor and (2) corresponds to a non-degenerate semiconductor.

次に、保護層16(エッチングストッパー)となる、SiO膜16aをPECVD法で300nm成膜した(図2a(e))。次に、基板を温度300℃で1時間熱処理した。
X線回折で確認した結果、半導体層13は結晶化していた(外角側に若干シフトしていた)。また、結晶化した半導体層13のキャリア密度は1×1016cm−3の非縮退半導体であった。また、結晶化した半導体層13は弗化水素酸系エッチング液に対して耐性があった。
Next, an SiO 2 film 16a serving as the protective layer 16 (etching stopper) was formed to a thickness of 300 nm by PECVD (FIG. 2a (e)). Next, the substrate was heat-treated at a temperature of 300 ° C. for 1 hour.
As a result of confirmation by X-ray diffraction, the semiconductor layer 13 was crystallized (slightly shifted to the outer angle side). Further, the carrier density of the crystallized semiconductor layer 13 was a non-degenerate semiconductor of 1 × 10 16 cm −3 . Further, the crystallized semiconductor layer 13 was resistant to a hydrofluoric acid etching solution.

その後、ポジ型のフォトレジスト21を形成し(図2a(f))、ゲート電極11をマスクとして背面から露光した(図2b(g))。フォトレジスト露光部21bを除去した後(図2b(i))、SiO膜16aを弗化水素酸系エッチング液(BHF:HF(弗化水素酸)2wt%、NHF(弗化アンモニウム)15wt%)でエッチングし、ゲート電極11と自己整合した保護層16を形成した(図2c(k))。
続いて、モリブデン金属層14a(厚さ200nm)を形成し、フォトリソ工程によりパターニングすることにより、ソース電極14、ドレイン電極15形成した。
以上の工程により、ボトムゲート構造のエッチングストッパー型電界効果型トランジスタを製造した(図1、ソース・ドレイン電極間間隙(L)が20μm、幅(W)が20μm)。
Thereafter, a positive type photoresist 21 was formed (FIG. 2a (f)), and exposure was performed from the back surface using the gate electrode 11 as a mask (FIG. 2b (g)). After removing the photoresist exposed portion 21b (FIG. 2b (i)), the SiO 2 film 16a is formed into a hydrofluoric acid etching solution (BHF: HF (hydrofluoric acid) 2 wt%, NH 4 F (ammonium fluoride)). 15 wt%) to form a protective layer 16 that is self-aligned with the gate electrode 11 (FIG. 2c (k)).
Subsequently, a molybdenum metal layer 14a (thickness: 200 nm) was formed and patterned by a photolithography process to form a source electrode 14 and a drain electrode 15.
Through the above steps, an etching stopper type field effect transistor having a bottom gate structure was manufactured (FIG. 1, the gap (L) between the source and drain electrodes was 20 μm, and the width (W) was 20 μm).

尚、作製した電界効果型トランジスタの保護層16の端部付近は、第一の導電体、第一の絶縁体、酸化物を含む半導体、第二の絶縁体、第二の導電体の順に積層されている積層体になっている。保護層16は第二の絶縁体である。   Note that, in the vicinity of the end portion of the protective layer 16 of the manufactured field effect transistor, a first conductor, a first insulator, a semiconductor containing an oxide, a second insulator, and a second conductor are stacked in this order. It is a laminated body. The protective layer 16 is a second insulator.

(3)トランジスタの評価
(A)電界効果移動度(μ)、オンオフ比、オフ電流、S値、閾値電圧(Vth)及び遮断周波数
半導体パラメーターアナライザー(ケースレー4200)を用い、室温かつ遮光環境下で測定した。
(B)ヒステリシス
半導体パラメーターアナライザーを用い、昇電圧時の伝達曲線(I−V特性)と降電圧時の伝達曲線(I−V特性)を測定し、昇降時の電圧の差をΔVgとする。ΔVgの最大値が0.5V以下であるものを「少ない」、0.5〜3Vであるものを「ある」、3V以上であるものを「大きい」とした。
(C)半導体層の弗化水素酸系エッチング液耐性
弗化水素酸系エッチング液(弗化水素酸 10wt%)でのエッチングレートを測定し、下記式で選択比を計算した。
選択比=(SiOxのエッチングレート)/(半導体膜のエッチングレート)
選択比が2未満のものを、弗化水素酸系エッチング液耐性が無し、2以上のもの(エッチングレートがSiOxの2分の1以下)を弗化水素酸系エッチング液耐性が有りとした。
尚、上記選択比の計算の際のSiOxのエッチングレートは熱酸化膜のものを使用した。
(3) Transistor evaluation (A) Field effect mobility (μ), on / off ratio, off current, S value, threshold voltage (Vth) and cut-off frequency It was measured.
(B) Hysteresis Using a semiconductor parameter analyzer, the transfer curve at the time of rising voltage (IV characteristic) and the transfer curve at the time of falling voltage (IV characteristic) are measured, and the difference in voltage at the time of raising and lowering is taken as ΔVg. The case where the maximum value of ΔVg is 0.5 V or less is “less”, the case where 0.5 to 3 V is “Yes”, and the case where it is 3 V or more is “large”.
(C) Resistance of hydrofluoric acid-based etching solution of semiconductor layer The etching rate with a hydrofluoric acid-based etching solution (hydrofluoric acid 10 wt%) was measured, and the selectivity was calculated by the following formula.
Selectivity = (SiOx etching rate) / (Semiconductor film etching rate)
Those having a selection ratio of less than 2 were not resistant to hydrofluoric acid-based etching solutions, and those having a selectivity of 2 or more (etching rate of 1/2 or less of SiOx) were considered to have resistance to hydrofluoric acid-based etching solutions.
The SiOx etching rate used in the calculation of the selectivity was that of a thermal oxide film.

(4)TFT基板の評価
(A)ばらつき
同一基板内に作製した1000個のTFTを評価し、遮断周波数の変動係数を計算した。
変動係数=3σ(標準偏差)/平均値×100(%)
変動係数を以下の基準で評価した。
○:1%未満、△:1%以上10%未満、×:10%以上
(B)歩留り
同一基板内の1000個のTFTを評価し、電界効果移動度、S値及び遮断周波数のいずれかが、3σから外れるものを不良品として、歩留りを計算した。
歩留りを以下の基準で評価した。
○:99.5%以上、△:99%以上99.5%未満、×:99%未満
(4) Evaluation of TFT substrate (A) Variation 1000 TFTs fabricated in the same substrate were evaluated, and the variation coefficient of the cut-off frequency was calculated.
Coefficient of variation = 3σ (standard deviation) / average value × 100 (%)
The coefficient of variation was evaluated according to the following criteria.
○: Less than 1%, △: 1% or more and less than 10%, ×: 10% or more (B) Yield Evaluate 1000 TFTs on the same substrate, and any of field effect mobility, S value and cutoff frequency is Yield was calculated by assuming that the product deviated from 3σ was defective.
Yield was evaluated according to the following criteria.
○: 99.5% or more, Δ: 99% or more and less than 99.5%, ×: less than 99%

(5)リングオシレーター作製による評価
実施例1において、W/L=60/10μmとした他は、同様に作製した電界効果型トランジスタについて、11段のリングオシレーターを作製し、段当りの遅延時間を評価した。尚、後述する実施例及び比較例においても、W/Lは60/10μmとした。
評価結果を表1に示す。
(5) Evaluation by Ring Oscillator Fabrication In Example 1, except that W / L = 60/10 μm, an 11-stage ring oscillator was fabricated for a field-effect transistor fabricated in the same manner, and the delay time per stage was evaluated. In the examples and comparative examples described later, W / L was 60/10 μm.
The evaluation results are shown in Table 1.

・半導体層の吸収係数
実施例1の半導体層(熱処理後)と、実施例1の半導体層と同様にして成膜したアモルファスシリコン層の吸収係数を比較した。図5に吸収係数と波長の関係を示す。500nm以下の短波長の光において、実施例1の半導体層(結晶膜)の吸収係数は、アモルファスシリコン層の1/10以下であった。このため、照射光が半導体層を通過して背面の層を露光する際、照射光のロスが少なく、また、部分的な発熱による特性変化や不均一な結晶成長等を防げる。実施例1では、ゲート電極をマスクとして、フォトレジストを問題なく露光できた。尚、短波長の光を用いて加工精度を上げることが可能であった。
-Absorption coefficient of semiconductor layer The absorption coefficient of the semiconductor layer (after heat processing) of Example 1 and the amorphous silicon layer formed similarly to the semiconductor layer of Example 1 were compared. FIG. 5 shows the relationship between the absorption coefficient and the wavelength. For light with a short wavelength of 500 nm or less, the absorption coefficient of the semiconductor layer (crystal film) of Example 1 was 1/10 or less of that of the amorphous silicon layer. For this reason, when the irradiation light passes through the semiconductor layer to expose the back layer, the loss of the irradiation light is small, and characteristic changes due to partial heat generation, non-uniform crystal growth, and the like can be prevented. In Example 1, the photoresist could be exposed without any problem using the gate electrode as a mask. In addition, it was possible to raise processing precision using the light of a short wavelength.

実施例2
第二の保護層17を形成した他は、実施例1と同様にして電界効果型トランジスタを製造した(図2c(o))。結果を表1示す。
尚、第二の保護層は、SiNxをPECVDで形成した(厚さ100nm)。SiNxを積層したため耐湿性が向上した。
Example 2
A field effect transistor was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the second protective layer 17 was formed (FIG. 2c (o)). The results are shown in Table 1.
The second protective layer was made of SiNx by PECVD (thickness 100 nm). Since SiNx was laminated, the moisture resistance was improved.

実施例3
図6に示す電界効果型トランジスタを製造した。
具体的には、半導体層13とソース電極14、ドレイン電極15をドライエッチングで一括成形し、第二の保護膜やコンタクトホールを設けなかった他は、実施例1と同様とした。結果を表1に示す。
Example 3
The field effect transistor shown in FIG. 6 was manufactured.
Specifically, the semiconductor layer 13, the source electrode 14, and the drain electrode 15 were collectively formed by dry etching, and the same procedure as in Example 1 was performed except that the second protective film and the contact hole were not provided. The results are shown in Table 1.

実施例4〜25
半導体層の組成等を表1〜3に示すように変更した他は、実施例1同様に電界効果型トランジスタを作製し、評価した。結果を表1〜3に示す。
Examples 4-25
A field effect transistor was fabricated and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the composition of the semiconductor layer was changed as shown in Tables 1 to 3. The results are shown in Tables 1-3.

実施例26
実施例1と同様の材料、方法を用いて、図7の製造工程にて電界効果型トランジスタを作製し、評価した。
具体的に、支持基板901上にゲート電極903を形成し(図7(a))、ゲート電極903を覆うようにしてゲート絶縁膜905を成膜し、成膜したゲート絶縁膜905上に非晶質酸化物膜907を形成した(図7(b))。非晶質酸化物膜907を熱処理により結晶化し、半導体層907’とした(図7(c))。続いて、第一の保護膜911を形成した(図7(d))。第一の保護膜911上にレジスト915を積層した((図7(e))。
この積層体について、ゲート電極903をマスクとして支持基板901側からの露光及びレジスト除去(付番915bの部分)を行い、レジストをパターニングした((図7(f)(g))、付番915a)。レジストをパターニングした後、第一の保護膜911をエッチングし、第一の保護膜911をパターニングし、レジスト915aを除去した(図7(h))。第一の保護膜のエッチングは、弗酸系のエッチング液を用いウェットエッチングで行った。
半導体層907’の一部を低抵抗化させ、半導体層にチャンネル部位909及びソース部位・ドレイン部位907a、907bを形成した。さらに、第二の保護膜917を形成した(図7(i))。次に、コンタクトホールを通してソース・ドレイン電極919を形成し電界効果型トランジスタとする(図7(j))。
尚、第一の保護膜として、PECVDによりSiOxを、第二の保護膜としてPECVDによりSiNx:Hを形成した。その際、PECVDによるSiNx:Hと同時に半導体層を低抵抗化させ、ソース部・ドレイン部を形成した。
結果を表1に示す。
Example 26
Using the same materials and methods as in Example 1, a field effect transistor was manufactured and evaluated in the manufacturing process of FIG.
Specifically, the gate electrode 903 is formed over the support substrate 901 (FIG. 7A), the gate insulating film 905 is formed so as to cover the gate electrode 903, and the non-coated over the formed gate insulating film 905. A crystalline oxide film 907 was formed (FIG. 7B). The amorphous oxide film 907 was crystallized by heat treatment to form a semiconductor layer 907 ′ (FIG. 7C). Subsequently, a first protective film 911 was formed (FIG. 7D). A resist 915 was stacked on the first protective film 911 ((FIG. 7E)).
The laminated body was exposed from the support substrate 901 side using the gate electrode 903 as a mask and the resist was removed (part numbered 915b), and the resist was patterned ((FIGS. 7 (f) and (g)), numbered 915a. ). After patterning the resist, the first protective film 911 was etched, the first protective film 911 was patterned, and the resist 915a was removed (FIG. 7H). The first protective film was etched by wet etching using a hydrofluoric acid-based etchant.
A part of the semiconductor layer 907 ′ was reduced in resistance, and a channel portion 909 and source / drain portions 907a and 907b were formed in the semiconductor layer. Further, a second protective film 917 was formed (FIG. 7 (i)). Next, a source / drain electrode 919 is formed through the contact hole to form a field effect transistor (FIG. 7J).
Note that SiOx was formed by PECVD as the first protective film, and SiNx: H was formed by PECVD as the second protective film. At that time, the resistance of the semiconductor layer was lowered simultaneously with SiNx: H by PECVD to form a source part and a drain part.
The results are shown in Table 1.

Figure 2010165922
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Figure 2010165922
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Figure 2010165922
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尚、上記の実施例において、実施例2と26は実施例1に比べ耐湿性が向上した。これは、第二の保護膜としてSiNx:Hを積層した効果と考えられる。   In the above embodiment, the moisture resistance of Examples 2 and 26 was improved compared to Example 1. This is considered to be an effect of stacking SiNx: H as the second protective film.

また、実施例5において、SiO膜16aをし、基板を温度300℃で1時間熱処理した後(図2a(e))、半導体層13のX線回折を測定した。結果を図8に示す。図8中、AはX線回折チャートであり、BはJCPDSカードNo.06−0416のパターンを示している。測定角度(2θ)の範囲は10〜42°である。
半導体層の非晶質膜は結晶化し、希土類酸化物C型の結晶構造(JCPDSカードNo.06−0416)を示す結晶膜になっていた。β−Ga構造(JCPDSカードNo.43−1012)やβ−GaInO構造(JCPDSカードNo.21−0334)は確認されなかった。
In Example 5, the SiO 2 film 16a was formed and the substrate was heat-treated at a temperature of 300 ° C. for 1 hour (FIG. 2a (e)), and then the X-ray diffraction of the semiconductor layer 13 was measured. The results are shown in FIG. In FIG. 8, A is an X-ray diffraction chart, and B is a JCPDS card no. The pattern of 06-0416 is shown. The range of the measurement angle (2θ) is 10 to 42 °.
The amorphous film of the semiconductor layer was crystallized to be a crystalline film having a rare earth oxide C-type crystal structure (JCPDS card No. 06-0416). The β-Ga 2 O 3 structure (JCPDS card No. 43-1012) and β-GaInO 3 structure (JCPDS card No. 21-0334) were not confirmed.

比較例1〜4
半導体層の組成を表4に示すように変更し、保護層16の形成をリフトオフで実施した他は、実施例1と同様に電界効果型トランジスタを作製し、評価した。結果を表4に示す。半導体層は弗化水素酸系エッチング液耐性が無かった。
Comparative Examples 1-4
A field effect transistor was fabricated and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the composition of the semiconductor layer was changed as shown in Table 4 and the protective layer 16 was formed by lift-off. The results are shown in Table 4. The semiconductor layer was not resistant to hydrofluoric acid etching solution.

Figure 2010165922
Figure 2010165922

比較例5
図9に示す工程により、電界効果型トランジスタを作製した。
先ず、基板10上にチャンネル層11であるIGZO膜をパターニング形成する。次いでゲート絶縁層12を堆積する。さらにゲート電極11をパターニング形成する。さらに、水素添加工程として、プラズマ処理装置を用い、水素プラズマ処理により水素添加を行う。水素プラズマ処理は、平行平板型のプラズマCVD装置あるいはRIEタイプのプラズマエッチング装置を用いて行うことができる。ゲート電極11をマスクとして水素酸化物薄膜に注入する(図9(a))ことで、ソース部位14’、ドレイン部位15’を形成する(図9(b))。この後、水素量の均質化をはかるために、アニール処理を施した。
その後、絶縁層17’、ソース電極14、ドレイン電極15を形成して電界効果型トランジスタを作製した(図9(c))。結果を表4に示す。
全体的にTFT特性が低く、酸化物半導体内に水素が拡散したためと思われる。
Comparative Example 5
A field effect transistor was manufactured by the process shown in FIG.
First, an IGZO film that is the channel layer 11 is formed on the substrate 10 by patterning. Next, a gate insulating layer 12 is deposited. Further, the gate electrode 11 is formed by patterning. Further, as a hydrogen addition step, hydrogen is added by hydrogen plasma treatment using a plasma treatment apparatus. The hydrogen plasma treatment can be performed using a parallel plate type plasma CVD apparatus or an RIE type plasma etching apparatus. By implanting into the hydrogen oxide thin film using the gate electrode 11 as a mask (FIG. 9A), a source region 14 ′ and a drain region 15 ′ are formed (FIG. 9B). Thereafter, annealing treatment was performed in order to homogenize the amount of hydrogen.
Thereafter, an insulating layer 17 ′, a source electrode 14, and a drain electrode 15 were formed to produce a field effect transistor (FIG. 9C). The results are shown in Table 4.
This is probably because the TFT characteristics were low overall, and hydrogen diffused into the oxide semiconductor.

比較例6
図10に示す工程により、電界効果型トランジスタを作製した。
まず、ガラス基板10上にドレイン電極14及びソース電極15を形成する(図10(a))。
ゲート絶縁層12を形成後、IGZO膜及びゲート絶縁膜となるY膜13を成膜する(図10(b))。
Comparative Example 6
A field effect transistor was manufactured by the process shown in FIG.
First, the drain electrode 14 and the source electrode 15 are formed on the glass substrate 10 (FIG. 10A).
After forming the gate insulating layer 12, an IGZO film and a Y 2 O 3 film 13 to be a gate insulating film are formed (FIG. 10B).

その上にポジレジスト21を塗布し、その後、基板の裏側から金膜からなるソース・ドレイン電極のパターンを通して波長436nmの光でポジレジスト21を露光する(図10(c))。   A positive resist 21 is applied thereon, and then the positive resist 21 is exposed with light having a wavelength of 436 nm through a pattern of a source / drain electrode made of a gold film from the back side of the substrate (FIG. 10C).

ポストべークを行った後、現像処理してゲート電極11が形成されるべき場所のレジストを除去する(図10(d))。   After the post-baking, development is performed to remove the resist where the gate electrode 11 is to be formed (FIG. 10D).

次に、ゲート電極11としてNi膜11’を80nm蒸着する(図10(e))。
その後、リフトオフ工程によりレジスト膜を除去し、先に形成されたソース・ドレイン電極の端に整合する位置・形状のゲート電極を得る(図10(f))。
完成した電界効果型トランジスタの断面観察より、ソース電極14、ドレイン電極15とゲート電極11の重なり幅Lは、0.5μmであった。
Next, Ni film 11 'is vapor-deposited as 80 nm as the gate electrode 11 (FIG.10 (e)).
Thereafter, the resist film is removed by a lift-off process to obtain a gate electrode having a position and shape aligned with the ends of the previously formed source / drain electrodes (FIG. 10 (f)).
From the cross-sectional observation of the completed field effect transistor, the overlapping width L of the source electrode 14, the drain electrode 15 and the gate electrode 11 was 0.5 μm.

比較例7
半導体層の組成を、原子比〔In/(In+Ga+Zn)〕が0.4、原子比〔Ga/(In+Ga+Zn)〕が0.4、原子比〔Zn/(In+Ga+Zn)〕が0.2とした他は、実施例1と同様にして電界効果型トランジスタの作製を試みた。
その結果、実施例1と異なり、半導体層13(非晶質膜)は、温度300℃で1時間熱処理しても、非晶質膜のままであった(X線回折で確認)。この非晶質膜は弗化水素酸系エッチング液に対するエッチングレートが酸化ケイ素(SiOx)よりも高かった。そのため、背面露光した後にウェットエッチングにより保護層を形成するときに、半導体層までが溶けてしまった。従って、電界効果型トランジスタが作製できなかった。
Comparative Example 7
The composition of the semiconductor layer is such that the atomic ratio [In / (In + Ga + Zn)] is 0.4, the atomic ratio [Ga / (In + Ga + Zn)] is 0.4, and the atomic ratio [Zn / (In + Ga + Zn)] is 0.2. Tried producing a field effect transistor in the same manner as in Example 1.
As a result, unlike Example 1, the semiconductor layer 13 (amorphous film) remained an amorphous film even after heat treatment at a temperature of 300 ° C. for 1 hour (confirmed by X-ray diffraction). This amorphous film had an etching rate with respect to a hydrofluoric acid etching solution higher than that of silicon oxide (SiOx). For this reason, when the protective layer is formed by wet etching after the back exposure, even the semiconductor layer has melted. Therefore, a field effect transistor could not be manufactured.

比較例8
半導体層の組成を、原子比〔In/(In+Ga+Zn)〕が0.34、原子比〔Ga/(In+Ga+Zn)〕が0.33、原子比〔Zn/(In+Ga+Zn)〕が0.33とした他は、実施例1と同様にして電界効果型トランジスタの作製を試みた。
その結果、比較例7と同様の理由により、電界効果型トランジスタを作製できなかった。
Comparative Example 8
The composition of the semiconductor layer is such that the atomic ratio [In / (In + Ga + Zn)] is 0.34, the atomic ratio [Ga / (In + Ga + Zn)] is 0.33, and the atomic ratio [Zn / (In + Ga + Zn)] is 0.33. Tried producing a field effect transistor in the same manner as in Example 1.
As a result, a field effect transistor could not be produced for the same reason as in Comparative Example 7.

比較例9
半導体層に酸化亜鉛(ZnO)を用いた他は、実施例1と同様にして電界効果型トランジスタを作製した。
その結果、実施例1と異なり、半導体層は成膜時から多結晶質膜であり、300℃で1時間の熱処理後も、多結晶質膜のままであった。この多結晶質膜は弗化水素酸系エッチング液に対するエッチングレートが酸化ケイ素(SiOx)よりも高かった。そのため、背面露光した後にウェットエッチングにより保護層を形成するときに、半導体層までが溶けてしまった。従って、電界効果型トランジスタが作製できなかった。
Comparative Example 9
A field effect transistor was fabricated in the same manner as in Example 1 except that zinc oxide (ZnO) was used for the semiconductor layer.
As a result, unlike Example 1, the semiconductor layer was a polycrystalline film from the time of film formation, and remained a polycrystalline film even after heat treatment at 300 ° C. for 1 hour. This polycrystalline film had an etching rate with respect to a hydrofluoric acid etching solution higher than that of silicon oxide (SiOx). For this reason, when the protective layer is formed by wet etching after the back exposure, even the semiconductor layer has melted. Therefore, a field effect transistor could not be manufactured.

本発明の電界効果型トランジスタは、ドライバ回路を含むディスプレイ用基板に好適である。特に、シフトレジスター等のゲートドライバー用回路等に適している。   The field effect transistor of the present invention is suitable for a display substrate including a driver circuit. It is particularly suitable for gate driver circuits such as shift registers.

本発明の電界効果型トランジスタの一実施形態の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of one Embodiment of the field effect transistor of this invention. 本発明の半導体素子の製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating one Embodiment of the manufacturing method of the semiconductor element of this invention. 本発明の半導体素子の製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating one Embodiment of the manufacturing method of the semiconductor element of this invention. 本発明の半導体素子の製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating one Embodiment of the manufacturing method of the semiconductor element of this invention. 本発明の積層体の一実施形態の概略断面図である。図である。It is a schematic sectional drawing of one Embodiment of the laminated body of this invention. FIG. 酸化物半導体の、温度と移動度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between temperature and mobility of an oxide semiconductor. 実施例1の半導体層とアモルファスシリコン層の、吸収係数と波長の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the absorption coefficient of a semiconductor layer and an amorphous silicon layer of Example 1, and a wavelength. 実施例3で作製した電界効果型トランジスタの概略断面図である。6 is a schematic cross-sectional view of a field effect transistor produced in Example 3. FIG. 実施例26で作製した電界効果型トランジスタの製造工程を示す図である。FIG. 26 shows a manufacturing process for the field-effect transistor fabricated in Example 26. 実施例26で作製した電界効果型トランジスタの製造工程を示す図である。FIG. 26 shows a manufacturing process for the field-effect transistor fabricated in Example 26. 実施例5で作製した半導体層のX線回折チャートである。6 is an X-ray diffraction chart of a semiconductor layer manufactured in Example 5. FIG. 比較例5の電界効果型トランジスタの製造工程を示す図である。10 is a diagram showing a manufacturing process of a field-effect transistor of Comparative Example 5. FIG. 比較例6の電界効果型トランジスタの製造工程を示す図である。10 is a diagram illustrating a manufacturing process of the field effect transistor of Comparative Example 6. FIG.

10 基板
11 ゲート電極
12 ゲート絶縁膜
13 半導体層
14 ソース電極
15 ドレイン電極
16 第一の保護層
17 第二の保護層
18 コンタクトホール
30 積層体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Substrate 11 Gate electrode 12 Gate insulating film 13 Semiconductor layer 14 Source electrode 15 Drain electrode 16 First protective layer 17 Second protective layer 18 Contact hole 30 Laminate

Claims (18)

酸化物を含む半導体層、及び前記半導体層の保護層を有し、
前記半導体層の、下記A又はBに対するエッチングレートが、酸化ケイ素のエッチングレートの2分の1以下である、電界効果型トランジスタ。
A:10質量%の弗化水素酸を含むウェットエッチング液
B:15質量%の弗化アンモニウムを含むウェットエッチング液
A semiconductor layer containing an oxide, and a protective layer for the semiconductor layer;
A field effect transistor in which an etching rate of the semiconductor layer with respect to A or B below is half or less of an etching rate of silicon oxide.
A: Wet etching solution containing 10% by mass of hydrofluoric acid B: Wet etching solution containing 15% by mass of ammonium fluoride
前記半導体層が、In、Zn、Sn及びGaから選択される少なくとも1以上の元素を含む酸化物からなる請求項1に記載の電界効果型トランジスタ。   The field effect transistor according to claim 1, wherein the semiconductor layer is made of an oxide containing at least one element selected from In, Zn, Sn, and Ga. 前記半導体層が、結晶状態の酸化物を含む請求項1又は2に記載の電界効果型トランジスタ。   The field effect transistor according to claim 1, wherein the semiconductor layer includes an oxide in a crystalline state. 前記半導体層が、In元素を含み、かつ希土類酸化物C型の結晶構造を示す酸化物を含む請求項1〜3のいずれかに記載の電界効果型トランジスタ。   The field effect transistor according to claim 1, wherein the semiconductor layer includes an oxide containing an In element and having a rare earth oxide C-type crystal structure. 前記半導体層が、In元素と、少なくとも1種類以上の正二価元素又は少なくとも1種類以上の正三価元素を含む酸化物である請求項1〜4のいずれかに記載の電界効果型トランジスタ。   The field effect transistor according to any one of claims 1 to 4, wherein the semiconductor layer is an oxide containing an In element and at least one kind of positive divalent element or at least one kind of positive trivalent element. 遮断周波数が1MHz以上である請求項1〜5のいずれかに記載の電界効果型トランジスタ。   The field effect transistor according to any one of claims 1 to 5, wherein a cutoff frequency is 1 MHz or more. ゲート電極をパターンとして、半導体保護層を形成した半導体素子。   A semiconductor element in which a semiconductor protective layer is formed using a gate electrode as a pattern. 前記半導体保護層がウェットエッチングで選択エッチングされて形成されている請求項7に記載の半導体素子。   The semiconductor element according to claim 7, wherein the semiconductor protective layer is formed by selective etching by wet etching. 前記ウェットエッチングに弗化水素酸又は弗化アンモニウムを含むウェットエッチング液を用いる請求項8に記載の半導体素子。   9. The semiconductor device according to claim 8, wherein a wet etching solution containing hydrofluoric acid or ammonium fluoride is used for the wet etching. 電界効果型トランジスタである、請求項9に記載の半導体素子。   The semiconductor element according to claim 9, which is a field effect transistor. In、Zn、Sn及びGaから選択される少なくとも1以上の元素を含む酸化物膜を形成する工程と、
前記酸化物膜上に、ゲート電極をマスクにして保護層を形成する工程を含み、
前記保護層を形成する際のエッチングプロセスで、弗化水素酸又は弗化アンモニウムを含むウェットエッチング液を用いる、電界効果型トランジスタの製造方法。
Forming an oxide film containing at least one element selected from In, Zn, Sn and Ga;
Forming a protective layer on the oxide film using a gate electrode as a mask;
A method for manufacturing a field effect transistor, wherein a wet etching solution containing hydrofluoric acid or ammonium fluoride is used in an etching process for forming the protective layer.
前記酸化物膜の、下記A又はBに対するエッチングレートが、酸化ケイ素のエッチングレートの2分の1以下である、請求項11に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
A:10質量%の弗化水素酸を含むウェットエッチング液
B:15質量%の弗化アンモニウムを含むウェットエッチング液
The method for manufacturing a field effect transistor according to claim 11, wherein an etching rate of the oxide film with respect to A or B below is half or less of an etching rate of silicon oxide.
A: Wet etching solution containing 10% by mass of hydrofluoric acid B: Wet etching solution containing 15% by mass of ammonium fluoride
前記酸化物膜が結晶状態の酸化物である請求項11又は12に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。   The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 11, wherein the oxide film is an oxide in a crystalline state. 請求項1〜6の電界効果型トランジスタを有するドライバ回路を含むディスプレイ用基板。   A display substrate comprising a driver circuit having the field effect transistor according to claim 1. 第一の導電体層、第一の絶縁体層、酸化物を含む半導体層、第二の絶縁体層及び第二の導電体層を、この順に有する積層体。   The laminated body which has a 1st conductor layer, a 1st insulator layer, a semiconductor layer containing an oxide, a 2nd insulator layer, and a 2nd conductor layer in this order. 請求項15に記載の積層体を含む電界効果型トランジスタ。   A field effect transistor comprising the laminate according to claim 15. 前記第一の絶縁体層が酸化物であり、前記酸化物を含む半導体層がInを含み希土類酸化物C型の結晶構造を示す多結晶酸化物であり、第二の絶縁体層が酸化物である請求項16に記載の電界効果型トランジスタ。   The first insulator layer is an oxide, the semiconductor layer containing the oxide is a polycrystalline oxide containing In and containing a rare earth oxide C-type crystal structure, and the second insulator layer is an oxide. The field effect transistor according to claim 16. ゲート電極と半導体層の保護層が自己整合している請求項16又は17に記載の電界効果型トランジスタ。   18. The field effect transistor according to claim 16, wherein the gate electrode and the protective layer of the semiconductor layer are self-aligned.
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