JP2016111233A - Thin film transistor and manufacturing method of thin film transistor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin film transistor or the like of which characteristics is stable and which has high reliability.SOLUTION: A thin film transistor 1 comprises: a gate electrode 30; an oxide semiconductor layer 50 facing to the gate electrode 30; a gate insulation layer 40 that is disposed between the gate electrode 30 and the oxide semiconductor layer 50; and a source electrode 70S and a drain electrode 70D which are electrically connected to the oxide semiconductor layer 50. The oxide semiconductor layer 50 is constructed by an oxide including at least indium and silicon and includes a first region and a second region that is a region separated from the gate insulation layer 40 than the first region, and concentration of the silicon of the first region is higher than that of the second region.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、薄膜トランジスタ及び薄膜トランジスタの製造方法に関し、より詳しくは、酸化物半導体を利用した薄膜トランジスタ及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a thin film transistor and a method for manufacturing the thin film transistor, and more particularly to a thin film transistor using an oxide semiconductor and a method for manufacturing the thin film transistor.

一般に、液晶表示装置又は有機EL(Electro Luminescense)表示装置等のアクティブマトリクス方式のディスプレイは、薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)を複数備える。   In general, an active matrix type display such as a liquid crystal display device or an organic EL (Electro Luminescence) display device includes a plurality of thin film transistors (TFTs).

近年、薄膜トランジスタの半導体層(チャネル層)の材料として酸化物半導体を用いることが提案されている。酸化物半導体は、移動度が高く、低温で大面積基板への成膜が可能であるなど、優れた特性を有することが知られている。このため、酸化物半導体をチャネル層に用いた酸化物半導体TFTの開発が盛んに行われている。酸化物半導体の一例として、InGaZnO(非特許文献1)、又は、InSiO(非特許文献2)などがある。   In recent years, it has been proposed to use an oxide semiconductor as a material for a semiconductor layer (channel layer) of a thin film transistor. An oxide semiconductor is known to have excellent characteristics such as high mobility and deposition on a large-area substrate at a low temperature. For this reason, development of an oxide semiconductor TFT using an oxide semiconductor for a channel layer has been actively performed. As an example of the oxide semiconductor, InGaZnO (Non-Patent Document 1), InSiO (Non-Patent Document 2), or the like can be given.

H.Omura,H.Kumomi,K.Nomura,T.Kamiya,M.Hirano and H.Hosono, J.Appl.Phys., 105, 93712(2009)H.Omura, H.Kumomi, K.Nomura, T.Kamiya, M.Hirano and H.Hosono, J.Appl.Phys., 105, 93712 (2009) N.Mitoma,S.Aikawa,X.Gao,T.Kizu,M.Shimizu,M.-F.Lin,T.Nabatame and K.Tsukagozhi, Appl.Phys.Lett., 104,102103(2014)N. Mitoma, S. Aikawa, X. Gao, T. Kizu, M. Shimizu, M.-F. Lin, T. Nabatame and K. Tsukagozhi, Appl. Phys. Lett., 104, 102103 (2014)

酸化物半導体としてInSiOを用いたTFTは、酸素との結合エネルギーが大きい珪素(Si)を酸化インジウム(InO)中に添加させて特性の安定化を図ったものであるが、発明者らによる追実験により、InSiOを用いたTFTであっても、水素に対する耐性(水素耐性)はIGZOを用いたTFTと同程度であることが明らかとなった。したがって、InSiOを用いたTFTであっても、水素の影響を抑制するような対策を講じることが必要となる。   A TFT using InSiO as an oxide semiconductor is obtained by adding silicon (Si) having a large binding energy with oxygen to indium oxide (InO) to stabilize the characteristics. Experiments revealed that even TFTs using InSiO have the same resistance to hydrogen (hydrogen resistance) as TFTs using IGZO. Therefore, it is necessary to take measures to suppress the influence of hydrogen even for TFTs using InSiO.

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、特性が安定した高い信頼性を有する薄膜トランジスタ及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 to solve such problems, and an object thereof is to provide a thin film transistor having stable characteristics and high reliability, and a method for manufacturing the same.

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る薄膜トランジスタは、ゲート電極と、前記ゲート電極と対向する酸化物半導体層と、前記ゲート電極と前記酸化物半導体層との間に配されたゲート絶縁層と、前記酸化物半導体層に電気的に接続されたソース電極及びドレイン電極と、を備え、前記酸化物半導体層は、少なくともインジウムと珪素を含む酸化物で構成され、第1領域と当該第1領域よりも前記ゲート絶縁層から離間した領域である第2領域とを有し、前記第1領域は、前記第2領域よりも珪素濃度が高いことを特徴とする。   In order to achieve the above object, a thin film transistor according to one embodiment of the present invention is provided between a gate electrode, an oxide semiconductor layer facing the gate electrode, and the gate electrode and the oxide semiconductor layer. A gate insulating layer; and a source electrode and a drain electrode electrically connected to the oxide semiconductor layer, wherein the oxide semiconductor layer includes an oxide containing at least indium and silicon, And a second region which is a region farther from the gate insulating layer than the first region, and the first region has a silicon concentration higher than that of the second region.

本発明によれば、優れたTFT特性を維持しつつ優れた水素耐性を有するので、特性が安定した高い信頼性を有する薄膜トランジスタを実現することができる。   According to the present invention, since excellent hydrogen resistance is maintained while maintaining excellent TFT characteristics, a thin film transistor having stable characteristics and high reliability can be realized.

実施の形態に係る薄膜トランジスタの構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the thin-film transistor which concerns on embodiment. 実施の形態に係る薄膜トランジスタの製造方法における基板準備工程の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the board | substrate preparation process in the manufacturing method of the thin-film transistor which concerns on embodiment. 実施の形態に係る薄膜トランジスタの製造方法におけるアンダーコート層形成工程の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the undercoat layer formation process in the manufacturing method of the thin-film transistor which concerns on embodiment. 実施の形態に係る薄膜トランジスタの製造方法におけるゲート電極形成工程の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the gate electrode formation process in the manufacturing method of the thin-film transistor which concerns on embodiment. 実施の形態に係る薄膜トランジスタの製造方法におけるゲート絶縁層形成工程の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the gate insulating layer formation process in the manufacturing method of the thin-film transistor which concerns on embodiment. 実施の形態に係る薄膜トランジスタの製造方法における酸化物半導体層形成工程の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the oxide semiconductor layer formation process in the manufacturing method of the thin-film transistor which concerns on embodiment. 実施の形態に係る薄膜トランジスタの製造方法における保護層形成工程の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the protective layer formation process in the manufacturing method of the thin-film transistor which concerns on embodiment. 実施の形態に係る薄膜トランジスタの製造方法におけるコンタクトホール形成工程の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the contact hole formation process in the manufacturing method of the thin-film transistor which concerns on embodiment. 実施の形態に係る薄膜トランジスタの製造方法におけるソース・ドレイン電極形成工程の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the source / drain electrode formation process in the manufacturing method of the thin-film transistor which concerns on embodiment. InSiO膜の珪素濃度とInSiO膜のシート抵抗との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the silicon concentration of an InSiO film, and the sheet resistance of an InSiO film. 水素によって酸化物半導体膜にキャリアが発生するメカニズムを説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for describing a mechanism by which carriers are generated in an oxide semiconductor film by hydrogen. 酸化物半導体膜に水素が侵入しても酸化物半導体膜に含有する珪素によってキャリアが発生しないメカニズムを説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for describing a mechanism in which carriers are not generated by silicon contained in an oxide semiconductor film even when hydrogen enters the oxide semiconductor film. 実施の形態に係る有機EL表示装置の一部切り欠き斜視図である。It is a partially cutaway perspective view of an organic EL display device according to an embodiment. 図5に示す有機EL表示装置における画素回路の電気回路図である。FIG. 6 is an electric circuit diagram of a pixel circuit in the organic EL display device shown in FIG. 5. 変形例に係る薄膜トランジスタの構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the thin-film transistor which concerns on a modification.

<本発明の一態様の概要>
詳細は後述するが、発明者らの追実験により、InSiO膜の珪素濃度とTFT特性又は水素耐性との関係を調査した結果、InSiOを用いたTFTには、InSiOにおける珪素濃度を高くすると、ON電流の低下がみられるものの、水素に対する耐性が向上するという特徴があることを突き止めた。
<Outline of One Embodiment of the Present Invention>
Although the details will be described later, as a result of investigating the relationship between the silicon concentration of the InSiO film and the TFT characteristics or hydrogen resistance by a follow-up experiment by the inventors, the TFT using InSiO is turned on when the silicon concentration in InSiO is increased. Although the current decreased, the inventors found out that the resistance to hydrogen is improved.

本発明の一態様に係る薄膜トランジスタは、このような特徴を利用したものであり、ゲート電極と、前記ゲート電極と対向する酸化物半導体層と、前記ゲート電極と前記酸化物半導体層との間に配されたゲート絶縁層と、前記酸化物半導体層に電気的に接続されたソース電極及びドレイン電極と、を備え、前記酸化物半導体層は、少なくともインジウムと珪素を含む酸化物で構成され、第1領域と当該第1領域よりも前記ゲート絶縁層から離間した領域である第2領域とを有し、前記第1領域は、前記第2領域よりも珪素濃度が高い。   A thin film transistor according to one embodiment of the present invention uses such a feature, and includes a gate electrode, an oxide semiconductor layer facing the gate electrode, and the gate electrode and the oxide semiconductor layer. A gate insulating layer and a source electrode and a drain electrode electrically connected to the oxide semiconductor layer, and the oxide semiconductor layer is made of an oxide containing at least indium and silicon. The first region has a second region that is farther from the gate insulating layer than the first region, and the first region has a higher silicon concentration than the second region.

上記構成によれば、InSiOからなる酸化物半導体層におけるフロントチャネル側の領域(ゲート絶縁層に近い第1領域)の方が酸化物半導体層におけるバックチャネル側の領域(ゲート絶縁層から離間した第2領域)よりも珪素濃度が高い。   According to the above configuration, the region on the front channel side in the oxide semiconductor layer made of InSiO (the first region closer to the gate insulating layer) is the region on the back channel side in the oxide semiconductor layer (the first region separated from the gate insulating layer). The silicon concentration is higher than that in (2 region).

これにより、酸化物半導体層のフロントチャネル側の領域での水素耐性が向上するので、フロントチャネル側からの水素の影響を抑制することができる。例えば、ゲート絶縁層から拡散してくる水素によるダメージを抑制することができる。   Accordingly, hydrogen resistance in a region on the front channel side of the oxide semiconductor layer is improved, so that the influence of hydrogen from the front channel side can be suppressed. For example, damage caused by hydrogen diffusing from the gate insulating layer can be suppressed.

さらに、バックチャネル側の領域の珪素濃度をフロントチャネル側の領域の珪素濃度よりも低くすることによって、酸化物半導体層のバックチャネル側の領域における抵抗値を低くできるので、ON電流を維持できるとともに、ソース電極及びドレイン電極と酸化物半導体層との良好なコンタクトを期待できる。   Further, by making the silicon concentration in the region on the back channel side lower than the silicon concentration in the region on the front channel side, the resistance value in the region on the back channel side of the oxide semiconductor layer can be lowered, so that the ON current can be maintained. Good contact between the source and drain electrodes and the oxide semiconductor layer can be expected.

このように、InSiOからなる酸化物半導体層において、フロントチャネル側の領域をバックチャネル側の領域よりも珪素濃度を高くすることで、優れたTFT特性を維持させつつ優れた水素耐性を確保することができるので、特性が安定した高い信頼性を有するTFTを実現することができる。   As described above, in the oxide semiconductor layer made of InSiO, the silicon concentration in the region on the front channel side is higher than that on the region on the back channel side, thereby ensuring excellent hydrogen resistance while maintaining excellent TFT characteristics. Therefore, a highly reliable TFT having stable characteristics can be realized.

また、本発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいて、前記酸化物半導体層は、前記第1領域として形成された第1半導体層と、前記第2領域として形成された第2半導体層とを有する積層構造であるとよい。   In the thin film transistor according to one embodiment of the present invention, the oxide semiconductor layer includes a first semiconductor layer formed as the first region and a second semiconductor layer formed as the second region. It is good to be.

この構成により、珪素濃度が相対的に高い第1半導体層によって水素耐性を確保することができる。また、酸化物半導体層を積層構造とすることによって、スパッタなどによる連続成膜によって第2半導体層と第1半導体層とを形成することができる。これにより、液晶ディスプレイ用途等のシリコンTFTの製造ライン設備(既存設備)を利用することができ、製造コスト及び製造タクトを抑えることができる。   With this configuration, hydrogen resistance can be ensured by the first semiconductor layer having a relatively high silicon concentration. In addition, when the oxide semiconductor layer has a stacked structure, the second semiconductor layer and the first semiconductor layer can be formed by continuous film formation by sputtering or the like. Thereby, the production line equipment (existing equipment) of silicon TFTs for liquid crystal displays can be used, and the production cost and production tact can be suppressed.

また、本発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいて、前記第1半導体層の珪素濃度は、6.5at%以上であるとよい。   In the thin film transistor according to one embodiment of the present invention, the silicon concentration of the first semiconductor layer is preferably 6.5 at% or more.

これにより、第1半導体層において、実効的な水素耐性を確保することができる。したがって、フロントチャネル側からの水素の進入を効果的に抑制できる。   Thereby, effective hydrogen tolerance can be ensured in the first semiconductor layer. Therefore, the entry of hydrogen from the front channel side can be effectively suppressed.

また、本発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいて、前記第1半導体層の珪素濃度は、11.7at%以上であるとよい。   In the thin film transistor according to one embodiment of the present invention, the silicon concentration of the first semiconductor layer is preferably 11.7 at% or more.

これにより、第1半導体層における水素耐性が劇的に向上する。したがって、フロントチャネル側からの水素の進入を一層抑制できる。   Thereby, the hydrogen tolerance in the first semiconductor layer is dramatically improved. Therefore, the entry of hydrogen from the front channel side can be further suppressed.

また、本発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいて、前記第2半導体層の珪素濃度は、6.5at%未満であるとよい。   In the thin film transistor according to one embodiment of the present invention, the silicon concentration of the second semiconductor layer is preferably less than 6.5 at%.

これにより、酸化物半導体層に低抵抗化領域を形成することができるので、ON電流を容易に維持することができる。   Accordingly, a low resistance region can be formed in the oxide semiconductor layer, so that the ON current can be easily maintained.

また、本発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいて、前記酸化物半導体層の珪素濃度は、前記酸化物半導体層に含有される水素濃度よりも高いとよい。   In the thin film transistor according to one embodiment of the present invention, the silicon concentration of the oxide semiconductor layer is preferably higher than the hydrogen concentration contained in the oxide semiconductor layer.

これにより、さらに水素の影響を抑制することができるので、安定した特性を有するTFTが得られる。   Thereby, the influence of hydrogen can be further suppressed, so that a TFT having stable characteristics can be obtained.

また、本発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいて、前記第1半導体層の膜厚は、5nm以上であるとよい。   In the thin film transistor according to one embodiment of the present invention, the thickness of the first semiconductor layer is preferably 5 nm or more.

これにより、水素の進入を抑制できる効果を十分に発揮させることができる。したがって、安定した特性を有するTFTを得ることができる。   Thereby, the effect which can suppress entry of hydrogen can fully be exhibited. Therefore, a TFT having stable characteristics can be obtained.

また、本発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいて、前記第2半導体層の膜厚は、15nm以上であるとよい。   In the thin film transistor according to one embodiment of the present invention, the thickness of the second semiconductor layer is preferably 15 nm or more.

これにより、酸化物半導体層に低抵抗化領域を十分確保できるので、ON電流を一層容易に維持することができる。   Accordingly, a sufficiently low resistance region can be secured in the oxide semiconductor layer, so that the ON current can be more easily maintained.

また、本発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいて、前記酸化物半導体層の膜厚は、20nm以上であるとよい。   In the thin film transistor according to one embodiment of the present invention, the oxide semiconductor layer preferably has a thickness of 20 nm or more.

これにより、十分なチャネル領域を確保できるので、優れた特性を有するTFTを実現できる。また、酸化物半導体層の加工プロセス(パターニング)が十分可能になる。さらに、酸化物半導体層の膜厚を20nm以上にすることで、第1半導体層の膜厚を20nm以上にすることが可能となるので、アニール処理等によって水素が拡散する場合であっても、珪素濃度が高い第1半導体層によって、酸化物半導体層に水素が混入することを効果的にブロックできる。   Thereby, a sufficient channel region can be ensured, so that a TFT having excellent characteristics can be realized. In addition, a processing process (patterning) of the oxide semiconductor layer is sufficiently possible. Furthermore, since the thickness of the first semiconductor layer can be increased to 20 nm or more by setting the thickness of the oxide semiconductor layer to 20 nm or more, even when hydrogen diffuses by annealing treatment or the like, The first semiconductor layer having a high silicon concentration can effectively block entry of hydrogen into the oxide semiconductor layer.

また、本発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいて、前記酸化物半導体層における珪素濃度は、前記ゲート絶縁層側の界面に近づくにつれて連続的に増加しているとよい。   In the thin film transistor according to one embodiment of the present invention, the silicon concentration in the oxide semiconductor layer is preferably increased continuously as it approaches the interface on the gate insulating layer side.

これにより、酸化物半導体層の組成が連続的に変化するので、酸化物半導体層のバルク中の欠陥を抑制することができる。また、酸化物半導体層とゲート絶縁層との界面における欠陥(界面準位)を低減することができる。したがって、さらに優れた特性を有するTFTが得られる。   Thus, the composition of the oxide semiconductor layer continuously changes, so that defects in the bulk of the oxide semiconductor layer can be suppressed. In addition, defects (interface states) at the interface between the oxide semiconductor layer and the gate insulating layer can be reduced. Therefore, a TFT having further excellent characteristics can be obtained.

また、本発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいて、前記ゲート電極、前記ゲート絶縁層及び前記酸化物半導体層が、この順番で基板上に積層されており、前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記酸化物半導体層の上方に形成されるとよい。   In the thin film transistor according to one embodiment of the present invention, the gate electrode, the gate insulating layer, and the oxide semiconductor layer are stacked over the substrate in this order, and the source electrode and the drain electrode are formed using the oxidation electrode. It may be formed above the physical semiconductor layer.

この構成により、シリコンTFTの製造ライン設備(既存設備)との整合性が高くなるので、製造コストを抑えることができる。   With this configuration, the consistency with the production line equipment (existing equipment) of the silicon TFT is increased, so that the production cost can be suppressed.

また、本発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいて、さらに、前記酸化物半導体層上に保護層を備えるとよい。   In the thin film transistor according to one embodiment of the present invention, a protective layer may be further provided over the oxide semiconductor layer.

これにより、酸化物半導体層のバックチャネル側の領域におけるプロセスダメージを低減することができる。例えば、酸化物半導体層のバックチャネル側の表面がエッチング工程で曝されなくなる。このため、面内で均一な特性を有するTFTを得ることができる。   Accordingly, process damage in the region on the back channel side of the oxide semiconductor layer can be reduced. For example, the surface of the oxide semiconductor layer on the back channel side is not exposed in the etching process. For this reason, a TFT having uniform characteristics in the plane can be obtained.

また、本発明の一態様に係る薄膜トランジスタにおいて、前記酸化物半導体層、前記ゲート絶縁層及び前記ゲート電極が、この順番で基板上に積層されており、前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記ゲート絶縁層に形成されたコンタクトホールを介して前記酸化物半導体層に接続されているとよい。   In the thin film transistor according to one embodiment of the present invention, the oxide semiconductor layer, the gate insulating layer, and the gate electrode are stacked in this order on the substrate, and the source electrode and the drain electrode are formed on the gate. The oxide semiconductor layer may be connected to a contact hole formed in the insulating layer.

この構成により、TFTサイズを小さくすることができるので高精細化が可能となる。また、寄生容量の低減を図ることができる。   With this configuration, the TFT size can be reduced, so that high definition can be achieved. In addition, the parasitic capacitance can be reduced.

また、本発明の一態様に係る薄膜トランジスタの製造方法は、ゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極と対向する酸化物半導体層を形成する工程と、前記ゲート電極と前記酸化物半導体層との間にゲート絶縁層を形成する工程と、前記酸化物半導体層に電気的に接続されたソース電極及びドレイン電極を形成する工程とを含み、前記酸化物半導体層は、少なくともインジウムと珪素を含む酸化物で構成され、第1領域と当該第1領域よりも前記ゲート絶縁層から離間した領域である第2領域とを有し、前記第1領域は、前記第2領域よりも珪素濃度が高い。   The method for manufacturing a thin film transistor according to one embodiment of the present invention includes a step of forming a gate electrode, a step of forming an oxide semiconductor layer facing the gate electrode, and the gate electrode and the oxide semiconductor layer. A step of forming a gate insulating layer therebetween, and a step of forming a source electrode and a drain electrode electrically connected to the oxide semiconductor layer, wherein the oxide semiconductor layer includes an oxide containing at least indium and silicon. The first region has a second region that is farther from the gate insulating layer than the first region, and the first region has a higher silicon concentration than the second region.

これにより、バックチャネル側からの水素の影響を抑制でき、かつ、ON電流の低下を抑制して優れたTFT特性を維持することができる。したがって、安定した特性を有するTFTを歩留まりよく製造することができる。   Thereby, it is possible to suppress the influence of hydrogen from the back channel side, and it is possible to maintain the excellent TFT characteristics by suppressing the decrease in the ON current. Therefore, a TFT having stable characteristics can be manufactured with a high yield.

<実施の形態>
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、工程(ステップ)、工程の順序などは、一例であって本発明を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
<Embodiment>
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Each of the embodiments described below shows a specific example of the present invention. Accordingly, the numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions and connection forms of components, steps (steps), order of steps, and the like shown in the following embodiments are merely examples and are intended to limit the present invention. is not. Therefore, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the independent claims showing the highest concept of the present invention are described as optional constituent elements.

なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成部材については同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。   Each figure is a schematic diagram and is not necessarily illustrated strictly. Moreover, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected about the substantially same component, and the overlapping description is abbreviate | omitted or simplified.

(薄膜トランジスタの構造)
まず、実施の形態に係る薄膜トランジスタ1について、図1を用いて説明する。図1は、実施の形態に係る薄膜トランジスタの構成を模式的に示す断面図である。なお、図1は、TFTアレイ基板を示しており、図1には2つの薄膜トランジスタ1が図示されている。
(Thin film transistor structure)
First, a thin film transistor 1 according to an embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a thin film transistor according to an embodiment. FIG. 1 shows a TFT array substrate, and two thin film transistors 1 are shown in FIG.

図1に示すように、薄膜トランジスタ1は、酸化物半導体層をチャネル層とするボトムゲート型の酸化物半導体TFTである。また、本実施の形態における薄膜トランジスタ1は、チャネル保護型であって、トップコンタクト構造が採用されている。   As shown in FIG. 1, the thin film transistor 1 is a bottom-gate oxide semiconductor TFT having an oxide semiconductor layer as a channel layer. The thin film transistor 1 in this embodiment is a channel protection type and employs a top contact structure.

薄膜トランジスタ1は、基板10と、アンダーコート層20と、ゲート電極30と、ゲート絶縁層40と、酸化物半導体層50と、保護層60と、ソース電極70S及びドレイン電極70Dとを備える。   The thin film transistor 1 includes a substrate 10, an undercoat layer 20, a gate electrode 30, a gate insulating layer 40, an oxide semiconductor layer 50, a protective layer 60, a source electrode 70S, and a drain electrode 70D.

以下、本実施の形態に係る薄膜トランジスタ1の各構成部材について詳述する。   Hereinafter, each component of the thin film transistor 1 according to the present embodiment will be described in detail.

基板10は、例えば、石英ガラス、無アルカリガラス及び高耐熱性ガラス等のガラス材料からなるガラス基板である。基板10は、ガラス基板に限るものではなく、例えば、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリウレア、ポリアセタール、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート等のプラスチック材料からなるプラスチック基板(樹脂基板)等であってもよい。   The substrate 10 is a glass substrate made of a glass material such as quartz glass, non-alkali glass, and high heat resistant glass. The substrate 10 is not limited to a glass substrate. For example, polyimide, polyamide, polyamideimide, polyester, polycarbonate, polymethyl methacrylate, polyurea, polyacetal, polyetherketone, polyetheretherketone, polyetherimide, polyarylate, etc. It may be a plastic substrate (resin substrate) made of a plastic material.

なお、基板10は、リジッド基板ではなく、可撓性を有するフレキシブル基板(フィルム基板)であってもよい。また、ガラス基板を支持基板として、その上にポリイミドなどのプラスチック材料を形成した形態であってもよい。   The substrate 10 may not be a rigid substrate but a flexible substrate (film substrate) having flexibility. Alternatively, a glass substrate may be used as a support substrate, and a plastic material such as polyimide may be formed thereon.

アンダーコート層20は、基板10上に形成されている。アンダーコート層20を形成することによって、基板10(ガラス基板)の中に含まれるナトリウム及びリン等の不純物又は大気中から透過される水分等が、酸化物半導体層50に進入することを抑制することができる。また、アンダーコート層20は、レーザアニール等の高温熱処理プロセスにおいて、基板10への熱の影響を緩和させる役割も担う。   The undercoat layer 20 is formed on the substrate 10. By forming the undercoat layer 20, it is possible to prevent impurities such as sodium and phosphorus contained in the substrate 10 (glass substrate) or moisture transmitted from the atmosphere from entering the oxide semiconductor layer 50. be able to. The undercoat layer 20 also plays a role of reducing the influence of heat on the substrate 10 in a high-temperature heat treatment process such as laser annealing.

アンダーコート層20は、酸化物絶縁層又は窒化物絶縁層を用いた単層絶縁層又は積層絶縁層である。一例として、アンダーコート層20としては、窒化シリコン(SiN)、酸化シリコン(SiO)、酸窒化シリコン(SiO)又は酸化アルミニウム(AlO)等の単層膜、あるいは、これらの積層膜を用いることができる。アンダーコート層20の膜厚は、例えば、100nm〜2000nm程度である。なお、アンダーコート層20は、必ずしも形成する必要はない。 The undercoat layer 20 is a single-layer insulating layer or a laminated insulating layer using an oxide insulating layer or a nitride insulating layer. As an example, the undercoat layer 20 includes a single layer film such as silicon nitride (SiN x ), silicon oxide (SiO y ), silicon oxynitride (SiO y N x ), or aluminum oxide (AlO x ), or these A laminated film can be used. The film thickness of the undercoat layer 20 is, for example, about 100 nm to 2000 nm. Note that the undercoat layer 20 is not necessarily formed.

ゲート電極30は、基板10の上方に位置し、例えば、基板10の上方に形成される。本実施の形態において、ゲート電極30は、アンダーコート層20上に所定形状でパターン形成される。ゲート電極30は、導電性材料によって構成され、単層構造又は多層構造からなる。導電性材料としては、例えば、金属又は合金を用いることができる。金属又は合金としては、例えば、モリブデン(Mo)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、又はモリブデンタングステン(MoW)等を用いることができる。ゲート電極2の膜厚は、例えば、20nm〜500nm程度である。   The gate electrode 30 is located above the substrate 10 and is formed above the substrate 10, for example. In the present embodiment, the gate electrode 30 is patterned in a predetermined shape on the undercoat layer 20. The gate electrode 30 is made of a conductive material and has a single layer structure or a multilayer structure. For example, a metal or an alloy can be used as the conductive material. Examples of the metal or alloy include molybdenum (Mo), aluminum (Al), copper (Cu), tungsten (W), tantalum (Ta), niobium (Nb), nickel (Ni), titanium (Ti), chromium ( Cr), molybdenum tungsten (MoW), or the like can be used. The film thickness of the gate electrode 2 is, for example, about 20 nm to 500 nm.

ゲート絶縁層40は、ゲート電極30と酸化物半導体層50との間に配される。本実施の形態において、ゲート絶縁層40は、少なくともゲート電極30の上方に形成される。具体的には、ゲート絶縁層40は、ゲート電極30を覆うようにアンダーコート層20上の全面に形成されている。   The gate insulating layer 40 is disposed between the gate electrode 30 and the oxide semiconductor layer 50. In the present embodiment, the gate insulating layer 40 is formed at least above the gate electrode 30. Specifically, the gate insulating layer 40 is formed on the entire surface of the undercoat layer 20 so as to cover the gate electrode 30.

ゲート絶縁層40は、電気絶縁性材料によって構成され、単層構造又は多層構造からなる。電気絶縁性材料としては、例えば、酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(SiN)、酸窒化シリコン(SiO)、酸化アルミニウム(AlO)、酸化タンタル(TaO)を用いることができる。本実施の形態において、ゲート絶縁層40は、例えば、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜である。ゲート絶縁層40の膜厚は、TFTの耐圧等を考慮して設計することができ、例えば、50nm〜500nm程度である。 The gate insulating layer 40 is made of an electrically insulating material and has a single layer structure or a multilayer structure. Examples of the electrically insulating material include silicon oxide (SiO y ), silicon nitride (SiN x ), silicon oxynitride (SiO y N x ), aluminum oxide (AlO z ), and tantalum oxide (TaO w ). it can. In the present embodiment, the gate insulating layer 40 is, for example, a stacked film of a silicon oxide film and a silicon nitride film. The film thickness of the gate insulating layer 40 can be designed in consideration of the breakdown voltage of the TFT, and is, for example, about 50 nm to 500 nm.

酸化物半導体層50は、ゲート絶縁層40上に所定形状で形成される。酸化物半導体層50は、チャネル層として用いられ、ゲート電極と対向している。つまり、酸化物半導体層50は、ゲート絶縁層40を挟んでゲート電極30と対向する領域(チャネル領域)を含む半導体層である。   The oxide semiconductor layer 50 is formed in a predetermined shape over the gate insulating layer 40. The oxide semiconductor layer 50 is used as a channel layer and faces the gate electrode. That is, the oxide semiconductor layer 50 is a semiconductor layer including a region (channel region) facing the gate electrode 30 with the gate insulating layer 40 interposed therebetween.

酸化物半導体層50の材料には、例えば、透明アモルファス酸化物半導体(TAOS:Transparent Amorphous Oxide Semiconductors)が用いられる。具体的には、少なくともインジウム(In)と珪素(Si)を含む酸化物で構成される。本実施の形態において、酸化物半導体層50は、インジウム(In)、珪素(Si)及び酸素(O)を含有し、InSiO(ISO)によって構成されている。透明アモルファス酸化物半導体は、移動度が大きいという特質を有するだけではなく、低温成膜が可能であるため、基板10の材料としてプラスチック材料を利用する場合に有用である。   As a material of the oxide semiconductor layer 50, for example, a transparent amorphous oxide semiconductor (TAOS) is used. Specifically, it includes an oxide containing at least indium (In) and silicon (Si). In this embodiment, the oxide semiconductor layer 50 contains indium (In), silicon (Si), and oxygen (O), and is composed of InSiO (ISO). The transparent amorphous oxide semiconductor not only has the property of having high mobility, but can be formed at a low temperature, and thus is useful when a plastic material is used as the material of the substrate 10.

酸化物半導体層50は、第1領域と当該第1領域よりもゲート絶縁層40から離間した領域である第2領域とを有し、第1領域は、第2領域よりも珪素濃度が高くなっている。つまり、酸化物半導体層50は、ゲート絶縁層40側とは反対側(保護層60側)の領域よりも、ゲート絶縁層40側の領域の方が、珪素濃度が高くなっている。具体的には、酸化物半導体層50におけるゲート絶縁層40に近接する領域(第1領域)が、酸化物半導体層50におけるゲート絶縁層40から離間した領域(第2領域)よりも珪素濃度が高くなっている。   The oxide semiconductor layer 50 includes a first region and a second region that is a region farther from the gate insulating layer 40 than the first region, and the first region has a higher silicon concentration than the second region. ing. That is, the oxide semiconductor layer 50 has a higher silicon concentration in the region on the gate insulating layer 40 side than in the region on the side opposite to the gate insulating layer 40 side (protective layer 60 side). Specifically, a region of the oxide semiconductor layer 50 adjacent to the gate insulating layer 40 (first region) has a silicon concentration higher than that of a region of the oxide semiconductor layer 50 spaced apart from the gate insulating layer 40 (second region). It is high.

本実施の形態において、酸化物半導体層50は、積層構造であり、例えば、酸化物半導体層50におけるゲート絶縁層40に近い方の第1領域として形成された第1半導体層51と、酸化物半導体層50におけるゲート絶縁層40から遠い方の第2領域として形成された第2半導体層52との2積層構造である。具体的には、酸化物半導体層50は、第1半導体層51と、第1半導体層51の上に形成された第2半導体層52とからなる。   In this embodiment, the oxide semiconductor layer 50 has a stacked structure, for example, a first semiconductor layer 51 formed as a first region closer to the gate insulating layer 40 in the oxide semiconductor layer 50, and an oxide The semiconductor layer 50 has a two-layer structure with a second semiconductor layer 52 formed as a second region far from the gate insulating layer 40. Specifically, the oxide semiconductor layer 50 includes a first semiconductor layer 51 and a second semiconductor layer 52 formed on the first semiconductor layer 51.

第1半導体層51は、第2半導体層52よりも珪素濃度(Si濃度)が高い高珪素濃度層である。第1半導体層51は、酸化物半導体層50におけるゲート絶縁層40側(相対的にゲート絶縁層40に近い方)の層であって、本実施の形態では、酸化物半導体層50の下層(下部領域)である。   The first semiconductor layer 51 is a high silicon concentration layer having a silicon concentration (Si concentration) higher than that of the second semiconductor layer 52. The first semiconductor layer 51 is a layer on the side of the gate insulating layer 40 in the oxide semiconductor layer 50 (relatively closer to the gate insulating layer 40). In the present embodiment, the first semiconductor layer 51 is a layer below the oxide semiconductor layer 50 ( Lower area).

一方、第2半導体層52は、第1半導体層51よりも珪素濃度(Si濃度)が低い低珪素濃度層である。第2半導体層52は、酸化物半導体層50における保護層60側(相対的にゲート絶縁層40から遠い方)の層であって、本実施の形態では、酸化物半導体層50の上層(上部領域)である。   On the other hand, the second semiconductor layer 52 is a low silicon concentration layer having a silicon concentration (Si concentration) lower than that of the first semiconductor layer 51. The second semiconductor layer 52 is a layer on the protective layer 60 side (relatively far from the gate insulating layer 40) in the oxide semiconductor layer 50. In the present embodiment, the second semiconductor layer 52 is an upper layer (upper part) of the oxide semiconductor layer 50. Area).

このように、酸化物半導体層50では、第1半導体層51の珪素濃度が第2半導体層52の珪素濃度よりも高くなっている。詳細は後述するが、珪素濃度の高い第1半導体層51を用いることで、上層の第1半導体層51において優れた水素耐性を実現することができる。これにより、フロントチャネル側(保護層60側)からの水素の影響を抑制することができる。   As described above, in the oxide semiconductor layer 50, the silicon concentration of the first semiconductor layer 51 is higher than the silicon concentration of the second semiconductor layer 52. Although details will be described later, by using the first semiconductor layer 51 having a high silicon concentration, excellent hydrogen resistance can be realized in the upper first semiconductor layer 51. Thereby, the influence of hydrogen from the front channel side (protective layer 60 side) can be suppressed.

第1半導体層51の珪素濃度は、6.5at%以上であるとよく、好ましくは、11.7at%以上である。これにより、第1半導体層51における水素耐性が劇的に向上するので、フロントチャネル側からの水素の影響を一層抑制できる。   The silicon concentration of the first semiconductor layer 51 is preferably 6.5 at% or more, and preferably 11.7 at% or more. Thereby, since the hydrogen tolerance in the first semiconductor layer 51 is dramatically improved, the influence of hydrogen from the front channel side can be further suppressed.

また、第2半導体層52の珪素濃度は、6.5at%未満であるとよい。これにより、酸化物半導体層50に低抵抗化領域を形成することができるので、ON電流を容易に維持することができる。   Further, the silicon concentration of the second semiconductor layer 52 is preferably less than 6.5 at%. Accordingly, a low resistance region can be formed in the oxide semiconductor layer 50, so that the ON current can be easily maintained.

一例として、第1半導体層51の珪素濃度は、11.7at%であり、第2半導体層52の珪素濃度は、6.5at%であるが、これに限るものではない。   As an example, the silicon concentration of the first semiconductor layer 51 is 11.7 at%, and the silicon concentration of the second semiconductor layer 52 is 6.5 at%, but is not limited thereto.

第1半導体層51と第2半導体層52とは同一元素で構成されており、いずれもInSiO(InSiO膜)からなる。なお、第1半導体層51及び第2半導体層52において、珪素は化学的に結合した状態で混入されている。   The first semiconductor layer 51 and the second semiconductor layer 52 are composed of the same element, and both are made of InSiO (InSiO film). In the first semiconductor layer 51 and the second semiconductor layer 52, silicon is mixed in a chemically bonded state.

第1半導体層51の膜厚は5nm以上であるとよい。これにより、第1半導体層51によって酸化物半導体層50における水素耐性を十分に発揮させることができる。したがって、水素の進入を効果的に抑制することができる。   The film thickness of the first semiconductor layer 51 is preferably 5 nm or more. Thereby, the first semiconductor layer 51 can sufficiently exert the hydrogen resistance in the oxide semiconductor layer 50. Therefore, the entry of hydrogen can be effectively suppressed.

第2半導体層52の膜厚は、15nm以上であるとよい。これにより、酸化物半導体層50に低抵抗化領域を十分確保できるので、ON電流を一層容易に維持することができる。   The film thickness of the second semiconductor layer 52 is preferably 15 nm or more. Accordingly, a sufficiently low resistance region can be secured in the oxide semiconductor layer 50, so that the ON current can be more easily maintained.

また、酸化物半導体層50のトータル膜厚は20nm以上であるとよい。これにより、十分なチャネル領域を確保できるので、優れた特性を有するTFTを実現できる。また、酸化物半導体層50の膜厚を20nm以上にすることで、酸化物半導体層50の加工プロセスが十分可能になる。つまり、酸化物半導体層50のスパッタ等による成膜とフォトリソグラフィ法及びエッチング法等によるパターニングとを容易に行うことができる。   The total film thickness of the oxide semiconductor layer 50 is preferably 20 nm or more. Thereby, a sufficient channel region can be ensured, so that a TFT having excellent characteristics can be realized. In addition, when the thickness of the oxide semiconductor layer 50 is set to 20 nm or more, the processing process of the oxide semiconductor layer 50 can be sufficiently performed. That is, the oxide semiconductor layer 50 can be easily formed by sputtering or the like and patterned by a photolithography method, an etching method, or the like.

さらに、第1半導体層51の膜厚を20nm以上にすることによって、アニール処理等によって水素が拡散する場合であっても、珪素濃度が高い第1半導体層51によって、酸化物半導体層50に水素が混入することを効果的にブロックできる。例えば、ゲート絶縁層40側から拡散してくる水素によるダメージを抑制することができる。   Further, by setting the thickness of the first semiconductor layer 51 to 20 nm or more, even if hydrogen is diffused by an annealing process or the like, the first semiconductor layer 51 having a high silicon concentration causes the oxide semiconductor layer 50 to have hydrogen. Can be effectively blocked. For example, damage caused by hydrogen diffusing from the gate insulating layer 40 side can be suppressed.

また、酸化物半導体層50全体の珪素濃度は、少なくとも酸化物半導体層50全体に含有される水素濃度よりも高くなっているとよい。これにより、水素の影響を一層抑制することができる。   The silicon concentration of the entire oxide semiconductor layer 50 is preferably higher than at least the hydrogen concentration contained in the entire oxide semiconductor layer 50. Thereby, the influence of hydrogen can be further suppressed.

保護層60は、酸化物半導体層50の上に形成される。保護層60は、ソース電極70S及びドレイン電極70Dを形成するときのエッチング処理において、酸化物半導体層50のチャネル領域がエッチングされてしまうことを防止するためにチャネル領域を保護するチャネルエッチングストッパ(CES)層として機能する。これにより、ボトムゲート型TFTにおいて、酸化物半導体層50のバックチャネル側のプロセスダメージを低減することができる。また、本実施の形態において、保護層60は、基板10上の全面に形成された層間絶縁層である。   The protective layer 60 is formed on the oxide semiconductor layer 50. The protective layer 60 is a channel etching stopper (CES) that protects the channel region in order to prevent the channel region of the oxide semiconductor layer 50 from being etched in the etching process when forming the source electrode 70S and the drain electrode 70D. ) Function as a layer. Accordingly, process damage on the back channel side of the oxide semiconductor layer 50 can be reduced in the bottom-gate TFT. In the present embodiment, the protective layer 60 is an interlayer insulating layer formed on the entire surface of the substrate 10.

保護層60は、絶縁性を有する絶縁材料によって構成される。保護層60の材料としては、例えば、酸化物又は酸窒化物を主成分とする材料を用いることができる。酸化物又は酸窒化物を主成分とする材料としては、例えば、酸化シリコン、酸窒化シリコン、酸化アルミニウム、又は、酸化イットリウムなどの無機物を用いることができる。なお、酸化シリコンは窒化シリコンと比べて水素含有量が少ない。したがって、保護層60として酸化シリコンを用いることによって、水素による酸化物半導体層50の特性低下を抑制できる。また、保護層60は、単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。積層構造とする場合、酸化アルミニウムは水素や酸素をブロックする作用を有するため、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化シリコンの3層積層構造とするのがよい。   The protective layer 60 is made of an insulating material having an insulating property. As a material of the protective layer 60, for example, a material mainly composed of oxide or oxynitride can be used. As a material containing oxide or oxynitride as a main component, for example, an inorganic substance such as silicon oxide, silicon oxynitride, aluminum oxide, or yttrium oxide can be used. Note that silicon oxide has a lower hydrogen content than silicon nitride. Therefore, by using silicon oxide as the protective layer 60, it is possible to suppress deterioration in characteristics of the oxide semiconductor layer 50 due to hydrogen. Further, the protective layer 60 may have a single layer structure or a laminated structure. In the case of a stacked structure, aluminum oxide has a function of blocking hydrogen and oxygen, and thus, for example, a three-layer stacked structure of silicon oxide, aluminum oxide, and silicon oxide is preferable.

なお、保護層60の材料は、無機物に限るものではなく、有機物を主成分とする材料であってもよい。   The material of the protective layer 60 is not limited to an inorganic material, and may be a material mainly composed of an organic material.

また、保護層60には、当該保護層60の一部を貫通するように開口部(コンタクトホール)が形成されている。この保護層60の開口部を介して、酸化物半導体層50とソース電極70S及びドレイン電極70Dとが接続されている。   In addition, an opening (contact hole) is formed in the protective layer 60 so as to penetrate a part of the protective layer 60. The oxide semiconductor layer 50 is connected to the source electrode 70S and the drain electrode 70D through the opening of the protective layer 60.

ソース電極70S及びドレイン電極70Dは、保護層60上に所定形状で形成されている。ソース電極70S及びドレイン電極70Dは、間隔をあけて基板水平方向に対向するように配置され、それぞれ保護層60に形成された開口部を介して酸化物半導体層50に電気的に接続されている。   The source electrode 70S and the drain electrode 70D are formed on the protective layer 60 in a predetermined shape. The source electrode 70 </ b> S and the drain electrode 70 </ b> D are arranged so as to face each other in the horizontal direction of the substrate with a space therebetween, and are electrically connected to the oxide semiconductor layer 50 through openings formed in the protective layer 60. .

ソース電極70S及びドレイン電極70Dは、それぞれ導電性材料によって構成されており、単層構造又は多層構造からなる。導電性材料としては、例えば、金属又は合金を用いることができる。金属又は合金としては、例えば、アルミニウム(Al)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、銅(Cu)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、又はモリブデンタングステン(MoW)等を用いることができる。本実施の形態では、ソース電極70S及びドレイン電極70Dは、MoW/Al/MoWの三層構造によって形成されている。ソース電極70S及びドレイン電極70Dの膜厚は、例えば、100nm〜500nm程度とすることができる。   The source electrode 70S and the drain electrode 70D are each made of a conductive material and have a single layer structure or a multilayer structure. For example, a metal or an alloy can be used as the conductive material. As the metal or alloy, for example, aluminum (Al), molybdenum (Mo), tungsten (W), copper (Cu), titanium (Ti), chromium (Cr), molybdenum tungsten (MoW), or the like can be used. . In the present embodiment, the source electrode 70S and the drain electrode 70D have a three-layer structure of MoW / Al / MoW. The film thickness of the source electrode 70S and the drain electrode 70D can be, for example, about 100 nm to 500 nm.

また、ソース電極70S及びドレイン電極70Dの配置位置は、図1に示す位置に限るものではなく、ソース電極70S及びドレイン電極70Dと酸化物半導体層50とが電気的に接続される位置であればよい。   Further, the arrangement position of the source electrode 70S and the drain electrode 70D is not limited to the position illustrated in FIG. 1, and may be any position where the source electrode 70S and the drain electrode 70D and the oxide semiconductor layer 50 are electrically connected. Good.

なお、図示しないが、ソース電極70S及びドレイン電極70Dを覆うように保護層60状にパッシベーション層が形成されていてもよい。パッシベーション層9の膜厚は、例えば、20nm以上1000nm以下とすることができる。パッシベーション層9は、例えば、酸化シリコン又は窒化シリコン等の無機材料からなる絶縁膜であり、例えば、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)等によって成膜することができる。   Although not shown, a passivation layer may be formed in the shape of the protective layer 60 so as to cover the source electrode 70S and the drain electrode 70D. The film thickness of the passivation layer 9 can be, for example, 20 nm or more and 1000 nm or less. The passivation layer 9 is an insulating film made of an inorganic material such as silicon oxide or silicon nitride, and can be formed by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition), for example.

(薄膜トランジスタの製造方法)
次に、実施の形態に係る薄膜トランジスタ1の製造方法について、図2A〜図2Hを用いて説明する。図2A〜図2Hは、実施の形態に係る薄膜トランジスタの製造方法における各工程の構成を模式的に示す断面図である。
(Thin Film Transistor Manufacturing Method)
Next, a method for manufacturing the thin film transistor 1 according to the embodiment will be described with reference to FIGS. 2A to 2H are cross-sectional views schematically showing the configuration of each step in the method of manufacturing a thin film transistor according to the embodiment.

本実施の形態に係る薄膜トランジスタ1の製造方法は、基板10を準備する基板準備工程と、アンダーコート層20を形成するアンダーコート層形成工程と、ゲート電極30を形成するゲート電極形成工程と、ゲート絶縁層40を形成するゲート絶縁層形成工程と、第1半導体層51と第2半導体層52とを含む酸化物半導体層50を形成する酸化物半導体層形成工程と、保護層60を形成する保護層形成工程と、保護層60にコンタクトホールを形成するコンタクトホール形成工程と、ソース電極70S及びドレイン電極70Dを形成するソース・ドレイン電極形成工程とを含む。なお、その後、必要に応じて、パッシベーション層を形成するパッシベーション層形成工程を含んでいてもよい。   The manufacturing method of the thin film transistor 1 according to the present embodiment includes a substrate preparation step for preparing the substrate 10, an undercoat layer formation step for forming the undercoat layer 20, a gate electrode formation step for forming the gate electrode 30, and a gate. Gate insulating layer forming step for forming insulating layer 40, oxide semiconductor layer forming step for forming oxide semiconductor layer 50 including first semiconductor layer 51 and second semiconductor layer 52, and protection for forming protective layer 60 A layer forming step, a contact hole forming step of forming a contact hole in the protective layer 60, and a source / drain electrode forming step of forming the source electrode 70S and the drain electrode 70D. After that, a passivation layer forming step for forming a passivation layer may be included as necessary.

以下、本実施の形態における薄膜トランジスタ1の製造方法の各工程について詳細に説明する。   Hereafter, each process of the manufacturing method of the thin-film transistor 1 in this Embodiment is demonstrated in detail.

まず、図2Aに示すように、基板10を準備する。例えば、基板10としてガラス基板を準備する。   First, as shown in FIG. 2A, a substrate 10 is prepared. For example, a glass substrate is prepared as the substrate 10.

次に、図2Bに示すように、基板10上にアンダーコート層20を形成する。プラズマCVD等によって、基板10上に、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜又は酸化アルミニウム膜等で構成されるアンダーコート層20を形成する。   Next, as shown in FIG. 2B, an undercoat layer 20 is formed on the substrate 10. An undercoat layer 20 composed of a silicon nitride film, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, an aluminum oxide film, or the like is formed on the substrate 10 by plasma CVD or the like.

次に、図2Cに示すように、基板10の上方に所定形状のゲート電極30を形成する。本実施の形態では、アンダーコート層20上に金属膜(ゲート金属膜)をスパッタによって成膜した後、フォトリソグラフィ法及びウェットエッチング法を用いて金属膜を加工することにより、所定形状にパターニングされたゲート電極30を形成した。   Next, as shown in FIG. 2C, a gate electrode 30 having a predetermined shape is formed above the substrate 10. In the present embodiment, after a metal film (gate metal film) is formed on the undercoat layer 20 by sputtering, the metal film is processed using a photolithography method and a wet etching method to be patterned into a predetermined shape. A gate electrode 30 was formed.

次に、図2Dに示すように、ゲート電極30を覆うようにゲート絶縁層40を形成する。ゲート絶縁層40の形成方法としては、例えば、プラズマCVD法などを用いることができる。一例として、ゲート絶縁層40としてシリコン窒化膜をプラズマCVD法によって成膜する場合、シランガス(SiH)、アンモニアガス(NH)及び窒素ガス(N)を導入ガスに用いることでシリコン窒化膜を成膜することができる。 Next, as illustrated in FIG. 2D, the gate insulating layer 40 is formed so as to cover the gate electrode 30. As a method for forming the gate insulating layer 40, for example, a plasma CVD method or the like can be used. As an example, when a silicon nitride film is formed as the gate insulating layer 40 by plasma CVD, a silicon nitride film is obtained by using silane gas (SiH 4 ), ammonia gas (NH 3 ), and nitrogen gas (N 2 ) as an introduction gas. Can be formed.

次に、図2Eに示すように、少なくともゲート電極30と対向するように、ゲート絶縁層40の上方に所定形状の酸化物半導体層50を形成する。本実施の形態では、ゲート絶縁層40上に、第1半導体層51と第2半導体層52とを含む酸化物半導体層50を島状に形成する。   Next, as illustrated in FIG. 2E, an oxide semiconductor layer 50 having a predetermined shape is formed above the gate insulating layer 40 so as to face at least the gate electrode 30. In this embodiment, the oxide semiconductor layer 50 including the first semiconductor layer 51 and the second semiconductor layer 52 is formed in an island shape over the gate insulating layer 40.

具体的には、ゲート絶縁層40上に、珪素濃度の高いInSiO膜を成膜し、続いて珪素濃度の低いInSiO膜を成膜し、その後、所定形状の酸化物半導体層50となるように、珪素濃度の高いInSiO膜と珪素濃度の低いInSiO膜との積層膜を加工する。   Specifically, an InSiO film having a high silicon concentration is formed on the gate insulating layer 40, and then an InSiO film having a low silicon concentration is formed, and then the oxide semiconductor layer 50 having a predetermined shape is formed. Then, a laminated film of an InSiO film having a high silicon concentration and an InSiO film having a low silicon concentration is processed.

InSiO膜の成膜方法としては、例えば、スパッタリング法を用いることができる。例えば、インジウム、珪素及び酸素を含むターゲット材を用いて、真空チャンバー内に不活性ガスとしてアルゴン(Ar)ガスを流入するとともに反応性ガスとして酸素(O)を含むガスを流入し、所定のパワー密度の電圧をターゲット材に印加することによって、InSiO膜を成膜することができる。この場合、組成の異なるInSiO膜(Si濃度の異なるInSiO膜)を成膜する方法としては、例えば、組成の異なるInSiO(Si濃度の異なるInSiO)からなるターゲットを用いて同一チャンバー内で順次成膜する方法、又は、InとSiOのターゲットを用いて、それぞれのターゲットに印加する電力比率を変化させて同時にスパッタ成膜することで組成を制御する方法等が考えられる。 As a method for forming the InSiO film, for example, a sputtering method can be used. For example, using a target material containing indium, silicon and oxygen, an argon (Ar) gas as an inert gas and a gas containing oxygen (O 2 ) as a reactive gas flow into a vacuum chamber. By applying a power density voltage to the target material, an InSiO film can be formed. In this case, as a method for forming InSiO films having different compositions (InSiO films having different Si concentrations), for example, films are sequentially formed in the same chamber using targets made of InSiO having different compositions (InSiO having different Si concentrations). A method of controlling the composition by using a target of In 2 O 3 and SiO 2 , changing the power ratio applied to each target, and simultaneously performing sputter deposition is conceivable.

また、積層膜の加工方法としては、例えば、フォトリソグラフィ法及びエッチング法を用いることができる。具体的には、まず、組成の異なるInSiO膜の積層膜上に所定形状のレジストを形成し、レジストが形成されていない領域の積層膜をウェットエッチングによって除去することで、第1半導体層51と第2半導体層52とからなる島状の酸化物半導体層50を形成することができる。   Moreover, as a processing method of the laminated film, for example, a photolithography method and an etching method can be used. Specifically, first, a resist having a predetermined shape is formed on a laminated film of InSiO films having different compositions, and the laminated film in a region where the resist is not formed is removed by wet etching, whereby the first semiconductor layer 51 and An island-shaped oxide semiconductor layer 50 including the second semiconductor layer 52 can be formed.

次に、図2Fに示すように、酸化物半導体層50を覆うように保護層60を形成する。保護層60は、例えば、酸化物又は酸窒化物を主成分とする材料からなり、プラズマCVD法を用いて形成することができる。なお、保護層60として、酸化アルミニウム又は酸化イットリウムを形成する場合、スパッタリング法を用いて形成してもよい。   Next, as illustrated in FIG. 2F, the protective layer 60 is formed so as to cover the oxide semiconductor layer 50. The protective layer 60 is made of, for example, a material mainly composed of oxide or oxynitride, and can be formed using a plasma CVD method. In addition, when forming aluminum oxide or yttrium oxide as the protective layer 60, you may form using sputtering method.

その後、必要に応じて熱処理(アニール処理)を施すことによって、酸化物半導体層50内に存在する酸素欠陥を補完することができ、TFT特性を安定化させることができる。例えば、大気中(酸素雰囲気中)で、300℃〜350℃の温度で1時間の熱処理を行えばよい。   After that, by performing heat treatment (annealing) as necessary, oxygen defects existing in the oxide semiconductor layer 50 can be complemented, and TFT characteristics can be stabilized. For example, heat treatment may be performed in the air (in an oxygen atmosphere) for 1 hour at a temperature of 300 ° C. to 350 ° C.

熱処理の方法としては、例えば、ホットプレート、炉、レーザー照射又は赤外線照射を用いることができる。また、上記の熱処理は、エネルギーを付与することによる酸化物半導体層の安定化処理を兼ねている。安定化処理の方法としては、熱処理に限らず、例えば、紫外線照射又はX線照射でも同様の効果を得ることができる。なお、酸化物半導体層50の酸素欠陥を補完するための熱処理(酸化物半導体層50を安定化させるための工程)は、ソース電極70S及びドレイン電極70Dを形成した後、又は、その後のパッシベーション層を形成した後に行ってもよい。   As a heat treatment method, for example, a hot plate, a furnace, laser irradiation, or infrared irradiation can be used. The heat treatment also serves as stabilization treatment of the oxide semiconductor layer by applying energy. The stabilization method is not limited to heat treatment, and the same effect can be obtained by, for example, ultraviolet irradiation or X-ray irradiation. Note that the heat treatment for supplementing oxygen defects in the oxide semiconductor layer 50 (a step for stabilizing the oxide semiconductor layer 50) is performed after the source electrode 70S and the drain electrode 70D are formed, or a subsequent passivation layer. You may carry out after forming.

次に、図2Gに示すように、酸化物半導体層50の一部を露出させるように、保護層60にコンタクトホールCH(開口部)を形成する。具体的には、フォトリソグラフィ法及びエッチング法によって保護層60の一部をエッチング除去することによって、酸化物半導体層50におけるソース電極70S及びドレイン電極70Dとの接続部分上に開口部を形成する。例えば、保護層60がシリコン酸化膜である場合、反応性イオンエッチング(RIE)法によるドライエッチング法によってシリコン酸化膜にコンタクトホールCHを形成することができる。この場合、エッチングガスとしては、例えば、四フッ化炭素(CF)及び酸素ガス(O)を用いることができる。 Next, as illustrated in FIG. 2G, a contact hole CH (opening) is formed in the protective layer 60 so that a part of the oxide semiconductor layer 50 is exposed. Specifically, a part of the protective layer 60 is removed by etching by a photolithography method and an etching method, so that an opening is formed on a connection portion between the source electrode 70S and the drain electrode 70D in the oxide semiconductor layer 50. For example, when the protective layer 60 is a silicon oxide film, the contact hole CH can be formed in the silicon oxide film by a dry etching method using a reactive ion etching (RIE) method. In this case, for example, carbon tetrafluoride (CF 4 ) and oxygen gas (O 2 ) can be used as the etching gas.

次に、図2Hに示すように、保護層60に形成したコンタクトホールCHを介して酸化物半導体層50に接続するソース電極70S及びドレイン電極70Dを形成する。本実施の形態では、例えば、保護層60に形成したコンタクトホールCHを埋めるようにして保護層60上に金属膜(ソースドレイン金属膜)を成膜した後に、フォトリソグラフィ法及びウェットエッチング法により金属膜を加工することにより、所定形状にパターニングされたソース電極70S及びドレイン電極70Dを形成した。このウェットエッチングの際に、保護層60がエッチング保護層として機能する。   Next, as illustrated in FIG. 2H, the source electrode 70 </ b> S and the drain electrode 70 </ b> D connected to the oxide semiconductor layer 50 through the contact hole CH formed in the protective layer 60 are formed. In the present embodiment, for example, after forming a metal film (source / drain metal film) on the protective layer 60 so as to fill the contact hole CH formed in the protective layer 60, the metal is formed by photolithography and wet etching. By processing the film, a source electrode 70S and a drain electrode 70D patterned into a predetermined shape were formed. In this wet etching, the protective layer 60 functions as an etching protective layer.

なお、図示しないが、全体を覆うようにパッシベーション層を形成してもよい。例えば、保護層60、ソース電極70S及びドレイン電極70Dの上に、プラズマCVD等によって窒化シリコン又は酸化シリコン等からなるパッシベーション層を形成してもよい。   Although not shown, a passivation layer may be formed so as to cover the whole. For example, a passivation layer made of silicon nitride, silicon oxide, or the like may be formed on the protective layer 60, the source electrode 70S, and the drain electrode 70D by plasma CVD or the like.

(作用効果)
次に、本実施の形態に係る薄膜トランジスタ1の作用効果について、本発明の一態様に至った経緯も含めて説明する。
(Function and effect)
Next, functions and effects of the thin film transistor 1 according to this embodiment will be described including the background to the arrival of one embodiment of the present invention.

代表的な酸化物半導体であるInGaZnO(IGZO)を用いたTFTでは、水素の影響を受けやすく、TFT作製時のプロセス中又はTFT作製後の駆動中において、TFT特性が変動してしまうという課題がある。   A TFT using InGaZnO (IGZO), which is a typical oxide semiconductor, is easily affected by hydrogen, and there is a problem in that TFT characteristics fluctuate during the process during TFT fabrication or during driving after TFT fabrication. is there.

一方、酸化物半導体としてInSiOを用いたTFTは、酸素との結合エネルギーが大きい珪素(Si)を酸化インジウム中に添加させて特性の安定化を図ったものである。   On the other hand, a TFT using InSiO as an oxide semiconductor is obtained by adding silicon (Si) having a large binding energy with oxygen to indium oxide to stabilize characteristics.

発明者らは、InSiOを用いたTFTを実現するにあたり、InSiO膜の珪素濃度と水素耐性との関係についての追実験を行った。   The inventors conducted a further experiment on the relationship between the silicon concentration of the InSiO film and the hydrogen resistance in realizing the TFT using InSiO.

具体的には、本発明者らは、酸化物半導体膜として珪素濃度が0.1at%、3.3at%、6.5at%、11.7%の組成の異なる4種類のInSiO膜(30nm)をガラス基板(6インチウェハ)に成膜し、これらのInSiO膜に対して、酸化シリコン膜(SiO膜)を介して水素を含有する窒化シリコン膜(SiN:H)を成膜し、水素に対する耐性を評価した。その結果を図3に示す。   Specifically, the inventors of the present invention have four types of InSiO films (30 nm) having different compositions with silicon concentrations of 0.1 at%, 3.3 at%, 6.5 at%, and 11.7% as oxide semiconductor films. Is formed on a glass substrate (6 inch wafer), and a silicon nitride film (SiN: H) containing hydrogen is formed on these InSiO films via a silicon oxide film (SiO film). Resistance was evaluated. The result is shown in FIG.

図3は、InSiO膜の珪素濃度とInSiO膜のシート抵抗との関係(珪素濃度依存)を示す図であり、InSiO膜の珪素濃度と水素耐性との関係を示している。つまり、図3では、窒化シリコン膜の水素の影響を受けて低抵抗化した後のInSiO膜のシート抵抗を示している。なお、図3では、比較のために、酸化物半導体層としてIGZO膜を用いた場合についても図示している。また、図3における各InSiO膜のシート抵抗は、いずれもウェハ上の9点のシート抵抗の平均値である。   FIG. 3 is a diagram showing the relationship (silicon concentration dependence) between the silicon concentration of the InSiO film and the sheet resistance of the InSiO film, and shows the relationship between the silicon concentration of the InSiO film and the hydrogen resistance. That is, FIG. 3 shows the sheet resistance of the InSiO film after the resistance is lowered under the influence of hydrogen of the silicon nitride film. Note that FIG. 3 also illustrates the case where an IGZO film is used as the oxide semiconductor layer for comparison. Further, the sheet resistance of each InSiO film in FIG. 3 is an average value of the sheet resistances at nine points on the wafer.

図3に示すように、珪素濃度が0.1at%、3.3at%のInSiO膜については、いずれも、窒化シリコン成膜後に、シート抵抗が1kΩ前後まで下がることが分かった。また、珪素濃度が3.3at%のInSiO膜は、IGZO膜と同程度の水素ダメージを受けることが分かった。   As shown in FIG. 3, it was found that the sheet resistance of the InSiO film having a silicon concentration of 0.1 at% and 3.3 at% decreased to about 1 kΩ after the silicon nitride film was formed. It was also found that the InSiO film having a silicon concentration of 3.3 at% suffers hydrogen damage to the same extent as the IGZO film.

これに対して、InSiO膜における珪素濃度が6.5at%以上になると、窒化シリコン成膜後にシート抵抗が2kΩ前後までしか下がらず、シート抵抗の低下が抑制されて水素耐性が向上することが分かった。   On the other hand, when the silicon concentration in the InSiO film is 6.5 at% or more, the sheet resistance decreases only to about 2 kΩ after the silicon nitride film is formed, and the decrease in the sheet resistance is suppressed and the hydrogen resistance is improved. It was.

さらに、珪素濃度が11.7at%以上になると、窒化シリコン成膜後でもシート抵抗が26kΩ前後までしか下がらず、シート抵抗の低下が著しく抑制されて水素耐性が劇的に向上することが分かった。   Furthermore, it was found that when the silicon concentration was 11.7 at% or more, the sheet resistance decreased only to around 26 kΩ even after the silicon nitride film was formed, and the decrease in sheet resistance was remarkably suppressed, and the hydrogen resistance was dramatically improved. .

ここで、酸化物半導体膜における水素の影響と珪素による水素耐性向上作用とについて、図4A及び図4Bを用いて説明する。図4Aは、水素によって酸化物半導体膜にキャリアが発生するメカニズムを説明するための図であり、図4Bは、酸化物半導体膜に水素が侵入しても酸化物半導体膜に含有する珪素によってキャリアが発生しないメカニズムを説明するための図である。   Here, the influence of hydrogen in the oxide semiconductor film and the effect of improving the hydrogen resistance due to silicon will be described with reference to FIGS. 4A and 4B. 4A is a diagram for describing a mechanism in which carriers are generated in an oxide semiconductor film by hydrogen, and FIG. 4B is a diagram illustrating carriers in silicon contained in an oxide semiconductor film even when hydrogen enters the oxide semiconductor film. It is a figure for demonstrating the mechanism which does not generate | occur | produce.

図4Aに示すように、水素が拡散して酸化物半導体膜中に水素が侵入すると、水素は酸化物半導体膜においてドナーとして作用する。つまり、酸化物半導体膜を構成する金属と酸素とが結合している状態のものに、侵入した水素が結合(Metal−O−H(i))し、水素から電子が放出する。その結果、酸化物半導体膜のシート抵抗が低下すると考えられる。   As illustrated in FIG. 4A, when hydrogen diffuses and hydrogen enters the oxide semiconductor film, the hydrogen acts as a donor in the oxide semiconductor film. That is, invaded hydrogen is bonded (Metal-O-H (i)) to a state in which the metal included in the oxide semiconductor film and oxygen are bonded, and electrons are released from the hydrogen. As a result, the sheet resistance of the oxide semiconductor film is considered to decrease.

一方、珪素濃度が高いInSiO膜で水素耐性が向上したのは、図4Bに示すように、酸化物半導体膜中に珪素を含有させることで、水素の終端サイトが酸素から珪素へと変化(Metal−O−Si−H)したからであると推察される。ここで、一般的に、Si−H結合は、電気的に不活性であることが知られている。このため、珪素を含むInSiO膜では珪素が水素を補足することになるので水素からキャリアが放出されない。その結果、酸化物半導体膜のシート抵抗が低下しなくなると推察される。   On the other hand, as shown in FIG. 4B, the hydrogen resistance of the InSiO film having a high silicon concentration is improved by containing silicon in the oxide semiconductor film so that the hydrogen termination site changes from oxygen to silicon (Metal). -O-Si-H). Here, it is generally known that the Si—H bond is electrically inactive. For this reason, in the InSiO film containing silicon, since silicon supplements hydrogen, carriers are not released from hydrogen. As a result, it is assumed that the sheet resistance of the oxide semiconductor film does not decrease.

このようなメカニズムから、図3において、InSiO膜における珪素濃度が0.1at%、3.3at%の場合にシート抵抗が大きく低下するのは、窒化シリコンから拡散する水素の量よりもInSiO膜中に存在する珪素の量が少なかったからであると考えられる。   From this mechanism, in FIG. 3, when the silicon concentration in the InSiO film is 0.1 at% and 3.3 at%, the sheet resistance greatly decreases in the InSiO film rather than the amount of hydrogen diffused from the silicon nitride. This is presumably because the amount of silicon present in the silicon was small.

一方、InSiO膜における珪素濃度が6.5at%になるとシート抵抗の低下が抑制されるのは、InSiO膜中に存在する珪素が多く存在するからであると考えられる。特に、11.7at%になると、シート抵抗の低下が劇的に抑制されるのは、窒化シリコンから拡散する水素の量に対してInSiO膜中に存在する珪素の量が十分足りているからであると考えられる。   On the other hand, when the silicon concentration in the InSiO film becomes 6.5 at%, the decrease in sheet resistance is suppressed because there is a large amount of silicon present in the InSiO film. In particular, at 11.7 at%, the decrease in sheet resistance is dramatically suppressed because the amount of silicon present in the InSiO film is sufficient relative to the amount of hydrogen diffusing from silicon nitride. It is believed that there is.

以上の追実験により、本発明者らは、InSiO膜の珪素濃度が高くなるにつれて水素耐性が向上することを突き止めた。特に、InSiO膜における珪素濃度が11.7at%以上になると、水素耐性が劇的に向上することを見出した。   Based on the above additional experiments, the present inventors have found that the hydrogen resistance improves as the silicon concentration of the InSiO film increases. In particular, it has been found that when the silicon concentration in the InSiO film is 11.7 at% or more, the hydrogen resistance is dramatically improved.

そこで、本実施の形態に係る薄膜トランジスタ1では、酸化物半導体層50をInSiOによって構成し、酸化物半導体層50の珪素濃度を、ゲート絶縁層40に近い領域(第1領域)の方がゲート絶縁層40から離間した領域(第2領域)よりも高くなるようにしている。   Therefore, in the thin film transistor 1 according to the present embodiment, the oxide semiconductor layer 50 is made of InSiO, and the silicon concentration of the oxide semiconductor layer 50 is gate-insulated in the region closer to the gate insulating layer 40 (first region). It is set to be higher than a region (second region) separated from the layer 40.

これにより、酸化物半導体層50のフロントチャネル側の領域(第1半導体層51)における水素耐性が向上するので、フロントチャネル側(ゲート絶縁層40側)から酸化物半導体層50に進入してくる水素の影響を抑制することができる。例えば、ゲート絶縁層40側から拡散してくる水素によるダメージを抑制することができる。   Accordingly, hydrogen resistance in a region on the front channel side (first semiconductor layer 51) of the oxide semiconductor layer 50 is improved, so that the oxide semiconductor layer 50 enters the oxide semiconductor layer 50 from the front channel side (gate insulating layer 40 side). The influence of hydrogen can be suppressed. For example, damage caused by hydrogen diffusing from the gate insulating layer 40 side can be suppressed.

さらに、バックチャネル側の領域の珪素濃度をフロントチャネル側の領域の珪素濃度よりも低くすることで、酸化物半導体層50のバックチャネル側の領域における抵抗値を低くできるので、ON電流を維持できるとともに、ソース電極70S及びドレイン電極70Dと酸化物半導体層50との良好なコンタクトを期待できる。   Further, by making the silicon concentration in the region on the back channel side lower than the silicon concentration in the region on the front channel side, the resistance value in the region on the back channel side of the oxide semiconductor layer 50 can be lowered, so that the ON current can be maintained. In addition, good contact between the source electrode 70S and the drain electrode 70D and the oxide semiconductor layer 50 can be expected.

一方、酸化物半導体層50のフロントチャネル側の領域(第2半導体層52)ではバックチャネル側の領域と比べて珪素濃度が低く保たれている。このため、ON電流は低下しないので、優れたオン特性を維持することができる。   On the other hand, in the region on the front channel side (second semiconductor layer 52) of the oxide semiconductor layer 50, the silicon concentration is kept lower than the region on the back channel side. For this reason, since ON current does not fall, the outstanding ON characteristic can be maintained.

このように、InSiOからなる酸化物半導体層50において、フロントチャネル側の領域をバックチャネル側の領域よりも珪素濃度を高くすることで、優れたTFT特性を維持させしつつ、優れた水素耐性を確保することができるので、特性が安定した高い信頼性を有するTFTを実現することが可能となり、高い歩留まりでTFTを得ることができる。   As described above, in the oxide semiconductor layer 50 made of InSiO, the silicon concentration in the region on the front channel side is higher than that in the region on the back channel side, thereby maintaining excellent TFT characteristics and excellent hydrogen resistance. Therefore, a TFT having stable characteristics and high reliability can be realized, and a TFT can be obtained with a high yield.

また、本実施の形態に係る薄膜トランジスタ1において、酸化物半導体層50(第1半導体層51)に接するゲート絶縁層40は、酸化珪素膜(SiO)等の珪素化合物であるとよい。   In the thin film transistor 1 according to this embodiment, the gate insulating layer 40 in contact with the oxide semiconductor layer 50 (first semiconductor layer 51) is preferably a silicon compound such as a silicon oxide film (SiO).

これにより、酸化物半導体層50とゲート絶縁層40との格子整合が高くなるので、酸化物半導体層50とゲート絶縁層40との界面準位を良化することができる。したがって、高ロバスト性を有し、さらに信頼性の高い薄膜トランジスタを実現することができる。   Accordingly, since the lattice matching between the oxide semiconductor layer 50 and the gate insulating layer 40 is increased, the interface state between the oxide semiconductor layer 50 and the gate insulating layer 40 can be improved. Accordingly, a highly reliable thin film transistor having high robustness can be realized.

<表示装置>
次に、上記の実施の形態に係る薄膜トランジスタ1を表示装置に適用した例について、図5及び図6を用いて説明する。なお、本実施の形態では、有機EL表示装置への適用例について説明する。
<Display device>
Next, an example in which the thin film transistor 1 according to the above embodiment is applied to a display device will be described with reference to FIGS. In this embodiment, an application example to an organic EL display device will be described.

図5は、実施の形態に係る有機EL表示装置の一部切り欠き斜視図である。また、図6は、図5に示す有機EL表示装置における画素回路の電気回路図である。なお、画素回路は、図6に示す構成に限定されるものではない。   FIG. 5 is a partially cutaway perspective view of the organic EL display device according to the embodiment. FIG. 6 is an electric circuit diagram of a pixel circuit in the organic EL display device shown in FIG. Note that the pixel circuit is not limited to the configuration shown in FIG.

上述の薄膜トランジスタ1は、有機EL表示装置におけるアクティブマトリクス基板のスイッチングトランジスタSwTr及び駆動トランジスタDrTrとして用いることができる。   The above-described thin film transistor 1 can be used as a switching transistor SwTr and a driving transistor DrTr of an active matrix substrate in an organic EL display device.

図5に示すように、有機EL表示装置100は、複数個の薄膜トランジスタが配置されたTFT基板(TFTアレイ基板)110と、下部電極(反射電極)である陽極131、EL層(発光層)132及び上部電極(透明電極)である陰極133からなる有機EL素子(発光部)130との積層構造により構成される。   As shown in FIG. 5, the organic EL display device 100 includes a TFT substrate (TFT array substrate) 110 on which a plurality of thin film transistors are arranged, an anode 131 as a lower electrode (reflection electrode), and an EL layer (light emitting layer) 132. And a laminated structure with an organic EL element (light emitting part) 130 composed of a cathode 133 which is an upper electrode (transparent electrode).

本実施の形態におけるTFT基板110には、上記の薄膜トランジスタ1が用いられている。TFT基板110には複数の画素120がマトリクス状に配置されており、各画素120には画素回路が設けられている。   The thin film transistor 1 described above is used for the TFT substrate 110 in the present embodiment. A plurality of pixels 120 are arranged in a matrix on the TFT substrate 110, and each pixel 120 is provided with a pixel circuit.

有機EL素子130は、複数の画素120の各々に対応して形成されており、各画素120に設けられた画素回路によって各有機EL素子130の発光の制御が行われる。有機EL素子130は、複数の薄膜トランジスタを覆うように形成された層間絶縁層(平坦化膜)の上に形成される。   The organic EL element 130 is formed corresponding to each of the plurality of pixels 120, and the light emission of each organic EL element 130 is controlled by a pixel circuit provided in each pixel 120. The organic EL element 130 is formed on an interlayer insulating layer (planarization film) formed so as to cover a plurality of thin film transistors.

また、有機EL素子130は、陽極131と陰極133との間にEL層132が配置された構成となっている。陽極131とEL層132との間にはさらに正孔輸送層が積層形成され、EL層132と陰極133との間にはさらに電子輸送層が積層形成されている。なお、陽極131と陰極133との間には、その他の機能層が設けられていてもよい。EL層132をはじめ陽極131と陰極133との間に形成される機能層は、有機材料によって構成された有機層である。   The organic EL element 130 has a configuration in which an EL layer 132 is disposed between the anode 131 and the cathode 133. A hole transport layer is further laminated between the anode 131 and the EL layer 132, and an electron transport layer is further laminated between the EL layer 132 and the cathode 133. Note that another functional layer may be provided between the anode 131 and the cathode 133. The functional layer formed between the anode 131 and the cathode 133 including the EL layer 132 is an organic layer made of an organic material.

各画素120は、それぞれの画素回路によって駆動制御される。また、TFT基板110には、画素120の行方向に沿って配置される複数のゲート配線(走査線)140と、ゲート配線140と交差するように画素120の列方向に沿って配置される複数のソース配線(信号配線)150と、ソース配線150と平行に配置される複数の電源配線(図5では省略)とが形成されている。各画素120は、例えば直交するゲート配線140とソース配線150とによって区画されている。   Each pixel 120 is driven and controlled by a respective pixel circuit. The TFT substrate 110 includes a plurality of gate wirings (scanning lines) 140 arranged along the row direction of the pixels 120 and a plurality of gate wirings 140 arranged along the column direction of the pixels 120 so as to intersect the gate wiring 140. Source wiring (signal wiring) 150 and a plurality of power supply wirings (not shown in FIG. 5) arranged in parallel with the source wiring 150 are formed. Each pixel 120 is partitioned by, for example, an orthogonal gate wiring 140 and a source wiring 150.

ゲート配線140は、各画素回路に含まれるスイッチングトランジスタのゲート電極と行毎に接続されている。ソース配線150は、スイッチングトランジスタのソース電極と列毎に接続されている。電源配線は、各画素回路に含まれる駆動トランジスタのドレイン電極と列毎に接続されている。   The gate wiring 140 is connected to the gate electrode of the switching transistor included in each pixel circuit for each row. The source wiring 150 is connected to the source electrode of the switching transistor for each column. The power supply wiring is connected to the drain electrode of the drive transistor included in each pixel circuit for each column.

図6に示すように、画素回路は、スイッチングトランジスタSwTrと、駆動トランジスタDrTrと、対応する画素120に表示するためのデータを記憶するキャパシタCとで構成される。本実施の形態において、スイッチングトランジスタSwTrは、画素120を選択するためのTFTであり、駆動トランジスタDrTrは、有機EL素子130を駆動するためのTFTである。   As shown in FIG. 6, the pixel circuit includes a switching transistor SwTr, a driving transistor DrTr, and a capacitor C that stores data to be displayed on the corresponding pixel 120. In the present embodiment, the switching transistor SwTr is a TFT for selecting the pixel 120, and the drive transistor DrTr is a TFT for driving the organic EL element 130.

スイッチングトランジスタSwTrは、ゲート配線140に接続されるゲート電極G1と、ソース配線150に接続されるソース電極S1と、キャパシタC及び第2薄膜トランジスタDrTrのゲート電極G2に接続されるドレイン電極D1と、酸化物半導体層(図示せず)とを備える。スイッチングトランジスタSwTrは、接続されたゲート配線140及びソース配線150に所定の電圧が印加されると、当該ソース配線150に印加された電圧がデータ電圧としてキャパシタCに保存される。   The switching transistor SwTr includes a gate electrode G1 connected to the gate wiring 140, a source electrode S1 connected to the source wiring 150, a drain electrode D1 connected to the capacitor C and the gate electrode G2 of the second thin film transistor DrTr, and an oxidation A physical semiconductor layer (not shown). In the switching transistor SwTr, when a predetermined voltage is applied to the connected gate wiring 140 and source wiring 150, the voltage applied to the source wiring 150 is stored in the capacitor C as a data voltage.

駆動トランジスタDrTrは、スイッチングトランジスタSwTrのドレイン電極D1及びキャパシタCに接続されるゲート電極G2と、電源配線160及びキャパシタCに接続されるドレイン電極D2と、有機EL素子130の陽極131に接続されるソース電極S2と、酸化物半導体層(図示せず)とを備える。駆動トランジスタDrTrは、キャパシタCが保持しているデータ電圧に対応する電流を電源配線160からソース電極S2を通じて有機EL素子130の陽極131に供給する。これにより、有機EL素子130では、陽極131から陰極133へと駆動電流が流れてEL層132が発光する。   The drive transistor DrTr is connected to the drain electrode D1 of the switching transistor SwTr and the gate electrode G2 connected to the capacitor C, the drain electrode D2 connected to the power supply wiring 160 and the capacitor C, and the anode 131 of the organic EL element 130. A source electrode S2 and an oxide semiconductor layer (not shown) are provided. The drive transistor DrTr supplies a current corresponding to the data voltage held by the capacitor C from the power supply wiring 160 to the anode 131 of the organic EL element 130 through the source electrode S2. Thereby, in the organic EL element 130, a drive current flows from the anode 131 to the cathode 133, and the EL layer 132 emits light.

なお、上記構成の有機EL表示装置100では、ゲート配線140とソース配線150との交差点に位置する画素120毎に表示制御を行うアクティブマトリクス方式が採用されている。これにより、各画素120におけるスイッチングトランジスタSwTr及び駆動トランジスタDrTrによって、対応する有機EL素子130が選択的に発光し、所望の画像が表示される。   Note that the organic EL display device 100 having the above configuration employs an active matrix system in which display control is performed for each pixel 120 located at the intersection of the gate wiring 140 and the source wiring 150. Thereby, the corresponding organic EL element 130 selectively emits light by the switching transistor SwTr and the drive transistor DrTr in each pixel 120, and a desired image is displayed.

以上、本実施の形態における有機EL表示装置100では、スイッチングトランジスタSwTr及び駆動トランジスタDrTrとして特性が安定した高い信頼性を有する薄膜トランジスタ1を用いているので、信頼性に優れた有機EL表示装置を実現できる。   As described above, in the organic EL display device 100 according to the present embodiment, the switching transistor SwTr and the driving transistor DrTr use the thin film transistor 1 having stable characteristics and high reliability. Therefore, an organic EL display device with excellent reliability is realized. it can.

<変形例>
以上、本発明に係る薄膜トランジスタについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。
<Modification>
As described above, the thin film transistor according to the present invention has been described based on the embodiment, but the present invention is not limited to the above embodiment.

例えば、上記実施の形態では、ゲート電極30、ゲート絶縁層40及び酸化物半導体層50が下から上にこの順で基板10上に積層されたボトムゲート型の薄膜トランジスタについて説明したが、これに限らない。   For example, in the above embodiment, a bottom-gate thin film transistor in which the gate electrode 30, the gate insulating layer 40, and the oxide semiconductor layer 50 are stacked on the substrate 10 in this order from the bottom is described. Absent.

例えば、図7に示すように、酸化物半導体層50、ゲート絶縁層40及びゲート電極30が下から上にこの順で基板10上に積層されたトップゲート型の薄膜トランジスタであってもよい。この場合、ソース電極70Sは、ゲート絶縁層40に形成されたコンタクトホールを介して酸化物半導体層50のソース領域(低抵抗化領域)50Sに接続される。また、ドレイン電極70Dは、ゲート絶縁層40に形成されたコンタクトホールを介して酸化物半導体層50のドレイン領域(低抵抗化領域)50Dに接続される。   For example, as illustrated in FIG. 7, a top-gate thin film transistor in which the oxide semiconductor layer 50, the gate insulating layer 40, and the gate electrode 30 are stacked on the substrate 10 in this order from the bottom may be used. In this case, the source electrode 70S is connected to the source region (low-resistance region) 50S of the oxide semiconductor layer 50 through a contact hole formed in the gate insulating layer 40. The drain electrode 70 </ b> D is connected to the drain region (low resistance region) 50 </ b> D of the oxide semiconductor layer 50 through a contact hole formed in the gate insulating layer 40.

このように、トップゲート型の薄膜トランジスタにすることによって、TFTサイズを小さくすることができるので高精細化が可能となる。また、この構成にすることによって、寄生容量の低減を図ることができる。   In this manner, by using a top-gate thin film transistor, the TFT size can be reduced, so that high definition can be achieved. In addition, this configuration can reduce the parasitic capacitance.

また、上記実施の形態において、酸化物半導体層50は、第2半導体層52と第1半導体層51との2層構造としたが、これに限るものではなく、例えば、3層構造にしてもよい。この場合、珪素濃度が低い第2半導体層52の上に、第2半導体層52よりも珪素濃度が高い第3半導体層を形成することができる。これにより、珪素濃度が高い第3半導体層によって、保護層60側からの水素の影響も抑制することができる。   In the above embodiment, the oxide semiconductor layer 50 has a two-layer structure including the second semiconductor layer 52 and the first semiconductor layer 51. However, the present invention is not limited to this. For example, the oxide semiconductor layer 50 may have a three-layer structure. Good. In this case, a third semiconductor layer having a silicon concentration higher than that of the second semiconductor layer 52 can be formed on the second semiconductor layer 52 having a low silicon concentration. Thereby, the influence of hydrogen from the protective layer 60 side can also be suppressed by the third semiconductor layer having a high silicon concentration.

また、酸化物半導体層50は、明確に複数層に分かれた積層構造でなくてもよく、厚み方向に珪素の濃度勾配を有するものであってもよい。この場合、例えば、酸化物半導体層50における珪素濃度は、ゲート絶縁層40側の界面(ゲート絶縁層40と酸化物半導体層50との界面)に近づくにつれて連続的に増加するように構成することができる。これにより、ゲート絶縁層40と酸化物半導体層50との界面における欠陥を低減することができるので、さらに優れた特性を有するTFTを実現することができる。   In addition, the oxide semiconductor layer 50 may not have a layered structure that is clearly divided into a plurality of layers, and may have a silicon concentration gradient in the thickness direction. In this case, for example, the silicon concentration in the oxide semiconductor layer 50 is configured to continuously increase as it approaches the interface on the gate insulating layer 40 side (interface between the gate insulating layer 40 and the oxide semiconductor layer 50). Can do. Accordingly, defects at the interface between the gate insulating layer 40 and the oxide semiconductor layer 50 can be reduced, so that a TFT having more excellent characteristics can be realized.

また、上記の実施の形態では、チャネル保護型の薄膜トランジスタとしたが、本発明は、チャネルエッチ型の薄膜トランジスタに適用してもよい。   In the above embodiment, the channel protective thin film transistor is described. However, the present invention may be applied to a channel etched thin film transistor.

また、上記の実施の形態では、n型チャネルの薄膜トランジスタとしたが、p型チャネルの薄膜トランジスタであってもよい。   In the above embodiment, an n-type channel thin film transistor is used. However, a p-type channel thin film transistor may be used.

また、上記実施の形態では、薄膜トランジスタを用いた表示装置として有機EL表示装置について説明したが、これに限らない。例えば、上記実施の形態における薄膜トランジスタは、液晶表示装置等の他の表示装置にも適用することもできる。   Moreover, in the said embodiment, although the organic electroluminescent display apparatus was demonstrated as a display apparatus using a thin-film transistor, it is not restricted to this. For example, the thin film transistor in the above embodiment can also be applied to other display devices such as a liquid crystal display device.

その他、各実施の形態及び変形例に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態及び変形例における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。   In addition, the form obtained by making various modifications conceived by those skilled in the art with respect to each embodiment and modification, and the components and functions in each embodiment and modification are arbitrarily set within the scope of the present invention. Forms realized by combining them are also included in the present invention.

本発明に係る薄膜トランジスタは、有機EL表示装置等のディスプレイ等、また、ディスプレイを用いた、テレビジョンセット、パーソナルコンピュータ、タブレット端末、携帯電話及びスマートフォン等、薄膜トランジスタを有する様々な電気機器に広く利用することができる。なお、ディスプレイは、複数のピクセルを含み、各ピクセルは複数のサブピクセルを含む。サブピクセルは、表示素子(有機ELディスプレイの場合は、有機EL素子)と、表示素子を駆動する駆動回路とを含む。一般に、各駆動回路は、少なくとも、選択トランジスタと駆動トランジスタを含む。この選択トランジスタ及び駆動トランジスタとして、上記の薄膜トランジスタを利用することができる。   The thin film transistor according to the present invention is widely used in various electric devices having a thin film transistor such as a display such as an organic EL display device, and a television set, a personal computer, a tablet terminal, a mobile phone, and a smartphone using the display. be able to. The display includes a plurality of pixels, and each pixel includes a plurality of subpixels. The subpixel includes a display element (in the case of an organic EL display, an organic EL element) and a drive circuit that drives the display element. Generally, each drive circuit includes at least a selection transistor and a drive transistor. The thin film transistor described above can be used as the selection transistor and the drive transistor.

1 薄膜トランジスタ
10 基板
20 アンダーコート層
30、G1、G2 ゲート電極
40 ゲート絶縁層
50 酸化物半導体層
51 第1半導体層
52 第2半導体層
60 保護層
70S、S1、S2 ソース電極
70D、D1、D2 ドレイン電極
100 有機EL表示装置
110 TFT基板
120 画素
130 有機EL素子
131 陽極
132 EL層
133 陰極
140 ゲート配線
150 ソース配線
160 電源配線
SwTr スイッチングトランジスタ
DrTr 駆動トランジスタ
C キャパシタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thin-film transistor 10 Substrate 20 Undercoat layer 30, G1, G2 Gate electrode 40 Gate insulating layer 50 Oxide semiconductor layer 51 First semiconductor layer 52 Second semiconductor layer 60 Protective layer 70S, S1, S2 Source electrode 70D, D1, D2 Drain Electrode 100 Organic EL display device 110 TFT substrate 120 Pixel 130 Organic EL element 131 Anode 132 EL layer 133 Cathode 140 Gate wiring 150 Source wiring 160 Power supply wiring SwTr Switching transistor DrTr Driving transistor C Capacitor

Claims (14)

ゲート電極と、
前記ゲート電極と対向する酸化物半導体層と、
前記ゲート電極と前記酸化物半導体層との間に配されたゲート絶縁層と、
前記酸化物半導体層に電気的に接続されたソース電極及びドレイン電極と、を備え、
前記酸化物半導体層は、少なくともインジウムと珪素を含む酸化物で構成され、第1領域と当該第1領域よりも前記ゲート絶縁層から離間した領域である第2領域とを有し、
前記第1領域は、前記第2領域よりも珪素濃度が高い、
薄膜トランジスタ。
A gate electrode;
An oxide semiconductor layer facing the gate electrode;
A gate insulating layer disposed between the gate electrode and the oxide semiconductor layer;
A source electrode and a drain electrode electrically connected to the oxide semiconductor layer,
The oxide semiconductor layer includes an oxide containing at least indium and silicon, and includes a first region and a second region that is a region farther from the gate insulating layer than the first region,
The first region has a higher silicon concentration than the second region.
Thin film transistor.
前記酸化物半導体層は、前記第1領域として形成された第1半導体層と、前記第2領域として形成された第2半導体層とを有する積層構造である、
請求項1に記載の薄膜トランジスタ。
The oxide semiconductor layer has a stacked structure including a first semiconductor layer formed as the first region and a second semiconductor layer formed as the second region.
The thin film transistor according to claim 1.
前記第1半導体層の珪素濃度は、6.5at%以上である、
請求項2に記載の薄膜トランジスタ。
The silicon concentration of the first semiconductor layer is 6.5 at% or more.
The thin film transistor according to claim 2.
前記第1半導体層の珪素濃度は、11.7at%以上である、
請求項2に記載の薄膜トランジスタ。
The silicon concentration of the first semiconductor layer is 11.7 at% or more.
The thin film transistor according to claim 2.
前記第2半導体層の珪素濃度は、6.5at%未満である、
請求項2〜4のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。
The silicon concentration of the second semiconductor layer is less than 6.5 at%.
The thin-film transistor of any one of Claims 2-4.
前記酸化物半導体層の珪素濃度は、前記酸化物半導体層に含有される水素濃度よりも高い、
請求項2〜5のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。
The silicon concentration of the oxide semiconductor layer is higher than the hydrogen concentration contained in the oxide semiconductor layer.
The thin film transistor according to any one of claims 2 to 5.
前記第1半導体層の膜厚は、5nm以上である、
請求項2〜5のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。
The film thickness of the first semiconductor layer is 5 nm or more.
The thin film transistor according to any one of claims 2 to 5.
前記第2半導体層の膜厚は、15nm以上である、
請求項2〜7のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。
The film thickness of the second semiconductor layer is 15 nm or more.
The thin film transistor according to any one of claims 2 to 7.
前記酸化物半導体層の膜厚は、20nm以上である、
請求項1〜8のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。
The oxide semiconductor layer has a thickness of 20 nm or more.
The thin film transistor according to any one of claims 1 to 8.
前記酸化物半導体層における珪素濃度は、前記ゲート絶縁層側の界面に近づくにつれて連続的に増加している、
請求項1に記載の薄膜トランジスタ。
The silicon concentration in the oxide semiconductor layer continuously increases as it approaches the interface on the gate insulating layer side,
The thin film transistor according to claim 1.
前記ゲート電極、前記ゲート絶縁層及び前記酸化物半導体層が、この順番で基板上に積層されており、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記酸化物半導体層の上方に形成される、
請求項1〜10のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。
The gate electrode, the gate insulating layer, and the oxide semiconductor layer are stacked on the substrate in this order,
The source electrode and the drain electrode are formed above the oxide semiconductor layer.
The thin-film transistor of any one of Claims 1-10.
さらに、前記酸化物半導体層上に保護層を備える、
請求項11に記載の薄膜トランジスタ。
Furthermore, a protective layer is provided on the oxide semiconductor layer,
The thin film transistor according to claim 11.
前記酸化物半導体層、前記ゲート絶縁層及び前記ゲート電極が、この順番で基板上に積層されており、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記ゲート絶縁層に形成されたコンタクトホールを介して前記酸化物半導体層に接続されている、
請求項1〜10のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ。
The oxide semiconductor layer, the gate insulating layer, and the gate electrode are stacked on the substrate in this order,
The source electrode and the drain electrode are connected to the oxide semiconductor layer through a contact hole formed in the gate insulating layer.
The thin-film transistor of any one of Claims 1-10.
ゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極と対向する酸化物半導体層を形成する工程と、
前記ゲート電極と前記酸化物半導体層との間にゲート絶縁層を形成する工程と、
前記酸化物半導体層に電気的に接続されたソース電極及びドレイン電極を形成する工程とを含み、
前記酸化物半導体層は、少なくともインジウムと珪素を含む酸化物で構成され、第1領域と当該第1領域よりも前記ゲート絶縁層から離間した領域である第2領域とを有し、
前記第1領域は、前記第2領域よりも珪素濃度が高い、
薄膜トランジスタの製造方法。
Forming a gate electrode;
Forming an oxide semiconductor layer facing the gate electrode;
Forming a gate insulating layer between the gate electrode and the oxide semiconductor layer;
Forming a source electrode and a drain electrode electrically connected to the oxide semiconductor layer,
The oxide semiconductor layer includes an oxide containing at least indium and silicon, and includes a first region and a second region that is a region farther from the gate insulating layer than the first region,
The first region has a higher silicon concentration than the second region.
A method for manufacturing a thin film transistor.
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