JP2013118367A - Thin film transistor, manufacturing method of the same, display device equipped with thin film transistor and sputtering target material - Google Patents

Thin film transistor, manufacturing method of the same, display device equipped with thin film transistor and sputtering target material Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin film transistor which inhibits decrease in electric characteristic value of a TFT using a Cu alloy to wiring; and provide a manufacturing method of the thin film transistor, a display device equipped with the thin film transistor and a sputtering target material.SOLUTION: A TFT comprises: a gate insulation film; a Si-based semiconductor layer; source/drain electrodes having a Cu alloy layer; and an oxide film formed at a boundary of the Si-based semiconductor layer with the source electrode and the drain electrode. The Cu alloy layer contains Cu and at least one kind of additive element. When a peak value of a depth distribution of an oxygen atomic concentration in the oxide film is not less than 40 atom% and not more than 66 atom%, and a distance from the position of the peak value of the oxygen atomic concentration or from the boundary of the Si-based semiconductor layer with the source/drain electrodes, at which an oxygen distribution indicates 10 atom% is defined as a film thickness of the oxide film, the film thickness of the oxide film is 1.8 nm and under.

Description

本発明は、薄膜トランジスタ及びその製造方法、並びに薄膜トランジスタを用いたアクティブマトリクス型の表示装置、スパッタリングターゲット材に関する。   The present invention relates to a thin film transistor, a manufacturing method thereof, an active matrix display device using the thin film transistor, and a sputtering target material.

近年、薄膜トランジスタ(TFT: Thin Film Transistor)を画素回路に用いたアクティブマトリクス型表示装置において、その大型化、画素の高精細化、フレーム周波数の倍増による動画性能の向上、さらに民生用3D表示装置の画質向上などが要求されている。一方、表示装置の価格は予想を上回るペースで下落を続けており、エネルギー資源やレアメタル等の価格の高騰など製造コストを押し上げる要因も増大しつつある。従って、更なる製造コスト低減のための技術を開発することが急務となっている。 Recently, thin film transistors: in an active matrix display device using (TFT T hin F ilm T ransistor ) to the pixel circuit, its size, high definition of pixels, improved video performance by doubling the frame frequency, further 3D consumer There is a demand for improving the image quality of display devices. On the other hand, the price of display devices continues to decline at a pace exceeding expectations, and factors that push up manufacturing costs such as rising prices of energy resources and rare metals are also increasing. Therefore, there is an urgent need to develop a technique for further reducing manufacturing costs.

上述の要求を満足するために、例えば液晶表示装置(LCD:Liquid Crystal Displays)では、TFTの半導体層を、アモルファスシリコン膜から微結晶シリコンや多結晶シリコンまたは酸化物半導体に替えること、また、その配線材料を、アルミニウム(Al)またはAl合金から銅(Cu)に替える試みがある。微結晶シリコンや多結晶シリコンまたは酸化物半導体は、アモルファスシリコンと比較して高いキャリア移動度を有するため、駆動電圧を大幅に低減することができ、画素の高精細化、消費電力の削減が可能であり、更には表示装置の周辺部にドライバ回路を形成することが可能となる。 To satisfy the above requirements, for example, a liquid crystal display device: In (LCD L iquid C rystal D isplays ), varying the semiconductor layer of the TFT, an amorphous silicon film is microcrystalline silicon or polycrystalline silicon or an oxide semiconductor, There is also an attempt to change the wiring material from aluminum (Al) or an Al alloy to copper (Cu). Microcrystalline silicon, polycrystalline silicon, or an oxide semiconductor has higher carrier mobility than amorphous silicon, so the driving voltage can be greatly reduced, and pixel definition and power consumption can be reduced. In addition, a driver circuit can be formed in the peripheral portion of the display device.

Cu配線はAl配線よりも電気抵抗が低いため、配線を伝わる電気信号が遅れる伝播遅延現象を抑制することができ、表示装置の更なる大型化やフレーム周波数の増加による動画質の向上が可能になる。また、Al配線は、ヒロックの発生抑制と透明導電膜との電気的接続を確保するために、Al膜の上下を高価なモリブデン(Mo)で挟んだMo/Al/Moの積層膜構造とするのが一般的であるが、Cuは透明導電膜との直接接続が可能であるために、省モリブデン化を図ることが可能である。従って、製造コストを低減することができる。   Since Cu wiring has lower electrical resistance than Al wiring, it is possible to suppress the propagation delay phenomenon in which the electrical signal transmitted through the wiring is delayed, and it is possible to further improve the quality of moving images by increasing the size of the display device and increasing the frame frequency. Become. Also, the Al wiring has a Mo / Al / Mo laminated film structure in which the upper and lower sides of the Al film are sandwiched by expensive molybdenum (Mo) in order to suppress the generation of hillocks and ensure electrical connection with the transparent conductive film. However, since Cu can be directly connected to the transparent conductive film, molybdenum can be saved. Therefore, the manufacturing cost can be reduced.

また、有機EL表示装置の大型化と画質向上のためには、高移動度の半導体層を適用することに加え、Al配線よりも低抵抗な配線材料が求められる。有機EL表示装置の画素回路に設けられる駆動トランジスタは、飽和領域を用いて有機EL層に流れる電流を制御し、その輝度を調整するが、表示装置の大型化に伴い配線抵抗による電圧降下の影響が無視できなくなると、想定された電圧が駆動トランジスタに供給されず飽和領域での駆動が不可能になり、その結果、輝度むらの原因となる。そこで、表示品位向上のためCu配線の適用が検討されている。   Further, in order to increase the size of the organic EL display device and improve the image quality, in addition to applying a high mobility semiconductor layer, a wiring material having a lower resistance than that of the Al wiring is required. The drive transistor provided in the pixel circuit of the organic EL display device controls the current flowing in the organic EL layer using the saturation region and adjusts the brightness. However, the influence of the voltage drop due to the wiring resistance with the increase in the size of the display device If it cannot be ignored, the assumed voltage is not supplied to the driving transistor, and driving in the saturation region becomes impossible, resulting in uneven brightness. Therefore, application of Cu wiring is being studied to improve display quality.

しかしながら、Cu配線をTFTに適用する際には、以下の問題が存在する。Cuはガラス基板や半導体層との密着性が悪い。更に、Cuが半導体層と接する場合、配線形成後の製造工程で加わる熱により、半導体層内部にCuが拡散しTFT特性を劣化させ、表示品位を下げる。このような密着性および拡散バリア性問題の対処として、下地膜とCu膜との間にMoやMo合金を形成する方法がある。しかしながら、前述のようにMoは高価であり、また、電気化学的性質の異なる金属の積層構造はエッチングを困難にするため、製造コストが増大する。   However, the following problems exist when the Cu wiring is applied to the TFT. Cu has poor adhesion to glass substrates and semiconductor layers. Further, when Cu is in contact with the semiconductor layer, Cu diffuses inside the semiconductor layer due to heat applied in the manufacturing process after the wiring is formed, thereby degrading TFT characteristics and lowering display quality. As a countermeasure for such adhesion and diffusion barrier properties, there is a method of forming Mo or Mo alloy between the base film and the Cu film. However, as described above, Mo is expensive, and a laminated structure of metals having different electrochemical properties makes etching difficult, so that the manufacturing cost increases.

そこで、熱工程を利用して、自己の添加元素を界面に析出させ、密着性および拡散バリア性に優れた添加元素酸化物膜を形成させるCu合金を採用する方法が提案されている。ここで熱工程は、CVD(Chemical Vapor Deposition)工程や液晶表示装置での配向膜焼成工程、酸化物半導体膜のキュアの為のアニール処理など、配線形成後に薄膜トランジスタ基板が経験する温度を想定している。添加元素酸化物膜の自己形成には、Cu合金とそれに接する膜の界面に必要十分な酸素原子が予め存在する必要がある。 In view of this, a method has been proposed in which a Cu alloy is used to precipitate an additive element at the interface by using a thermal process to form an additive element oxide film having excellent adhesion and diffusion barrier properties. Here thermal process, CVD (C hemical V apor D eposition) process and an alignment film baking process in a liquid crystal display device, such as annealing for curing the oxide semiconductor film, the temperature experienced by the TFT substrate after the wiring formation Assumed. For the self-formation of the additive element oxide film, necessary and sufficient oxygen atoms must exist in advance at the interface between the Cu alloy and the film in contact therewith.

下記特許文献1ではCuMn合金を推奨し、TFTのソース・ドレイン(SD: Source Drain)電極にCu合金を適用する方法として、例えば、Cu合金の成膜前に酸素プラズマ処理を行い、シリコン膜上層を改質させ一時的に酸化シリコン層SiOを形成し、添加元素酸化物膜の形成に必要な酸素を付与する方法を提案している。 In Patent Document 1 is recommended CuMn alloy, the source and drain of the TFT: A method of applying a Cu alloy (SD S ource D rain) electrodes, for example, perform an oxygen plasma treatment before forming the Cu alloy, silicon A method has been proposed in which the upper layer of the film is modified to temporarily form a silicon oxide layer SiO x and oxygen necessary for forming the additive element oxide film is applied.

また、下記特許文献2では、Cu合金を酸化物半導体へ適用する方法を開示している。酸化物半導体膜は、添加元素酸化物膜の自己形成に必要な酸素を予め含有している。   Patent Document 2 below discloses a method of applying a Cu alloy to an oxide semiconductor. The oxide semiconductor film contains in advance oxygen necessary for self-formation of the additive element oxide film.

特開2008−282887号公報JP 2008-28287A 特開2011−91364号公報JP 2011-91364 A

しかしながら、特許文献1のように、配線にCu合金を用いる場合、シリコン膜からなる半導体層へ酸素プラズマによる酸化処理を行うと、酸素プラズマ処理に起因するダメージがシリコン膜からなる半導体層に導入され、TFTの移動度の低下が生じる等の問題がある。   However, as in Patent Document 1, when a Cu alloy is used for the wiring, if an oxidation treatment using oxygen plasma is performed on a semiconductor layer made of a silicon film, damage caused by the oxygen plasma treatment is introduced into the semiconductor layer made of a silicon film. There is a problem that the mobility of the TFT is lowered.

また、特許文献2のように、配線にCu合金を用いる場合、酸化物半導体膜からなる半導体層にCu合金を接触させ加熱すると、サブスレショルド係数の増加や閾値電圧の負方向へのシフトが発生し、TFTがノーマリーオン動作となるなどの問題がある。
本発明は、配線にCu合金を用いるTFTの電気特性値の低下を抑制することを目的とする。
Further, as in Patent Document 2, when a Cu alloy is used for the wiring, when the Cu alloy is brought into contact with the semiconductor layer made of an oxide semiconductor film and heated, the subthreshold coefficient increases and the threshold voltage shifts in the negative direction. However, there is a problem that the TFT is normally on.
An object of the present invention is to suppress a decrease in electrical characteristic value of a TFT using a Cu alloy for wiring.

本発明の一観点によれば、基板上に、基板側から順番に、ゲート絶縁膜と、Si系半導体層と、Cu合金層を有するソース/ドレイン電極と、前記ソース電極及びドレイン電極と前記Si系半導体層との界面に形成される酸化物膜と、を備えた薄膜トランジスタであって、前記Cu合金層は、Cuと少なくとも1種類の添加元素とを含み、前記酸化物膜中の酸素の原子濃度の深さ分布が、ピーク値は40原子%以上66原子%以下であって、且つ、前記酸素の原子濃度のピーク値からの若しくは前記ソース電極及びドレイン電極と前記Si系半導体層の界面からの酸素の分布が10原子%となる距離を前記酸化物膜の膜厚と定義した際、前記酸化物膜の膜厚は1.8nm以下であることを特徴とする薄膜トランジスタが提供される。   According to an aspect of the present invention, a gate insulating film, a Si-based semiconductor layer, a source / drain electrode having a Cu alloy layer, and the source and drain electrodes and the Si on the substrate in order from the substrate side. A thin film transistor including an oxide film formed at an interface with a semiconductor layer, wherein the Cu alloy layer includes Cu and at least one additional element, and oxygen atoms in the oxide film. Concentration depth distribution has a peak value of 40 atomic% or more and 66 atomic% or less, and from the peak value of the atomic concentration of oxygen or from the interface between the source and drain electrodes and the Si-based semiconductor layer. When the distance at which the oxygen distribution is 10 atomic% is defined as the thickness of the oxide film, the oxide film has a thickness of 1.8 nm or less.

ここで、前記Si系半導体層と、前記Cu合金層を有するソース/ドレイン電極殿界面に形成される前記酸化物膜は、密着性及び拡散バリア性に優れ、かつ、低電気抵抗な酸化物膜酸化シリコン膜により形成されている自己形成膜である。この際、ゲート絶縁膜直上の極薄酸化膜でも同様に密着性及び拡散バリア性に優れる酸化物膜を自己形成するため、ソース電極及びドレイン電極の膜剥がれは起きにくい。また、Si半導体層へCu原子の拡散が抑制されていること、ソース電極及びドレイン電極とSi半導体層との界面付近に寄生抵抗としてはたらく酸化シリコン膜がないことが示唆される(移動度の低下、即ちオン電流の低下が観察されない)。   Here, the oxide film formed at the source / drain electrode interface having the Si-based semiconductor layer and the Cu alloy layer is excellent in adhesion and diffusion barrier properties, and has a low electrical resistance. It is a self-forming film formed of a silicon oxide film. At this time, since an oxide film having excellent adhesion and diffusion barrier properties is also formed on the ultrathin oxide film immediately above the gate insulating film, the source electrode and the drain electrode are unlikely to peel off. Further, it is suggested that the diffusion of Cu atoms to the Si semiconductor layer is suppressed, and that there is no silicon oxide film serving as a parasitic resistance near the interface between the source and drain electrodes and the Si semiconductor layer (reduction in mobility). That is, no decrease in on-current is observed).

また、ピーク値からもしくはCu合金層とSi半導体層の界面から酸素の分布が15原子%となる距離を酸化シリコン膜厚と定義した場合、その膜厚は1.6nm以下であり、ピーク値からもしくはCu合金層とSi半導体層の界面から酸素の分布が20原子%となる距離を酸化シリコン膜厚と定義した場合、その膜厚は1.4nm以下であり、ピーク値からもしくはCu合金層とSi半導体層の界面から酸素の分布が25原子%となる距離を酸化シリコン膜厚と定義した場合、その膜厚は1.2nm以下、であるようにすると良い。   Further, when the distance from the peak value or from the interface between the Cu alloy layer and the Si semiconductor layer is defined as the silicon oxide film thickness, the film thickness is 1.6 nm or less. Alternatively, when the distance at which the oxygen distribution is 20 atomic% from the interface between the Cu alloy layer and the Si semiconductor layer is defined as the silicon oxide film thickness, the film thickness is 1.4 nm or less, and from the peak value or from the Cu alloy layer When the distance at which the oxygen distribution is 25 atomic% from the interface of the Si semiconductor layer is defined as the silicon oxide film thickness, the film thickness is preferably 1.2 nm or less.

また、前記ソース電極及びドレイン電極と前記Si系半導体層の界面で、前記ソース電極及びドレイン電極の構成材料が前記Si系半導体層へ拡散している箇所の線密度が、距離480nm当たり平均7個以下であることが好ましい。   Further, the average of the line density of the portion where the constituent material of the source electrode and the drain electrode diffuses into the Si-based semiconductor layer at the interface between the source and drain electrodes and the Si-based semiconductor layer is 7 per 480 nm. The following is preferable.

換言すれば、前記ソース電極及びドレイン電極の構成材料が前記Si半導体層へ拡散している箇所の面密度7×7個/480×480nm以下(212.6個/μm以下)であれば、密着性が確保できることがわかる。 In other words, if the material density of the source electrode and the drain electrode is 7 × 7/480 × 480 nm 2 or less (212.6 / μm 2 or less) where the material diffuses into the Si semiconductor layer. It can be seen that adhesion can be secured.

本発明の他の観点によれば、基板上に、基板側から順番に、ゲート絶縁膜と、Si系半導体層と、Cuと少なくとも1種類の添加元素とを含むCu合金層を有するソース/ドレイン電極と、前記ソース電極及びドレイン電極と前記Si系半導体層との界面に形成される酸化物膜と、を備えた薄膜トランジスタであって、前記基板上に、ゲート電極構造を形成し、その上にゲート絶縁膜を堆積した後に、前記ゲート絶縁膜上に前記Si系半導体膜を堆積するステップと、プラズマ酸化法により前記Si系半導体層の表面に極薄酸化膜を形成するステップと、前記Cu合金層を有するソース/ドレイン電極を形成するステップと、を有し、前記酸化物膜は、プラズマ酸化法により形成され、前記プラズマ酸化法におけるRFパワー密度は0.22〜0.67W/cm以下で、且つ、処理時間は60秒以上240秒以下であることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, a source / drain having a gate insulating film, a Si-based semiconductor layer, and a Cu alloy layer containing Cu and at least one additive element on the substrate in order from the substrate side. A thin film transistor comprising an electrode and an oxide film formed at an interface between the source and drain electrodes and the Si-based semiconductor layer, wherein a gate electrode structure is formed on the substrate, and Depositing the Si-based semiconductor film on the gate insulating film after depositing the gate insulating film; forming a very thin oxide film on the surface of the Si-based semiconductor layer by a plasma oxidation method; and the Cu alloy Forming a source / drain electrode having a layer, wherein the oxide film is formed by a plasma oxidation method, and an RF power density in the plasma oxidation method is 0.22 0.67 W / cm 2 or less, and, a method of manufacturing the thin film transistor, wherein the treatment time is less 240 seconds 60 seconds is provided.

また、基板上に、基板側から順番に、ゲート絶縁膜と、Si系半導体層と、Cuと少なくとも1種類の添加元素とを含むCu合金層を有するソース/ドレイン電極と、前記ソース電極及びドレイン電極と前記Si系半導体層との界面に形成される酸化物膜と、を備えた薄膜トランジスタであって、前記基板上に、ゲート電極構造を形成し、その上にゲート絶縁膜を堆積した後に、前記ゲート絶縁膜上に前記Si系半導体膜を堆積するステップと、プラズマ酸化法により前記Si系半導体層の表面に極薄酸化膜を形成するステップと、前記Cu合金層を有するソース/ドレイン電極を形成するステップと、を有し、前記酸化物膜は、プラズマ酸化法により形成され、前記プラズマ酸化法におけるRFパワー密度と前記処理時間の積の値が、26.4〜52.8W・sec/cmであることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法が提供される。 In addition, a source / drain electrode having a gate insulating film, a Si-based semiconductor layer, a Cu alloy layer containing Cu and at least one kind of additive element on the substrate in order from the substrate side; An oxide film formed at an interface between an electrode and the Si-based semiconductor layer, and after forming a gate electrode structure on the substrate and depositing a gate insulating film thereon, Depositing the Si-based semiconductor film on the gate insulating film; forming a very thin oxide film on the surface of the Si-based semiconductor layer by plasma oxidation; and source / drain electrodes having the Cu alloy layer The oxide film is formed by a plasma oxidation method, and the product of the RF power density and the processing time in the plasma oxidation method is 26. Manufacturing method of a thin film transistor which is a 4~52.8W · sec / cm 2 is provided.

また、本発明は、基板上に、基板側から順番に、酸化物膜を有するゲート絶縁膜と、酸化物半導体層と、Cuと少なくとも1種類の添加元素とを含むCu合金層を有するソース/ドレイン電極と、前記ソース電極及びドレイン電極と前記酸化物半導体層との界面に形成される酸化物膜と、全体を保護する保護膜と、を備えた薄膜トランジスタであって、前記酸化物膜において、前記ソース電極及びドレイン電極中の添加元素および酸素の原子濃度はピークを有し、酸素のピーク値が添加元素のピーク値より大きいことを特徴とする薄膜トランジスタである。   In addition, the present invention provides a source / source having a gate insulating film having an oxide film, an oxide semiconductor layer, and a Cu alloy layer containing Cu and at least one additive element on the substrate in order from the substrate side. A thin film transistor comprising a drain electrode, an oxide film formed at an interface between the source electrode and the drain electrode and the oxide semiconductor layer, and a protective film for protecting the whole, wherein the oxide film includes: The atomic concentration of the additive element and oxygen in the source electrode and the drain electrode has a peak, and the peak value of oxygen is larger than the peak value of the additive element.

前記保護膜の形成温度において、前記ソース電極及びドレイン電極下層にある前記Cu中のCu原子と添加元素が界面に析出され、前記酸化物半導体層上に事前に形成した絶縁膜と化合し、前記酸化物半導体層からの酸素の拡散を抑制する。すなわち、Cu合金の成膜前に酸化物半導体膜に酸化処理を施し、その表面を一時的に絶縁体に改質することにより、Cu合金を成膜し熱を伴う処理で添加元素が拡散し添加元素酸化物膜を形成しても、Cu合金と酸化物半導体膜の界面には必要十分な酸素が存在するため、酸化物半導体膜の深部からの酸素の拡散は生じない。また、酸素の原子濃度のピーク値が添加元素のピーク値より大きいため、TFTの電流立ち上がり特性が良好であり、酸化物半導体TFTへの前記Cu合金の配線適用が可能になる。   At the formation temperature of the protective film, Cu atoms and additive elements in the Cu under the source electrode and the drain electrode are precipitated at the interface, combined with the insulating film formed in advance on the oxide semiconductor layer, Oxygen diffusion from the oxide semiconductor layer is suppressed. In other words, the oxide semiconductor film is oxidized before the Cu alloy film is formed, and the surface is temporarily changed to an insulator, so that the Cu element is formed and the additive element diffuses in the process involving heat. Even when the additive element oxide film is formed, necessary and sufficient oxygen exists at the interface between the Cu alloy and the oxide semiconductor film, so that oxygen does not diffuse from the deep part of the oxide semiconductor film. In addition, since the peak value of the atomic concentration of oxygen is larger than the peak value of the additive element, the current rising characteristic of the TFT is good, and the Cu alloy wiring can be applied to the oxide semiconductor TFT.

また、酸素が化合し低電気抵抗な酸化物膜が自己形成されるため、前記ソース電極及びドレイン電極と、前記酸化物半導体層との密着性及び拡散バリア性に良くなる。従って、上記薄膜トランジスタによれば、酸化物半導体層からの酸素の拡散を抑制し、酸化物半導体TFTへのCu合金の配線適用が可能になる。   In addition, oxygen is combined and an oxide film having low electrical resistance is self-formed, so that the adhesion and diffusion barrier properties between the source and drain electrodes and the oxide semiconductor layer are improved. Therefore, according to the thin film transistor, diffusion of oxygen from the oxide semiconductor layer is suppressed, and Cu alloy wiring can be applied to the oxide semiconductor TFT.

加えて、ゲート絶縁膜直上の極薄の前記酸化膜でも密着性及び拡散バリア性に優れる酸化物膜を自己形成するため、ソース電極及びドレイン電極の膜剥がれは生じにくい。   In addition, since the oxide film having excellent adhesion and diffusion barrier properties is self-formed even with the extremely thin oxide film directly on the gate insulating film, the source electrode and the drain electrode are unlikely to peel off.

また、上記において、前記ソース電極及びドレイン電極中の添加元素の酸化物生成反応の平衡酸素ポテンシャルが、前記酸化物半導体層を構成する少なくとも1つの元素の平衡酸素ポテンシャルより小さいことを特徴とする。
前記保護膜の一部は窒化シリコン膜より成っていても良い。
In the above, the equilibrium oxygen potential of the oxide generation reaction of the additive element in the source electrode and the drain electrode is smaller than the equilibrium oxygen potential of at least one element constituting the oxide semiconductor layer.
A part of the protective film may be made of a silicon nitride film.

保護膜の少なくとも一部を窒化シリコン膜より形成することで、酸化物半導体層へ水素
の拡散が生じ電気特性の低下を起こすことがあるが、酸化物半導体層の上層の絶縁膜がこれを還元して抑制し、酸化物半導体膜への水素の拡散を防止する。
By forming at least a part of the protective film from a silicon nitride film, hydrogen may diffuse into the oxide semiconductor layer, resulting in a decrease in electrical characteristics. However, the insulating film above the oxide semiconductor layer reduces this. And the diffusion of hydrogen into the oxide semiconductor film is prevented.

本発明の別の観点によれば、基板上に、基板側から順番に、酸化物膜を有するゲート絶縁膜と、酸化物半導体層と、Cuと少なくとも1種類の添加元素とを含むCu合金層を有するソース/ドレイン電極と、前記ソース電極及びドレイン電極と前記酸化物半導体層との界面に形成される酸化物膜と、全体を保護する保護膜と、を備えた薄膜トランジスタの製造方法であって、前記保護膜を形成するステップにおいて、前記酸化物膜において、前記ソース電極及びドレイン電極中の添加元素および酸素の原子濃度はピークを有し、酸素のピーク値が添加元素のピーク値より大きくなる条件とすることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法が提供される。   According to another aspect of the present invention, a Cu alloy layer including a gate insulating film having an oxide film, an oxide semiconductor layer, Cu, and at least one additive element on the substrate in order from the substrate side. A method of manufacturing a thin film transistor, comprising: a source / drain electrode including: an oxide film formed at an interface between the source and drain electrodes and the oxide semiconductor layer; and a protective film that protects the whole. In the step of forming the protective film, in the oxide film, the atomic concentration of the additive element and oxygen in the source electrode and the drain electrode has a peak, and the peak value of oxygen is larger than the peak value of the additive element. A method for manufacturing a thin film transistor is provided.

前記保護膜の形成温度において、前記ソース電極及びドレイン電極下層にある前記Cu中のCu原子と添加元素が界面に析出され、前記酸化物半導体層上に事前に形成した絶縁膜と化合し、前記酸化物半導体層からの酸素の拡散を抑制する。すなわち、Cu合金の成膜前に酸化物半導体膜に酸化処理を施し、その表面を一時的に絶縁体に改質することにより、Cu合金を成膜し熱を伴う処理で添加元素が拡散し添加元素酸化物膜を形成しても、Cu合金と酸化物半導体膜の界面には必要十分な酸素が存在するため、酸化物半導体膜の深部からの酸素の拡散は生じない。
また、本発明は、上記のうちいずれか1に記載の薄膜トランジスタを用いた表示装置であっても良い。
At the formation temperature of the protective film, Cu atoms and additive elements in the Cu under the source electrode and the drain electrode are precipitated at the interface, combined with the insulating film formed in advance on the oxide semiconductor layer, Oxygen diffusion from the oxide semiconductor layer is suppressed. In other words, the oxide semiconductor film is oxidized before the Cu alloy film is formed, and the surface is temporarily changed to an insulator, so that the Cu element is formed and the additive element diffuses in the process involving heat. Even when the additive element oxide film is formed, necessary and sufficient oxygen exists at the interface between the Cu alloy and the oxide semiconductor film, so that oxygen does not diffuse from the deep part of the oxide semiconductor film.
Further, the present invention may be a display device using any of the thin film transistors described above.

本発明のTFTによれば、TFTの電気特性値の低下を生じさせずにCu合金の配線適用を実現することが可能になる。   According to the TFT of the present invention, it is possible to realize the application of Cu alloy wiring without causing a decrease in the electrical characteristic value of the TFT.

移動度に関する要因効果図である。It is a factor effect figure regarding mobility. 規格化移動度とRFパワー密度・処理時間の積の対応を示す図である。It is a figure which shows a response | compatibility of the product of normalized mobility, RF power density, and processing time. TEM−EELS分析より明らかにした元素組成分布の図である。It is a figure of elemental composition distribution clarified from the TEM-EELS analysis. 表1のNo.4およびNo.13のSi半導体側の酸素の深さ分布を示す図である。No. in Table 1 4 and no. It is a figure which shows the depth distribution of the oxygen of 13 Si semiconductor side. 表1のNo.4およびNo.13の酸素のEELSスペクトル分析の結果を示す図である。No. in Table 1 4 and no. It is a figure which shows the result of EELS spectrum analysis of 13 oxygen. TEMによる界面観察の様子を示した図である。It is the figure which showed the mode of the interface observation by TEM. TEMによる界面観察の様子を示した図である。It is the figure which showed the mode of the interface observation by TEM. TEMによる界面観察の様子を示した図である。It is the figure which showed the mode of the interface observation by TEM. TEMによる界面観察の様子を示した図である。It is the figure which showed the mode of the interface observation by TEM. 酸化物半導体TFTの酸素と添加元素の原子濃度の分布を示す図である。It is a figure which shows distribution of oxygen and the atomic concentration of an addition element of oxide semiconductor TFT. 実施例1の薄膜トランジスタの製造工程を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the thin film transistor of Example 1. FIG. 表1のNo.4、No.13、および従来技術のTFTの伝達特性を示す図である。No. in Table 1 4, no. 13 is a diagram illustrating transfer characteristics of TFTs according to the related art and the prior art. 実施例20の薄膜トランジスタの製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the thin-film transistor of Example 20. 実施例20と従来技術のTFTの伝達特性を示す図である。It is a figure which shows Example 20 and the transfer characteristic of TFT of a prior art. 実施例35の液晶表示装置の薄膜トランジスタ基板の画素構成例を示す図である。42 is a diagram illustrating a pixel configuration example of a thin film transistor substrate of a liquid crystal display device according to Example 35. FIG. 実施例35の液晶表示装置の構成例を示す断面図である。FIG. 38 is a cross-sectional view showing a configuration example of a liquid crystal display device of Example 35.

以下、本発明の実施の形態によるTFTの製造方法と構造およびそれを表示装置に適用する場合の技術について、図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, a TFT manufacturing method and structure according to an embodiment of the present invention, and a technique for applying it to a display device will be described in detail with reference to the drawings.

まず、詳細な実施例の説明に先立ち、配線にCu合金を用いたTFTにおいて、電気特性値の低下が生じる理由とその改善方法について、半導体層が主としてシリコン膜の場合と、酸化物半導体膜の場合とに分けて説明する。構造の例は、実施例1において説明する。   First, prior to the detailed description of the embodiment, regarding TFTs using Cu alloy for wiring, the reason why the electrical characteristic value is reduced and the method of improving the reason are as follows. This will be explained separately for each case. An example of the structure will be described in Example 1.

<半導体層がシリコン膜の場合>
半導体層がシリコン膜であり、SD電極配線にCu合金を適用する場合、シリコン膜は添加元素酸化物膜の自己形成に必要な酸素を充分に含んでいない為、Cu合金の成膜前に予め酸化処理を行い、シリコン膜上層(表層)を改質させ一時的に酸化シリコン膜(SiO)を形成する。特許文献1に記載の方法と同様の手法によりTFTを作製し電気特性を評価したが、その移動度は従来配線のMoを適用したTFTより大幅に低下していた。この移動度の低下はオン電流の低下を招き、駆動電圧の上昇を引き起こすという問題がある。
<When the semiconductor layer is a silicon film>
When the semiconductor layer is a silicon film and a Cu alloy is applied to the SD electrode wiring, the silicon film does not sufficiently contain oxygen necessary for self-formation of the additive element oxide film. Oxidation is performed to modify the upper layer (surface layer) of the silicon film to temporarily form a silicon oxide film (SiO x ). A TFT was fabricated by the same method as the method described in Patent Document 1 and the electrical characteristics were evaluated. However, the mobility was significantly lower than that of a TFT to which Mo of conventional wiring was applied. This decrease in mobility causes a decrease in on-current, which causes a problem of increasing the drive voltage.

そこで、この移動度低下の要因を決定するため、「酸化処理の強度」、「添加元素量」、「Cu合金の膜厚」、の3つの制御因子からL9直交表を作製し、移動度低下の主要因を調査した。酸化処理の強度は、酸素プラズマ処理のRFパワー密度で調整し、Cu中の添加元素としてマンガン(Mn)を用いた。各水準は、RFパワー密度は0.22、0.44、0.89 W/cmであり、Cu合金中のMn濃度は、2、4、10原子%とし、そして、Cu合金の膜厚は17、33、50nmとした。 Therefore, in order to determine the factor of this mobility decrease, an L9 orthogonal table is prepared from three control factors of “strength of oxidation treatment”, “amount of added element”, and “film thickness of Cu alloy”, and the mobility decrease The main factors were investigated. The strength of the oxidation treatment was adjusted by the RF power density of the oxygen plasma treatment, and manganese (Mn) was used as an additive element in Cu. At each level, the RF power density is 0.22, 0.44, 0.89 W / cm 2 , the Mn concentration in the Cu alloy is 2, 4, 10 atomic%, and the film thickness of the Cu alloy Was set to 17, 33, and 50 nm.

評価した素子のサイズは、チャンネル長(L)が10μmおよびチャンネル幅(W)が100μmであり、移動度はソース・ドレイン電圧(Vds)が10Vの飽和領域より算出した。この素子サイズを選んだ理由は、実際に表示装置に適用されるサイズに近く、また、チャンネル長Lが1〜100μmで寄生抵抗の影響が明確に観測できるためである。   The size of the evaluated element was calculated from the saturation region where the channel length (L) was 10 μm and the channel width (W) was 100 μm, and the source / drain voltage (Vds) was 10 V. The reason for selecting this element size is that it is close to the size actually applied to the display device, and the influence of the parasitic resistance can be clearly observed when the channel length L is 1 to 100 μm.

加えて、移動度は従来配線のMoを適用したTFTの移動度の値で規格化し、同値の場合を1.0とした。   In addition, the mobility was normalized by the mobility value of the TFT to which Mo of conventional wiring was applied, and the case of the same value was set to 1.0.

図1は、移動度の要因効果図である。その結果、異なるパラメータ(A1〜A3、B1〜B3、C1〜C3)によって、規格化移動度が大きく変動する要因、すなわち、酸化処理の強度が移動度低下の主要因であり、即ち、シリコン膜中の酸素の深さ分布が重要であることが判明した。   FIG. 1 is a factor effect diagram of mobility. As a result, the factor in which the normalized mobility largely fluctuates due to different parameters (A1 to A3, B1 to B3, C1 to C3), that is, the strength of the oxidation treatment is the main factor for the decrease in mobility, that is, the silicon film It was found that the depth distribution of oxygen inside was important.

そこで、酸素の深さ分布とTFTの移動度の対応を調査し、移動度低下を生じない最適な酸素の深さ分布を求めた。酸素プラズマ処理のRFパワー密度および処理時間を調整し、酸素の深さ分布を調整した。TFTの詳細な製造方法は、以下の実施例1の欄で説明する。上述と同じ理由で、評価素子のサイズは、チャンネル長(L)が10μmおよびチャンネル幅(W)が100μmである。また、Cu合金配線を適用したTFTの移動度は、従来配線のMoを適用したTFTの移動度値で規格化し、同値の場合を1.0とした。加えて、酸化処理の強度を表す指標として、RFパワー密度と処理時間の積を定め、その値と規格化移動度の対応を求めた。さらに、従来配線のMoを適用したTFTの移動度より大きい場合を○、およそ同等の場合を△、明確な低下(劣化)が見られる場合を×と判定した。表1にそれらの結果を示す。   Therefore, the correspondence between the oxygen depth distribution and the mobility of the TFT was investigated, and an optimum oxygen depth distribution that does not cause a decrease in mobility was obtained. The RF power density and treatment time of the oxygen plasma treatment were adjusted to adjust the oxygen depth distribution. A detailed manufacturing method of the TFT will be described in the column of Example 1 below. For the same reason as described above, the evaluation element has a channel length (L) of 10 μm and a channel width (W) of 100 μm. Further, the mobility of the TFT to which the Cu alloy wiring was applied was normalized by the mobility value of the TFT to which Mo of the conventional wiring was applied, and the case of the same value was set to 1.0. In addition, the product of the RF power density and the treatment time was determined as an index representing the strength of the oxidation treatment, and the correspondence between the value and the normalized mobility was obtained. Furthermore, the case where the mobility of the TFT to which Mo of the conventional wiring is applied is larger than that of the TFT, the case where it is approximately equal is Δ, and the case where a clear decrease (deterioration) is seen is determined as X. Table 1 shows the results.

Figure 2013118367
Figure 2013118367

表1を見ると、移動度は、主としてRFパワー密度に大きく依存し、RFパワー密度が大きくなるほど低下することがわかった。これは、RFパワー密度の増加に伴い、酸化種の打ち込みが強くなり、酸素原子がシリコン半導体膜の奥深くまで導入され、その結果、添加元素酸化物膜に化合せず半導体層側で残存した酸化シリコン膜が寄生抵抗になるためと推測される。また、No.5のRFパワー密度が0.44W/cmで処理時間が120秒の時に、はじめて従来配線のTFTより移動度が低下することが分かる。 From Table 1, it was found that the mobility largely depends on the RF power density and decreases as the RF power density increases. This is because, as the RF power density increases, the implantation of oxidizing species becomes stronger, and oxygen atoms are introduced deep into the silicon semiconductor film. As a result, the remaining oxide on the semiconductor layer side does not match the additive element oxide film. It is presumed that the silicon film becomes a parasitic resistance. No. It can be seen that when the RF power density of 5 is 0.44 W / cm 2 and the processing time is 120 seconds, the mobility is lower than that of the conventional wiring TFT.

したがって、例えば、短処理時間で膜質のばらつきが比較的小さく移動度低下を生じない最適な酸素の深さ分布は、No.4のRFパワー密度が0.44W/cm、処理時間が60秒で実現される。No.7のRFパワー密度が0.67W/cm、処理時間が60秒でも、従来配線より優れた移動度を得たが、No.8の処理時間が120秒の移動度で明確な低下が見られるため、工程裕度を考慮するとNo.4の方が望ましい。 Therefore, for example, the optimum oxygen depth distribution in which the film quality variation is relatively small and the mobility is not lowered in a short processing time is No. 4 is realized with an RF power density of 0.44 W / cm 2 and a processing time of 60 seconds. No. No. 7 has a mobility superior to that of the conventional wiring even when the RF power density is 0.67 W / cm 2 and the processing time is 60 seconds. Since the processing time of No. 8 has a clear decrease in mobility of 120 seconds, No. 4 is preferred.

図2は、表1の規格化移動度とRFパワー密度・処理時間の積の対応を示した図である。図2に示すように、規格化移動度は、RFパワー密度と処理時間との積の値に依存することがわかった。そして、RFパワー密度と処理時間との積の値が52.8W・sec/cm以下において、従来配線と同等以上の移動度を得ることができることが分かった。バラツキを考慮すると、60W・sec/cm以下であることが好ましく、50W・sec/cmであれば、より好ましいことがわかる。 FIG. 2 is a diagram showing the correspondence between the normalized mobility and the product of RF power density / processing time in Table 1. As shown in FIG. 2, it was found that the normalized mobility depends on the value of the product of the RF power density and the processing time. Then, it was found that when the product value of the RF power density and the processing time is 52.8 W · sec / cm 2 or less, mobility equal to or higher than that of the conventional wiring can be obtained. Considering the variation, it is preferably 60 W · sec / cm 2 or less, and more preferably 50 W · sec / cm 2 .

そこで、次に、酸素の深さ分布とその化学的結合状態を、透過型電子顕微鏡電子エネルギー損失分光法(TEM-EELS:Transmission Electron Microscopy and Electron Energy Loss Spectroscopy)により比較調査した。比較に用いたサンプルは、表1のNo.1、No.4、No.13であり、参考のためにCu原子がシリコン半導体膜の奥深くまで拡散していたサンプルも併せて示した。まず、図3にTEM-EELS分析より明らかにした元素組成分布を示す((a)のCu拡散あり)。 Accordingly, next, the depth distribution of oxygen and its chemical bonding state, transmission electron microscope electron energy loss spectroscopy: Comparison with (TEM-EELS T ransmission E lectron M icroscopy and E lectron E nergy L oss S pectroscopy) investigated. The sample used for the comparison is No. 1 in Table 1. 1, no. 4, no. 13 and a sample in which Cu atoms were diffused deep into the silicon semiconductor film for reference. First, FIG. 3 shows the elemental composition distribution clarified by TEM-EELS analysis (with Cu diffusion in (a)).

ここで、Cu合金層とSi半導体層のオーミックコンタクトを取るために導入されるリ
ン(P)は、EELS分析では検出できないため、エネルギー分散型X線分析法(EDX:Energy Dispersive X-ray spectroscopy)を用い、EELS分析の結果に併せ込んで示している。
Here, phosphorus (P) to be introduced for the ohmic contact of the Cu alloy layer and the Si semiconductor layer, since it can not be detected by EELS analysis, energy dispersive X-ray analysis (EDX: E nergy D ispersive X -ray spectroscopy) and combined with the results of the EELS analysis.

図3(a)に示すように、Cu原子がシリコン半導体膜の奥深くまで拡散していたサンプルでは、酸素原子のピーク値が30原子%程度と低く、図3(b)、(c)、(d)で示したCu原子の拡散を抑制している箇所における表1のNo.1、No.4、No.13のサンプルのピーク値は40原子%以上であった。図3(d)の表1のNo.13では、電気的特性が明らかに劣化している。図3(b)、図3(c)の表1のNo.1、表1のNo.4では、電気的特性は良好であり、また、Si半導体膜の界面で酸素原子が40原子%、58%であり、これらの酸素濃度では、良好な値が得られている。   As shown in FIG. 3 (a), in the sample in which Cu atoms are diffused deep into the silicon semiconductor film, the peak value of oxygen atoms is as low as about 30 atomic%, and FIGS. 3 (b), (c), ( No. of Table 1 in the part which suppressed the diffusion of Cu atom shown by d). 1, no. 4, no. The peak value of 13 samples was 40 atomic% or more. No. 1 in Table 1 of FIG. In 13, the electrical characteristics are clearly degraded. 3B and No. 1 in Table 1 of FIG. 1, No. 1 in Table 1. In No. 4, the electrical characteristics are good, and oxygen atoms are 40 atom% and 58% at the interface of the Si semiconductor film. Good values are obtained at these oxygen concentrations.

したがって、Si半導体層へのCu原子の拡散を抑制には、Cu合金層とSi半導体膜の界面で酸素原子が40原子%以上66原子%以下であることが必要でる。尚、66原子%は、それ以上酸素が付与できない二酸化シリコン膜(SiO)の形態に由来する値である。 Therefore, in order to suppress the diffusion of Cu atoms into the Si semiconductor layer, it is necessary that the oxygen atoms be 40 atomic% or more and 66 atomic% or less at the interface between the Cu alloy layer and the Si semiconductor film. Incidentally, 66 atomic% is a value derived from the form of a silicon dioxide film (SiO 2 ) to which oxygen cannot be further applied.

次に、移動度の観点から、Si半導体層側での酸素の深さ分布およびその化学的結合状態を比較した。図4に、優れた移動度を有する表1のNo.4と移動度の低下が観測されたNo.13のSi半導体側の酸素の深さ分布を示す図である。   Next, from the viewpoint of mobility, the depth distribution of oxygen on the Si semiconductor layer side and its chemical bonding state were compared. 4 shows No. 1 in Table 1 having excellent mobility. No. 4 and a decrease in mobility was observed. It is a figure which shows the depth distribution of the oxygen of 13 Si semiconductor side.

図4に示すように、酸素のピーク値は、Cu合金とSi半導体層のおよそ界面に存在するため、図の横軸はピーク位置からSi半導体層側への距離とした。規格化移動度が0.62ほどと低くなってしまっていたNo.13のサンプルの酸素の深さ分布は、図4に示すように、従来配線より移動度が高いNo.4のそれより明らかに深い位置(1〜3nm程度)まで、高い値を示している。したがって、上述の推測の通り、Si半導体膜の界面で酸素原子は40原子%以上66原子%以下の範囲に入っているNo.13における移動度低下の要因は、Si半導体層側で残存した酸化シリコン膜が寄生抵抗になるためであることがわかった。ここで図4の、Si半導体層の深部(3.0nm以上)で検出される数原子%の酸素はバックグラウンドの引き方によって生じたアーティファクトである。これを踏まえ、移動度低下を生じない酸素の深さ分布度合いを規定すると、ピーク値からもしくはCu合金層とSi半導体層の界面から酸素の分布が10原子%となる距離を酸化シリコン膜厚と定義した場合、その膜厚は1.8nm以下とすると良いことがわかる。また、ピーク値からもしくはCu合金層とSi半導体層の界面から酸素の分布が15原子%となる距離を酸化シリコン膜厚と定義した場合、その膜厚は1.6nm以下、ピーク値からもしくはCu合金層とSi半導体層の界面から酸素の分布が20原子%となる距離を酸化シリコン膜厚と定義した場合、その膜厚は1.4nm以下、ピーク値からもしくはCu合金層とSi半導体層の界面から酸素の分布が25原子%となる距離を酸化シリコン膜厚と定義した場合、その膜厚は1.2nm以下、とすると良いことがわかる。   As shown in FIG. 4, since the peak value of oxygen exists at the interface between the Cu alloy and the Si semiconductor layer, the horizontal axis in the figure is the distance from the peak position to the Si semiconductor layer side. The standardized mobility was as low as 0.62, No. As shown in FIG. 4, the oxygen depth distribution of the sample No. 13 has a higher mobility than the conventional wiring. It shows a high value up to a position clearly deeper than that of 4 (about 1 to 3 nm). Therefore, as described above, oxygen atoms are in the range of 40 atomic% to 66 atomic% at the interface of the Si semiconductor film. It was found that the cause of the mobility decrease in 13 is that the silicon oxide film remaining on the Si semiconductor layer side becomes a parasitic resistance. Here, the oxygen of several atomic% detected in the deep part (3.0 nm or more) of the Si semiconductor layer in FIG. 4 is an artifact caused by the background drawing. Based on this, when the degree of depth distribution of oxygen that does not cause a decrease in mobility is defined, the distance at which the oxygen distribution is 10 atomic% from the peak value or from the interface between the Cu alloy layer and the Si semiconductor layer is defined as the silicon oxide film thickness. When defined, it is understood that the film thickness should be 1.8 nm or less. Further, when the distance from the peak value or from the interface between the Cu alloy layer and the Si semiconductor layer is defined as the silicon oxide film thickness, the film thickness is 1.6 nm or less, from the peak value or from the Cu value. When the distance at which the oxygen distribution is 20 atomic% from the interface between the alloy layer and the Si semiconductor layer is defined as the silicon oxide film thickness, the film thickness is 1.4 nm or less, from the peak value or between the Cu alloy layer and the Si semiconductor layer. When the distance at which the oxygen distribution is 25 atomic% from the interface is defined as the silicon oxide film thickness, it can be seen that the film thickness should be 1.2 nm or less.

加えて、酸素の化学結合状態からも、表1のNo.4(図5(a))とNo.13(図5(b))との比較を行った。図5は、シリコンのEELSスペクトル分析の結果を示す図である。横軸は、エネルギーロス、縦軸は吸収強度である。ビームのスポットサイズは0.7nmφである。No.4のサンプルでは、酸化シリコン膜(SiO)を示唆するエネルギーロス110eV付近のピークが、酸素の深さ分布のピーク値の辺り、即ちCu合金層とSi半導体層の界面(C)でのみ弱く見られるが、No.13のサンプルでは、Cu合金層とSi半導体層の界面から1nm離れた場所でもはっきり観察された(C、及びD)。このことからも、移動度低下の要因はSi半導体層側で残存した酸化シリコン膜であることが分かる。 In addition, from the chemical bonding state of oxygen, No. 1 in Table 1 4 (FIG. 5A) and No. 4 13 (FIG. 5B) was compared. FIG. 5 is a diagram showing the results of EELS spectrum analysis of silicon. The horizontal axis is energy loss, and the vertical axis is absorption intensity. The spot size of the beam is 0.7 nmφ. No. In the sample No. 4, the peak near the energy loss 110 eV suggesting the silicon oxide film (SiO x ) is weak around the peak value of the oxygen depth distribution, that is, only at the interface (C) between the Cu alloy layer and the Si semiconductor layer. Although it can be seen, no. In 13 samples, it was clearly observed even at a location 1 nm away from the interface between the Cu alloy layer and the Si semiconductor layer (C and D). From this, it can be seen that the cause of the mobility decrease is the silicon oxide film remaining on the Si semiconductor layer side.

図6Aから図6Dまでは、表1の素子の界面子をTEMで観察した結果を示す図である。観察した素子は、図6Aから図6Dに向けて、表1のNo.1、No.3、No.4、No.13の4つの素子である。   6A to 6D are diagrams showing the results of observing the interface elements of the elements shown in Table 1 with a TEM. The elements observed were No. 1 in Table 1 from FIG. 1, no. 3, no. 4, no. 13 four elements.

素子No.1では、移動度の値に問題(値の低下)は無かったが、素子を作製してから数カ月後にCu配線の膜の剥がれが発生した。図6A(a)は、200,000倍、図6A(b)は、500,000倍の倍率である。以下、図6Bから図6Dまででも同様である。   Element No. In No. 1, there was no problem in the mobility value (decrease in value), but peeling of the Cu wiring film occurred several months after the device was fabricated. 6A (a) is a magnification of 200,000 times, and FIG. 6A (b) is a magnification of 500,000 times. The same applies to FIGS. 6B to 6D.

図6Aに示すように、NO.1の素子では拡散個数(拡散箇所数)の線密度が12個/480nmと、他の素子に比べて多い。このように、拡散部が多い場合、拡散部から生じる応力が増大し膜剥がれが発生するため、製品として用いることが困難となる。したがって、数か月以上の長期に及ぶ密着性の確保を行うためには、拡散箇所の個数を可能な限り小さくする必要がある。表1のNo.1以外の14素子では、膜剥がれは一切起きていなかった。従って、密着性の確保には、RFパワー密度と処理時間との積の値を、26.4 W・sec/cm以上とする必要があることがわかった。また、図6B、図6Cの結果から、密着性の確保には、拡散個数の線密度が7個/480nm以下となれば良いことがわかる。尚、Cu合金層と半導体層とは、膜質の2次元的な異方性が無いため、拡散個数の面密度で言うと、7×7個/480×480nm以下であれば、密着性が確保できることがわかる。図6DのNo.13の素子では、拡散箇所が0であるが、上述のように移動度の明らかな低下が見られるため、製品に用いることはできない。 As shown in FIG. In one element, the linear density of the number of diffusions (the number of diffusion points) is 12/480 nm, which is larger than other elements. Thus, when there are many diffusing parts, stress generated from the diffusing parts increases and film peeling occurs, making it difficult to use as a product. Therefore, in order to ensure adhesion over a long period of several months or more, it is necessary to reduce the number of diffusion sites as much as possible. No. in Table 1 In 14 elements other than 1, no film peeling occurred. Therefore, it was found that the product of the RF power density and the processing time needs to be 26.4 W · sec / cm 2 or more in order to ensure adhesion. Further, from the results of FIGS. 6B and 6C, it is understood that the linear density of the number of diffusions should be 7 pieces / 480 nm or less in order to ensure adhesion. In addition, since the Cu alloy layer and the semiconductor layer have no two-dimensional anisotropy of the film quality, in terms of the surface density of the number of diffusion, the adhesiveness is 7 × 7/480 × 480 nm 2 or less. It can be seen that it can be secured. In FIG. In the element 13, the diffusion location is 0, but the mobility is clearly lowered as described above, and thus it cannot be used for a product.

以上の結果より、本実施の形態によれば、半導体層は主にシリコン膜であり、酸化物膜中の酸素の原子濃度の深さ分布が、ピーク値は40原子%以上66原子%以下で、かつ、酸素の原子濃度のピーク値からの若しくは前記ソース電極及びドレイン電極と前記半導体層の界面からの酸素の分布が10原子%となる距離を酸化シリコン膜厚と定義した際、前記酸化シリコン膜厚は1.8nm以下、ピーク値からもしくはCu合金層とSi半導体層の界面から酸素の分布が15原子%となる距離を酸化シリコン膜厚と定義した場合、その膜厚は1.6nm以下、ピーク値からもしくはCu合金層とSi半導体層の界面から酸素の分布が20原子%となる距離を酸化シリコン膜厚と定義した場合、その膜厚は1.4nm以下、ピーク値からもしくはCu合金層とSi半導体層の界面から酸素の分布が25原子%となる距離を酸化シリコン膜厚と定義した場合、その膜厚は1.2nm以下、とすると良いことがわかる。   From the above results, according to this embodiment, the semiconductor layer is mainly a silicon film, and the depth distribution of the atomic concentration of oxygen in the oxide film has a peak value of 40 atomic% to 66 atomic%. When the distance from the peak value of the atomic concentration of oxygen or the oxygen distribution from the interface between the source and drain electrodes and the semiconductor layer is defined as 10 atomic% is defined as the silicon oxide film thickness, When the film thickness is 1.8 nm or less and the distance from the peak value or from the interface between the Cu alloy layer and the Si semiconductor layer that the oxygen distribution is 15 atomic% is defined as the silicon oxide film thickness, the film thickness is 1.6 nm or less. When the distance from the peak value or from the interface between the Cu alloy layer and the Si semiconductor layer is defined as the silicon oxide film thickness, the film thickness is 1.4 nm or less. When oxygen distribution from the interface of u alloy layer and the Si semiconductor layer is defined as a silicon oxide film thickness the distance to be 25 atomic%, the film thickness is found to be good 1.2nm or less, to.

また、酸化物膜を形成する為の酸化処理はプラズマ酸化法である場合に、プラズマ酸化法のRFパワー密度は、0.22以上0.67W/cm以下で、かつ、処理時間は60秒以上240秒以下であるか、または、RFパワー密度と前記処理時間の積の値が26.4Wsec/cm以上52.8Wsec/cm以下であることが好ましく、さらに、ソース電極及びドレイン電極と前記半導体層の界面で、ソース電極及びドレイン電極の構成材料が前記半導体層へ拡散している箇所の線密度が、距離480nm当たり平均7個以下であることが好ましい。
上記条件を満たすことにより、電気特性と信頼性に優れたCu合金配線適用の薄膜トランジスタ基板を作製できることがわかる。
When the oxidation treatment for forming the oxide film is a plasma oxidation method, the RF power density of the plasma oxidation method is 0.22 or more and 0.67 W / cm 2 or less, and the treatment time is 60 seconds. It is preferably 240 seconds or less, or the product of the RF power density and the processing time is preferably 26.4 Wsec / cm 2 or more and 52.8 Wsec / cm 2 or less. It is preferable that the linear density of the portion where the constituent materials of the source electrode and the drain electrode are diffused into the semiconductor layer at the interface of the semiconductor layer is 7 or less on average per distance of 480 nm.
It can be seen that by satisfying the above conditions, a thin film transistor substrate using Cu alloy wiring excellent in electrical characteristics and reliability can be produced.

<半導体層が酸化物半導体膜の場合>
次に、半導体層が酸化物半導体膜の場合について説明する。半導体層が酸化物半導体膜でSD電極配線にCu合金を適用する場合、元素添加酸化物膜はCu合金中の添加元素が酸化物半導体中の酸素を奪うことで形成される。そのため、Cu合金中の添加元素の酸化物生成反応の平衡酸素ポテンシャルは、酸化物半導体層を構成する少なくとも1つの元素のそれより小さい値をとる。この時、酸素を奪われた界面近傍の酸化物半導体膜中では自由電子数が増加し、金属的性質を有するn酸化物半導体膜へ改質する。それにより添加元素酸化物膜と酸化物半導体との間に本来存在するキャリアの注入障壁が低下し、移動度が高くなるという利点がある。
<When the semiconductor layer is an oxide semiconductor film>
Next, the case where the semiconductor layer is an oxide semiconductor film is described. In the case where the semiconductor layer is an oxide semiconductor film and a Cu alloy is applied to the SD electrode wiring, the element-added oxide film is formed by the additive element in the Cu alloy depriving oxygen in the oxide semiconductor. Therefore, the equilibrium oxygen potential of the oxide formation reaction of the additive element in the Cu alloy is smaller than that of at least one element constituting the oxide semiconductor layer. At this time, the number of free electrons increases in the oxide semiconductor film in the vicinity of the interface from which oxygen has been removed, and the oxide semiconductor film is modified into an n + oxide semiconductor film having metallic properties. Accordingly, there is an advantage that a carrier injection barrier originally existing between the additive element oxide film and the oxide semiconductor is lowered and mobility is increased.

しかしながら、Cu合金中の添加元素が酸化物半導体中から酸素を奪うと、それを補うように半導体層からCu合金膜へ向かって酸素の外部拡散が生じ、酸化物半導体膜中に酸素欠陥が増え自由電子数が増加する。これにより閾値電圧の負シフトやサブスレショルド係数の上昇が生じ、電流の立ち上がり特性が悪くなる。   However, when the additive element in the Cu alloy deprives oxygen from the oxide semiconductor, external diffusion of oxygen occurs from the semiconductor layer to the Cu alloy film so as to compensate for it, and oxygen defects increase in the oxide semiconductor film. The number of free electrons increases. As a result, a negative shift of the threshold voltage and an increase in the subthreshold coefficient occur, and the current rising characteristic is deteriorated.

また、元来、Si半導体などに比べ自由電子数が多い酸化物半導体は、ゲート電圧が0Vでも大きな電流値を有するノーマリーオン(ディプリーション)動作する傾向にあり、添加元素酸化物膜と酸化物半導体とのキャリアの注入障壁が低下すると、この本来の特性が如実に現れる。ノーマリーオン動作するTFTは、回路設計が難しく、例えば、パネル周辺部に設けるドライバ回路や画素のスイッチトランジスタへの適用が困難となる。したがって、n酸化物半導体膜を生じさせずに、添加元素酸化物膜と酸化物半導体とのキャリアの注入障壁を維持した方が、ノーマリーオフ(エンハンスメント)動作となり、回路設計がし易くなる。 In addition, an oxide semiconductor having a larger number of free electrons than an Si semiconductor or the like originally has a tendency to operate normally on (depletion) having a large current value even when the gate voltage is 0 V. When the carrier injection barrier with the oxide semiconductor is lowered, this original characteristic appears clearly. It is difficult to design a normally on TFT, and for example, it is difficult to apply it to a driver circuit or a pixel switch transistor provided in the periphery of the panel. Therefore, maintaining the carrier injection barrier between the additive element oxide film and the oxide semiconductor without generating an n + oxide semiconductor film results in a normally-off (enhancement) operation and facilitates circuit design. .

以上の観点より、半導体層が酸化物半導体膜の場合において、閾値電圧の負シフトやサブスレショルド係数の上昇およびノーマリーオン動作を生じずにCu合金を配線に用いるには、酸化物半導体膜からCu合金層への酸素の拡散を抑制することが求められる。その方法は、Cu合金の成膜前に酸化物半導体膜に酸化処理を施し、その表面を一時的に絶縁体に改質する。これにより、Cu合金を成膜し熱を伴う処理で添加元素が拡散し添加元素酸化物膜を形成しても、Cu合金と酸化物半導体膜の界面には必要十分な酸素が存在するため、酸化物半導体膜の深部からの酸素の拡散は生じない。   From the above viewpoint, in the case where the semiconductor layer is an oxide semiconductor film, in order to use a Cu alloy for wiring without causing a negative threshold voltage shift, a subthreshold coefficient increase, and a normally-on operation, the oxide semiconductor film It is required to suppress the diffusion of oxygen into the Cu alloy layer. In this method, an oxide semiconductor film is subjected to an oxidation treatment before the Cu alloy is formed, and the surface thereof is temporarily modified to an insulator. As a result, even when the Cu alloy is formed and the additive element diffuses in the treatment with heat to form the additive element oxide film, necessary and sufficient oxygen exists at the interface between the Cu alloy and the oxide semiconductor film. Diffusion of oxygen from the deep portion of the oxide semiconductor film does not occur.

図7は、Cu合金/酸化物膜(例えば、MnO)/酸化物半導体層における、添加元素を、例えばMnとした場合の、添加元素と酸素との濃度分布を示した図であり、図7(b)は、従来の特許文献2に記載の例を示す図であり、図7(a)は、本実施の形態による例を示す図である。ここで、図7(a)に示すように、酸素の濃度のピーク値が、添加元素の濃度のピーク値よりも高いことが必要である。そうすることで、上記のように、Cu合金と酸化物半導体膜の界面には必要十分な酸素が存在するため、酸化物半導体膜の深部からの酸素の拡散は生じない。 FIG. 7 is a diagram showing a concentration distribution of the additive element and oxygen when the additive element is, for example, Mn in the Cu alloy / oxide film (for example, MnO x ) / oxide semiconductor layer. FIG. 7B is a diagram illustrating an example described in Patent Document 2, and FIG. 7A is a diagram illustrating an example according to the present embodiment. Here, as shown in FIG. 7A, the peak value of the oxygen concentration needs to be higher than the peak value of the concentration of the additive element. By doing so, as described above, necessary and sufficient oxygen exists at the interface between the Cu alloy and the oxide semiconductor film, so that oxygen does not diffuse from the deep part of the oxide semiconductor film.

最終的な形態として、図7(b)のように、酸素の濃度のピーク値が、添加元素の濃度のピーク値よりも低い場合は、酸素の拡散がCu合金層にまで及んでしまうことがわかる。一方、図7(a)に示すように、酸素の原子濃度分布は酸化物半導体とCu合金との界面でピークを有し、そのピーク値はCu合金中の添加元素のピーク値より大きくすることで、酸素の拡散がCu合金層にまで及ばない添加元素も、酸化物半導体層へ拡散しにくい。従って、添加元素と酸素とが、それぞれ、酸化物膜内に止まっており、それ以上拡散しないことがわかる。このような、TFTの詳細な製造方法は、下記の実施例2で述べる。   As a final form, as shown in FIG. 7B, when the peak value of the oxygen concentration is lower than the peak value of the concentration of the additive element, oxygen diffusion may reach the Cu alloy layer. Recognize. On the other hand, as shown in FIG. 7A, the atomic concentration distribution of oxygen has a peak at the interface between the oxide semiconductor and the Cu alloy, and the peak value is larger than the peak value of the additive element in the Cu alloy. Thus, an additive element that does not allow oxygen diffusion to reach the Cu alloy layer is also difficult to diffuse into the oxide semiconductor layer. Therefore, it can be seen that the additive element and oxygen each remain in the oxide film and do not diffuse further. A detailed manufacturing method of such a TFT will be described in Example 2 below.

以下に、半導体層がシリコン膜の場合と、半導体層が酸化物半導体膜の場合とにおける、それぞれの実施例について説明する。   Hereinafter, examples in which the semiconductor layer is a silicon film and in which the semiconductor layer is an oxide semiconductor film will be described.

[実施例1]
<半導体層がシリコン膜の場合>
以下に、実施例1のTFTの製造方法について説明する。本実施例1のTFTは、半導体層がシリコン膜から成り、ボトムゲート型で、半導体層を形成した後にソース電極及びドレイン電極が形成されるトップコンタクト構造を有する。尚、正確な膜厚や大きさを反映するとTFT構造が煩雑になるため図は模式的に示すものである。
[Example 1]
<When the semiconductor layer is a silicon film>
Below, the manufacturing method of TFT of Example 1 is demonstrated. The TFT of Example 1 has a top contact structure in which a semiconductor layer is formed of a silicon film, is a bottom gate type, and a source electrode and a drain electrode are formed after the semiconductor layer is formed. Since the TFT structure becomes complicated if an accurate film thickness and size are reflected, the figure is schematically shown.

図8は、本実施例によるTFTの製造工程を示す図であり、図8(a)〜(d)は、各工程時のTFTの断面図である。   FIG. 8 is a diagram showing a manufacturing process of the TFT according to this example, and FIGS. 8A to 8D are cross-sectional views of the TFT at each step.

まず、無アルカリガラスなどの絶縁性材料からなる基板1上に、Cu合金2をスパッタリング法等により成膜する。Cu合金2の膜厚は、例えば10nm〜150nmの程度であり、20nm〜50nmが好適である。ここで、成膜するCu合金2は、基板1との密着性を良くする役割を担う。Cu合金2中の添加元素としては、例えば、マンガン(Mn)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、シリコン(Si)、アルミニウム(Al)、ベリリウム(Be)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、コバルト(Co)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、セリウム(Ce)、などから1種類以上、添加量は0.5〜20原子%が好ましい。更に、スパッタリングターゲット材の製造が容易になるという理由から、Cu合金2は、リン(P)を0.01〜10原子%含んでいても良い。後の熱を伴う製造工程でCu合金2中の添加元素が界面へ拡散し酸化物を形成するために、基板1は必要十分な酸素原子数を予め含有していることが望ましい。例えば、無アルカリガラス基板は、この条件を満たしている。本実施例1では、Cu中にMnが4原子%添加されたCu−Mn合金を50nm成膜した。成膜に使用したスパッタリングターゲット材は以下の方法で製作した。それぞれ純度が3N以上の無酸素銅と3N以上のMnフレーク材を4.7at%の配合比でるつぼ内に装入し1100〜1200℃の温度で密閉され雰囲気をArガスで置換された炉内で溶解を行った。充分溶湯濃度が均一になったところで、鋳型に出湯した。得られたインゴット表面の酸化皮膜(黒皮)を除去し、850℃で熱間圧延を実施し、これを切削加工で所定の寸法に仕上げることで本実施例のスパッタリングターゲット材を得た。ここでスパッタリングターゲット材の添加元素濃度を4.7at%としたのは、検討の結果、電極膜中の添加元素濃度はスパッタリングターゲット材中の添加元素濃度よりも15%〜50%低下することを見出したためである。これはスパッタリング中のプラズマ状態でCuと添加元素が一度乖離し、Cuのほうが優先的に膜として付着するためと思われる。低下の割合は元素の種類、濃度によって異なるため、それぞれ組み合わせに応じて低下率を算出し、予め低下分をスパッタリングターゲット材に多く添加しておくことで所定の添加元素濃度の電極膜を得ることができる。Cu−Mn合金膜の成膜の次に、純Cu3を同様にスパッタリング法によって連続成膜する。純Cu3の膜厚は、約100〜1000nmの程度で、200〜500nmが好適である。本実施例1では、Cu−Mn合金上に純Cuを300nmだけ成膜した。これにフォトリソグラフィ工程を行った後、ウェットエッチング法を用いてパターニングし、レジストを剥離すると、図8(a)に示すようなゲート電極4を形成することができる。基板1は無アルカリガラス以外に、フレキシブルなプラスチック基板やステンレス合金などの金属性の基板を用いても良い。基板1からCu層への不純物拡散を抑制するために、基板1上にバリア膜として酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、またはこれらの積層膜を形成しても良い。その際、バリア膜に十分な酸素原子が含まれていない場合には、Cu合金の成膜前に酸化処理を行い、バリア膜表面に酸化膜を形成する方法を用いると良い。なお、ゲート電極4に関しては、バリアメタルにMoやTiを用い、導電層はAlやAl合金から構成されていても良い。   First, a Cu alloy 2 is formed by sputtering or the like on a substrate 1 made of an insulating material such as non-alkali glass. The film thickness of the Cu alloy 2 is, for example, about 10 nm to 150 nm, and preferably 20 nm to 50 nm. Here, the Cu alloy 2 to be deposited plays a role of improving the adhesion to the substrate 1. Examples of the additive element in the Cu alloy 2 include manganese (Mn), magnesium (Mg), calcium (Ca), nickel (Ni), zinc (Zn), silicon (Si), aluminum (Al), and beryllium (Be ), Gallium (Ga), indium (In), iron (Fe), titanium (Ti), vanadium (V), cobalt (Co), zirconium (Zr), hafnium (Hf), cerium (Ce), etc. More than the kind, the addition amount is preferably 0.5 to 20 atomic%. Furthermore, the Cu alloy 2 may contain 0.01 to 10 atomic% of phosphorus (P) because the production of the sputtering target material becomes easy. It is desirable that the substrate 1 contains a necessary and sufficient number of oxygen atoms in advance so that the additive element in the Cu alloy 2 diffuses to the interface and forms an oxide in a manufacturing process involving heat later. For example, an alkali-free glass substrate satisfies this condition. In Example 1, a Cu-Mn alloy in which 4 atomic% of Mn was added to Cu was deposited to a thickness of 50 nm. The sputtering target material used for film formation was manufactured by the following method. A furnace in which oxygen-free copper with a purity of 3N or more and Mn flake material with a purity of 3N or more are charged in a crucible at a blending ratio of 4.7 at%, sealed at a temperature of 1100 to 1200 ° C., and the atmosphere is replaced with Ar gas. Was dissolved. When the molten metal concentration was sufficiently uniform, the hot water was poured into the mold. The oxide film (black skin) on the surface of the obtained ingot was removed, hot rolling was performed at 850 ° C., and this was finished to a predetermined size by cutting to obtain a sputtering target material of this example. The reason why the additive element concentration of the sputtering target material is set to 4.7 at% is that, as a result of the study, the additive element concentration in the electrode film is 15% to 50% lower than the additive element concentration in the sputtering target material. This is because they found it. This is presumably because Cu and the additive element once deviate in the plasma state during sputtering, and Cu preferentially adheres as a film. Since the rate of decrease varies depending on the type and concentration of the element, the rate of decrease is calculated according to each combination, and an electrode film having a predetermined additive element concentration is obtained by adding a large amount of decrease to the sputtering target material in advance. Can do. After the formation of the Cu—Mn alloy film, pure Cu 3 is continuously formed by sputtering in the same manner. The film thickness of pure Cu3 is about 100 to 1000 nm, and preferably 200 to 500 nm. In Example 1, pure Cu was deposited on a Cu—Mn alloy by 300 nm. After performing a photolithography process on this, patterning is performed using a wet etching method, and the resist is peeled off, whereby a gate electrode 4 as shown in FIG. 8A can be formed. The substrate 1 may be a metal substrate such as a flexible plastic substrate or a stainless alloy other than alkali-free glass. In order to suppress impurity diffusion from the substrate 1 to the Cu layer, a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or a stacked film thereof may be formed on the substrate 1 as a barrier film. At that time, if the barrier film does not contain sufficient oxygen atoms, a method of performing an oxidation treatment before forming the Cu alloy and forming an oxide film on the surface of the barrier film may be used. As for the gate electrode 4, Mo or Ti may be used for the barrier metal, and the conductive layer may be made of Al or Al alloy.

次に、プラズマCVD法、スパッタリング法、塗布法等により、例えば、ゲート絶縁膜5として酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、またはこれらの積層膜を成膜(堆積)する。その膜厚は10nm〜1000nmの程度で、50〜400nmが好適である。ゲート絶縁膜5形成時の温度は200〜500℃の程度であり、ゲート電極4下層のCu合金2中の添加元素は界面に析出し、基板1との界面で密着性に優れた酸化物膜(図示せず)を自己形成する。次いで、プラズマCVD法、スパッタリング法、塗布法により、例えば、活性半導体層6として水素化アモルファスシリコン膜(a−Si:H)、コンタクト膜7としてリン(P)をドープした水素化アモルファスシリコン膜(na−Si:H)を順次成膜(堆積)し半導体層8を形成する。活性半導体層6の膜厚は10〜300nmの程度で30〜200nmが好適であり、コンタクト膜7の膜厚は1〜100nmの程度で5〜60nmが好適である。本実施例1では、プラズマCVD法を用いて、ゲート絶縁膜5に窒化シリコン膜を350nm程度、活性半導体層6として水素化アモルファスシリコン膜を180nm程度、コンタクト膜7としてリン(P)をドープした水素化アモルファスシリコン膜を25nm程度形成した。次に、図8(b)に示すように、フォトリソグラフィ工程を施し、ドライエッチング法を用いて半導体層8を島状にパターニングし、レジストを剥離する。 Next, for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or a laminated film thereof is formed (deposited) as the gate insulating film 5 by plasma CVD, sputtering, coating, or the like. The film thickness is about 10 nm to 1000 nm, and 50 to 400 nm is preferable. The temperature at the time of forming the gate insulating film 5 is about 200 to 500 ° C., and the additive element in the Cu alloy 2 under the gate electrode 4 is deposited at the interface, and the oxide film having excellent adhesion at the interface with the substrate 1 (Not shown) self-form. Subsequently, a hydrogenated amorphous silicon film (a-Si: H) as the active semiconductor layer 6 and a hydrogenated amorphous silicon film doped with phosphorus (P) as the contact film 7 are formed by plasma CVD, sputtering, or coating, for example. n + a-Si: H) are sequentially formed (deposited) to form the semiconductor layer 8. The thickness of the active semiconductor layer 6 is about 10 to 300 nm, preferably 30 to 200 nm, and the thickness of the contact film 7 is about 1 to 100 nm and 5 to 60 nm. In Example 1, plasma CVD is used to dope the gate insulating film 5 with a silicon nitride film of about 350 nm, the active semiconductor layer 6 with a hydrogenated amorphous silicon film of about 180 nm, and the contact film 7 with phosphorus (P). A hydrogenated amorphous silicon film was formed to a thickness of about 25 nm. Next, as shown in FIG. 8B, a photolithography process is performed, the semiconductor layer 8 is patterned into an island shape using a dry etching method, and the resist is peeled off.

次に、酸化処理を行い、半導体層8へのCu原子拡散を抑制する極薄酸化膜7aを半導体層8の表面に形成する。この時、極薄酸化膜7aはゲート絶縁膜5の表面にも同時に形成される。酸化処理としては、例えば、酸素ガスや亜酸化窒素ガスを用いたプラズマ酸化法、オゾンガスや酸素ガスや亜酸化窒素ガスなど酸化性雰囲気に暴露する方法、酸化性雰囲気で熱処理を加える熱酸化法、オゾンガスを導入しUV光の照射により励起状態酸素原子を生成させ酸化させるUVオゾン酸化法、オゾン水酸化法などを用いることができる。本実施例1では、酸素ガスを用いたプラズマ酸化法を用い、半導体層8上に約1〜2nmほどの極薄酸化膜7aを一時的に形成した。好適な処理条件は、RFパワー密度0.044〜0.44 W/cm、処理時間60〜600秒、基板温度としては、室温〜200℃の範囲であり、信頼性の向上と製造コストの削減から更に好適な条件は、RFパワー密度0.22〜0.44Wcm、処理時間60〜240秒、基板温度は室温〜150℃である。 Next, oxidation treatment is performed to form an ultrathin oxide film 7 a that suppresses Cu atom diffusion into the semiconductor layer 8 on the surface of the semiconductor layer 8. At this time, the ultrathin oxide film 7a is simultaneously formed on the surface of the gate insulating film 5. As the oxidation treatment, for example, a plasma oxidation method using oxygen gas or nitrous oxide gas, a method of exposing to an oxidizing atmosphere such as ozone gas, oxygen gas or nitrous oxide gas, a thermal oxidation method of applying a heat treatment in an oxidizing atmosphere, A UV ozone oxidation method, an ozone hydroxylation method, or the like that generates ozone by introducing ozone gas and irradiates it with UV light to oxidize it can be used. In Example 1, an ultrathin oxide film 7a having a thickness of about 1 to 2 nm was temporarily formed on the semiconductor layer 8 by using a plasma oxidation method using oxygen gas. Suitable processing conditions are an RF power density of 0.044 to 0.44 W / cm 2 , a processing time of 60 to 600 seconds, and a substrate temperature in the range of room temperature to 200 ° C. More preferable conditions from the reduction are RF power density of 0.22 to 0.44 Wcm 2 , processing time of 60 to 240 seconds, and substrate temperature of room temperature to 150 ° C.

次に、スパッタ法により、Cu合金9、純Cu10からなる積層膜を、この順に成膜(堆積)する。Cu合金9の膜厚は10〜150nmの程度で20nm〜50nmが好適であり、純Cu10の膜厚は100〜1000nmの程度で、約200〜500nmが好適である。Cu合金9に添加される元素としては、例えば、Mn、Mg、Ca、Ni、Zn、Si、Al、Be、Ga、In、Fe、Ti、V、Co、Zr、Hf、Ce、などから1種類以上を選択することができ、添加量は0.5〜20原子%が好ましい。更に、スパッタリングターゲット材の製造が容易になるという理由から、Cu合金9はリン(P)を0.01〜10原子%含んでいても良い。本実施例1では、Cu中にMnが4原子%混入したCu-Mn合金を50nmほど、Cu−Mn合金上に純Cuを300nmほど成膜(堆積)した。その後、フォトリソグラフィ工程を経て、ウェットエッチング法によりパターニングし、ソース電極11、ドレイン電極12を形成する。次いで、図8(c)に示すように、ソース電極11とドレイン電極12形成に使用したフォトレジストをそのまま利用し、ドライエッチング法によりチャンネル上の極薄酸化膜7aとコンタクト膜7を除去し、レジストを剥離する。極薄酸化膜7aは約1〜2nmと非常に薄いためドライエッチングの進行を妨げない。   Next, a laminated film made of Cu alloy 9 and pure Cu 10 is formed (deposited) in this order by sputtering. The film thickness of the Cu alloy 9 is about 10 to 150 nm, preferably 20 nm to 50 nm, and the film thickness of the pure Cu 10 is about 100 to 1000 nm, preferably about 200 to 500 nm. Examples of the element added to the Cu alloy 9 include 1 from Mn, Mg, Ca, Ni, Zn, Si, Al, Be, Ga, In, Fe, Ti, V, Co, Zr, Hf, Ce, and the like. More than one kind can be selected, and the addition amount is preferably 0.5 to 20 atomic%. Furthermore, the Cu alloy 9 may contain 0.01 to 10 atomic% of phosphorus (P) because the production of the sputtering target material becomes easy. In Example 1, a Cu—Mn alloy in which 4 atomic% of Mn was mixed in Cu was deposited (deposited) by about 50 nm, and pure Cu was deposited on the Cu—Mn alloy by about 300 nm. Thereafter, through a photolithography process, patterning is performed by a wet etching method to form the source electrode 11 and the drain electrode 12. Next, as shown in FIG. 8C, using the photoresist used for forming the source electrode 11 and the drain electrode 12 as they are, the ultrathin oxide film 7a and the contact film 7 on the channel are removed by dry etching, Strip the resist. The ultrathin oxide film 7a is as thin as about 1 to 2 nm and does not hinder the progress of dry etching.

次に、ドライエッチングでダメージを受けた活性半導体層6をキュアするため、水素プラズマ処理を行い、シリコンのダングリングボンドを水素終端する。次いで、図8(d)に示すように、プラズマCVD法、スパッタリング法、塗布法により、例えば、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、またはこれらの積層膜から成る保護膜13を成膜(堆積)する。本実施例1では、水素プラズマ処理と保護膜13の形成は真空を破らずに連続して行った。保護膜13の膜厚は100〜1000nmの程度で、200〜500nmが好適である。このとき、保護膜13の形成温度は200℃以上となるため、ソース電極11及びドレイン電極12下層にあるCu合金9中のCu原子と添加元素が界面に析出される。界面に析出したCu原子と添加元素は、コンタクト膜7上に事前に形成した極薄酸化膜7aと化合し、密着性及び拡散バリア性に優れなお且つ低電気抵抗な酸化物膜14を自己形成する。この際、ゲート絶縁膜5直上の極薄酸化膜7aでも同様に密着性及び拡散バリア性に優れる酸化物膜15を自己形成するため、ソース電極11及びドレイン電極12の膜剥がれは起きない。本実施例1では、保護膜13に窒化シリコン膜を300nmほど形成した。これにフォトリソグラフィ工程を行い、外部装置と電気信号のやり取りを行うためのコンタクトホール(図示せず)を開口し、レジストを剥離する。このようにして、実施例1の表示装置向けボトムゲート型トップコンタクト構造のTFTを作製することができる。   Next, in order to cure the active semiconductor layer 6 damaged by dry etching, hydrogen plasma treatment is performed to terminate the dangling bonds of silicon with hydrogen. Next, as shown in FIG. 8D, a protective film 13 made of, for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or a laminated film thereof is formed by plasma CVD, sputtering, or coating. Film (deposit). In Example 1, the hydrogen plasma treatment and the formation of the protective film 13 were continuously performed without breaking the vacuum. The thickness of the protective film 13 is about 100 to 1000 nm, and preferably 200 to 500 nm. At this time, since the formation temperature of the protective film 13 is 200 ° C. or higher, Cu atoms and additive elements in the Cu alloy 9 under the source electrode 11 and the drain electrode 12 are precipitated at the interface. Cu atoms and additive elements deposited on the interface combine with the ultrathin oxide film 7a formed in advance on the contact film 7 to self-form an oxide film 14 having excellent adhesion and diffusion barrier properties and low electrical resistance. To do. At this time, since the oxide film 15 having excellent adhesion and diffusion barrier properties is formed in the ultrathin oxide film 7a immediately above the gate insulating film 5 as well, the source electrode 11 and the drain electrode 12 do not peel off. In Example 1, a silicon nitride film was formed on the protective film 13 to a thickness of about 300 nm. A photolithography process is performed on this, a contact hole (not shown) for exchanging electrical signals with an external device is opened, and the resist is peeled off. In this manner, a TFT having a bottom gate type top contact structure for the display device of Example 1 can be manufactured.

ここで、本実施例1と、Moを採用した従来技術のTFTについて、電気特性値を比較評価した結果を述べる。評価したTFTの素子サイズは、チャンネル幅(ゲート幅とも呼ぶ)Wは100μm、チャンネル長(ゲート長とも呼ぶ)Lは10μmで、実際に表示装置に採用される素子サイズに近く、寄生抵抗が移動度の値を大きく左右する領域である。ソース・ドレイン電圧は10Vであり、移動度や閾値電圧は飽和領域より算出した。   Here, the result of comparing and evaluating the electrical characteristic values of Example 1 and the conventional TFT employing Mo will be described. The evaluated TFT element size is 100 μm for channel width (also referred to as gate width) W and 10 μm for channel length (also referred to as gate length) L, which is close to the element size actually used in the display device, and the parasitic resistance moves. This is an area that greatly affects the degree value. The source / drain voltage was 10 V, and the mobility and threshold voltage were calculated from the saturation region.

図9は、表1のNo.4(実線)、No.13(破線)、およびMoを採用した従来技術(太い破線)のTFTの伝達特性を示す図である。グラフの縦軸はドレイン電流の対数である。ゲート電極4にMo/Cu/Mo、ソース電極11及びドレイン電極12にMo/Cu/Moを採用し、本実施例1の工程で酸化処理を省略し、他は同様の工程を経て作製した従来のTFTの電気特性を評価すると、飽和移動度は0.71cm/Vs、飽和閾値電圧は1.9V、S値は0.86V/decであった。本実施例1の表1のNo.4のTFTの電気特性は、飽和移動度は0.76cm/Vs、飽和閾値電圧は1.9 V、S値は0.93V/decで、Moを採用した従来技術のTFTとほぼ同等の性能であった。また、オフ電流の上昇も無く、従来技術のTFTと同等であった。これは、半導体層8へCu原子の拡散が抑制されていること、ソース電極11及びドレイン電極12と半導体層8の界面付近に寄生抵抗としてはたらく酸化シリコン膜がないことを示唆する。本実施例の工程でRFパワー密度を1.11W/cmに設定し、他は同様の工程を経て作製した表1のNo.13の素子は、上述のように寄生抵抗としてはたらく酸化シリコン膜が存在するため、移動度の低下、即ちオン電流の低下が観察される。 FIG. 4 (solid line), no. It is a figure which shows the transfer characteristic of TFT of 13 (broken line) and the prior art (thick broken line) which employ | adopted Mo. The vertical axis of the graph is the logarithm of the drain current. Mo / Cu / Mo is used for the gate electrode 4 and Mo / Cu / Mo is used for the source electrode 11 and the drain electrode 12, and the oxidation treatment is omitted in the process of the first embodiment, and the others are manufactured through similar processes. When the electrical characteristics of the TFT were evaluated, the saturation mobility was 0.71 cm 2 / Vs, the saturation threshold voltage was 1.9 V, and the S value was 0.86 V / dec. No. 1 in Table 1 of the first embodiment. The electrical characteristics of TFT No. 4 are as follows. The saturation mobility is 0.76 cm 2 / Vs, the saturation threshold voltage is 1.9 V, and the S value is 0.93 V / dec. It was performance. Further, there was no increase in off-current, and it was equivalent to the prior art TFT. This suggests that the diffusion of Cu atoms into the semiconductor layer 8 is suppressed, and that there is no silicon oxide film acting as a parasitic resistance near the interface between the source electrode 11 and the drain electrode 12 and the semiconductor layer 8. In the process of this example, the RF power density was set to 1.11 W / cm 2 , and others were prepared through the same process as No. 1 in Table 1. As described above, since the silicon oxide film serving as a parasitic resistance exists in the element 13, a decrease in mobility, that is, a decrease in on-current is observed.

このように、本実施例1のTFTによれば、Cu合金9と半導体層8の界面で酸素原子が40原子%以上66原子%以下存在し、且つ、Cu合金9と半導体層8との界面から酸素の分布が10原子%となる距離を酸化シリコン膜厚と定義した際、その膜厚は1.8nm以下の条件を満足する場合、Cu原子の拡散および移動度の低下を生じずにCu合金の配線適用が可能になることが示された。   Thus, according to the TFT of Example 1, oxygen atoms are present at 40 atomic% or more and 66 atomic% or less at the interface between the Cu alloy 9 and the semiconductor layer 8, and the interface between the Cu alloy 9 and the semiconductor layer 8 is present. When the distance at which the oxygen distribution is 10 atomic% is defined as the silicon oxide film thickness, when the film thickness satisfies the condition of 1.8 nm or less, Cu atoms do not diffuse and mobility does not decrease. It has been shown that alloy wiring can be applied.

本実施例1では、ゲート電極4、ソース電極11、ドレイン電極12はCu合金と純Cuの積層から構成されるが、Cu合金の単層でも良い。その場合の添加元素として、低電気抵抗である理由から、例えば、Ca、Mg、Znが好ましい。また、Cu合金/純Cu/Cu合金の3層構造であっても良い。   In the first embodiment, the gate electrode 4, the source electrode 11, and the drain electrode 12 are composed of a Cu alloy and pure Cu stack, but may be a single layer of Cu alloy. In this case, for example, Ca, Mg, and Zn are preferable because of the low electrical resistance. Further, a three-layer structure of Cu alloy / pure Cu / Cu alloy may be used.

ここでは、活性半導体層6として、水素化アモルファスシリコン膜を用いた例を示したが、更に高い移動度を有する微結晶シリコンや多結晶シリコン、これらの積層膜にも本実施例の技術を用いることが有効である。また、コンタクト膜7も微結晶シリコンや多結晶シリコン、或いは、これらの積層膜でも良い。これらを、総称して、Si系半導体層(膜)と称する。   Here, an example in which a hydrogenated amorphous silicon film is used as the active semiconductor layer 6 is shown, but the technique of this embodiment is also used for microcrystalline silicon and polycrystalline silicon having higher mobility, and a laminated film thereof. It is effective. The contact film 7 may also be microcrystalline silicon, polycrystalline silicon, or a laminated film thereof. These are collectively referred to as a Si-based semiconductor layer (film).

更に、本実施例1の技術は、意図的に酸素を含まない半導体に有効であるため、例えばシリコン膜にゲルマニウム(Ge)が混入されたSiGe膜などでも同様の効果が得られる。更なるTFT電気特性の改善のために、チャンネル層でエッチングを停止させるチャンネルエッチストッパ構造を採用しても構わない。トップゲート型、半導体層を形成する前にソース電極及びドレイン電極が形成されるボトムコンタクト構造であっても良い。   Furthermore, since the technique of the first embodiment is effective for a semiconductor that does not intentionally contain oxygen, the same effect can be obtained even with a SiGe film in which germanium (Ge) is mixed in a silicon film, for example. In order to further improve TFT electrical characteristics, a channel etch stopper structure in which etching is stopped in the channel layer may be employed. It may be a top gate type or a bottom contact structure in which a source electrode and a drain electrode are formed before forming a semiconductor layer.

半導体層8から外に伸びたソース電極11及びドレイン電極12とゲート絶縁膜5との密着性をより強固にしたい場合は、ゲート絶縁膜5を形成した直後に酸化処理行いゲート絶縁膜5上に酸化膜を形成する手法が有効である。また、ソース電極11及びドレイン電極12と保護膜13との界面からCu原子が拡散し保護膜13の密着性が脆弱になる場合は、保護膜13を形成する直前に酸化処理を行っても良い。   When the adhesion between the source electrode 11 and drain electrode 12 extending outward from the semiconductor layer 8 and the gate insulating film 5 is to be strengthened, an oxidation treatment is performed immediately after the gate insulating film 5 is formed on the gate insulating film 5. A technique for forming an oxide film is effective. If Cu atoms diffuse from the interface between the source electrode 11 and drain electrode 12 and the protective film 13 and the adhesion of the protective film 13 becomes weak, an oxidation treatment may be performed immediately before the protective film 13 is formed. .

[実施例1および2〜19]
表2に示すように、実施例1では銅合金電極に添加する元素をMoとしたが、実施例2〜19ではそれぞれ表2の成分、添加濃度のターゲット材を使用して同じく表2に示す成分、目標添加濃度の銅合金電極を実施例1と同様の方法で成膜し、薄膜トランジスタの製作を行った。ソース/ドレイン銅合金電極の実際の添加元素濃度は、製作過程で基板を取り出しEDX(エネルギー分散型X線分光法)を用いて定量した。製作した薄膜トランジスタは、大気中、25℃に60日間放置し、Si半導体層とソース/ドレイン銅合金電極との剥離の有無を走査型電子顕微鏡で調査した。また、薄膜トランジスタの製作過程のソース/ドレイン銅合金電極をエッチングで形成する際のエッチング残渣の有無をSEMで調査した。エッチング液は燐酸:5wt%、リン酸二水素アンモニウム:5wt%、過酸化水素:2wt%、水:残部を用いた。これらの結果も合わせて表2に示す。
[Examples 1 and 2 to 19]
As shown in Table 2, in Example 1, the element to be added to the copper alloy electrode was Mo, but in Examples 2 to 19, the components shown in Table 2 and the target materials having the added concentrations were used, respectively. A copper alloy electrode having components and target addition concentrations was formed in the same manner as in Example 1 to produce a thin film transistor. The actual additive element concentration of the source / drain copper alloy electrode was quantified using EDX (energy dispersive X-ray spectroscopy) by removing the substrate during the manufacturing process. The manufactured thin film transistor was left in the atmosphere at 25 ° C. for 60 days, and the presence or absence of peeling between the Si semiconductor layer and the source / drain copper alloy electrode was examined with a scanning electron microscope. Moreover, the presence or absence of etching residue when the source / drain copper alloy electrode in the manufacturing process of the thin film transistor was formed by etching was investigated by SEM. The etching solution used was phosphoric acid: 5 wt%, ammonium dihydrogen phosphate: 5 wt%, hydrogen peroxide: 2 wt%, and water: the balance. These results are also shown in Table 2.

比較例として純Cuターゲット材および添加濃度が本発明の範囲とは異なる銅合金ターゲット材を使用して銅合金電極を成膜し、製作した薄膜トランジスタのSi半導体層とソース/ドレイン銅合金電極の剥離の有無、エッチング残渣の有無を同様に調査した結果を比較例1〜3に示す。   As a comparative example, a copper alloy electrode was formed using a pure Cu target material and a copper alloy target material having an addition concentration different from the range of the present invention, and the Si semiconductor layer and the source / drain copper alloy electrode of the manufactured thin film transistor were separated. Comparative examples 1 to 3 show the results of a similar investigation on the presence or absence of etching and the presence or absence of etching residues.

実施例1〜19では、スパッタリングターゲット材の添加元素濃度がソース/ドレイン銅合金電極の目標濃度より15%〜50%増やしてあるので、実際の電極濃度も目標通りとなっている。また、密着性を向上させる元素が0.5〜20at%添加されているので、銅合金電極の剥離も見られなかった。更に0.5〜20at%の範囲ではエッチング残渣の発生は見られなかった。   In Examples 1 to 19, since the additive element concentration of the sputtering target material is increased by 15% to 50% from the target concentration of the source / drain copper alloy electrode, the actual electrode concentration is also in accordance with the target. Moreover, since the element which improves adhesiveness was added 0.5-20 at%, peeling of the copper alloy electrode was not seen. Furthermore, no etching residue was observed in the range of 0.5 to 20 at%.

一方、比較例1では添加元素がないため、銅合金電極の剥離が発生した。比較例2ではスパッタリングターゲット材の添加元素濃度が、銅合金電極の目標添加元素濃度と同一のため、実際の銅合金電極の添加元素濃度が0.5at%以下となり、銅合金電極の剥離が見られた。比較例3では電極中の添加元素濃度が20%を超えたため、エッチングの際に残渣を生じてしまった。   On the other hand, since there was no additive element in Comparative Example 1, peeling of the copper alloy electrode occurred. In Comparative Example 2, since the additive element concentration of the sputtering target material is the same as the target additive element concentration of the copper alloy electrode, the actual additive element concentration of the copper alloy electrode is 0.5 at% or less, and peeling of the copper alloy electrode is observed. It was. In Comparative Example 3, since the concentration of the additive element in the electrode exceeded 20%, a residue was generated during the etching.

Figure 2013118367
Figure 2013118367

[実施例20]
<半導体層が酸化物半導体膜の場合>
以下に、本発明の実施例20のTFTの製造方法について説明する。本実施例20のTFTは、半導体層が酸化物半導体膜から成り、ボトムゲート型で、半導体層を形成した後にソース電極及びドレイン電極が形成されるトップコンタクト構造を有する。なお、正確な膜厚やサイズを反映するとTFT構造が煩雑になるため図においては模式的に示す。また、本実施例20と実施例1とで重複する説明の一部は省略する。
[Example 20]
<When the semiconductor layer is an oxide semiconductor film>
A method for manufacturing the TFT of Example 20 of the present invention will be described below. The TFT of Example 20 has a top contact structure in which a semiconductor layer is formed of an oxide semiconductor film, is a bottom gate type, and a source electrode and a drain electrode are formed after the semiconductor layer is formed. It should be noted that the TFT structure is complicated if the accurate film thickness and size are reflected, and therefore, schematically shown in the figure. In addition, a part of the description overlapping between the present embodiment 20 and the embodiment 1 is omitted.

図10(a)〜(d)は、各工程時のTFTの断面を示す図である。まず、実施例1と同様に、無アルカリガラスなどの絶縁性材料からなる基板1上に、Cu合金2をスパッタリング法により成膜(堆積)する。次に、純Cu3を同様にスパッタリング法にて連続成膜(堆積)する。これにフォトリソグラフィ工程を行った後、ウェットエッチング法を用いてパターニングし、レジストを剥離する。ここで、図10(a)に示すようなゲート電極4が作製される。   FIGS. 10A to 10D are views showing a cross section of the TFT at each step. First, as in Example 1, a Cu alloy 2 is formed (deposited) on a substrate 1 made of an insulating material such as alkali-free glass by a sputtering method. Next, pure Cu3 is similarly continuously deposited (deposited) by sputtering. After performing a photolithography process on this, patterning is performed using a wet etching method, and the resist is peeled off. Here, the gate electrode 4 as shown in FIG.

次に、プラズマCVD法、スパッタリング法、塗布法などにより、例えば、ゲート絶縁膜5として酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化タンタル膜またはこれらの積層膜を成膜(堆積)する。膜厚は10nm〜1000nmの程度で、50〜400nmが好適である。このとき、膜形成時の温度は200〜500℃の程度で、ゲート電極4下層のCu合金2中の添加元素は界面に析出し、基板1との界面で密着性に優れた酸化物膜(図示せず)を自己形成する。   Next, for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, an aluminum oxide film, a tantalum oxide film, or a laminated film thereof is formed as the gate insulating film 5 by plasma CVD, sputtering, coating, or the like. (accumulate. The film thickness is about 10 nm to 1000 nm, preferably 50 to 400 nm. At this time, the temperature at the time of film formation is about 200 to 500 ° C., and the additive element in the Cu alloy 2 under the gate electrode 4 is precipitated at the interface, and the oxide film having excellent adhesion at the interface with the substrate 1 ( Self-forming) (not shown).

次に、必要に応じて、酸化処理を行い極薄酸化膜(図示せず)をゲート絶縁膜5の表面
に形成する。その理由は、ゲート絶縁膜5へのCu原子拡散の抑制に加え、ゲート絶縁膜5から酸化物半導体膜へ混入する水素を低減させる為である。
Next, if necessary, an oxidation process is performed to form an ultrathin oxide film (not shown) on the surface of the gate insulating film 5. The reason is to reduce hydrogen mixed from the gate insulating film 5 into the oxide semiconductor film in addition to suppressing Cu atom diffusion into the gate insulating film 5.

次いで、プラズマCVD法、スパッタリング法、塗布法などにより、活性半導体層6として酸化物半導体を成膜(堆積)する。酸化物半導体は、例えば、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化錫、酸化銅、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化アルミニウム銅、酸化亜鉛錫、酸化亜鉛インジウム、酸化ガリウムインジウム、酸化亜鉛ガリウム錫、酸化インジウムマグネシウム、酸化亜鉛インジウムハフニウム、酸化亜鉛ガリウムインジウムなどがあり、Zn、In、Ga、Sn、Al、Ti、Mg、Zr、Cu、Hfから少なくとも1種以上の元素を含む酸化物より成る。その中でもTFTの電気特性の均一性に優れるアモルファス酸化亜鉛ガリウムインジウム(a−InGaZnO)系の酸化物半導体を用いるのが好ましい。活性半導体層6の膜厚は1〜200nmの程度で、オフ状態にするゲート電圧を0V付近に調整する為に10〜100nmが好適である。   Next, an oxide semiconductor is formed (deposited) as the active semiconductor layer 6 by plasma CVD, sputtering, coating, or the like. Examples of oxide semiconductors include zinc oxide, indium oxide, gallium oxide, tin oxide, copper oxide, zirconium oxide, titanium oxide, aluminum oxide copper, zinc tin oxide, zinc oxide indium, gallium indium oxide, zinc gallium tin oxide, and oxide. Examples thereof include indium magnesium, zinc oxide, indium hafnium, and zinc gallium indium, and are made of an oxide containing at least one element selected from Zn, In, Ga, Sn, Al, Ti, Mg, Zr, Cu, and Hf. Among them, it is preferable to use an amorphous zinc gallium indium oxide (a-InGaZnO) -based oxide semiconductor that is excellent in uniformity of electrical characteristics of the TFT. The thickness of the active semiconductor layer 6 is about 1 to 200 nm, and 10 to 100 nm is suitable for adjusting the gate voltage to be turned off to around 0V.

次に、図10(b)に示すように、フォトリソグラフィ工程を施し、ドライエッチング法またはウェットエッチング法を用いて活性半導体層6を島状にパターニングし、レジストを剥離する。島状のパターニングはリフトオフ法を用いても形成しても良い。その場合は、活性半導体層6の成膜前にフォトリソグラフィ工程を施すことになる。   Next, as shown in FIG. 10B, a photolithography process is performed, the active semiconductor layer 6 is patterned into an island shape using a dry etching method or a wet etching method, and the resist is peeled off. The island-shaped patterning may be formed using a lift-off method. In that case, a photolithography process is performed before the active semiconductor layer 6 is formed.

次に、酸化処理を行い、活性半導体層6およびゲート絶縁膜5の上層を絶縁膜6aに一時的に改質させる。本実施例20では、酸化力の強さから亜酸化窒素ガスを用いたプラズマ酸化法を採用する。これにより、その後、Cu合金2中の添加元素が拡散し添加元素酸化物膜を形成しても、Cu合金2と活性半導体層6の界面には必要十分な酸素が存在するため、酸化物半導体膜6の深部からの酸素の拡散は生じない。   Next, oxidation treatment is performed to temporarily modify the upper layers of the active semiconductor layer 6 and the gate insulating film 5 to the insulating film 6a. In Example 20, a plasma oxidation method using nitrous oxide gas is employed because of its strong oxidizing power. As a result, even if the additive element in the Cu alloy 2 is diffused thereafter to form the additive element oxide film, necessary and sufficient oxygen is present at the interface between the Cu alloy 2 and the active semiconductor layer 6. Diffusion of oxygen from the deep part of the film 6 does not occur.

次に、実施例1と同様に、スパッタ法により、Cu合金9、純Cu10からなる積層膜を、この順に成膜する。Cu合金9の膜厚は10〜150nmの程度で20nm〜50nmが好適であり、純Cu10の膜厚は100〜1000nmの程度で、約200〜500nmが好適である。このとき、添加元素酸化物膜を形成させる為、Cu合金9中の添加元素の酸化物生成反応の平衡酸素ポテンシャルは、活性半導体層6を構成する少なくとも1つの元素のそれより小さい値をとるように選択する。例えば、Mn、Mg、Ca、Zn、Si、Al、Be、Ga、Ti、V、Zr、Hf、Ce、などから1種類以上を選択することができ、添加量は0.5〜20原子%が好ましい。更に、スパッタリングターゲット材の製造が容易になるという理由から、Cu合金9はリン(P)を0.01〜10原子%含んでいても良い。スパッタリングターゲット材の製造方法は実施例1と同様の方法を取ることができ、スパッタリングターゲット材の添加元素濃度は銅合金電極中の目標添加元素濃度より15%〜50%増加させるのが良い。本実施例20では、Cu合金9にCu−Mn合金を採用した。Mnの酸化物生成反応の平衡酸素ポテンシャルは、活性半導体層6の構成元素In、Ga、Znのそれより小さく条件を満足する。その後、図10(c)に示すように、フォトリソグラフィ工程を経て、ウェットエッチング法またはドライエッチング法によりパターニングし、ソース電極11、ドレイン電極12を形成する。このとき、活性半導体層6上の絶縁膜6aはエッチング工程で生じるダメージから活性半導体層6を保護し、エッチストッパ層としての役割も担う。   Next, similarly to Example 1, a laminated film made of Cu alloy 9 and pure Cu 10 is formed in this order by sputtering. The film thickness of the Cu alloy 9 is about 10 to 150 nm, preferably 20 nm to 50 nm, and the film thickness of the pure Cu 10 is about 100 to 1000 nm, preferably about 200 to 500 nm. At this time, in order to form the additive element oxide film, the equilibrium oxygen potential of the oxide formation reaction of the additive element in the Cu alloy 9 is smaller than that of at least one element constituting the active semiconductor layer 6. Select For example, one or more types can be selected from Mn, Mg, Ca, Zn, Si, Al, Be, Ga, Ti, V, Zr, Hf, Ce, etc., and the addition amount is 0.5 to 20 atomic%. Is preferred. Furthermore, the Cu alloy 9 may contain 0.01 to 10 atomic% of phosphorus (P) because the production of the sputtering target material becomes easy. The manufacturing method of a sputtering target material can take the same method as Example 1, and it is good to make the addition element density | concentration of sputtering target material increase 15 to 50% from the target addition element density | concentration in a copper alloy electrode. In Example 20, a Cu—Mn alloy was used as the Cu alloy 9. The equilibrium oxygen potential of the Mn oxide formation reaction is smaller than that of the constituent elements In, Ga, Zn of the active semiconductor layer 6 and satisfies the condition. Thereafter, as shown in FIG. 10C, a source electrode 11 and a drain electrode 12 are formed through a photolithography process and patterned by a wet etching method or a dry etching method. At this time, the insulating film 6a on the active semiconductor layer 6 protects the active semiconductor layer 6 from damage caused in the etching process, and also serves as an etch stopper layer.

次に、図10(d)に示すように、プラズマCVD法、スパッタリング法、塗布法などにより、例えば、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、またはこれらの積層膜から成る保護膜13を成膜(堆積)する。保護膜13の膜厚は100〜1000nmの程度で、200〜500nmが好適である。このとき、保護膜13の形成温度は200℃以上となるため、ソース電極11及びドレイン電極12下層にあるCu合金9中のCu原子と添加元素が界面に析出され、活性半導体層6上に事前に形成した絶縁膜6aと化合し、密着性及び拡散バリア性に優れ、なお且つ、低電気抵抗な酸化物膜14を自己形成する。なお、保護膜13の一部が窒化シリコン膜より成る場合、活性半導体層6へ水素の拡散が生じ電気特性の低下を起こすことがあるが、活性半導体層6の上層の絶縁膜6aがこれを還元して抑制し、酸化物半導体膜への水素の拡散を防止する効果もある。加えて、ゲート絶縁膜5直上の絶縁膜6aでも密着性及び拡散バリア性に優れる酸化物膜15を自己形成するため、ソース電極11及びドレイン電極12の膜剥がれは生じにくい。さらに、これにフォトリソグラフィ工程を行い、外部装置と電気信号のやり取りを行うためのコンタクトホール(図示せず)を開口し、レジストを剥離する。このようにして、実施例20の酸化物半導体TFTを作製することができる。   Next, as shown in FIG. 10D, the protective film 13 made of, for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or a laminated film thereof is formed by plasma CVD, sputtering, coating, or the like. Is deposited (deposited). The thickness of the protective film 13 is about 100 to 1000 nm, and preferably 200 to 500 nm. At this time, since the formation temperature of the protective film 13 is 200 ° C. or more, Cu atoms and additive elements in the Cu alloy 9 under the source electrode 11 and the drain electrode 12 are precipitated at the interface, and are previously formed on the active semiconductor layer 6. In combination with the insulating film 6a formed in this step, the oxide film 14 having excellent adhesion and diffusion barrier properties and having low electrical resistance is self-formed. When a part of the protective film 13 is made of a silicon nitride film, hydrogen may diffuse into the active semiconductor layer 6 and the electrical characteristics may be deteriorated. However, the insulating film 6a on the upper layer of the active semiconductor layer 6 There is also an effect of suppressing by reducing and preventing diffusion of hydrogen into the oxide semiconductor film. In addition, since the oxide film 15 having excellent adhesion and diffusion barrier properties is self-formed even in the insulating film 6a immediately above the gate insulating film 5, the film peeling of the source electrode 11 and the drain electrode 12 hardly occurs. Further, a photolithography process is performed on this, a contact hole (not shown) for exchanging electrical signals with an external device is opened, and the resist is peeled off. In this manner, the oxide semiconductor TFT of Example 20 can be manufactured.

ここで、本実施例20と、酸素の原子濃度のピーク値が添加元素のそれより小さい従来技術のTFTについて、電気特性の比較評価をする。図11は、本実施例20と従来技術のTFTの伝達特性の模式図を示す図である。グラフの縦軸はドレイン電流の対数である。従来技術のTFTの伝達特性を見ると、オン電流は大きいが、閾値電圧の負シフトやサブスレショルド係数の上昇が起きており、ノーマリーオン動作となっている。しかしながら、酸素の原子濃度のピーク値が添加元素のピーク値より大きい本実施例20のTFTは、ゲート電圧0V付近で急峻に立ち上がるノーマリーオフ動作となる。したがって、本実施例20によれば、活性半導体層6からの酸素の拡散を抑制し、酸化物半導体TFTへのCu合金の配線適用が可能になることが示された。   Here, the electrical characteristics of the present Example 20 and the prior art TFT in which the peak value of the atomic concentration of oxygen is smaller than that of the additive element are compared and evaluated. FIG. 11 is a diagram showing a schematic diagram of transfer characteristics of Example 20 and the prior art TFT. The vertical axis of the graph is the logarithm of the drain current. Looking at the transfer characteristics of the conventional TFT, the on-current is large, but a negative shift of the threshold voltage and an increase in the subthreshold coefficient occur, and the normally-on operation is performed. However, the TFT of Example 20 in which the peak value of the atomic concentration of oxygen is larger than the peak value of the additive element has a normally-off operation that rises sharply in the vicinity of the gate voltage of 0V. Therefore, according to the present Example 20, it was shown that the diffusion of oxygen from the active semiconductor layer 6 is suppressed, and the Cu alloy wiring can be applied to the oxide semiconductor TFT.

本実施例20では、ゲート電極4、ソース電極11、ドレイン電極12はCu合金と純Cuの積層から構成されるが、Cu合金の単層でも良い。その場合の添加元素として、低電気抵抗である理由から、例えば、Ca、Mg、Znが好ましい。また、Cu合金/純Cu/Cu合金の3層構造であっても良い。また、活性半導体層6に用いる酸化物半導体はアモルファスでも多結晶でもよく、これらの積層膜にも適用可能である。更なるTFT電気特性の改善を狙い、チャンネルエッチストッパ構造を採用しても構わない。トップゲート型やボトムコンタクト構造であっても良い。   In Example 20, the gate electrode 4, the source electrode 11, and the drain electrode 12 are composed of a Cu alloy and pure Cu laminate, but may be a single layer of Cu alloy. In this case, for example, Ca, Mg, and Zn are preferable because of the low electrical resistance. Further, a three-layer structure of Cu alloy / pure Cu / Cu alloy may be used. The oxide semiconductor used for the active semiconductor layer 6 may be amorphous or polycrystalline, and can be applied to a stacked film of these. A channel etch stopper structure may be employed to further improve TFT electrical characteristics. A top gate type or a bottom contact structure may be used.

ソース電極11及びドレイン電極12と保護膜13との界面からCu原子が拡散し保護膜13の密着性が脆弱になる場合は、保護膜13を形成する直前に酸化処理を行っても良い。   When Cu atoms diffuse from the interface between the source electrode 11 and drain electrode 12 and the protective film 13 and the adhesion of the protective film 13 becomes weak, an oxidation treatment may be performed immediately before the protective film 13 is formed.

また、TFT電気特性を安定かつ均一にするため、酸化物半導体の形成後に熱処理を別途に加えてもよい。熱処理はソース電極11及びドレイン電極12の形成後に行うのが好ましい。ソース電極11及びドレイン電極12中の添加元素の拡散が促進され酸化物膜14、酸化物膜15が得やすくなるためである。   In addition, in order to make the TFT electrical characteristics stable and uniform, heat treatment may be additionally performed after the oxide semiconductor is formed. The heat treatment is preferably performed after the source electrode 11 and the drain electrode 12 are formed. This is because the diffusion of the additive element in the source electrode 11 and the drain electrode 12 is promoted, and the oxide film 14 and the oxide film 15 are easily obtained.

[実施例20および21〜34]
表3に示すように、実施例20では銅合金電極に添加する元素をMoとしたが、実施例21〜34ではそれぞれ表3の成分、添加濃度のターゲット材を使用して同じく表3に示す成分、目標添加濃度の銅合金電極を実施例20と同様の方法で成膜し、薄膜トランジスタの製作を行った。ソース/ドレイン銅合金電極の実際の添加元素濃度は、製作過程で基板を取り出しEDX(エネルギー分散型X線分光法)を用いて定量した。製作した薄膜トランジスタは、大気中、25℃に60日間放置し、酸化物半導体層とソース/ドレイン銅合金電極層との剥離の有無を走査型電子顕微鏡で調査した。また、薄膜トランジスタの製作過程のソース/ドレイン銅合金電極をエッチングで形成する際のエッチング残渣の有無をSEMで調査した。エッチング液は燐酸:5wt%、リン酸二水素アンモニウム:5wt%、過酸化水素:2wt%、水:残部を用いた。これらの結果も合わせて表3に示す。
[Examples 20 and 21-34]
As shown in Table 3, in Example 20, the element to be added to the copper alloy electrode was Mo, but in Examples 21 to 34, the components shown in Table 3 and the target materials having the added concentrations were used, respectively. Copper alloy electrodes having components and target addition concentrations were formed in the same manner as in Example 20 to manufacture thin film transistors. The actual additive element concentration of the source / drain copper alloy electrode was quantified using EDX (energy dispersive X-ray spectroscopy) by removing the substrate during the manufacturing process. The manufactured thin film transistor was left in the atmosphere at 25 ° C. for 60 days, and the presence or absence of peeling between the oxide semiconductor layer and the source / drain copper alloy electrode layer was examined with a scanning electron microscope. Moreover, the presence or absence of etching residue when the source / drain copper alloy electrode in the manufacturing process of the thin film transistor was formed by etching was investigated by SEM. The etching solution used was phosphoric acid: 5 wt%, ammonium dihydrogen phosphate: 5 wt%, hydrogen peroxide: 2 wt%, and water: the balance. These results are also shown in Table 3.

比較例として純Cuターゲット材および添加濃度が本発明の範囲とは異なる銅合金ターゲット材および添加元素の酸化物生成反応の平衡酸素ポテンシャルが、酸化物半導体層を構成する元素のそれより大きい値か等しい値をとるNi、In、Fe、Coを添加した銅合金ターゲット材を使用して銅合金電極を成膜し、製作した薄膜トランジスタの酸化物半導体層とソース/ドレイン電極層の剥離の有無、エッチング残渣の有無を同様に調査した結果を比較例6〜12に示す。   As a comparative example, whether the equilibrium oxygen potential of the oxide formation reaction of the pure Cu target material and the copper alloy target material and the additive element whose additive concentration is different from the range of the present invention is larger than that of the element constituting the oxide semiconductor layer. A copper alloy electrode is formed using a copper alloy target material added with Ni, In, Fe, and Co having the same value, whether or not the oxide semiconductor layer and source / drain electrode layer of the manufactured thin film transistor are peeled off, etching The result of having investigated similarly the presence or absence of a residue is shown to Comparative Examples 6-12.

実施例20〜34では、スパッタリングターゲット材の添加元素濃度がソース/ドレイン電極の目標濃度より15%〜50%増やしてあるので、実際の電極濃度も目標通りとなっている。また、密着性を向上させる元素が0.5〜20at%添加されているので、銅合金電極の剥離も見られなかった。更に0.5〜20at%の範囲ではエッチング残渣の発生は見られなかった。   In Examples 20 to 34, since the additive element concentration of the sputtering target material is increased by 15% to 50% from the target concentration of the source / drain electrode, the actual electrode concentration is also in accordance with the target. Moreover, since the element which improves adhesiveness was added 0.5-20 at%, peeling of the copper alloy electrode was not seen. Furthermore, no etching residue was observed in the range of 0.5 to 20 at%.

一方、比較例6では添加元素がないため、銅合金電極の剥離が発生した。比較例7ではスパッタリングターゲット材の添加元素濃度が、電極の目標添加元素濃度と同一のため、実際の電極の添加元素濃度が0.5at%以下となり、銅合金電極の剥離が見られた。比較例8では電極中の添加元素濃度が20%を超えたため、エッチングの際に残渣を生じてしまった。比較例9〜12では添加元素の酸化物生成反応の平衡酸素ポテンシャルが、活性半導体層6を構成する元素のそれより大きい、あるいは等しいため、酸化物半導体層との界面に添加元素酸化物層が生成せず密着性が低下し銅合金電極の剥離が見られた。

Figure 2013118367
On the other hand, in Comparative Example 6, since there was no additive element, peeling of the copper alloy electrode occurred. In Comparative Example 7, since the additive element concentration of the sputtering target material was the same as the target additive element concentration of the electrode, the actual additive element concentration of the electrode was 0.5 at% or less, and peeling of the copper alloy electrode was observed. In Comparative Example 8, since the concentration of the additive element in the electrode exceeded 20%, a residue was generated during the etching. In Comparative Examples 9 to 12, the equilibrium oxygen potential of the oxide formation reaction of the additive element is greater than or equal to that of the element constituting the active semiconductor layer 6, so that the additive element oxide layer is present at the interface with the oxide semiconductor layer. It did not form and the adhesion decreased and peeling of the copper alloy electrode was observed.
Figure 2013118367

[実施例35]
<表示装置>
図12および図13は、実施例35の内容を図示するものであり、液晶表示装置を例にして、実施例1及び実施例20のTFTを表示装置へ用いる方法を説明するものである。なお、煩雑さを避けるためTFTの詳細な構造の図示は省略する。
[Example 35]
<Display device>
FIG. 12 and FIG. 13 illustrate the contents of Example 35. A method of using the TFTs of Examples 1 and 20 for a display device will be described using a liquid crystal display device as an example. In order to avoid complexity, the detailed structure of the TFT is not shown.

図12は、実施例35のアクティブマトリクス型液晶表示装置100におけるTFT基板101上の画素構成例を図示した図である。図12に示すように、TFT基板101上に走査線102と、これとは垂直に交差する方向に形成される信号線103とを有している。走査線102と信号線103との交差するポイントにはTFT104が設けられ、TFT104の配線の一部がTFT104に接続される画素電極105へ接続される。また、画素電極105及び走査線102の一部を用いてストレージキャパシタ106が形成されている。尚、走査線102を形成する工程で、実施例1および実施例20のTFTのゲート電極4(図示せず)が、信号線103を形成する工程で実施例1および実施例20のTFTのソース電極11(図示せず)及びドレイン電極12(図示せず)が形成される。   FIG. 12 is a diagram illustrating a pixel configuration example on the TFT substrate 101 in the active matrix liquid crystal display device 100 according to the thirty-fifth embodiment. As shown in FIG. 12, it has a scanning line 102 on a TFT substrate 101 and a signal line 103 formed in a direction perpendicular to the scanning line 102. A TFT 104 is provided at a point where the scanning line 102 and the signal line 103 intersect, and a part of the wiring of the TFT 104 is connected to the pixel electrode 105 connected to the TFT 104. A storage capacitor 106 is formed using part of the pixel electrode 105 and the scanning line 102. In the step of forming the scanning line 102, the gate electrode 4 (not shown) of the TFTs of Example 1 and Example 20 is used as the source of the TFT of Example 1 and Example 20 in the step of forming the signal line 103. Electrode 11 (not shown) and drain electrode 12 (not shown) are formed.

図13は、実施例35のアクティブマトリクス型液晶表示装置の構成例を示す断面図である。図13に示すように、液晶表示装置100は、光源111、偏光板112、TFT基板101、TFT104、絶縁膜113、画素電極105、配向膜114、液晶層115、スペーサ116、共通電極117、カラーフィルタ118、ブラックマトリクス119、カラーフィルタ基板120、偏光フィルム121を有している。   FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of an active matrix liquid crystal display device according to Example 35. In FIG. As shown in FIG. 13, the liquid crystal display device 100 includes a light source 111, a polarizing plate 112, a TFT substrate 101, a TFT 104, an insulating film 113, a pixel electrode 105, an alignment film 114, a liquid crystal layer 115, a spacer 116, a common electrode 117, a color. A filter 118, a black matrix 119, a color filter substrate 120, and a polarizing film 121 are included.

ここで、液晶表示装置100の表示制御方法について簡単に説明する。光源111から
放たれた光は偏光板112により特定の偏光成分のみが通過し、液晶層115へ向かう。液晶層115は画素電極105と共通電極117に供給される電圧に応じて、偏光フィルム121を通過する光透過率を調整することで画素の階調を制御する。
Here, a display control method of the liquid crystal display device 100 will be briefly described. Only a specific polarization component of the light emitted from the light source 111 passes through the polarizing plate 112 and travels toward the liquid crystal layer 115. The liquid crystal layer 115 controls the gradation of the pixel by adjusting the light transmittance that passes through the polarizing film 121 in accordance with the voltage supplied to the pixel electrode 105 and the common electrode 117.

次に、液晶層115の制御方法について、図12も参照しながら簡単に述べる。まず、走査線102からTFT104にゲート信号が印加されるとTFT104はオン状態になり、信号線103に加えられている信号電圧がTFT104を経由し画素電極105とストレージキャパシタ106に印加される。これにより、液晶層115に所望の電圧が印加され、液晶分子が動作し光透過率を制御する。このとき、ストレージキャパシタ106は、電圧信号を保持する役割をもつ。すなわち、TFT104がオフになっても次の信号が印加されるまで、液晶層115に供給されている電圧レベルを一定に調整する。   Next, a method for controlling the liquid crystal layer 115 will be briefly described with reference to FIG. First, when a gate signal is applied from the scanning line 102 to the TFT 104, the TFT 104 is turned on, and a signal voltage applied to the signal line 103 is applied to the pixel electrode 105 and the storage capacitor 106 via the TFT 104. Thereby, a desired voltage is applied to the liquid crystal layer 115, and the liquid crystal molecules operate to control the light transmittance. At this time, the storage capacitor 106 has a role of holding a voltage signal. That is, even when the TFT 104 is turned off, the voltage level supplied to the liquid crystal layer 115 is adjusted to be constant until the next signal is applied.

本実施例のTFTによれば、TFTの電気特性値の低下を生じずにCu合金の配線適用を実現することが可能になる。この際、電気抵抗の低下を抑制する最適な酸素の深さ分布を提示することで、Cu合金を薄膜トランジスタの電極に適用することが可能になる。上記の実施の形態において、添付図面に図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。   According to the TFT of the present embodiment, it is possible to realize the application of Cu alloy wiring without causing a decrease in the electrical characteristic value of the TFT. At this time, it is possible to apply the Cu alloy to the electrode of the thin film transistor by presenting an optimal oxygen depth distribution that suppresses the decrease in electric resistance. In the above-described embodiment, the configuration and the like illustrated in the accompanying drawings are not limited to these, and can be appropriately changed within a range in which the effect of the present invention is exhibited. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the object of the present invention.

本発明は、薄膜トランジスタに利用可能である。   The present invention is applicable to a thin film transistor.

1:基板
2:Cu合金
3:純Cu
4:ゲート電極
5:ゲート絶縁膜
6:活性半導体層
6a:絶縁膜
7:コンタクト膜
7a:極薄酸化膜
8:半導体層(6・7)
9:Cu合金
10:純Cu
11:ソース電極
12:ドレイン電極
13:保護膜
14:酸化物膜(SD電極11・12と半導体層8(6・7)の界面に形成)
15:酸化物膜(SD電極11・12とゲート絶縁膜5の界面に形成)
100:液晶表示装置
101:TFT基板
102:走査線
103:信号線
104:TFT
105:画素電極
106:ストレージキャパシタ
111:光源
112:偏光板
113:絶縁膜
114:配向膜
115:液晶層
116:スペーサ
117:共通電極
118:カラーフィルタ
119:ブラックマトリクス
120:カラーフィルタ基板
121:偏光フィルム
1: Substrate 2: Cu alloy 3: Pure Cu
4: Gate electrode 5: Gate insulating film 6: Active semiconductor layer 6a: Insulating film 7: Contact film 7a: Ultrathin oxide film 8: Semiconductor layer (6, 7)
9: Cu alloy 10: Pure Cu
11: Source electrode 12: Drain electrode 13: Protective film 14: Oxide film (formed at the interface between the SD electrodes 11 and 12 and the semiconductor layer 8 (6 and 7))
15: Oxide film (formed at the interface between the SD electrodes 11 and 12 and the gate insulating film 5)
100: Liquid crystal display device 101: TFT substrate 102: Scanning line 103: Signal line 104: TFT
105: pixel electrode 106: storage capacitor 111: light source 112: polarizing plate 113: insulating film 114: alignment film 115: liquid crystal layer 116: spacer 117: common electrode 118: color filter 119: black matrix 120: color filter substrate 121: polarization the film

Claims (15)

基板上に、ゲート絶縁膜と、Si系半導体層と、Cu合金層を有するソース/ドレイン電極と、前記ソース電極及びドレイン電極と前記Si系半導体層との界面に形成される酸化物膜と、を備えた薄膜トランジスタであって、
前記Cu合金層は、Cuと少なくとも1種類の添加元素とを含み、
前記酸化物膜中の酸素の原子濃度の深さ分布が、ピーク値は40原子%以上66原子%以下であって、且つ、前記酸素の原子濃度のピーク値からの若しくは前記ソース電極及びドレイン電極と前記Si系半導体層の界面からの酸素の分布が10原子%となる距離を前記酸化物膜の膜厚と定義した際、前記酸化物膜の膜厚は1.8nm以下であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
On the substrate, a gate insulating film, a Si-based semiconductor layer, a source / drain electrode having a Cu alloy layer, an oxide film formed at an interface between the source and drain electrodes and the Si-based semiconductor layer, A thin film transistor comprising:
The Cu alloy layer includes Cu and at least one additive element,
The depth distribution of the atomic concentration of oxygen in the oxide film has a peak value of 40 atomic% or more and 66 atomic% or less, and from the peak value of the atomic concentration of oxygen or the source electrode and drain electrode When the distance at which the oxygen distribution from the interface between the Si-based semiconductor layer is 10 atomic% is defined as the thickness of the oxide film, the thickness of the oxide film is 1.8 nm or less. A thin film transistor.
前記ソース電極及びドレイン電極と前記Si系半導体層の界面で、前記ソース電極及びドレイン電極の構成材料が前記Si系半導体層へ拡散している箇所の線密度が、距離480nm当たり平均7個以下であることを特徴とする請求項1に記載の薄膜トランジスタ。   At the interface between the source and drain electrodes and the Si-based semiconductor layer, the line density of the portion where the constituent materials of the source and drain electrodes are diffused into the Si-based semiconductor layer is an average of 7 or less per 480 nm distance. The thin film transistor according to claim 1, wherein the thin film transistor is provided. 前記Cu合金層は、CuとMn、Mg、Ca、Ni、Zn、Si、Al、Be、Ga、In、Fe、Ti、V、Co、Zr、Hf、Ceから選択される少なくとも1種類以上の添加元素からなり、添加元素の濃度は0.5〜20at%であることを特徴とする請求項1又は請求項2の薄膜トランジスタ。   The Cu alloy layer includes at least one selected from Cu, Mn, Mg, Ca, Ni, Zn, Si, Al, Be, Ga, In, Fe, Ti, V, Co, Zr, Hf, and Ce. 3. The thin film transistor according to claim 1, wherein the thin film transistor comprises an additive element, and the concentration of the additive element is 0.5 to 20 at%. 基板上に、ゲート絶縁膜と、Si系半導体層と、Cuと少なくとも1種類の添加元素とを含むCu合金層を有するソース/ドレイン電極と、前記ソース電極及びドレイン電極と前記Si系半導体層との界面に形成される酸化物膜と、を備えた薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記基板上に、ゲート電極構造を形成し、その上にゲート絶縁膜を堆積した後に、
前記ゲート絶縁膜上に前記Si系半導体膜を堆積するステップと、
プラズマ酸化法により前記Si系半導体層の表面に極薄酸化膜を形成するステップと、
前記Cu合金層を有するソース/ドレイン電極を形成するステップと、を有し、
前記酸化物膜は、プラズマ酸化法により形成され、前記プラズマ酸化法におけるRFパワー密度は0.22〜0.67W/cm以下で、且つ、処理時間は60秒以上240秒以下であることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
On the substrate, a gate insulating film, a Si-based semiconductor layer, a source / drain electrode having a Cu alloy layer containing Cu and at least one additional element, the source and drain electrodes, and the Si-based semiconductor layer, An oxide film formed on the interface of the thin film transistor, comprising:
After forming a gate electrode structure on the substrate and depositing a gate insulating film thereon,
Depositing the Si-based semiconductor film on the gate insulating film;
Forming a very thin oxide film on the surface of the Si-based semiconductor layer by a plasma oxidation method;
Forming a source / drain electrode having the Cu alloy layer,
The oxide film is formed by a plasma oxidation method, the RF power density in the plasma oxidation method is 0.22 to 0.67 W / cm 2 or less, and the treatment time is 60 seconds or more and 240 seconds or less. A method for manufacturing a thin film transistor.
基板上に、ゲート絶縁膜と、Si系半導体層と、Cuと少なくとも1種類の添加元素と
を含むCu合金層を有するソース/ドレイン電極と、前記ソース電極及びドレイン電極と
前記Si系半導体層との界面に形成される酸化物膜と、を備えた薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記基板上に、ゲート電極構造を形成し、その上にゲート絶縁膜を堆積した後に、
前記ゲート絶縁膜上に前記Si系半導体膜を堆積するステップと、
プラズマ酸化法により前記Si系半導体層の表面に極薄酸化膜を形成するステップと、
前記Cu合金層を有するソース/ドレイン電極を形成するステップと、を有し、
前記酸化物膜は、プラズマ酸化法により形成され、
前記プラズマ酸化法におけるRFパワー密度と前記処理時間の積の値が、26.4〜52.8W・sec/cmであることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
On the substrate, a gate insulating film, a Si-based semiconductor layer, a source / drain electrode having a Cu alloy layer containing Cu and at least one additional element, the source and drain electrodes, and the Si-based semiconductor layer, An oxide film formed on the interface of the thin film transistor, comprising:
After forming a gate electrode structure on the substrate and depositing a gate insulating film thereon,
Depositing the Si-based semiconductor film on the gate insulating film;
Forming a very thin oxide film on the surface of the Si-based semiconductor layer by a plasma oxidation method;
Forming a source / drain electrode having the Cu alloy layer,
The oxide film is formed by a plasma oxidation method,
A method of manufacturing a thin film transistor, wherein a product of an RF power density and the processing time in the plasma oxidation method is 26.4 to 52.8 W · sec / cm 2 .
請求項1から3までのいずれか1項に記載の薄膜トランジスタの銅合金からなるソース/ドレイン電極の形成に使用されるスパッタリングターゲット材であって、銅合金層中の添加元素濃度よりも(添加元素濃度×15%以上50%未満)の範囲で濃度が高いことを特徴とするスパッタリングターゲット材。   It is a sputtering target material used for formation of the source / drain electrode which consists of a copper alloy of the thin-film transistor of any one of Claim 1 to 3, Comprising: It is more than the additive element density | concentration in a copper alloy layer (additive element) A sputtering target material having a high concentration in a range of (concentration × 15% or more and less than 50%). 基板上に、酸化物膜を有するゲート絶縁膜と、酸化物半導体層と、Cuと少なくとも1種類の添加元素とを含むCu合金層を有するソース/ドレイン電極と、前記ソース電極及びドレイン電極と前記酸化物半導体層との界面に形成される酸化物膜と、全体を保護する保護膜と、を備えた薄膜トランジスタであって、
前記酸化物膜において、前記ソース電極及びドレイン電極中の添加元素および酸素の原子濃度はピークを有し、酸素のピーク値が添加元素のピーク値より大きいことを特徴とする薄膜トランジスタ。
On the substrate, a gate insulating film having an oxide film, an oxide semiconductor layer, a source / drain electrode having a Cu alloy layer containing Cu and at least one additive element, the source electrode and the drain electrode, A thin film transistor comprising an oxide film formed at an interface with an oxide semiconductor layer, and a protective film for protecting the whole,
In the oxide film, the atomic concentration of the additive element and oxygen in the source electrode and the drain electrode has a peak, and the peak value of oxygen is larger than the peak value of the additive element.
前記ソース電極及びドレイン電極中の添加元素の酸化物生成反応の平衡酸素ポテンシャルが、前記酸化物半導体層を構成する少なくとも1つの元素の平衡酸素ポテンシャルより小さいことを特徴とする請求項7に記載の薄膜トランジスタ。   The equilibrium oxygen potential of an oxide generation reaction of an additive element in the source electrode and the drain electrode is smaller than an equilibrium oxygen potential of at least one element constituting the oxide semiconductor layer. Thin film transistor. 前記ソース電極及びドレイン電極のCu合金層は、CuとMn、Mg、Ca、Zn、Si、Al、Be、Ga、Ti、V、Zr、Hf、Ceから選択される少なくとも1種類以上の添加元素からなり、添加元素の濃度は0.5〜20at%であることを特徴とする請求項7又は請求項8の薄膜トランジスタ。   The Cu alloy layer of the source electrode and the drain electrode includes at least one additive element selected from Cu, Mn, Mg, Ca, Zn, Si, Al, Be, Ga, Ti, V, Zr, Hf, and Ce. 9. The thin film transistor according to claim 7, wherein the concentration of the additive element is 0.5 to 20 at%. 前記保護膜の一部は窒化シリコン膜より成ることを特徴とする請求項7から9までのいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。   The thin film transistor according to claim 7, wherein a part of the protective film is made of a silicon nitride film. 基板上に、酸化物膜を有するゲート絶縁膜と、酸化物半導体層と、Cuと少なくとも1種類の添加元素とを含むCu合金層を有するソース/ドレイン電極と、前記ソース電極及びドレイン電極と前記酸化物半導体層との界面に形成される酸化物膜と、全体を保護する保護膜と、を備えた薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記保護膜を形成するステップにおいて、
前記酸化物膜において、前記ソース電極及びドレイン電極中の添加元素および酸素の原子濃度はピークを有し、酸素のピーク値が添加元素のピーク値より大きくなる条件とすることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
On the substrate, a gate insulating film having an oxide film, an oxide semiconductor layer, a source / drain electrode having a Cu alloy layer containing Cu and at least one additive element, the source electrode and the drain electrode, A method of manufacturing a thin film transistor comprising an oxide film formed at an interface with an oxide semiconductor layer, and a protective film for protecting the whole,
In the step of forming the protective film,
In the thin film transistor, the atomic concentration of the additive element and oxygen in the source electrode and the drain electrode has a peak, and the peak value of oxygen is larger than the peak value of the additive element in the oxide film. Production method.
請求項7から10までのいずれか1項に記載の薄膜トランジスタの銅合金からなるソース/ドレイン電極の形成に使用されるスパッタリングターゲット材であって、銅合金層中の添加元素濃度よりも、添加元素濃度×15%以上50%未満、の範囲で濃度が高いことを特徴とするスパッタリングターゲット材。   It is a sputtering target material used for formation of the source / drain electrode which consists of a copper alloy of the thin-film transistor of any one of Claim 7-10, Comprising: An additive element rather than the additive element density | concentration in a copper alloy layer A sputtering target material characterized in that the concentration is high in the range of concentration x 15% or more and less than 50%. 請求項1、2、3、7、8、9、10のうちいずれか1項に記載の薄膜トランジスタを用いた表示装置。   A display device using the thin film transistor according to any one of claims 1, 2, 3, 7, 8, 9, and 10. CuとMn、Mg、Ca、Ni、Zn、Si、Al、Be、Ga、In、Fe、Ti、V、Co、Zr、Hf、Ceから選択される少なくとも1種類以上の添加元素からなり、添加元素の濃度は0.7〜40at%であることを特徴とするスパッタリングターゲット材。   It consists of at least one additional element selected from Cu and Mn, Mg, Ca, Ni, Zn, Si, Al, Be, Ga, In, Fe, Ti, V, Co, Zr, Hf, and Ce. A sputtering target material characterized in that the concentration of the element is 0.7 to 40 at%. 0.7〜29at%のMnと、残部がCuからなる、スパッタリングターゲット材。

A sputtering target material comprising 0.7 to 29 at% Mn and the balance being Cu.

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