JP2014140005A - Thin film transistor and manufacturing method of the same - Google Patents

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Mitsuru Nakada
充 中田
Hirohiko Fukagawa
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin film transistor and a manufacturing method of the same, which can inhibit increase in resistance value in a region of an oxide semiconductor even by a heat treatment in a manufacturing process of a thin film transistor, and which can inhibit decrease in drain current and characteristic variation of the thin film transistor.SOLUTION: A thin film transistor comprises a plurality of layers including at least a gate electrode film 2 and an oxide semiconductor layer (IGZO film 4) which are stacked on a substrate 1, in which a part of the oxide semiconductor layer (4) is formed to be an amorphous channel region, and at least a part of a region of the oxide semiconductor layer (4) other than the channel region is formed to be a low-resistant region (4'), and at least a part of the low-resistant region (4') is crystallized.

Description

本発明は、薄膜トランジスタの製造方法に関し、特に、チャネルが非晶質の酸化物半導体により形成されたボトムゲート構造あるいはトップゲート構造の薄膜トランジスタおよびその製造方法に関する。   The present invention relates to a method of manufacturing a thin film transistor, and more particularly to a bottom gate or top gate thin film transistor having a channel formed of an amorphous oxide semiconductor and a method of manufacturing the same.

近年、ディスプレイ駆動用素子等に活用することを目的とした薄膜トランジスタ(以下、TFTと称することもある)として、インジウム、ガリウムおよび亜鉛を含む酸化物半導体(酸化インジウムガリウム亜鉛(InGaZnO(IGZO:登録商標)))や酸化亜鉛(ZnO)等の酸化物半導体をチャネルに用いたTFTおよびその製造方法についての研究が盛んであり、実機にも種々適用されている。   In recent years, an oxide semiconductor containing indium, gallium, and zinc (InGaZnO (IGZO: registered trademark)) is used as a thin film transistor (hereinafter sometimes referred to as TFT) intended to be used for a display driving element. ))) And TFTs using oxide semiconductors such as zinc oxide (ZnO) in the channel and methods for manufacturing the TFTs are actively researched and applied to various actual devices.

このような酸化物半導体をチャネルに用いたTFTは、液晶ディスプレイ駆動用素子として周知のアモルファスシリコン(a-Si)をチャネルに用いたTFTよりも移動度が大きいという利点を有している。   A TFT using such an oxide semiconductor for a channel has an advantage of higher mobility than a TFT using amorphous silicon (a-Si), which is well-known as a liquid crystal display driving element, for a channel.

また、酸化物半導体はスパッタリング等を用いて室温で成膜できるので、酸化物半導体をチャネルに用いたTFTを、ガラス基板だけではなくポリエチレンナフタレート(PEN) や ポリエーテルスルホン(PES)等の樹脂基板上に形成することも可能にしている。   In addition, since oxide semiconductors can be deposited at room temperature using sputtering or the like, TFTs using oxide semiconductors for channels can be used not only for glass substrates but also for resins such as polyethylene naphthalate (PEN) and polyethersulfone (PES). It can also be formed on a substrate.

一方、TFT上下方向にゲート電極とソース・ドレイン電極の領域が重ならないように構成し、寄生容量の低減など特性の向上、および製造効率の向上を図った自己整合型のTFTが注目されており、このような酸化物半導体をチャネルに用いた自己整合型TFTの製造技術の確立が急務となっており、本願出願人による下記特許文献1のような技術が特許庁に開示されている。   On the other hand, self-aligned TFTs that are constructed so that the gate electrode and source / drain electrode regions do not overlap in the vertical direction of the TFTs, improve characteristics such as reducing parasitic capacitance, and improve manufacturing efficiency are attracting attention. Therefore, establishment of a manufacturing technique of a self-aligned TFT using such an oxide semiconductor for a channel is urgently required, and a technique such as Patent Document 1 described below by the applicant of the present application is disclosed in the Patent Office.

すなわち、下記特許文献1に記載された薄膜トランジスタの製造方法においては、基板上にゲート電極膜、ゲート絶縁膜および酸化物半導体層を、この順に積層し(ボトムゲート)、基板側から所定の光を照射することでゲート電極膜と重ならない酸化物半導体層の領域(ソース・ドレイン領域)を低抵抗化することにより自己整合型TFTの作製を可能にしている。   That is, in the method for manufacturing a thin film transistor described in Patent Document 1 below, a gate electrode film, a gate insulating film, and an oxide semiconductor layer are stacked in this order (bottom gate) on a substrate, and predetermined light is emitted from the substrate side. Irradiation reduces the resistance of the oxide semiconductor layer region (source / drain region) that does not overlap with the gate electrode film, whereby a self-aligned TFT can be manufactured.

特願2012-221703号明細書Japanese Patent Application No. 2012-221703

しかしながら、上記光照射工程は、全てのTFT作製プロセスの最後に行うことができればよいが、そうでない場合には光照射工程後の作製工程における加熱処理によって、一旦、抵抗値が低下した酸化物半導体の領域の抵抗値が再び上昇してしまう。この結果、TFT素子のドレイン電流の低下や特性ばらつきを引き起こすといった問題がある。   However, the above light irradiation process may be performed at the end of all TFT manufacturing processes; otherwise, the oxide semiconductor whose resistance value has once decreased by heat treatment in the manufacturing process after the light irradiation process. The resistance value in the region increases again. As a result, there is a problem that the drain current of the TFT element is reduced and the characteristics are varied.

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、酸化物半導体をチャネルに用いた薄膜トランジスタ素子において、薄膜トランジスタ作製プロセスにおける加熱処理によっても、酸化物半導体の所定の領域の抵抗値の上昇を抑制することができ、薄膜トランジスタ素子のドレイン電流の低下や特性ばらつきを抑制し得る、薄膜トランジスタおよびその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and in a thin film transistor element using an oxide semiconductor for a channel, an increase in the resistance value of a predetermined region of the oxide semiconductor is suppressed even by heat treatment in the thin film transistor manufacturing process. An object of the present invention is to provide a thin film transistor and a method for manufacturing the same that can suppress a decrease in drain current and variations in characteristics of the thin film transistor element.

本発明に係る薄膜トランジスタは、
基板上に、少なくともゲート電極膜および酸化物半導体層を含む複数層を積層してなる薄膜トランジスタにおいて、
前記酸化物半導体層の一部が非晶質なチャネル領域とされるとともに、該酸化物半導体層の該チャネル領域以外の領域の少なくとも一部が低抵抗な領域とされ、この低抵抗な領域の少なくとも一部が結晶化されていることを特徴とするものである。
The thin film transistor according to the present invention is
In a thin film transistor in which a plurality of layers including at least a gate electrode film and an oxide semiconductor layer are stacked on a substrate,
A part of the oxide semiconductor layer is an amorphous channel region, and at least a part of the oxide semiconductor layer other than the channel region is a low-resistance region. It is characterized in that at least a part thereof is crystallized.

この場合において、前記チャネル領域以外の領域は、該チャネル領域を挟んで両側に位置するソース領域とドレイン領域であることが好ましい。
また、前記チャネル領域以外の領域において、厚み方向の一方側が結晶化され、他方側が非結晶とされた構成とすることができる。
また、前記チャネル領域以外の領域の膜厚は前記チャネル領域の膜厚よりも薄くすることができる。
また、前記低抵抗な領域は、所定の光の照射により低抵抗化されたものであることが好ましい。
In this case, the regions other than the channel region are preferably a source region and a drain region located on both sides of the channel region.
Further, in a region other than the channel region, one side in the thickness direction may be crystallized and the other side may be amorphous.
Further, the thickness of the region other than the channel region can be made thinner than the thickness of the channel region.
Moreover, it is preferable that the low-resistance region is a region whose resistance has been reduced by irradiation with predetermined light.

また、前記所定の光が、エキシマレーザ光、フラッシュランプ光、およびCWレーザ光のいずれかであることが好ましい。
また、前記酸化物半導体層を構成する酸化物半導体はインジウム、ガリウム、亜鉛、スズ、アルミニウム、シリコン、ゲルマニウム、ボロン、マンガン、チタン、モリブデンのうち少なくともいずれか1つの元素を含むか、酸化インジウムガリウム亜鉛を材料として含むことが好ましい。
Further, it is preferable that the predetermined light is any one of excimer laser light, flash lamp light, and CW laser light.
The oxide semiconductor constituting the oxide semiconductor layer contains at least one element of indium, gallium, zinc, tin, aluminum, silicon, germanium, boron, manganese, titanium, and molybdenum, or indium gallium oxide. It is preferable to contain zinc as a material.

また、本発明の第1の薄膜トランジスタの製造方法は、
基板上にゲート電極膜、ゲート絶縁膜および酸化物半導体層を、この順に積層し、
この後、該基板側から該酸化物半導体層に向けて所定の光を照射せしめて、該基板側から見たときに、その視線上において前記ゲート電極膜と重ならない前記酸化物半導体層の領域の少なくとも一部を結晶化して低抵抗化し、自己整合型ボトムゲート構造の薄膜トランジスタを製造することを特徴とするものである。
また、本発明の第2の薄膜トランジスタの製造方法は、
基板上に、酸化物半導体層、ゲート絶縁膜およびゲート電極膜を含む複数層をこの順に積層し、
この後、該ゲート電極膜側から該酸化物半導体層に向けて所定の光を照射せしめて、該ゲート電極膜側から見たときに、その視線上において前記ゲート電極膜と重ならない前記酸化物半導体層の領域の少なくとも一部を結晶化して低抵抗化し、自己整合型トップゲート構造の薄膜トランジスタを製造することを特徴とするものである。
The first thin film transistor manufacturing method of the present invention includes
A gate electrode film, a gate insulating film, and an oxide semiconductor layer are stacked in this order on the substrate,
Thereafter, a region of the oxide semiconductor layer that does not overlap the gate electrode film on the line of sight when irradiated with predetermined light from the substrate side toward the oxide semiconductor layer when viewed from the substrate side. A thin film transistor having a self-aligned bottom gate structure is manufactured by crystallizing at least a part of the film to reduce resistance.
The second thin film transistor manufacturing method of the present invention includes
A plurality of layers including an oxide semiconductor layer, a gate insulating film, and a gate electrode film are stacked in this order on the substrate,
Thereafter, the oxide that does not overlap the gate electrode film on the line of sight when viewed from the gate electrode film side by irradiating predetermined light from the gate electrode film side toward the oxide semiconductor layer A thin film transistor having a self-aligned top gate structure is manufactured by crystallizing at least a part of the region of the semiconductor layer to reduce resistance.

また、上記いずれかの薄膜トランジスタの製造方法において、前記所定の光が、エキシマレーザ光、フラッシュランプ光、およびCWレーザ光のいずれかであることが好ましい。
ここで「チャネル領域」とは、酸化物半導体層のうち、ゲート電極層と対向する領域を称するものとする。
In any one of the thin film transistor manufacturing methods, the predetermined light is preferably one of excimer laser light, flash lamp light, and CW laser light.
Here, the “channel region” refers to a region of the oxide semiconductor layer that faces the gate electrode layer.

また、上記いずれかの薄膜トランジスタの製造方法において上記「視線上」とは、一般には平行線上とされるが、多少収束する線上である場合を排除するものではない。   In the above-described method for manufacturing a thin film transistor, the “on line of sight” is generally a parallel line, but does not exclude a case where the line is on a slightly convergent line.

また、「フラッシュランプ」とは、用途に応じて、直管形、螺旋形、U形、環形等の形状の、石英ガラス管あるいは高シリカガラス管等の両端に電極を封止し、例えば2〜10kPaのキセノン等の希ガスや水素ガスが封入された形態をなし、短時間だけ閃光発光を行う光源である。   In addition, the “flash lamp” means that electrodes are sealed at both ends of a quartz glass tube or a high silica glass tube having a straight tube shape, a spiral shape, a U shape, a ring shape, etc. It is a light source in which a rare gas such as xenon or hydrogen gas of ˜10 kPa is enclosed and hydrogen light is emitted only for a short time.

また、前記所定の光が前記エキシマレーザ光であるとき、前記エキシマレーザ光の1パルスあたりのエネルギー密度が、10〜1000mJ/cm2であることが好ましい。
また、前記所定の光が前記フラッシュランプ光であるとき、前記フラッシュランプ光の1パルスあたりのエネルギー密度が、0.1〜500J/cm2であることが好ましい。
Further, when the predetermined light is the excimer laser light, the energy density per pulse of the excimer laser light is preferably 10 to 1000 mJ / cm 2 .
In addition, when the predetermined light is the flash lamp light, it is preferable that an energy density per pulse of the flash lamp light is 0.1 to 500 J / cm 2 .

本発明に係る薄膜トランジスタによれば、基板上に、少なくともゲート電極膜および酸化物半導体層を含む複数層を積層してなり、酸化物半導体層の一部は非晶質なチャネル領域とされ、該酸化物半導体層の該チャネル領域以外の領域の少なくとも一部に低抵抗な領域が含まれ、この低抵抗な領域の少なくとも一部が結晶化されている。   According to the thin film transistor of the present invention, a plurality of layers including at least a gate electrode film and an oxide semiconductor layer are stacked on a substrate, and a part of the oxide semiconductor layer is an amorphous channel region, A region having a low resistance is included in at least a part of the oxide semiconductor layer other than the channel region, and at least a part of the low resistance region is crystallized.

一般に、酸化物半導体層の低抵抗な領域は、光照射後のプロセス処理における加熱処理によって抵抗値が上昇してしまうが、本発明の薄膜トランジスタによれば、この低抵抗な領域の少なくとも一部が結晶化されていることによって、この後に加熱処理があったとしても、その際の温度上昇に伴う抵抗上昇を抑制することができる。このため、ドレイン電流の低下や特性ばらつきについての安定した抑制効果を得ることができる。   In general, the resistance value of the low-resistance region of the oxide semiconductor layer is increased by heat treatment in the process after light irradiation. According to the thin film transistor of the present invention, at least a part of the low-resistance region is formed. By being crystallized, even if there is a heat treatment after this, it is possible to suppress an increase in resistance accompanying a temperature increase at that time. For this reason, the stable suppression effect about the fall of drain current or characteristic variation can be acquired.

また、本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法によれば、上記いずれの製造方法によっても、基板上にゲート電極膜、ゲート絶縁膜および酸化物半導体層を含む複数の層を積層し、該酸化物半導体層に所定の光を照射せしめて、上下いずれかの方向から見たときに、その視線上においてゲート電極膜と重ならない酸化物半導体層の領域の少なくとも一部を結晶化して低抵抗化するようにしている。これにより、該酸化物半導体層中の光照射領域に対して、光エネルギーによる直接的な作用効果と、光照射に伴う温度上昇効果が付与されることにより、該酸化物半導体層中の酸素の結合が強力に解かれ、酸素原子が欠損し、自由電子が増加することになる。該酸化物半導体層中の光照射領域の少なくとも一部を、例えばソース・ドレイン電極の一部として利用することで、ゲート電極膜とソース・ドレイン電極の重なりを極力小さくすることができ、寄生容量を簡易に減少させることができる。また、少なくとも一部に低抵抗な領域が含まれ、この低抵抗な領域の少なくとも一部を結晶化するようにしているから、この後のプロセス工程中に加熱処理があったとしても、その際の温度上昇に伴う抵抗上昇を抑制することができる。このため、ドレイン電流の低下や特性ばらつきについての安定した抑制効果を得ることができる。   Further, according to the method for manufacturing a thin film transistor according to the present invention, any of the above manufacturing methods includes stacking a plurality of layers including a gate electrode film, a gate insulating film, and an oxide semiconductor layer on the substrate, and the oxide semiconductor. The layer is irradiated with predetermined light, and when viewed from above or below, at least part of the region of the oxide semiconductor layer that does not overlap with the gate electrode film on the line of sight is crystallized to reduce resistance. I have to. As a result, a direct action effect due to light energy and a temperature increase effect accompanying light irradiation are imparted to the light irradiation region in the oxide semiconductor layer, so that the oxygen in the oxide semiconductor layer is reduced. Bonds are strongly broken, oxygen atoms are lost, and free electrons increase. By utilizing at least a part of the light irradiation region in the oxide semiconductor layer as a part of the source / drain electrode, for example, the overlap between the gate electrode film and the source / drain electrode can be minimized, and the parasitic capacitance Can be easily reduced. Further, since at least a part of the low resistance region is included and at least a part of the low resistance region is crystallized, even if there is a heat treatment during the subsequent process step, It is possible to suppress an increase in resistance accompanying the temperature increase. For this reason, the stable suppression effect about the fall of drain current or characteristic variation can be acquired.

本発明の第1の実施形態に係る、自己整合型ボトムゲート構造の薄膜トランジスタの製造方法を示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing method of the thin-film transistor of the self-alignment type bottom gate structure based on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る、自己整合型トップゲート構造の薄膜トランジスタの製造方法を示す工程図である。FIG. 10 is a process diagram illustrating a method of manufacturing a thin film transistor having a self-aligned top gate structure according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施形態に係る、自己整合型トップゲート構造の薄膜トランジスタの製造方法を示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing method of the thin-film transistor of the self-alignment type top gate structure based on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る実施例の薄膜トランジスタのサンプルについてθ-2θ法を用いて結晶性を分析するためのXRDスペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the XRD spectrum for analyzing crystallinity using the (theta) -2 (theta) method about the sample of the thin-film transistor of the Example which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る実施例の薄膜トランジスタのサンプルについてIGZO膜におけるシート抵抗の加熱温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the heating temperature dependence of the sheet resistance in an IGZO film about the sample of the thin-film transistor of the Example which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る実施例の薄膜トランジスタのサンプルを製造し、測定した際の観察領域を示す概略図(a)、およびTEM(Transmission Electron Microscope; 透過型電子顕微鏡)を用いて、観察領域の結晶性に係る電子回折写真(b)を示す図である。A thin film transistor sample of an example according to the third embodiment of the present invention was manufactured, using a schematic diagram (a) showing an observation region when measured, and a TEM (Transmission Electron Microscope), It is a figure which shows the electron diffraction photograph (b) which concerns on the crystallinity of an observation area | region.

<第1の実施形態>
以下、本発明の第1の実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法を図面を用いて説明する。
<First Embodiment>
Hereinafter, a method of manufacturing a thin film transistor according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は第1の実施形態に係る製造方法の各工程を順に示すものである。
まず、ガラス基板1上に、スパッタリング法を用いて室温環境下でアルミニウム(Al)層を形成し、さらにフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いてアルミニウム(Al)層をパターニングして幅が短いゲート電極膜2を形成する。
FIG. 1 shows the steps of the manufacturing method according to the first embodiment in order.
First, an aluminum (Al) layer is formed on a glass substrate 1 at room temperature using a sputtering method, and then the aluminum (Al) layer is patterned using a photolithography method and an etching method to form a gate electrode having a short width. A film 2 is formed.

次に、ゲート電極膜2上(一部は基板1上)に、プラズマCVD法を用いて、酸化ケイ素によるゲート絶縁膜3を200nmの厚さに形成する。   Next, a gate insulating film 3 made of silicon oxide is formed to a thickness of 200 nm on the gate electrode film 2 (partly on the substrate 1) by plasma CVD.

次に、ゲート絶縁膜3上にInGaZnO膜(以下、単にIGZO膜と称する:酸化物半導体層)4を50nmの厚さに形成する。IGZO膜4は、インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物半導体層であり、スパッタリング法を用いて室温環境下で形成する。このIGZO膜4はアモルファス(非晶質)である。また、この場合のスパッタターゲットとしてはIGZOの焼結体を用いる。IGZOターゲットにおける、インジウム、ガリウム、亜鉛、酸素の組成比は、例えば1:1:1:4とする。さらに、このIGZO膜4に対し、フォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いて適切なパターニング処理を施す。   Next, an InGaZnO film (hereinafter simply referred to as an IGZO film: oxide semiconductor layer) 4 is formed on the gate insulating film 3 to a thickness of 50 nm. The IGZO film 4 is an oxide semiconductor layer containing indium, gallium, and zinc, and is formed in a room temperature environment using a sputtering method. The IGZO film 4 is amorphous (amorphous). In this case, a sintered body of IGZO is used as the sputtering target. The composition ratio of indium, gallium, zinc, and oxygen in the IGZO target is, for example, 1: 1: 1: 4. Further, the IGZO film 4 is subjected to an appropriate patterning process using a photolithography method and an etching method.

次に、プラズマCVD法を用いて基板温度300℃で酸化ケイ素よりなる保護膜5を形成する(図1(a))。
なお、保護膜5の形成手法としてはプラズマCVD法に限られるものではない。熱CVD法などの他の化学気相成長、スパッタ等の物理気相成長、塗布法等を用いて成膜してもよい。また、保護膜5の形成材料としては酸化ケイ素に限られず、窒化ケイ素や酸化アルミニウム等の他の絶縁膜でもよい。さらに、保護膜5は無機物に限られるものではなく、有機物であってもよい。
Next, a protective film 5 made of silicon oxide is formed using a plasma CVD method at a substrate temperature of 300 ° C. (FIG. 1A).
The method for forming the protective film 5 is not limited to the plasma CVD method. The film may be formed by using other chemical vapor deposition such as thermal CVD, physical vapor deposition such as sputtering, coating method or the like. Further, the material for forming the protective film 5 is not limited to silicon oxide, and other insulating films such as silicon nitride and aluminum oxide may be used. Furthermore, the protective film 5 is not limited to an inorganic material, and may be an organic material.

次に、TFT特性のドレイン電流向上や信頼性改善を目的にして、空気中で1時間に亘り300℃以上での熱アニーリング処理を施す。
なお、この熱アニーリング処理の雰囲気は空気に限られるものではなく、酸素、窒素、オゾン、あるいはその他の雰囲気中で熱アニーリング処理を施してもよい。また、大幅に湿度を上げた状態の湿潤雰囲気中で熱アニーリング処理を施してもよい。
Next, in order to improve the drain current and the reliability of the TFT characteristics, a thermal annealing process is performed at 300 ° C. or higher for 1 hour in the air.
Note that the atmosphere of the thermal annealing treatment is not limited to air, and the thermal annealing treatment may be performed in oxygen, nitrogen, ozone, or other atmosphere. Moreover, you may perform a heat-annealing process in the humid atmosphere of the state which raised the humidity significantly.

次に、上述したように積層された素子構造体に対して、図1(b)に示すように、基板1側からIGZO膜4に向かってエキシマレーザ光(例えばXeClエキシマレーザ)を照射する。エキシマレーザ光の一部はゲート電極膜2によって反射、吸収されるため、ゲート電極膜2の上方に位置するIGZO膜4(チャネル領域に相当)にはエキシマレーザ光が照射されない。   Next, as shown in FIG. 1B, excimer laser light (for example, XeCl excimer laser) is irradiated from the substrate 1 side toward the IGZO film 4 to the element structure stacked as described above. Since a part of the excimer laser light is reflected and absorbed by the gate electrode film 2, the excimer laser light is not irradiated to the IGZO film 4 (corresponding to the channel region) located above the gate electrode film 2.

一方、ゲート電極膜2が下方に存在しないIGZO膜4の領域にはエキシマレーザ光が照射される。エキシマレーザが照射された領域は、光エネルギーによる直接的な作用効果と、光照射に伴う温度上昇効果が付与されることによって酸素が欠損し自由電子が増加することから、エキシマレーザが照射されない領域と比較して低い抵抗をもつ領域(低抵抗IGZO膜4´)となる(図1(c))。このように、該低抵抗IGZO膜4´の少なくとも一部をソース・ドレイン領域6a、6bとして用いることにより、ドレイン電流の低下を抑制することができる。該低抵抗IGZO領域はソース・ドレイン領域6a、6bだけでなく、ソースまたはドレイン領域6a、6bと同層とされた、液晶素子やEL素子の画素電極としても利用することができる。   On the other hand, the region of the IGZO film 4 where the gate electrode film 2 does not exist is irradiated with excimer laser light. The region irradiated with excimer laser is the region where excimer laser is not irradiated because oxygen is lost and free electrons increase due to the direct action effect by light energy and the temperature increase effect accompanying light irradiation. As a result, a region having a low resistance (low resistance IGZO film 4 ′) is obtained (FIG. 1C). Thus, by using at least a part of the low-resistance IGZO film 4 'as the source / drain regions 6a and 6b, it is possible to suppress a decrease in drain current. The low-resistance IGZO region can be used not only as the source / drain regions 6a and 6b but also as a pixel electrode of a liquid crystal element or EL element formed in the same layer as the source or drain regions 6a and 6b.

ここで、上記1パルスあたりのエネルギー密度(照射強度)は、その照射により、酸化物半導体層中の酸素の結合が解かれ、酸素原子が欠損し、自由電子が増加するエネルギー密度とする必要がある。これにより、この領域の抵抗値が低下する。また、上記1パルスあたりのエネルギー密度(照射強度)は、その照射により酸化物半導体層の少なくとも一部が結晶化するエネルギー密度とする必要がある。これは非晶質よりも結晶の方がその後のTFT作製工程における基板加熱によって引き起こされる抵抗上昇が小さいからである。これによって、TFT素子のドレイン電流の低下や特性ばらつきを抑制し得る。その一方、上記1パルスあたりのエネルギー密度(照射強度)は、その照射により、基板の収縮や反り、あるいは基板1からの酸化物半導体層の剥離が発生しないような密度(強度)とする必要がある。   Here, the energy density (irradiation intensity) per pulse needs to be an energy density at which oxygen bonds in the oxide semiconductor layer are released, oxygen atoms are lost, and free electrons increase by the irradiation. is there. As a result, the resistance value in this region decreases. The energy density (irradiation intensity) per pulse needs to be an energy density at which at least a part of the oxide semiconductor layer is crystallized by the irradiation. This is because the resistance rise caused by the substrate heating in the subsequent TFT manufacturing process is smaller in the crystal than in the amorphous. As a result, a decrease in drain current and variation in characteristics of the TFT element can be suppressed. On the other hand, the energy density (irradiation intensity) per pulse needs to be a density (intensity) that does not cause shrinkage or warping of the substrate or peeling of the oxide semiconductor layer from the substrate 1 due to the irradiation. is there.

このような観点から、エキシマレーザの1パルスあたりのエネルギー密度(照射強度)は、例えば、10〜1000mJ/cm2であることが好ましい。ただし、酸化物半導体が結晶化するための最適な照射強度は、酸化物半導体の種類や膜厚、エキシマレーザの波長やパルス幅、基板の種類や厚さによっても変わるため適宜調整することが好ましい。また、酸化物半導体が結晶化する照射強度は、酸化物半導体の種類や膜厚、エキシマレーザの波長や照射強度、基板の種類や厚さによっても変わるため適宜設計することが好ましい。 From such a viewpoint, the energy density (irradiation intensity) per pulse of the excimer laser is preferably 10 to 1000 mJ / cm 2 , for example. However, the optimum irradiation intensity for crystallization of the oxide semiconductor varies depending on the type and thickness of the oxide semiconductor, the wavelength and pulse width of the excimer laser, and the type and thickness of the substrate, and thus it is preferable to appropriately adjust the irradiation intensity. . In addition, the irradiation intensity at which the oxide semiconductor crystallizes varies depending on the type and thickness of the oxide semiconductor, the wavelength and irradiation intensity of the excimer laser, and the type and thickness of the substrate, so that it is preferable to design appropriately.

また、1パルスあたりの幅(発光時間)についても、上記エネルギー密度(照射強度)で説明した理由と同様の理由から、例えば、5〜1000nsecに設定することが好ましい。   The width per pulse (light emission time) is also preferably set to, for example, 5 to 1000 nsec for the same reason as described for the energy density (irradiation intensity).

さらに、エキシマレーザの波長が、上記エネルギー密度(照射強度)で説明した理由と同様の理由から、例えば、400nm以下の範囲内における波長を含むことが好ましい。   Furthermore, it is preferable that the wavelength of the excimer laser includes a wavelength within a range of 400 nm or less, for the same reason as described for the energy density (irradiation intensity).

なお、上記エキシマレーザはIGZO膜における吸収率が高くなる波長を含むことが好ましい。   The excimer laser preferably includes a wavelength at which the absorption rate in the IGZO film is increased.

また、照射する光は、照射された領域において、光エネルギーによる直接的な作用効果と、光照射に伴う温度上昇効果によって酸素を欠損させ、自由電子を増加させることができる光であればXeClエキシマレーザに限られるものではなく、KrFレーザ、ArFレーザ、XeFレーザ、KrClレーザ、ArClレーザ等のエキシマレーザでも、Arレーザ等の気体レーザでも、YAGレーザなどの固体レーザでもよい。また、フラッシュランプ光等のレーザ光以外の光であってもよい。また、CWレーザ等の連続光を用いることも可能である。   In addition, the irradiated light can be XeCl excimer as long as it is capable of losing oxygen and increasing free electrons due to the direct action effect of light energy and the temperature increase effect accompanying light irradiation in the irradiated region. It is not limited to a laser, and an excimer laser such as a KrF laser, an ArF laser, a XeF laser, a KrCl laser, or an ArCl laser, a gas laser such as an Ar laser, or a solid laser such as a YAG laser may be used. Further, light other than laser light such as flash lamp light may be used. It is also possible to use continuous light such as a CW laser.

フラッシュランプ光を用いる場合、フラッシュランプ光の1パルスあたりのエネルギー密度(照射強度)は、例えば、0.1〜500J/cm2であることが好ましい。 When using flash lamp light, the energy density (irradiation intensity) per pulse of the flash lamp light is preferably 0.1 to 500 J / cm 2 , for example.

また、1パルスあたりの幅(発光時間)についても、上記エネルギー密度(照射強度)で説明した理由と同様の理由から、例えば、0.01〜100msecに設定することが好ましい。   Also, the width per pulse (light emission time) is preferably set to, for example, 0.01 to 100 msec for the same reason as described for the energy density (irradiation intensity).

さらに、フラッシュランプ光の波長が、上記エネルギー密度(照射強度)で説明した理由と同様の理由から、例えば、200〜1500nmの範囲内における波長を含むことが好ましい。   Further, it is preferable that the wavelength of the flash lamp light includes a wavelength in the range of 200 to 1500 nm, for the same reason as described for the energy density (irradiation intensity).

また、上記照射光は、酸化物半導体層には作用するが、基板1等にはできるだけ損傷を与えないようなものである必要がある。そのような意味からも間欠的にエネルギーを付与し得る、エキシマレーザ光やフラッシュ光等のパルス光を選択することが好ましい。   The irradiation light needs to be such that it acts on the oxide semiconductor layer but does not damage the substrate 1 or the like as much as possible. From this point of view, it is preferable to select pulsed light such as excimer laser light or flash light that can intermittently apply energy.

次に、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いて保護膜5にコンタクトホールを形成した後、Moをスパッタリングすることで、室温環境下でソース電極膜7aおよびドレイン電極膜7bを形成する。この後、フォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いてソース電極膜7aおよびドレイン電極膜7bをパターニングする(図1(d))。なお、フォトリソグラフィ法及びエッチング法における最大プロセス温度は100℃程度である。このパターニングにおいては、ゲート電極膜2とソース・ドレイン電極膜7a、7bが上下方向にオーバーラップする領域がないように形成される。これにより、ゲート電極膜2と、IGZO膜4のソース領域6aおよびドレイン領域6bとが互いに対向する余地がなくなるので、寄生容量の発生を大幅に低減することができる。   Next, after forming a contact hole in the protective film 5 using a photolithography method and an etching method, the source electrode film 7a and the drain electrode film 7b are formed in a room temperature environment by sputtering Mo. Thereafter, the source electrode film 7a and the drain electrode film 7b are patterned by using a photolithography method and an etching method (FIG. 1D). Note that the maximum process temperature in the photolithography method and the etching method is about 100 ° C. In this patterning, the gate electrode film 2 and the source / drain electrode films 7a and 7b are formed so as to have no overlapping region in the vertical direction. Thereby, there is no room for the gate electrode film 2 and the source region 6a and the drain region 6b of the IGZO film 4 to face each other, so that the generation of parasitic capacitance can be greatly reduced.

また、本実施形態のものは「ボトムゲート構造」をもつTFT素子であるから、ゲート電極膜2が酸化物半導体層(IGZO膜4)よりも先に形成されるため、ゲート絶縁膜2の成膜時における酸化物半導体層へのダメージは無く、下述する第2の実施形態に係る「トップゲート構造」をもつTFT素子に比べて、特性劣化や特性ばらつきの点で有利である。また、a-Siラインと設備的に共通化することができるので製造上便利である。   In addition, since the present embodiment is a TFT element having a “bottom gate structure”, the gate electrode film 2 is formed before the oxide semiconductor layer (IGZO film 4). There is no damage to the oxide semiconductor layer during film formation, which is advantageous in terms of characteristic deterioration and characteristic variation as compared with the TFT element having the “top gate structure” according to the second embodiment described below. In addition, it is convenient in manufacturing because it can be used in common with the a-Si line.

以上に説明した如くして、本実施形態に係る自己整合型ボトムゲート構造のTFTを作製することができる。   As described above, the self-aligned bottom gate TFT according to this embodiment can be manufactured.

<第2の実施形態>
以下、本発明の第2の実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法を図面を用いて説明する。なお、この第2の実施形態と上述した第1の実施形態との主たる相違は、層構成の順序と所定の光を照射する方向が異なることである。なお、第2の実施形態について、第1の実施形態の層と対応する層については、第1の実施形態のその層の符号に10を加えた符号を付すものとする。
<Second Embodiment>
Hereinafter, a method of manufacturing a thin film transistor according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The main difference between the second embodiment and the first embodiment described above is that the order of the layer configuration and the direction of irradiating predetermined light are different. In the second embodiment, the layer corresponding to the layer of the first embodiment is given a reference numeral obtained by adding 10 to the reference numeral of the layer of the first embodiment.

図2は第2の実施形態に係る製造方法の各工程を順に示すものである。
まず、ガラス基板11上に、IGZO膜14を50nmの厚さに形成する。IGZO膜14は、インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物半導体層であり、スパッタリング法を用いて室温環境下で形成する。このIGZO膜14は成膜時においてアモルファス(非晶質)である。また、この場合のスパッタターゲットとしてはIGZOの焼結体を用いる。IGZOターゲットにおける、インジウム、ガリウム、亜鉛、酸素の組成比は、例えば1:1:1:4とする。さらに、このIGZO膜14に対し、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いて適切なパターニング処理を施す。次に、IGZO膜14上に、プラズマCVD法を用いて、酸化ケイ素によるゲート絶縁膜13を200nmの厚さに形成する。次に、スパッタリング法を用いて室温環境下でアルミニウム(Al)層を形成し、さらにフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いてアルミニウム(Al)層をパターニングして幅の短いゲート電極膜12を形成する。次に、プラズマCVD法により基板温度300℃で酸化ケイ素よりなる保護膜15を形成する(図2(a))。
FIG. 2 shows each step of the manufacturing method according to the second embodiment in order.
First, the IGZO film 14 is formed to a thickness of 50 nm on the glass substrate 11. The IGZO film 14 is an oxide semiconductor layer containing indium, gallium, and zinc, and is formed in a room temperature environment by a sputtering method. This IGZO film 14 is amorphous at the time of film formation. In this case, a sintered body of IGZO is used as the sputtering target. The composition ratio of indium, gallium, zinc, and oxygen in the IGZO target is, for example, 1: 1: 1: 4. Further, the IGZO film 14 is subjected to an appropriate patterning process using a photolithography method and an etching method. Next, a gate insulating film 13 made of silicon oxide is formed to a thickness of 200 nm on the IGZO film 14 by plasma CVD. Next, an aluminum (Al) layer is formed in a room temperature environment using a sputtering method, and then the aluminum (Al) layer is patterned using a photolithography method and an etching method to form a gate electrode film 12 having a short width. . Next, a protective film 15 made of silicon oxide is formed at a substrate temperature of 300 ° C. by plasma CVD (FIG. 2A).

なお、保護膜15の形成手法としてはプラズマCVD法に限られるものではない。熱CVD法などの他の化学気相成長、スパッタ等の物理気相成長、塗布法等を用いて成膜してもよい。また酸化ケイ素に限られず、窒化ケイ素や酸化アルミニウムなどの他の絶縁膜でもよい。さらに、保護膜15は無機物に限られるものではなく、有機物であってもよい。
次に、TFT特性のドレイン電流向上や信頼性改善を目的にして、空気中で1時間に亘り300℃以上の熱アニーリング処理を施す。
The method for forming the protective film 15 is not limited to the plasma CVD method. The film may be formed by using other chemical vapor deposition such as thermal CVD, physical vapor deposition such as sputtering, coating method or the like. Further, the insulating film is not limited to silicon oxide, and may be another insulating film such as silicon nitride or aluminum oxide. Furthermore, the protective film 15 is not limited to an inorganic material, and may be an organic material.
Next, for the purpose of improving the drain current and improving the reliability of the TFT characteristics, a thermal annealing process at 300 ° C. or higher is performed in air for 1 hour.

なお、この熱アニーリング処理を行う雰囲気は空気に限られるものではなく、酸素、窒素、オゾン、あるいはその他の雰囲気で熱アニーリング処理を施してもよい。また、大幅に湿度を上げた状態の湿潤雰囲気中で熱アニーリング処理を施してもよい。   Note that the atmosphere in which the thermal annealing treatment is performed is not limited to air, and the thermal annealing treatment may be performed in oxygen, nitrogen, ozone, or other atmosphere. Moreover, you may perform a heat-annealing process in the humid atmosphere of the state which raised the humidity significantly.

次に、上述したように積層された素子構造体に対して、図2(b)に示すように、保護膜15側からIGZO膜14に向かってエキシマレーザ光(例えばXeClエキシマレーザ)やフラッシュランプ光を照射する。エキシマレーザ光等の一部はゲート電極膜12によって反射、吸収されるため、ゲート電極膜12の下方に位置するIGZO膜14(チャネル領域に相当)にはエキシマレーザ光等が照射されない。一方、ゲート電極膜12が上部に存在しないIGZO膜14にはエキシマレーザ光等が照射される。エキシマレーザ光等が照射された領域は、光エネルギーによる直接的な作用効果と、光照射に伴う温度上昇効果が付与されることによって酸素が欠損し自由電子が増加することから、エキシマレーザが照射されない領域と比較して低い抵抗をもつ領域(低抵抗IGZO膜14´)となる(図2(c))。該低抵抗IGZO膜14´の少なくとも一部をソース・ドレイン領域16a、16bとして用いることにより、ドレイン電流の低下を抑制することができる。該低抵抗IGZO領域はソース・ドレイン領域16a、16bだけでなく、ソースまたはドレイン領域16a、16bと同層の画素電極としても利用することができる。   Next, as shown in FIG. 2B, an excimer laser beam (for example, XeCl excimer laser) or a flash lamp is applied to the element structure laminated as described above from the protective film 15 side toward the IGZO film 14. Irradiate light. Since a part of the excimer laser light or the like is reflected and absorbed by the gate electrode film 12, the excimer laser light or the like is not irradiated to the IGZO film 14 (corresponding to the channel region) located below the gate electrode film 12. On the other hand, an excimer laser beam or the like is irradiated on the IGZO film 14 on which the gate electrode film 12 does not exist. The region irradiated with excimer laser light etc. is irradiated with excimer laser because oxygen is lost and free electrons increase due to the direct action effect due to light energy and the temperature increase effect accompanying light irradiation. A region having a low resistance (low-resistance IGZO film 14 ') compared to a region that is not formed (FIG. 2C). By using at least a part of the low-resistance IGZO film 14 'as the source / drain regions 16a and 16b, a decrease in drain current can be suppressed. The low resistance IGZO region can be used not only as the source / drain regions 16a and 16b but also as a pixel electrode in the same layer as the source or drain regions 16a and 16b.

また、上記照射光は、酸化物半導体層には作用するが、基板11等にできるだけ損傷を与えないようなものである必要がある。そのような意味からも間欠的にエネルギーを付与し得る、エキシマレーザやフラッシュ光等のパルス光を選択することが好ましい。   The irradiation light needs to be such that it acts on the oxide semiconductor layer but does not damage the substrate 11 and the like as much as possible. From this point of view, it is preferable to select pulsed light such as excimer laser or flash light that can intermittently apply energy.

次に、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いて保護膜15にコンタクトホールを形成した後、Moをスパッタリングすることで、室温環境下でソース電極膜17aおよびドレイン電極膜17bを形成する。この後、フォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いてソース電極膜17aおよびドレイン電極膜17bをパターニングする(図1(d))。この後の、フォトリソグラフィ法及びエッチング法における最大プロセス温度は100℃程度である。このパターニングにおいては、ゲート電極膜12とソース・ドレイン電極膜17a、17bが上下方向にオーバーラップする領域がないように形成される。これにより、ゲート電極膜12と、ソース領域16aおよびドレイン領域16bとが互いに対向する余地がなくなるので、寄生容量の発生を大幅に低減することができる。   Next, after forming a contact hole in the protective film 15 using a photolithography method and an etching method, the source electrode film 17a and the drain electrode film 17b are formed in a room temperature environment by sputtering Mo. Thereafter, the source electrode film 17a and the drain electrode film 17b are patterned by using a photolithography method and an etching method (FIG. 1D). Thereafter, the maximum process temperature in the photolithography method and the etching method is about 100 ° C. In this patterning, the gate electrode film 12 and the source / drain electrode films 17a and 17b are formed so that there is no overlapping region in the vertical direction. Thereby, there is no room for the gate electrode film 12 and the source region 16a and the drain region 16b to face each other, so that the generation of parasitic capacitance can be greatly reduced.

なお、第2の実施形態におけるエキシマレーザ光およびフラッシュランプ光の特性(1パルスあたりのエネルギー密度(照射強度)、1パルスあたりの幅(発光時間)、使用光の波長)、上記所定の光の変更態様、各層の形成材料、および酸化物半導体層の成膜方法等については、上記第1の実施形態と同様であるので詳しい説明は省略する。
以上に説明した如くして、本実施形態に係る自己整合型トップゲート構造のTFTを作製することができる。
The characteristics of the excimer laser light and flash lamp light in the second embodiment (energy density per pulse (irradiation intensity), width per pulse (light emission time), wavelength of light used), the predetermined light Since the change mode, the material for forming each layer, the method for forming the oxide semiconductor layer, and the like are the same as those in the first embodiment, detailed description thereof will be omitted.
As described above, the self-aligned top gate TFT according to this embodiment can be manufactured.

<第3の実施形態>
以下、本発明の第3の実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法を図面を用いて説明する。この第3の実施形態と上述した第1の実施形態との主たる相違は、保護層を設けているか否かという点である。なお、第3の実施形態について、第1の実施形態の層と対応する層については、第1の実施形態のその層の符号に20を加えた符号を付すものとする。
図3は第3の実施形態に係る薄膜トランジスタの製造の各工程を順に示すものである。
まず、ガラス基板21上に、スパッタリング法を用いて室温環境下でアルミニウム(Al)層を形成し、さらにフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いてアルミニウム(Al)層をパターニングして幅が短いゲート電極膜22を形成する。
<Third Embodiment>
Hereinafter, a method of manufacturing a thin film transistor according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The main difference between the third embodiment and the first embodiment described above is whether or not a protective layer is provided. In the third embodiment, the layer corresponding to the layer of the first embodiment is given a reference numeral obtained by adding 20 to the reference numeral of the layer of the first embodiment.
FIG. 3 shows the steps of manufacturing the thin film transistor according to the third embodiment in order.
First, an aluminum (Al) layer is formed on a glass substrate 21 in a room temperature environment using a sputtering method, and then the aluminum (Al) layer is patterned using a photolithography method and an etching method to form a gate electrode having a short width. A film 22 is formed.

次に、ゲート電極膜22上(一部は基板21上)に、スパッタリング法を用いて、酸化ケイ素を約200nmの厚さに形成する。
次に、酸化ケイ素上にIGZO膜24を、例えば48nmの厚さに形成する。IGZO膜24は、インジウム、ガリウム、亜鉛を含む酸化物半導体層であり、スパッタリング法を用いて室温環境下で形成する。このIGZO膜24はアモルファス(非晶質)である。また、この場合のスパッタターゲットとしてはIGZOの焼結体を用いる。IGZOターゲットにおける、インジウム、ガリウム、亜鉛、酸素の組成比は、例えば1:1:1:4とする。さらに、このIGZO膜24に対し、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いて適切なパターニング処理を施す(図3(a))。
Next, silicon oxide is formed to a thickness of about 200 nm on the gate electrode film 22 (partly on the substrate 21) by sputtering.
Next, an IGZO film 24 is formed on the silicon oxide to a thickness of 48 nm, for example. The IGZO film 24 is an oxide semiconductor layer containing indium, gallium, and zinc and is formed in a room temperature environment by a sputtering method. The IGZO film 24 is amorphous (amorphous). In this case, a sintered body of IGZO is used as the sputtering target. The composition ratio of indium, gallium, zinc, and oxygen in the IGZO target is, for example, 1: 1: 1: 4. Further, the IGZO film 24 is subjected to an appropriate patterning process using a photolithography method and an etching method (FIG. 3A).

次に、TFT特性のドレイン電流向上や信頼性改善を目的にして、空気中で1時間に亘り300℃以上での熱アニーリング処理を施す。
なお、この熱アニーリング処理の雰囲気は空気に限られるものではなく、酸素、窒素、オゾン、あるいはその他の雰囲気中で熱アニーリング処理を施してもよい。また、大幅に湿度を上げた状態の湿潤雰囲気中で熱アニーリング処理を施してもよい。
Next, in order to improve the drain current and the reliability of the TFT characteristics, a thermal annealing process is performed at 300 ° C. or higher for 1 hour in the air.
Note that the atmosphere of the thermal annealing treatment is not limited to air, and the thermal annealing treatment may be performed in oxygen, nitrogen, ozone, or other atmosphere. Moreover, you may perform a heat-annealing process in the humid atmosphere of the state which raised the humidity significantly.

次に、上述したように積層された素子構造体に対して、図3(b)に示すように、基板21側からIGZO膜に向かってエキシマレーザ光(例えばXeClエキシマレーザ光)を照射する。
なお、第3の実施形態におけるエキシマレーザ光およびフラッシュランプ光の特性(1パルスあたりのエネルギー密度(照射強度)、1パルスあたりの幅(発光時間)、使用光の波長)、上記所定の光の変更態様、各層の形成材料、および酸化物半導体層の成膜方法等については、上記第1の実施形態と同様であるので詳しい説明は省略する。
また第3の実施形態に係る薄膜トランジスタにおいては、通常、ゲート絶縁膜22である酸化ケイ素(SIO2)に近い領域では非晶質とされ、反対側の空気層に接するIGZO膜24の表面では多結晶とされる。これは、IGZO膜24にレーザを照射した時、IGZO膜24の表面で接する空気の熱伝導率よりもその反対側で接する酸化ケイ素(SIO2)の熱伝導率の方が高いため、IGZO膜24で発生した熱は表面側よりも酸化ケイ素(SIO2)側でより速く伝導するからである。このため、IGZO膜24において酸化ケイ素(SIO2)側よりも空気層に接する表面側の温度が高くなり、この表面側の方が結晶化しやすくなる。
ただし、逆に、ゲート絶縁膜である酸化ケイ素(SIO2)に近い領域では結晶化し、反対側の空気層に接するIGZO膜24の表面では非晶質とすることが可能である。
さらに、この結晶化される領域の厚さはエキシマレーザの照射強度が高いほど厚くなる。
また、一般に、チャネル領域24以外の領域の、少なくとも一部が低抵抗なIGZO膜領域24´の厚さはチャネル領域24aの厚さよりも薄くなる。
以上に説明した如くして、本実施形態に係る自己整合型トップゲート構造のTFTを作製することができる。
Next, as shown in FIG. 3B, excimer laser light (for example, XeCl excimer laser light) is irradiated from the substrate 21 side toward the IGZO film to the element structure stacked as described above.
The characteristics of the excimer laser light and flash lamp light in the third embodiment (energy density per pulse (irradiation intensity), width per pulse (light emission time), wavelength of light used), the predetermined light Since the change mode, the material for forming each layer, the method for forming the oxide semiconductor layer, and the like are the same as those in the first embodiment, detailed description thereof will be omitted.
In the thin film transistor according to the third embodiment, the region close to the silicon oxide (SIO 2 ) as the gate insulating film 22 is usually amorphous, and the surface of the IGZO film 24 in contact with the air layer on the opposite side is many. It is considered as a crystal. This is because, when the IGZO film 24 is irradiated with a laser, the thermal conductivity of silicon oxide (SIO 2 ) on the opposite side is higher than the thermal conductivity of air on the surface of the IGZO film 24, so the IGZO film This is because the heat generated at 24 conducts faster on the silicon oxide (SIO 2 ) side than on the surface side. For this reason, the temperature on the surface side in contact with the air layer in the IGZO film 24 is higher than that on the silicon oxide (SIO 2 ) side, and this surface side is more easily crystallized.
However, conversely, it is possible to crystallize in a region close to silicon oxide (SIO 2 ) that is a gate insulating film and to be amorphous on the surface of the IGZO film 24 in contact with the air layer on the opposite side.
Furthermore, the thickness of the crystallized region increases as the excimer laser irradiation intensity increases.
Further, in general, the thickness of the IGZO film region 24 ′ having at least a part of the low resistance other than the channel region 24 is thinner than the channel region 24 a.
As described above, the self-aligned top gate TFT according to this embodiment can be manufactured.

なお、上記各実施形態方法においては、酸化物半導体層としてIGZO膜を用いているが、これに限定されるものではなく、これに替えて、インジウム、ガリウム、亜鉛、スズ、アルミニウム、シリコン、ゲルマニウム、ボロン、マンガン、チタン、モリブデンのうち少なくとも何れか1元素を含む酸化物半導体層を用いるようにしてもよい。また、IGZO膜4を構成するIGZOの組成比をIn:Ga:Zn:O=1:1:1:4としているが、この組成比はこれに限られるものではない。   In each of the above-described embodiments, the IGZO film is used as the oxide semiconductor layer. However, the present invention is not limited to this. Instead, indium, gallium, zinc, tin, aluminum, silicon, germanium are used. Alternatively, an oxide semiconductor layer containing at least one element of boron, manganese, titanium, and molybdenum may be used. Further, although the composition ratio of IGZO constituting the IGZO film 4 is In: Ga: Zn: O = 1: 1: 1: 4, this composition ratio is not limited to this.

また、上記各実施形態方法においては、酸化物半導体層としてのIGZO膜をスパッタリング法を用いて成膜しているが、パルスレーザー蒸着法、電子ビーム蒸着法、塗布成膜法等の他の成膜法を用いてもよい。   In each of the above-described embodiments, the IGZO film as the oxide semiconductor layer is formed using a sputtering method. However, other components such as a pulse laser deposition method, an electron beam deposition method, and a coating film formation method are used. A membrane method may be used.

また、上記各実施形態方法においては、酸化ケイ素によりゲート絶縁膜および保護膜を形成しているが、これに限られるものではなく、上述した、酸化物半導体層の低抵抗化に使用する光(例えばエキシマレーザ)に対して、より透過率が高い材料であればより好ましい。   In each of the above embodiments, the gate insulating film and the protective film are formed of silicon oxide. However, the present invention is not limited to this, and the light used for reducing the resistance of the oxide semiconductor layer described above ( For example, it is more preferable if the material has a higher transmittance with respect to an excimer laser.

なお、本発明の薄膜トランジスタとしては、上述した層構成以外に、他の層(膜)を加えた層構成とすることも勿論可能である。
また、上記酸化物半導体層のうちチャネル領域以外の領域の全部でなくとも一部が低抵抗な領域とされていれば、さらに、この低抵抗な領域のうち全部でなくとも一部が結晶化されていれば、本発明の効果を奏し得る。
The thin film transistor of the present invention can of course have a layer structure in which other layers (films) are added in addition to the layer structure described above.
Further, if not all of the region other than the channel region in the oxide semiconductor layer is a low-resistance region, further, if not all of the low-resistance region is crystallized. If so, the effects of the present invention can be achieved.

<実施例によるサンプルの測定結果>
次に、上記第3の実施形態に係る実施例により作製されたサンプルの測定結果を図4、5を用いて説明する。なお、本実施例に係るサンプルは、上記第1の実施形態や上記第2の実施形態において設けられている保護膜を備えていないが、保護膜を設けた場合でも下記と同様の測定結果を得ることができる。
まず、ガラス基板21上に厚さ50nmのIGZO膜を成膜してなる4つのサンプルに、300℃で1時間の熱アニーリング処理を施した。次に、これら4つのサンプルについて、基板側からIGZO膜に向けてXeClエキシマレーザ光を照射した。照射パルス幅は50nsとし、照射強度は、第1のサンプルについて100 mJ/cm2、第2のサンプルについて150 mJ/cm2、第3のサンプルについて200 mJ/cm2、第4のサンプルについて300mJ/cm2とし、同一領域に対して10回に亘って照射した。
次に、上記のような処理に供したサンプルの各々について、XRD(X-ray diffraction)のθ-2θ法を用い、結晶性を分析した。
<Measurement results of samples according to examples>
Next, the measurement result of the sample produced by the Example which concerns on the said 3rd Embodiment is demonstrated using FIG. Although the sample according to this example does not include the protective film provided in the first embodiment or the second embodiment, the measurement results similar to the following are obtained even when the protective film is provided. Can be obtained.
First, four samples obtained by forming an IGZO film having a thickness of 50 nm on a glass substrate 21 were subjected to a thermal annealing treatment at 300 ° C. for 1 hour. Next, these four samples were irradiated with XeCl excimer laser light from the substrate side toward the IGZO film. The irradiation pulse width is 50 ns, and the irradiation intensity is 100 mJ / cm 2 for the first sample, 150 mJ / cm 2 for the second sample, 200 mJ / cm 2 for the third sample, and 300 mJ for the fourth sample. / cm 2 and then was irradiated for 10 times for the same area.
Next, the crystallinity of each of the samples subjected to the above treatment was analyzed using the XRD (X-ray diffraction) θ-2θ method.

図4に、XRDスペクトルを示す。照射強度100、150mJ/cm2である第1、第2のサンプルでは結晶起因のピークが見られないことから、非晶質のままであることが明らかである。一方、照射強度200mJ/cm2の第3のサンプルでは2θ=30.6°、36.2°付近に急峻なピークがありX線回折が生じていることから、結晶に変化していることが明らかである。さらに照射強度300mJ/cm2の第4のサンプルでは2θ=20.4°、30.6°、36.2°付近に急峻なピークがありX線回折が生じていることから、これも結晶に変化していることが明らかである。このことから、少なくとも照射強度200mJ/cm2以上でIGZO膜が結晶化することが明らかである。 FIG. 4 shows the XRD spectrum. In the first and second samples having irradiation intensity of 100 and 150 mJ / cm 2 , no crystal-derived peak is observed, so that it is clear that the sample remains amorphous. On the other hand, the third sample with an irradiation intensity of 200 mJ / cm 2 has a sharp peak near 2θ = 30.6 ° and 36.2 ° and X-ray diffraction occurs, so that it is clear that the crystal is changed to a crystal. Furthermore, in the fourth sample with an irradiation intensity of 300 mJ / cm 2 , since there are steep peaks near 2θ = 20.4 °, 30.6 °, and 36.2 ° and X-ray diffraction occurs, this also changes to crystals. it is obvious. From this, it is clear that the IGZO film crystallizes at an irradiation intensity of 200 mJ / cm 2 or more.

次に、上記サンプルと同一条件で作製した第1´〜4´のサンプルについて、四探針測定法によりシート抵抗を測定すると以下のようになった(図5)。すなわち、このシート抵抗値は、照射強度が100mJ/cm2とされた非晶質である第1´のサンプルでは、加熱前は2.4×104Ωであったが、加熱温度100℃程度からシート抵抗が上昇し、150℃で2.7×106Ωとなった。一方、照射強度が300mJ/cm2とされたことにより結晶化した第4´のサンプルでは加熱温度200℃でもシート抵抗が1.2×104Ωであった。すなわち、IGZOを結晶化することで、加熱によるIGZOの抵抗上昇を抑制できることが明らかである。 Next, when the sheet resistance was measured by the four-probe measurement method for the first to fourth samples prepared under the same conditions as the above sample, the results were as follows (FIG. 5). In other words, the sheet resistance value was 2.4 × 10 4 Ω before heating in the first sample, which was amorphous with an irradiation intensity of 100 mJ / cm 2 , but the sheet resistance was about 100 ° C. Resistance increased to 2.7 × 10 6 Ω at 150 ° C. On the other hand, in the 4 ′ sample crystallized because the irradiation intensity was 300 mJ / cm 2 , the sheet resistance was 1.2 × 10 4 Ω even at a heating temperature of 200 ° C. That is, it is clear that the increase in resistance of IGZO due to heating can be suppressed by crystallizing IGZO.

すなわち、上記実施形態で示した通り、ソース・ドレイン領域を結晶化することで加熱によるソース・ドレイン領域の抵抗値上昇を抑制することができる。このため、ドレイン電流の低下や特性ばらつきを抑制することが可能となる。
以上のことから、好ましい照射強度は150mJ/cm2以上、より好ましい照射強度は200 mJ/cm2以上であると言える。
That is, as shown in the above embodiment, the increase in the resistance value of the source / drain region due to heating can be suppressed by crystallizing the source / drain region. For this reason, it is possible to suppress a decrease in drain current and variation in characteristics.
From the above, the preferred irradiation intensity 150 mJ / cm 2 or more, it can be said more preferable irradiation intensity is 200 mJ / cm 2 or more.

次に、上記第3の実施形態の実施例により作製されたサンプルのTEM (Transmission Electron Microscope; 透過型電子顕微鏡) による測定結果を図6を用いて説明する。具体的には、上述した第4のサンプル(照射パルス幅は50ns、照射強度は300mJ/cm2)に類似するものをサンプル(第5のサンプルと称する)として作製した。
すなわち、上記第5のサンプルについて、TEMを用いて、断面観察およびIGZO膜24の観察場所による結晶性の相違を分析した。図6に、観察領域の位置(a)および観察像(b)を示す。IGZO膜においてAlが下方に存在せずエキシマレーザ光が照射された領域(A)と、Alが下方に存在しエキシマレーザ光が照射されなかった領域(B)の電子回折図形を各々取得した。その結果、領域(A)では結晶性を示す回折点が多数確認されたが、領域(B)では結晶性を示す回折点は確認されなかった。
Next, measurement results of a sample produced by the example of the third embodiment using a TEM (Transmission Electron Microscope) will be described with reference to FIG. Specifically, a sample similar to the above-described fourth sample (irradiation pulse width is 50 ns, irradiation intensity is 300 mJ / cm 2 ) was prepared as a sample (referred to as a fifth sample).
That is, for the fifth sample, the difference in crystallinity depending on the cross-sectional observation and the observation location of the IGZO film 24 was analyzed using TEM. FIG. 6 shows an observation region position (a) and an observation image (b). In the IGZO film, electron diffraction patterns of a region (A) where Al is not present below and irradiated with excimer laser light and a region (B) where Al is present below and not irradiated with excimer laser light were obtained. As a result, many diffraction spots showing crystallinity were confirmed in the region (A), but no diffraction spots showing crystallinity were confirmed in the region (B).

本実施例で作製したTFTにおいてゲート電極膜22であるAlが下方に存在するチャネル領域は非晶質であることが明らかとなった。また、ゲート電極膜22であるAlが下方に存在しないソース・ドレイン領域となる低抵抗領域の一部は結晶化されていることが明らかとなった。また、ゲート電極膜22であるAlが下方に存在しないIGZO領域に注目すると、膜厚方向において結晶領域と非晶質領域に分かれていることが明らかとなった。   In the TFT manufactured in this example, the channel region in which Al as the gate electrode film 22 is present is found to be amorphous. Further, it has been clarified that a part of the low resistance region which is a source / drain region where Al which is the gate electrode film 22 does not exist below is crystallized. Further, when attention is paid to the IGZO region in which Al as the gate electrode film 22 does not exist below, it becomes clear that the gate electrode film 22 is divided into a crystalline region and an amorphous region in the film thickness direction.

図6から明らかなように、本実施例で作製したTFTによれば、ゲート絶縁膜である酸化ケイ素(SIO2)に近い領域では非晶質であるが、反対側のIGZO膜24表面では多結晶であることが明らかとなった。 As is apparent from FIG. 6, according to the TFT fabricated in this example, the region close to the silicon oxide (SIO 2 ) that is the gate insulating film is amorphous, but the surface of the IGZO film 24 on the opposite side has a large amount. It became clear that it was a crystal.

また、結晶化される領域の厚さはエキシマレーザの照射強度が高いほど厚くなることが明らかとなった。また、ゲート電極膜22であるAlが下方に存在し、エキシマレーザが照射されないIGZO膜領域(チャネル領域)24aの厚さは48nmであったのに対し、Alが下方に存在せずエキシマレーザが照射されて一部が結晶化されたIGZO膜領域(低抵抗IGZO膜)24´の厚さは46nmであった。このように本実施例で作製されたTFTのチャネル領域24a以外の領域の、少なくとも一部が低抵抗なIGZO膜領域24´の厚さはチャネル領域24aの厚さよりも薄くなることが明らかとなった。   Further, it has been clarified that the thickness of the region to be crystallized increases as the excimer laser irradiation intensity increases. In addition, the thickness of the IGZO film region (channel region) 24a that is not irradiated with the excimer laser is 48 nm while Al as the gate electrode film 22 is present below, whereas the excimer laser does not exist when Al is not present below. The thickness of the irradiated IGZO film region (low resistance IGZO film) 24 ′ partially crystallized was 46 nm. As described above, it is clear that the thickness of the IGZO film region 24 ′ having a low resistance at least partially in the region other than the channel region 24 a of the TFT manufactured in this embodiment is thinner than the thickness of the channel region 24 a. It was.

1、11、21 ガラス基板(基板)
2、12、22 ゲート電極膜
3、13、23 ゲート絶縁膜
4、14、24 IGZO膜
4´、14´、24´ 低抵抗IGZO膜
4a、14a、24a チャネル領域
5、15 保護膜
6a、16a ソース領域
6b、16b ドレイン領域
7a、17a ソース電極膜
7b、17b ドレイン電極膜
1, 11, 21 Glass substrate (substrate)
2, 12, 22 Gate electrode film 3, 13, 23 Gate insulating film 4, 14, 24 IGZO film 4 ', 14', 24 'Low resistance IGZO film 4a, 14a, 24a Channel region 5, 15 Protective film 6a, 16a Source region 6b, 16b Drain region 7a, 17a Source electrode film 7b, 17b Drain electrode film

Claims (13)

基板上に、少なくともゲート電極膜および酸化物半導体層を含む複数層を積層してなる薄膜トランジスタにおいて、
前記酸化物半導体層の一部が非晶質なチャネル領域とされるとともに、該酸化物半導体層の該チャネル領域以外の領域の少なくとも一部が低抵抗な領域とされ、この低抵抗な領域の少なくとも一部が結晶化されていることを特徴とする薄膜トランジスタ。
In a thin film transistor in which a plurality of layers including at least a gate electrode film and an oxide semiconductor layer are stacked on a substrate,
A part of the oxide semiconductor layer is an amorphous channel region, and at least a part of the oxide semiconductor layer other than the channel region is a low-resistance region. A thin film transistor characterized in that at least a part thereof is crystallized.
前記チャネル領域以外の領域は、該チャネル領域を挟んで両側に位置するソース領域とドレイン領域であることを特徴とする請求項1記載の薄膜トランジスタ。   2. The thin film transistor according to claim 1, wherein the regions other than the channel region are a source region and a drain region located on both sides of the channel region. 前記チャネル領域以外の領域において、膜の厚み方向の一方側が結晶化され、他方側が非結晶とされたことを特徴とする請求項1または2記載の薄膜トランジスタ。   3. The thin film transistor according to claim 1, wherein, in a region other than the channel region, one side in the thickness direction of the film is crystallized and the other side is amorphous. 前記チャネル領域以外の領域の膜厚は前記チャネル領域の膜厚よりも薄いことを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。   The thin film transistor according to claim 1, wherein a film thickness of a region other than the channel region is thinner than a film thickness of the channel region. 前記低抵抗な領域は、所定の光の光照射により形成されたものであることを特徴とする請求項1〜4記載の薄膜トランジスタ。   5. The thin film transistor according to claim 1, wherein the low resistance region is formed by light irradiation with predetermined light. 前記所定の光が、エキシマレーザ光、フラッシュランプ光、およびCWレーザ光のいずれかであることを特徴とする請求項5記載の薄膜トランジスタ。   6. The thin film transistor according to claim 5, wherein the predetermined light is one of excimer laser light, flash lamp light, and CW laser light. 前記酸化物半導体層を構成する酸化物半導体はインジウム、ガリウム、亜鉛、スズ、アルミニウム、シリコン、ゲルマニウム、ボロン、マンガン、チタン、モリブデンのうち少なくともいずれか1つの元素を含むことを特徴とする請求項1〜6のうちいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。   The oxide semiconductor constituting the oxide semiconductor layer includes at least one element of indium, gallium, zinc, tin, aluminum, silicon, germanium, boron, manganese, titanium, and molybdenum. The thin film transistor according to any one of 1 to 6. 前記酸化物半導体層を構成する酸化物半導体は、酸化インジウムガリウム亜鉛を材料として含むことを特徴とする請求項1〜6のうちいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。   The thin film transistor according to claim 1, wherein the oxide semiconductor constituting the oxide semiconductor layer contains indium gallium zinc oxide as a material. 基板上にゲート電極膜、ゲート絶縁膜および酸化物半導体層を、この順に積層し、
この後、該基板側から該酸化物半導体層に向けて所定の光を照射せしめて、該基板側から見たときに、その視線上において前記ゲート電極膜と重ならない前記酸化物半導体層の領域の少なくとも一部を結晶化して低抵抗化し、自己整合型ボトムゲート構造の薄膜トランジスタを製造することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
A gate electrode film, a gate insulating film, and an oxide semiconductor layer are stacked in this order on the substrate,
Thereafter, a region of the oxide semiconductor layer that does not overlap the gate electrode film on the line of sight when irradiated with predetermined light from the substrate side toward the oxide semiconductor layer when viewed from the substrate side. A method of manufacturing a thin film transistor, characterized by crystallizing at least a part of the film to reduce resistance and manufacturing a thin film transistor having a self-aligned bottom gate structure.
基板上に、酸化物半導体層、ゲート絶縁膜およびゲート電極膜を含む複数層をこの順に積層し、
この後、該ゲート電極膜側から該酸化物半導体層に向けて所定の光を照射せしめて、該ゲート電極膜側から見たときに、その視線上において前記ゲート電極膜と重ならない前記酸化物半導体層の領域の少なくとも一部を結晶化して低抵抗化し、自己整合型トップゲート構造の薄膜トランジスタを製造することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
A plurality of layers including an oxide semiconductor layer, a gate insulating film, and a gate electrode film are stacked in this order on the substrate,
Thereafter, the oxide that does not overlap the gate electrode film on the line of sight when viewed from the gate electrode film side by irradiating predetermined light from the gate electrode film side toward the oxide semiconductor layer A method of manufacturing a thin film transistor, characterized by crystallizing at least a part of a region of a semiconductor layer to reduce resistance and manufacturing a thin film transistor having a self-aligned top gate structure.
前記所定の光が、エキシマレーザ光、フラッシュランプ光、およびCWレーザ光のいずれかであることを特徴とする請求項9または10記載の薄膜トランジスタの製造方法。   11. The method of manufacturing a thin film transistor according to claim 9, wherein the predetermined light is any one of excimer laser light, flash lamp light, and CW laser light. 前記所定の光が前記エキシマレーザ光であるとき、前記エキシマレーザ光の1パルスあたりのエネルギー密度が、10〜1000mJ/cm2であることを特徴とする請求項9〜11のうちいずれか1項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。 12. The energy density per pulse of the excimer laser light is 10 to 1000 mJ / cm 2 when the predetermined light is the excimer laser light. A method for producing the thin film transistor according to 1. 前記所定の光が前記フラッシュランプ光であるとき、前記フラッシュランプ光の1パルスあたりのエネルギー密度が、0.1〜500J/cm2であることを特徴とする請求項9〜11のうちいずれか1項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
12. The energy density per pulse of the flash lamp light is 0.1 to 500 J / cm 2 when the predetermined light is the flash lamp light. A method for producing the thin film transistor according to 1.
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