JP2018006412A - Semiconductor device - Google Patents

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原 明人
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明人 原
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-performance CMOS inverter and CMOS circuit on a flexible substrate.SOLUTION: Provided is a CMOS inverter and CMOS circuit that consists of a TFT and that is provided on a flexible substrate. At least a p-channel TFT is a coupling type planar double gate structure poly-Ge TFT that has a gate electrode and a gate insulating film on an upper surface and a lower surface of the channel, or a four-terminal structure poly-Ge TFT whose upper and lower gate electrodes operate independently of each other.SELECTED DRAWING: Figure 12

Description

本発明は、フレキシブルエレクトロニクス・ウェアラブルエレクトロニクスを実現するための半導体技術分野に関し、特に変形可能なフレキシブル基板上に高性能な相補型金属酸化物半導体(CMOS)回路を形成するための技術に関する。 The present invention relates to the field of semiconductor technology for realizing flexible electronics and wearable electronics, and more particularly to technology for forming a high-performance complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuit on a deformable flexible substrate.

近時では、次世代のエレクトロニクスとしてフレキシブルエレクトロニクス・ウェアラブルエレクトロニクスが注目されている。 Recently, flexible electronics and wearable electronics are attracting attention as next-generation electronics.

従来、これらの技術の実現に必要なデバイスとして有機半導体からなる薄膜トランジスタ(TFT)や酸化物半導体からなるTFTが注目されてきた。これらのデバイスは低温で形成可能であることに特徴を有し、したがって変形可能なプラスチック上にTFTを形成することが可能である。 Conventionally, thin film transistors (TFTs) made of organic semiconductors and TFTs made of oxide semiconductors have attracted attention as devices necessary for realizing these technologies. These devices are characterized by being capable of being formed at low temperatures, and thus can form TFTs on deformable plastics.

しかし、これらの半導体を利用したTFTは、有機TFTはpチャネル(p-ch)、酸化物TFTはnチャネル(n-ch)となる。従って、同一材料でのCMOS回路の形成が難しい。そのため、一般的には異なる半導体材料を利用したハイブリッドCMOSが利用される。 However, TFTs using these semiconductors are p-channel (p-ch) for organic TFTs and n-channel (n-ch) for oxide TFTs. Therefore, it is difficult to form a CMOS circuit with the same material. Therefore, a hybrid CMOS using different semiconductor materials is generally used.

チャネルの上面と下面にゲート電極を有し、該電極が連結されている平面型ダブルゲート低温多結晶ゲルマニウム(poly-Ge) TFT をp-ch のTFTとすることを特徴としたフレキシブル基板上のCMOSインバータおよびCMOS回路。 A planar double-gate low-temperature polycrystalline germanium (poly-Ge) TFT having gate electrodes on the upper and lower surfaces of the channel and connected to the electrodes is a p-ch TFT. CMOS inverter and CMOS circuit.

あるいは、チャネルの上面と下面のゲート電極を独立に動作させることをならしめる四端子平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTをp-chのTFTとすることを特徴とするフレキシブル基板上のCMOSインバータおよびCMOS回路。 Alternatively, a CMOS inverter on a flexible substrate, characterized in that a four-terminal planar double-gate low-temperature poly-Ge TFT that makes the upper and lower gate electrodes operate independently is a p-ch TFT, and CMOS circuit.

近時では、次世代のエレクトロニクスとしてフレキシブルエレクトロニクス・ウェアラブルエレクトロニクスが注目されている。従来、これらの技術の実現に必要なデバイスとして有機半導体からなるTFTや酸化物半導体からなるTFTが注目されてきた。これらのデバイスは低温で形成可能であることに特徴を有し、したがって、変形可能なプラスチック上にTFTを形成することを可能ならしめる。しかし、これらの半導体を利用したTFTは、有機TFTはp-ch、酸化物TFTはn-chのみしか駆動できない。従って、同一材料でCMOS回路の形成が不可能である。そのため、一般的には異なる半導体材料を利用したハイブリッドCMOSを利用する。 Recently, flexible electronics and wearable electronics are attracting attention as next-generation electronics. Conventionally, TFTs made of organic semiconductors and oxide semiconductors have attracted attention as devices necessary for realizing these technologies. These devices are characterized by being able to be formed at low temperatures, thus making it possible to form TFTs on deformable plastics. However, TFTs using these semiconductors can only drive p-ch organic TFTs and n-ch oxide TFTs. Therefore, it is impossible to form a CMOS circuit with the same material. Therefore, a hybrid CMOS using different semiconductor materials is generally used.

しかし、ハイブリッドCMOSを形成する場合、n-chとp-chの両方の電流駆動能力を揃えることが難しい。例えば、n-chの酸化物TFTは移動度 5 cm2/Vs程度を有するものの、p-chの有機TFTは移動度0.5 cm2/Vs程度である。 However, when forming a hybrid CMOS, it is difficult to align both n-ch and p-ch current drive capabilities. For example, an n-ch oxide TFT has a mobility of about 5 cm 2 / Vs, while a p-ch organic TFT has a mobility of about 0.5 cm 2 / Vs.

本発明は、フレキシブル基板上に形成されたTFTからなるCMOSインバータおよびCMOS回路において、少なくともp-chのTFTが平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTを利用していることに大きな特徴を有する。 The present invention is characterized in that, in a CMOS inverter and a CMOS circuit made of TFTs formed on a flexible substrate, at least p-ch TFTs use planar double gate low-temperature poly-Ge TFTs.

50 nm以下の結晶粒径を有するpoly-Ge薄膜は強いp型を示すことが知られている。しかも、発生する正孔の濃度は非常に高く、TFTを動作させた場合、多量の正孔に起因した大きなリーク電流を発生する。このため、TFT動作時のオンオフ比を大きくすることが難しい。しかし、Geは非常に高い正孔移動度を有し、優れたp-ch TFTの特性を期待できるという点で魅力的な材料である。 It is known that a poly-Ge thin film having a crystal grain size of 50 nm or less exhibits a strong p-type. Moreover, the concentration of generated holes is very high, and when the TFT is operated, a large leakage current due to a large amount of holes is generated. For this reason, it is difficult to increase the on / off ratio during TFT operation. However, Ge is an attractive material in that it has a very high hole mobility and can be expected to have excellent p-ch TFT characteristics.

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、チャネルの上面と下面にゲート電極とゲート絶縁膜を有する連結平面型ダブルゲート構造、あるいはチャネルの上面と下面にゲート電極とゲート絶縁膜を有し、該ゲート電極が独立に動作する四端子平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTを少なくともp-chのTFTとして使用することに特徴を有するフレキシブル基板上のCMOSインバータおよびCMOS回路に関する。 The present invention has been made in view of the above problems, and is a connected planar double gate structure having a gate electrode and a gate insulating film on the upper and lower surfaces of the channel, or a gate electrode and a gate insulating film on the upper and lower surfaces of the channel. The present invention relates to a CMOS inverter and a CMOS circuit on a flexible substrate, characterized in that a four-terminal planar double-gate low-temperature poly-Ge TFT having a gate electrode independently operating is used as at least a p-ch TFT.

本発明者は、鋭意検討の結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。 As a result of intensive studies, the present inventor has conceived the following aspects of the invention.

少なくともp-chのTFTは、チャネルの上面と下面にゲート電極とゲート絶縁膜を有し、該電極が連結された構造を有する平面型ダブルゲート構造からなる低温poly-Ge TFTであることを特徴とするフレキシブル基板上のCMOSインバータおよびCMOS回路。 At least the p-ch TFT is a low-temperature poly-Ge TFT having a planar double gate structure having a gate electrode and a gate insulating film on the upper and lower surfaces of the channel and a structure in which the electrodes are connected. CMOS inverter and CMOS circuit on flexible board.

あるいは、少なくともp-chのTFTは、チャネルの上面と下面にゲート電極とゲート絶縁膜を有し、該ゲート電極が独立に動作する四端子構造を有する平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTであることを特徴とするフレキシブル基板上のCMOSインバータおよびCMOS回路。 Alternatively, at least the p-ch TFT is a planar double-gate low-temperature poly-Ge TFT having a gate electrode and a gate insulating film on the upper and lower surfaces of the channel and having a four-terminal structure in which the gate electrode operates independently. A CMOS inverter and a CMOS circuit on a flexible substrate.

以下、詳説する。 The details will be described below.

フレキシブル基板上に形成されるp-ch TFTを実現する半導体は、有機半導体などが検討されているが、移動度は0.5 cm2/Vs程度と低く、さらに安定性・信頼性に乏しい。しかし、プラスチックなどのフレキシブル基板上に半導体デバイスを形成するためには低温プロセスが必須である。有機半導体は低温で形成が可能なことから、プラスチック上のTFTの最有力候補となっている。 Organic semiconductors have been studied as semiconductors that realize p-ch TFTs formed on flexible substrates, but their mobility is as low as about 0.5 cm 2 / Vs, and stability and reliability are poor. However, a low temperature process is indispensable for forming a semiconductor device on a flexible substrate such as plastic. Organic semiconductors are the best candidates for TFTs on plastics because they can be formed at low temperatures.

これに対して、本発明は、連結平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTあるいは四端子平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTをp-ch TFTとして利用することに特徴を有する。GeはSiよりも移動度が大きく、また融点が400℃低いことから、高い移動度を維持したまま、プロセス温度、特に結晶化のプロセス温度をSiに比べ低温化できる。 On the other hand, the present invention is characterized in that a coupled planar double-gate low-temperature poly-Ge TFT or a four-terminal planar double-gate low-temperature poly-Ge TFT is used as a p-ch TFT. Since Ge has a higher mobility than Si and a melting point of 400 ° C., the process temperature, particularly the crystallization process temperature, can be lowered compared to Si while maintaining a high mobility.

低温プロセスで結晶化したGeは結晶粒径が小さい。一般的に、粒径 50 nm以下の結晶粒を有すpoly-Ge薄膜は強いp型を示すことが知られている。発生する正孔の濃度は非常に高く、通常のトップあるいはボトムのTFT構造で動作させた場合、多量の正孔に起因した大きなリーク電流を発生する。このため、TFT動作時のオンオフ比を大きくすることが難しく、良好なCMOS回路を形成することに困難を伴う。 Ge crystallized by a low temperature process has a small crystal grain size. In general, it is known that a poly-Ge thin film having crystal grains with a grain size of 50 nm or less exhibits a strong p-type. The concentration of generated holes is very high, and when a normal top or bottom TFT structure is operated, a large leakage current is generated due to a large amount of holes. For this reason, it is difficult to increase the on / off ratio during TFT operation, and it is difficult to form a good CMOS circuit.

このpoly-Ge TFTの問題に対して、本特許は、フレキシブル基板上のCMOSインバータおよびCMOS回路を構成する少なくともp-chのTFTが、チャネルの上面と下面にゲート電極とゲート絶縁膜を有する連結平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFT、あるいはチャネルの上面と下面にゲート電極とゲート絶縁膜を有し該ゲート電極が独立に動作する四端子平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTであることに特徴を有する。 To address this problem of poly-Ge TFTs, this patent describes a CMOS inverter on a flexible substrate and at least a p-ch TFT that constitutes a CMOS circuit, with a gate electrode and a gate insulating film on the upper and lower surfaces of the channel. It is a flat double-gate low-temperature poly-Ge TFT, or a four-terminal flat double-gate low-temperature poly-Ge TFT that has a gate electrode and a gate insulating film on the upper and lower surfaces of the channel and operates independently. Have

本デバイス構造を有するpoly-Ge TFTでは、poly-Ge 膜厚を20 nm以下に設定した場合、2000以上の高いオンオフ比を実現することが可能である。加えて、50 nm以下の小さい結晶粒径であっても、移動度20 cm2/Vs以上の高い性能を実現することが可能である。 A poly-Ge TFT with this device structure can achieve a high on / off ratio of 2000 or more when the poly-Ge film thickness is set to 20 nm or less. In addition, even with a small crystal grain size of 50 nm or less, it is possible to achieve high performance with a mobility of 20 cm 2 / Vs or more.

またGeはSiよりも融点が400℃低いことから、プロセス温度、特に結晶化のプロセス温度をSiに比較して低温化できる。従って、プラスチックなどのフレキシブル基板上へのCMOS回路の形成が可能になる。 Since Ge has a melting point 400 ° C. lower than that of Si, the process temperature, particularly the crystallization process temperature, can be lowered compared to Si. Therefore, a CMOS circuit can be formed on a flexible substrate such as plastic.

本発明によれば、フレキシブル基板上に2000以上の高いオンオフ比、移動度20 cm/Vs以上を有する低温p-ch poly-Ge TFTを低温プロセスで形成することが可能になり、プラスチックなどのフレキシブル基板上に高性能なCMOSインバータおよびCMOS回路の実現が可能になる。 According to the present invention, a low-temperature p-ch poly-Ge TFT having a high on-off ratio of 2000 or more and a mobility of 20 cm 2 / Vs or more can be formed on a flexible substrate by a low-temperature process. A high-performance CMOS inverter and CMOS circuit can be realized on a flexible substrate.

第1の実施例として、チャネルの上面と下面のゲート電極を連結したガラス上のp-ch 連結平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTの形成プロセスとその特性について詳述する。図1は、デバイス構造の簡単な断面概略図である。ゲート電極2,6はチャネル上下に設けられており、その位置は相互に一致している。 As a first embodiment, the formation process and characteristics of a p-ch coupled planar double gate low-temperature poly-Ge TFT on glass in which gate electrodes on the upper and lower surfaces of the channel are coupled will be described in detail. FIG. 1 is a simplified cross-sectional schematic view of a device structure. The gate electrodes 2 and 6 are provided above and below the channel, and their positions coincide with each other.

まず、第1の工程としてガラス基板1の上層にボトムゲート電極となるボトムゲートメタルをスパッタリングにより成膜する。ここではMoを採用した。次に、フォトリソグラフィとウェットエッチングにより、ボトムメタルゲート2の形状に加工する。 First, as a first step, a bottom gate metal serving as a bottom gate electrode is formed on the glass substrate 1 by sputtering. Mo was adopted here. Next, the shape of the bottom metal gate 2 is processed by photolithography and wet etching.

次に、プラズマCVDによりゲート絶縁膜3を形成する。ここでは厚さ30 nmのSiO2を利用している。 Next, the gate insulating film 3 is formed by plasma CVD. Here, SiO 2 having a thickness of 30 nm is used.

引き続いて非晶質Ge薄膜をスパッタリングを用いて厚さ15 nm成膜する。続いてフォトリソグラフィとウェットエッチングにより非晶質Geのトランジスタアイランド4を形成したのち、銅(Cu)を表面に付着させる。本工程では、Cuを含んだ溶液中に基板を浸すことにより非晶質Geトランジスタアイランドの表面上にCuを付着させた。 Subsequently, an amorphous Ge thin film is formed to a thickness of 15 nm by sputtering. Subsequently, after an amorphous Ge transistor island 4 is formed by photolithography and wet etching, copper (Cu) is attached to the surface. In this step, Cu was deposited on the surface of the amorphous Ge transistor island by immersing the substrate in a solution containing Cu.

引き続いて、スピンオングラス(SOG)を利用してSiO2膜を塗布後、乾燥させる。 Subsequently, a SiO 2 film is applied using spin-on glass (SOG) and then dried.

次に、350℃において真空中で10時間の熱処理を施す。これによりCuを触媒に利用した非晶質Geトランジスタアイランドの金属誘起固相成長を行い、非晶質Geトランジスタアイランドをpoly-Geトランジスタアイランド44に変化させる。 Next, heat treatment is performed in vacuum at 350 ° C. for 10 hours. As a result, metal-induced solid phase growth of amorphous Ge transistor islands using Cu as a catalyst is performed, and the amorphous Ge transistor islands are changed to poly-Ge transistor islands 44.

引き続いて、SOG酸化膜をHFにて除去し、プラズマCVDによりトップゲート絶縁膜5を形成する。ここではゲート酸化膜を30 nm形成した。 Subsequently, the SOG oxide film is removed by HF, and the top gate insulating film 5 is formed by plasma CVD. Here, a 30 nm gate oxide film was formed.

その後、トップのメタルゲートとボトムのメタルゲートを接続するためのゲートコンタクトホールを反応性イオンエッチングにより形成する。 Thereafter, a gate contact hole for connecting the top metal gate and the bottom metal gate is formed by reactive ion etching.

引き続いてトップゲートメタルをスパッタリングにより形成する。ここではMoを利用した。次に、その上層にポジのレジストを塗布する。 Subsequently, a top gate metal is formed by sputtering. Mo was used here. Next, a positive resist is applied to the upper layer.

続いて、背面露光を利用してボトムのメタルゲートをマスクとしてトップのメタルゲート上のレジストをボトムゲートに対して自己整合的に露光する。その後、不要な部分のMoをエッチングし、ボトムゲートに自己整合的にトップゲートメタル6を形成する。 Subsequently, using the back exposure, the resist on the top metal gate is exposed in a self-aligned manner with respect to the bottom gate using the bottom metal gate as a mask. Thereafter, unnecessary portions of Mo are etched, and the top gate metal 6 is formed in a self-aligned manner with the bottom gate.

引き続いて層間絶縁膜を形成後、コンタクトホールを形成、電極を形成してTFTの完成である。プロセスの最高温度は350℃である。 Subsequently, an interlayer insulating film is formed, contact holes are formed, electrodes are formed, and the TFT is completed. The maximum temperature of the process is 350 ° C.

作成した連結平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTの断面TEM写真を図3に示す。Poly-Geの結晶粒径は30 nm程度であり、poly-Geの膜厚は15 nm程度である。図1に完成したTFTの概略断面図を示す。 FIG. 3 shows a cross-sectional TEM photograph of the created connection plane type double gate low temperature poly-Ge TFT. The crystal grain size of Poly-Ge is about 30 nm, and the film thickness of poly-Ge is about 15 nm. FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of the completed TFT.

トランスファ特性を図4に示す。また、出力特性を図5に示す。 The transfer characteristics are shown in FIG. The output characteristics are shown in FIG.

TFT特性を解析した結果、オンオフ比は2000を超え、移動度は 20 cm2/Vsであることが明らかになった。本特性は、レーザを使って結晶化した低温多結晶シリコンTFTのp-ch TFTに迫る優れた性能である。 As a result of analyzing the TFT characteristics, it was found that the on / off ratio exceeded 2000 and the mobility was 20 cm 2 / Vs. This characteristic is superior to the p-ch TFT of low-temperature polycrystalline silicon TFT crystallized using a laser.

第2の実施例として、プラスチック基板上に連結平面型ダブルゲート酸化物TFTと連結平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTを形成するプロセスについて説明する。図6にデバイスの完成断面概略図を示す。ここで、連結平面型ダブルゲート酸化物TFTはn-ch TFTとして利用する。また連結平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTはp-chとして利用する。 As a second embodiment, a process of forming a connecting planar double gate oxide TFT and a connecting planar double gate low-temperature poly-Ge TFT on a plastic substrate will be described. FIG. 6 shows a completed cross-sectional schematic view of the device. Here, the coupled planar double gate oxide TFT is used as an n-ch TFT. The coupled planar double gate low-temperature poly-Ge TFT is used as a p-ch.

初めにガラス基板上にポリイミド7を塗布し、乾燥熱処理後、その上層にバッファー層SiO29をプラズマCVDにて形成する。ここでは、バッファー層SiO2を300 nm成長した。 First, polyimide 7 is applied on a glass substrate, and after drying and heat treatment, a buffer layer SiO 2 9 is formed thereon by plasma CVD. Here, the buffer layer SiO 2 was grown to 300 nm.

続いて両TFTのボトムゲート電極となるボトムゲートメタルをスパッタリングにより成膜する。ここではMoを成膜した。次に、poly-Ge TFTと酸化物TFTのボトムゲートメタル電極2をフォトリソグラフィ工程とウェットエッチングにより形成する。 Subsequently, a bottom gate metal to be a bottom gate electrode of both TFTs is formed by sputtering. Here, Mo was deposited. Next, a bottom gate metal electrode 2 of poly-Ge TFT and oxide TFT is formed by a photolithography process and wet etching.

引き続いて、プラズマCVDを利用してボトムゲート絶縁膜3を形成する。ここでは厚さ30 nmのSiO2膜をプラズマCVDにて形成した。ここまでの工程の概略図を図7に示す。 Subsequently, the bottom gate insulating film 3 is formed using plasma CVD. Here, a 30 nm thick SiO 2 film was formed by plasma CVD. A schematic diagram of the steps so far is shown in FIG.

引き続いて、poly-Ge TFTの形成領域にレジストマスクを形成後、酸化物半導体をスパッタリングにより厚さ20 nm堆積する。続いてフォトリソグラフィとウェットエッチングにより酸化物TFTのトランジスタアイランド8を形成する。ここまでの工程の概略図を図8に示す。なお、ここでは酸化物半導体としてIGZO(In-Ga-Zn-O)を利用した。 Subsequently, after forming a resist mask in the formation region of the poly-Ge TFT, an oxide semiconductor is deposited to a thickness of 20 nm by sputtering. Subsequently, an oxide TFT transistor island 8 is formed by photolithography and wet etching. A schematic diagram of the steps so far is shown in FIG. Note that here, IGZO (In-Ga-Zn-O) was used as the oxide semiconductor.

続いて、poly-Ge TFTの領域のレジストを剥離後、酸化物TFTトランジスタアイランド8
の領域にレジストによる保護膜を形成する。
Subsequently, after removing the resist in the poly-Ge TFT region, the oxide TFT transistor island 8
A protective film made of resist is formed in the region.

引き続いて、スパッタリング法により非晶質Ge薄膜を形成する。ここでは15 nmの非晶質Ge薄膜を成長した。続いてフォトリソグラフィとウェットエッチングにより非晶質Geトランジスタアイランド4を形成する。ここまでの工程の概略図を図9に示す。 Subsequently, an amorphous Ge thin film is formed by sputtering. Here, a 15 nm amorphous Ge thin film was grown. Subsequently, an amorphous Ge transistor island 4 is formed by photolithography and wet etching. A schematic diagram of the steps so far is shown in FIG.

酸化物半導体領域のレジストを剥離後、銅(Cu)を非晶質Geトランジスタアイランド4上とIGZOトランジスタアイランド8上に付着させる。本工程では、Cuを含んだ溶液中に基板を浸すことによりCuを付着させた。ここまでの工程の概略図を図10に示す。 After removing the resist in the oxide semiconductor region, copper (Cu) is deposited on the amorphous Ge transistor island 4 and the IGZO transistor island 8. In this step, Cu was deposited by immersing the substrate in a solution containing Cu. A schematic diagram of the steps so far is shown in FIG.

次に, 非晶質Geトランジスタアイランド4上とIGZOトランジスタアイランド8上にスピンオングラス溶液を利用してスピンコートによりSiO2膜を塗布し乾燥させる。 Next, a SiO 2 film is applied on the amorphous Ge transistor island 4 and the IGZO transistor island 8 by spin coating using a spin-on-glass solution and dried.

続いて、真空中で350℃10時間の熱処理により非晶質Geトランジスタアイランド4をpoly-Geトランジスタアイランド44に結晶化させる。ここまでの工程の概略図を図11に示す。 Subsequently, the amorphous Ge transistor island 4 is crystallized into a poly-Ge transistor island 44 by heat treatment at 350 ° C. for 10 hours in a vacuum. A schematic diagram of the steps so far is shown in FIG.

次に、SOG酸化膜をHFにて除去後、プラズマCVDによりトップゲート絶縁膜5を形成する。ここでは30 nmのSiO2をプラズマCVDで形成した。 Next, after removing the SOG oxide film with HF, the top gate insulating film 5 is formed by plasma CVD. Here, 30 nm of SiO 2 was formed by plasma CVD.

引き続いて、両TFTに対してトップのメタルとボトムのメタルを連結するためのゲートコンタクトホールを形成したのち、トップのメタルを形成する。ここではスパッタリングによりMoを形成した。引き続いてポジのレジストを塗布する。 Subsequently, after forming a gate contact hole for connecting the top metal and the bottom metal to both TFTs, the top metal is formed. Here, Mo was formed by sputtering. Subsequently, a positive resist is applied.

次に背面露光を利用し、poly-Ge TFTおよびIGZO TFTのトップメタルゲート上のレジストをボトムメタルゲートをマスクにしてボトムゲートに対して自己整合的に露光する。その後、不要な部分のMoをエッチングし、ボトムゲートメタルに自己整合的にトップゲートメタル6を形成する。 Next, using back exposure, the resist on the top metal gate of poly-Ge TFT and IGZO TFT is exposed to the bottom gate in a self-aligned manner using the bottom metal gate as a mask. Thereafter, unnecessary portions of Mo are etched to form the top gate metal 6 in a self-aligned manner with the bottom gate metal.

層間絶縁膜の形成に引き続いて、コンタクトホールを形成し、CMOS用のメタル電極を形成し、CMOSの完成である。図12に完成後のCMOSの断面図を示す。 Following the formation of the interlayer insulating film, contact holes are formed, metal electrodes for CMOS are formed, and CMOS is completed. FIG. 12 shows a cross-sectional view of the completed CMOS.

以上のごとく、チャネルの上面と下面にゲート電極とゲート絶縁膜を有する連結平面型ダブルゲート構造からなる低温poly-Ge TFTをp-chとするフレキシブル基板上のCMOSを形成することが可能である。 As described above, it is possible to form a CMOS on a flexible substrate using a low-temperature poly-Ge TFT having a gate-electrode and gate insulating film on the upper and lower surfaces of a channel and a low-temperature poly-Ge TFT having a p-ch as a p-ch. .

結果として、TFTからなるCMOSインバータおよびCMOS回路であって、少なくともp-chのTFTはチャネルの上面と下面にゲート電極とゲート絶縁膜を有する平面型ダブルゲート構造からなる低温poly-Ge TFTであることを特徴とするフレキシブル基板上のCMOSインバータおよびCMOS回路を形成することが可能である。 As a result, the TFT is a CMOS inverter and a CMOS circuit, and at least the p-ch TFT is a low-temperature poly-Ge TFT having a planar double gate structure having a gate electrode and a gate insulating film on the upper and lower surfaces of the channel. It is possible to form a CMOS inverter and a CMOS circuit on a flexible substrate.

また、p-ch TFTは、本実施例で示した連結平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTに限定したものではなく、上下のゲートが独立に動作する四端子平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTであってもよい。 The p-ch TFT is not limited to the coupled planar double gate low-temperature poly-Ge TFT shown in this embodiment, but a four-terminal planar double-gate low-temperature poly-Ge TFT in which the upper and lower gates operate independently. It may be.

なお、n-ch TFTは酸化物に限定したものではなく、Siや他の半導体材料でも良い。 Note that the n-ch TFT is not limited to an oxide, but may be Si or another semiconductor material.

また、n-ch TFTは連結型ダブルゲート構造に限定したものではなく、トップゲート構造、あるいはボトムゲート構造、あるいは上下のゲート電極が独立に動作する四端子構造でも良い。 The n-ch TFT is not limited to a coupled double gate structure, but may be a top gate structure, a bottom gate structure, or a four-terminal structure in which upper and lower gate electrodes operate independently.

また、フレキシブル基板はプラスチックのポリイミドに限定したものではない。 The flexible substrate is not limited to plastic polyimide.

さらに、Geの結晶化に利用する金属はCuに限らず、Au, Al, CoなどGeの結晶化を低温で促進する効果がある金属であれば良い。

Further, the metal used for crystallization of Ge is not limited to Cu, but may be any metal such as Au, Al, Co that has an effect of promoting the crystallization of Ge at a low temperature.

連結平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTの完成断面概略図。Schematic drawing of completed cross section of connected planar double gate low temperature poly-Ge TFT. 連結平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTの断面概略図。非晶質Ge形成後の断面図。Schematic cross-section of a coupled planar double gate low temperature poly-Ge TFT. Sectional drawing after amorphous Ge formation. 作製した連結平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTのチャネル部の断面TEM写真。A cross-sectional TEM photograph of the channel portion of the fabricated coupled planar double gate low temperature poly-Ge TFT. 作製した連結平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTのトランスファ特性。Transfer characteristics of the fabricated coupled planar double gate low temperature poly-Ge TFT. 作製した連結平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTの出力特性。Output characteristics of the fabricated coupled planar double gate low temperature poly-Ge TFT. P-ch TFTとして連結平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTを有する連結平面型ダブルゲート酸化物n-ch TFTとのプラスチック基板上ハイブリッドCMOS。Hybrid CMOS on plastic substrate with connected planar double gate oxide n-ch TFT with connected planar double gate low temperature poly-Ge TFT as P-ch TFT. ボトムゲート酸化膜を形成後の連結平面型ダブルゲート酸化物n-ch TFTとのプラスチック基板上ハイブリッドCMOS。Hybrid CMOS on plastic substrate with connected planar double gate oxide n-ch TFT after bottom gate oxide formation. 酸化物半導体を形成後の連結平面型ダブルゲート酸化物n-ch TFTとのプラスチック基板上ハイブリッドCMOS。Hybrid CMOS on plastic substrate with connected planar double gate oxide n-ch TFT after oxide semiconductor formation. アモルファスGe形成後の連結平面型ダブルゲート酸化物n-ch TFTとのハイブリッドCMOS。Hybrid CMOS with connected planar double gate oxide n-ch TFT after amorphous Ge formation. 半導体表面にCuを吸着Adsorb Cu on semiconductor surface アモルファスGeがpoly-Geに変化した後の連結平面型ダブルゲート酸化物n-ch TFTとのプラスチック基板上ハイブリッドCMOSHybrid CMOS on plastic substrate with coupled planar double gate oxide n-ch TFT after amorphous Ge changed to poly-Ge トップゲート酸化膜形成後、トップゲートメタルをスパッタリングにより形成。ポジレジストを塗布後、背面露光によりボトムメタルゲートに対して自己整合的にトップゲート電極を形成した連結平面型ダブルゲート酸化物n-ch TFTとのプラスチック基板上ハイブリッドCMOS。After top gate oxide film is formed, top gate metal is formed by sputtering. Hybrid CMOS on plastic substrate with connected planar double gate oxide n-ch TFT with top gate electrode formed in self-alignment with bottom metal gate by back exposure after applying positive resist.

1. ガラス基板
2. ボトムメタルゲート
3. ボトムゲート酸化膜
4. 非晶質Ge薄膜
44.Poly-Ge薄膜
5. トップゲート酸化膜
6. トップメタルゲート
7. ポリイミド
8. 酸化物半導体
9. バッファー層



























1. 1. Glass substrate 2. Bottom metal gate 3. Bottom gate oxide film Amorphous Ge thin film 44. 4. Poly-Ge thin film 5. Top gate oxide film 6. Top metal gate Polyimide 8. 8. Oxide semiconductor Buffer layer



























Claims (8)

薄膜トランジスタ(TFT)からなるCMOSインバータおよびCMOS回路であって、少なくともpチャネルのTFTはチャネルの上面と下面に自己整合的に形成されたゲート電極とゲート絶縁膜を有する平面型ダブルゲート構造からなる低温多結晶ゲルマニウム(poly-Ge)TFTであることを特徴とするフレキシブル基板上のCMOSインバータおよびCMOS回路。 A CMOS inverter and a CMOS circuit comprising a thin film transistor (TFT), at least a p-channel TFT having a planar double gate structure having a gate electrode and a gate insulating film formed in a self-aligned manner on the upper and lower surfaces of the channel. A CMOS inverter and a CMOS circuit on a flexible substrate, characterized by being polycrystalline germanium (poly-Ge) TFT. 上面と下面のゲート電極が連結されている平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTであることを特徴とする請求項1項。 2. The planar double-gate low-temperature poly-Ge TFT in which upper and lower gate electrodes are connected to each other. 上面と下面のゲート電極は独立に動作する四端子構造の平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTであることを特徴と有する請求項1項。 2. The planar double-gate low-temperature poly-Ge TFT having a four-terminal structure in which the upper and lower gate electrodes are independently operated. Poly-Ge薄膜の結晶粒径は、50 nm以下であることを特徴とする請求項1−3項。 The crystal grain size of the Poly-Ge thin film is 50 nm or less. Poly-Ge薄膜の膜厚は、20 nm以下であることを特徴とする請求項1−4項。 The film thickness of the Poly-Ge thin film is 20 nm or less. Poly-Ge薄膜は、固相成長・金属誘起固相成長・レーザ結晶化・高温ガス噴射技術・ランプ加熱・フラッシュランプアニールなどの技術により非晶質Geから結晶化の工程を経て形成されることを特徴とした請求項1−5項。 Poly-Ge thin films must be formed from amorphous Ge through a crystallization process using solid-phase growth, metal-induced solid-phase growth, laser crystallization, high-temperature gas injection technology, lamp heating, flash lamp annealing, etc. The claim 1-5 characterized by these. CMOSを構成するnチャネルのTFTならびにpチャネルの平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTは、同一基板上の同一平面内にレイアウトされていることを特徴とする請求項1−6項。 7. The n-channel TFT and the p-channel planar double gate low-temperature poly-Ge TFT constituting the CMOS are laid out in the same plane on the same substrate. CMOSを構成するnチャネルのTFTならびにpチャネルの平面型ダブルゲート低温poly-Ge TFTは、階層構造を有し、3次元的に積層されていることを特徴とする請求項1―7項。











The n-channel TFT and the p-channel planar double-gate low-temperature poly-Ge TFT constituting the CMOS have a hierarchical structure and are three-dimensionally stacked.











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