JP4153020B2 - 半導体装置及びその作製方法 - Google Patents

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本明細書で開示する発明は、樹脂基板(工業用プラスチク基板を含む)等の可撓性(フ
レキシブルな機械的な性質)を有する基板上に形成された薄膜トランジスタの構成および
その作製方法に関する。また、この薄膜トランジスタを用いて構成されたアクティブマト
リクス型の液晶表示装置に関する。
ガラス基板や石英基板上に形成された薄膜トランジスタが知られている。このガラス基
板上に形成される薄膜トランジスタは、アクティブマトリクス型の液晶表示装置に主に利
用されている。アクティブマトリクス型の液晶表示装置は、高速動画や微細な表示を行う
ことができるので、単純マトリクス型の液晶表示装置に代わるものと期待されている。
アクティブマトリクス型の液晶表示装置というのは、各画素のそれぞれに1つ以上の薄
膜トランジスタをスイッチング素子として配置し、画素電極に出入りする電荷をこの薄膜
トランジスタで制御するものである。基板としてガラス基板や石英基板が用いられるのは
、液晶表示装置を可視光が透過する必要があるからである。
一方、液晶表示装置は極めて応用範囲の広い表示手段として期待されている。例えば、
カード型の計算機や携帯型のコンピュータ、さらには各種通信機器等の携帯型の電子機器
に用いられる表示手段として期待されている。そしてこれら携帯型の電子機器に利用され
る表示手段においては、取り扱う情報の高度化に従って、より高度な情報の表示が求めら
れている。例えば、数字や記号のみではなく、より微細な画像情報や動画を表示する機能
が求められれている。
液晶表示装置により微細な画像情報や動画を表示する機能を求める場合、アクティブマ
トリクス型の液晶表示装置を利用する必要がある。しかし、基板としてガラス基板や石英
基板を用いた場合、
・液晶表示装置自体の厚さを薄くすることに限界がある。
・重量が大きくなる。
・軽量化しようとして基板の厚さを薄くすると、基板が割れる。
・基板に柔軟性がない。
といった問題を有している。
特にカード型の電子機器は、その取扱において、多少の応力が働いても破損しない柔軟
性が要求されるので、その電子機器に組み込まれる液晶表示装置にも同様な柔軟性(フレ
キシビリティー)が要求される。
本明細書で開示する発明は、柔軟性を有するアクティブマトリクス型の液晶表示装置を
提供することを課題とする。
液晶表示装置に柔軟性を与える方法としては、基板として透光性を有するプラスチック
基板や樹脂基板を用いる方法がある。しかし、樹脂基板はその耐熱性の問題からその上に
薄膜トランジスタを形成することは技術的に困難であるという問題がある。
そこで、本明細書で開示する発明は、以下に示すような構成を採用することにより、上
記の困難性を解決することを特徴とする。
本明細書で開示する発明の一つは、
フィルム状の樹脂基板と、
前記樹脂基板の表面に形成された樹脂層と、
前記樹脂層上に形成された薄膜トランジスタと、
を有することを特徴とする。
上記構成の具体的な例を図1に示す。図1に示す構成においては、フィルム状の樹脂基
板であるPETフィルム(厚さ100μm)に接して、樹脂層102が形成されており、
さらにその上にInverted staggered型の薄膜トランジスタが形成され
ている。
フィルム状の樹脂基板としては、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PEN(ポ
リエチレンナフタレート)、PES(ポリエチレンサルファイト)、ポリイミドから選ば
れたものを用いることができる。ここで必要とされる条件は、可撓性を有すること、それ
に透光性を有すること、である。またなるべく高い温度に耐えることができることが望ま
しい。一般的にこれら樹脂基板は、加熱温度を200℃程度以上に上げていくと、表面に
オリゴマー(直径1μm程度の重合体)が析出したり、ガスを発生したりし、その上に半
導体層を形成することは著しく困難になる。従って、その耐熱温度がなるべく高いもので
ある必要がある。
上記構成において樹脂層は、樹脂基板の表面を平坦化するための機能を有している。こ
の平坦化という意味には、半導体層の形成等の加熱が伴う工程において、樹脂基板の表面
にオリゴマーが発生することを防ぐ機能も含まれる。
この樹脂層としては、アクリル酸メチルエステル、アクリル酸エチルエステル、アクリ
ル酸ブチルエステル、アクリル酸2─エチルヘキシルエステルから選ばれたアクリル樹脂
を用いることができる。この樹脂層を形成することで、樹脂基板を用いた場合でも、上述
した薄膜トランジスタを作製する場合の不都合を抑制することができる。
他の発明の構成は、
フィルム状の樹脂基板上に樹脂層を形成する工程と、
前記樹脂層上に半導体層をプラズマCVD法で形成する工程と、
前記半導体層を用いて薄膜トランジスタを形成する工程と、
を有することを特徴とする。
他の発明の構成は、
フィルム状の樹脂基板を所定の温度で加熱処理し樹脂基板からの脱ガス化を計る工程と

フィルム状の樹脂基板上に樹脂層を形成する工程と、
前記樹脂層上に半導体層をプラズマCVD法で形成する工程と、
前記半導体層を用いて薄膜トランジスタを形成する工程と、
を有することを特徴とする。
上記構成において、加熱処理を施し樹脂基板からの脱ガス化を計るのは、後の加熱を従
うプロセスにおいて、樹脂基板から脱ガス化現象が起こることを防ぐためである。例えば
、樹脂基板上に半導体薄膜を形成している最中に樹脂基板からの脱ガス化が起こると、半
導体薄膜に大きなピンホールが形成されることになり、その電気特性は大きく損なわれた
ものとなってしまう。従って、予め後のプロセス中において加えられる加熱温度よりも高
い温度で加熱処理を行い、樹脂基板中からの脱ガス化を行っておくことによって、後の工
程における樹脂基板からの脱ガス現象を抑制することができる。
他の発明の構成は、
フィルム状の樹脂基板を所定の温度で加熱処理する工程と、
フィルム状の樹脂基板上に樹脂層を形成する工程と、
前記樹脂層上に半導体層をプラズマCVD法で形成する工程と、
前記半導体層を用いて薄膜トランジスタを形成する工程と、
を有し、
前記プラズマCVD法での半導体層の形成に際して、前記所定の温度以下の温度で加熱
を行うことを特徴とする。
他の発明の構成は、
フィルム状の樹脂基板を所定の温度で加熱処理する工程と、
フィルム状の樹脂基板上に樹脂層を形成する工程と、
前記樹脂層上に半導体層をプラズマCVD法で形成する工程と、
前記半導体層を用いて薄膜トランジスタを形成する工程と、
を有し、
前記所定の温度は、他の工程における加熱温度より高い温度であることを特徴とする。
他の発明の構成は、
一対のフィルム状の樹脂基板と、
前記樹脂基板間に保持された液晶材料と、
前記一対の樹脂基板の少なくとも一方の表面上に形成された画素電極と、
前記画素電極に接続された薄膜トランジスタと、
を有し、
前記薄膜トランジスタは樹脂基板上に形成されており、
前記一対のフィルム状の樹脂基板の表面にはその表面を平坦化するための樹脂層が形成
されていることを特徴とする。
上記構成の具体的な例を図3に示す。図3に示す構成には、一対の樹脂基板301と3
02、これら樹脂基板間に保持された液晶材料309、画素電極306、画素電極306
に接続された薄膜トランジスタ305、樹脂基板301の表面を平坦化するための樹脂層
303が示されている。
本明細書に開示する発明を採用することにより、アクティブマトリクス型の液晶表示装
置において、
・装置自体の厚さを薄くすることができる。
・重量を軽くすることができる。
・外力によって基板が割れたりしないものを得ることができる。
・柔軟性を有するものを得ることができる。
このような液晶表示装置は、広い用途に利用することができ、極めて有用なものである
〔実施例1〕
本実施例は、Inverted staggered型の薄膜トランジスタを有機樹脂
基板であるPET(ポリエチレンテレフタレート)基板上に形成する例を示す。
まず図1(A)に示すように厚さ100μmのPETフィルム101を用意し、脱ガス
化のための加熱処理を加える。この加熱処理は、後のプロセスにおいて加わる最も高い温
度以上の温度である必要がある。本実施例で示すプロセスでは、プラズマCVD法による
非晶質珪素膜の成膜時における160℃の温度が最高加熱温度であるので、このPETフ
ィルムからの脱ガス化を計るための加熱処理は180℃で行う。
このPETフィルム上にアクリル樹脂の層102を形成する。アクリル樹脂としては例
えばアクリル酸メチルエステルを用いることができる。このアクリル樹脂の層102は、
後の熱が加わるプロセスにおいて、PETフィルムの表面にオリゴマーが発生することを
防ぐためのものである。また、このアクリル樹脂の層102は、PETフィルム表面の凹
凸を平坦にする機能を有している。一般にPETフィルムの表面は普通数百Å〜1μmオ
ーダーの凹凸を有している。このような凹凸は、厚さが数百Åである半導体層に対して電
気的に大きな影響を与えるこになる。従って、半導体層が形成される下地を平坦化するこ
とは極めて重要なこととなる。
次にアルミニウムでなるゲイト電極103を形成する。このゲイト電極の形成は、スパ
ッタ法によってアルミニウム膜2000〜5000Å(ここでは3000Å)の厚さに成
膜し、さらにフォトリソグラフィー工程による公知のパターニングを行うことにより行わ
れる。またパターンの側面はテーパー状になるようにエッチングを行う。(図1(A))
次にゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素膜104をスパッタ法で1000Åの厚さに
成膜する。ゲイト絶縁膜としては、酸化珪素膜ではなく窒化珪素膜を用いてもよい。
次にプラズマCVD法を用いて実質的に真正(I型)の非晶質珪素膜105を500Å
の厚さに成膜する。以下に成膜条件を示す。
成膜温度(基板を加熱する温度) 160℃
反応圧力 0.5Torr
RF(13.56 MHz) 20mW/cm2
反応ガス SiH4
ここでは平行平板型のプラズマCVD装置を用いて成膜を行う。また加熱は、樹脂基板
が置かれる基板ステージ内に配置されたヒーターによる基板の加熱温度である。このよう
にして図1(B)に示す状態を得る。
さらに後の工程において、エッチングストッパーして機能する酸化珪素膜をスパッタ法
で成膜し、パターニングを施すことによりエッチングストッパー106を形成する。
次にN型の非晶質珪素膜107を平行平板型のプラズマCVD法で300Åの厚さに成
膜する。以下に成膜条件を示す。
成膜温度(基板を加熱する温度) 160℃
反応圧力 0.5Torr
RF(13.56 MHz) 20mW/cm2
反応ガス B2 6 /SiH4 =1/100
こうして図1(C)に示す状態を得る。その後、N型の非晶質珪素膜107と実質的に
真正(I型)の非晶質珪素膜105とに対してドッライエッチングによるパターニングを
行う。そしてアルミニウム膜を3000Åの厚さにスパッタ法で成膜する。さらにこのア
ルミニウム膜とその下のN型の非晶質珪素膜とをエッチングすることにより、ソース電極
108とドレイン電極109を形成する。このエッチング工程において、エッチングスト
ッパー106の作用によって、ソース/ドレインの分離が確実に行われる。(図1(D)
そして、酸化珪素膜またはポリイミド等の樹脂材料を用いて層間絶縁層110を600
0Åの厚さに形成する。酸化珪素膜を形成する場合には、酸化珪素被膜形成用の塗布液を
用いればよい。最後にコンタクトホールの形成を行い、ITOを用いて画素電極111を
形成する。以上のようにして、透光性を有する樹脂基板を用いて、アクティブマトリクス
型の液晶表示装置の各画素電極に配置される薄膜トランジスタを得ることができる。(図
1(E))
〔実施例2〕
本実施例は、実施例1に示した薄膜トランジスタを利用して、アクティブマトリクス型
の液晶表示装置を構成する場合の例を示す。図3に本実施例に示す液晶電気光学装置の断
面を示す。
図3において、301と302とが一対の基板を構成する厚さ100μmのPETフィ
ルムである。303で示されるのが平坦化層として機能するアクリル樹脂層である。30
6が画素電極である。図3には、2画素分の構成が示されている。
304は対向電極である。そして307と308が液晶309を配向させる配向膜であ
る。液晶309は、TN型液晶やSTN型液晶、さらには強誘電性液晶等を用いることが
できる。一般的にTN液晶が利用される。また液晶層の厚さとしては、数μm〜10μm
程度が利用される。
画素電極306には、薄膜トランジスタ305が接続されており、この画素電極306
に出入りする電荷は、薄膜トランジスタ305によって制御される。ここでは、1つの画
素電極306における構成を代表的に示すが、他に必要とする数で同様な構成が形成され
る。
図3に示すような構成においては、基板301と302とが、可撓性を有しているので
、液晶パネル全体をフレキシブルなものとすることができる。
〔実施例3〕
本実施例は、アクティブマトリクス型の液晶表示装置に利用されるCoplanar型
の薄膜トランジスタを作製する場合の例を示す。図2に本実施例に示す薄膜トランジスタ
の作製工程を示す。まずフィルム状の有機樹脂基板として、厚さ100μmのPETフィ
ルム201を用意する。そして180℃の加熱処理を加えて、PETフィルム中からの脱
ガス化を促進させる。そしてその表面にアクリル樹脂からなる層202を形成する。ここ
では、アクリル樹脂としてアクリル酸エチルエステルを用いる。
次にチャネル形成領域が形成される実質的に真正(I型)な半導体層203をプラズマ
CVD法で成膜する。以下に成膜条件を示す。
成膜温度(基板を加熱する温度) 160℃
反応圧力 0.5Torr
RF(13.56 MHz) 20mW/cm2
反応ガス SiH4
ここでは平行平板型のプラズマCVD装置を用いて成膜を行う。
さらにN型の非晶質珪素膜を平行平板型のプラズマCVD法で300Åの厚さに成膜す
る。以下に成膜条件を示す。
成膜温度(基板を加熱する温度) 160℃
反応圧力 0.5Torr
RF(13.56 MHz) 20mW/cm2
反応ガス B2 6 /SiH4 =1/100
そしてN型の非晶質珪素膜をパターニングして、ソース領域205とドレイン領域20
4を形成する。(図2(A))
そしてゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素膜または窒化珪素膜をスパッタ法で成膜し
、パターニングを施すことにより、ゲイト絶縁膜206を形成する。さらにアルミニウム
によりゲイト電極207を形成する。(図2(B))
次に層間絶縁膜としてポリイミドの層208を5000Åの厚さに成膜する。さらにコ
ンタクトホールの形成を行い、画素電極となるITO電極209をスパッタ法で形成し、
薄膜トランジスタを完成させる。(図2(C))
〔実施例4〕
本実施例では、実施例1または実施例2に示した構成において、半導体層を微結晶半導
体膜で構成する場合の例を示す。まず実質的に真正な半導体層を微結晶(マイクロクリス
タル)半導体層とする場合の成膜条件を示す。
成膜温度(基板を加熱する温度) 160℃
反応圧力 0.5Torr
RF(13.56 MHz) 150mW/cm2
反応ガス SiH4 /H2 =1/30
ここでは平行平板型のプラズマCVD装置を用いて成膜を行う。
次にN型の微晶質珪素膜を成膜する場合の成膜条件を示す。この場合も平行平板型のプ
ラズマCVD装置を用いて成膜を行う場合の例である。
成膜温度(基板を加熱する温度) 160℃
反応圧力 0.5Torr
RF(13.56 MHz) 150mW/cm2
反応ガス B2 6 /SiH4 =1/100
一般的に投入パワーを100〜200mW/cm2 とすることによって、微結晶珪素膜
を得ることができる。またI型の半導体層の場合には、パワーを高くするのに加えて、シ
ランを水素で10〜50倍程度希釈すると効果的である。しかしながら水素希釈を行うと
、成膜速度が低下する。
〔実施例5〕
本実施例は、他の実施例で示すようなプラズマCVD法で形成れた珪素膜に対して、フ
ィルム状の基体(基板)を加熱しない程度のパワーでレーザー光を照射する構成に関する
ガラス基板上に形成された非晶質珪素膜に対してレーザー光(例えばKrFエキシマレ
ーザー光)を照射して、結晶性珪素膜に変成する技術が知られている。また珪素膜に対し
て、一導電型を付与する不純物イオンを注入した後に、レーザー光を照射することによっ
て、結晶化(イオンの注入により珪素膜は非晶質化する)と不純物イオンの活性化を行う
技術が知られている。
本実施例に示す構成は、上記のようなレーザー光の照射プロセスを利用したものであっ
て、図1の非晶質珪素膜105や図2の非晶質珪素膜203や204に対して極弱いレー
ザー光を照射し、非晶質珪素膜を結晶化させることを特徴とする。また予め成膜される膜
が微結晶珪素膜である場合には、その結晶性を向上させることができる。
レーザー光としては、KrFエキシマレーザーやXeClエキシマレーザーを用いれば
よい。またその照射エネルギーは、10〜50mJ/cm2 とし、樹脂基板101または
201に対して熱的なダメージを与えないようにすることが重要である。
実施例の薄膜トランジスタの作製工程を示す図。 実施例の薄膜トランジスタの作製工程を示す図。 液晶パネルの断面の概略を示す図。
符号の説明
101、201 PETフィルム基板(ポリエチレンテレフタレート)
301、302
102、202 アクリル樹脂層
303
103、207 ゲイト電極
104、206 ゲイト絶縁膜
105、203 実質的に真正な非晶質珪素膜
106 エッチングストッパー層
107 N型の非晶質珪素膜
108 ソース電極
109 ドレイン電極
110 層間絶縁膜
111、209 画素電極
205 ソース領域
204 ドレイン領域
304 対向電極
305 薄膜トランジスタ
306 画素電極
307、308 配向膜
309 液晶材料

Claims (18)

  1. フィルム状の基板と、
    前記基板上に樹脂層を介して設けられており、半導体膜を有する薄膜トランジスタとを有することを特徴とする半導体装置。
  2. 可撓性の基板と、
    前記基板上に樹脂層を介して設けられており、半導体膜を有する薄膜トランジスタとを有することを特徴とする半導体装置。
  3. フィルム状の基板と、
    前記基板上に樹脂層を介して設けられており、微結晶構造を有する半導体膜を有する薄膜トランジスタとを有することを特徴とする半導体装置。
  4. 可撓性の基板と、
    前記基板上に樹脂層を介して設けられており、微結晶構造を有する半導体膜を有する薄膜トランジスタとを有することを特徴とする半導体装置。
  5. フィルム状の基板と、
    前記基板上に形成された樹脂層と、
    前記樹脂層上に形成された薄膜トランジスタとを有し、
    前記薄膜トランジスタは、
    前記樹脂層上に形成されたゲイト電極と、
    前記ゲイト電極上に形成されたゲイト絶縁膜と、
    前記ゲイト絶縁膜上に形成された微結晶構造を有する半導体膜とを有することを特徴とする半導体装置。
  6. 可撓性の基板と、
    前記基板上に形成された樹脂層と、
    前記樹脂層上に形成された薄膜トランジスタとを有し、
    前記薄膜トランジスタは、
    前記樹脂層上に形成されたゲイト電極と、
    前記ゲイト電極上に形成されたゲイト絶縁膜と、
    前記ゲイト絶縁膜上に形成された微結晶構造を有する半導体膜とを有することを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項1乃至6のいずれか一において、
    前記薄膜トランジスタは、逆スタガー型の薄膜トランジスタであることを特徴とする半導体装置。
  8. フィルム状の基板上に樹脂層を形成し、
    前記樹脂層上にゲイト電極を形成し、
    前記ゲイト電極上にゲイト絶縁膜を形成し、
    前記ゲイト絶縁膜上に微結晶構造を有する半導体膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  9. 可撓性の基板上に樹脂層を形成し、
    前記樹脂層上にゲイト電極を形成し、
    前記ゲイト電極上にゲイト絶縁膜を形成し、
    前記ゲイト絶縁膜上に微結晶構造を有する半導体膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  10. フィルム状の基板上に樹脂層を形成し、
    前記樹脂層上にゲイト電極を形成し、
    前記ゲイト電極上にゲイト絶縁膜を形成し、
    前記ゲイト絶縁膜上に微結晶構造を有する半導体膜を形成し、
    前記半導体膜にレーザー光を照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  11. 可撓性の基板上に樹脂層を形成し、
    前記樹脂層上にゲイト電極を形成し、
    前記ゲイト電極上にゲイト絶縁膜を形成し、
    前記ゲイト絶縁膜上に微結晶構造を有する半導体膜を形成し、
    前記半導体膜にレーザー光を照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  12. フィルム状の基板に加熱処理を行い、
    前記基板上に樹脂層を形成し、
    前記樹脂層上にゲイト電極を形成し、
    前記ゲイト電極上にゲイト絶縁膜を形成し、
    前記加熱処理の温度よりも低い温度で前記基板を加熱しながら、前記ゲイト絶縁膜上に微結晶構造を有する半導体膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  13. 可撓性の基板に加熱処理を行い、
    前記基板上に樹脂層を形成し、
    前記樹脂層上にゲイト電極を形成し、
    前記ゲイト電極上にゲイト絶縁膜を形成し、
    前記加熱処理の温度よりも低い温度で前記基板を加熱しながら、前記ゲイト絶縁膜上に微結晶構造を有する半導体膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  14. フィルム状の基板に加熱処理を行い、
    前記基板上に樹脂層を形成し、
    前記樹脂層上にゲイト電極を形成し、
    前記ゲイト電極上にゲイト絶縁膜を形成し、
    前記加熱処理の温度よりも低い温度で前記基板を加熱しながら、前記ゲイト絶縁膜上に微結晶構造を有する半導体膜を形成し、
    前記半導体膜にレーザー光を照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  15. 可撓性の基板に加熱処理を行い、
    前記基板上に樹脂層を形成し、
    前記樹脂層上にゲイト電極を形成し、
    前記ゲイト電極上にゲイト絶縁膜を形成し、
    前記加熱処理の温度よりも低い温度で前記基板を加熱しながら、前記ゲイト絶縁膜上に微結晶構造を有する半導体膜を形成し、
    前記半導体膜にレーザー光を照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。
  16. 請求項10、11、14、または15において、
    前記レーザー光の照射エネルギーは、10〜50mJ/cmであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
  17. 請求項12乃至15のいずれか一において、
    前記加熱処理によって、前記基板の脱ガス化を行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
  18. 請求項8乃至17のいずれか一において、
    前記基板は、プラスチック基板又は樹脂基板であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
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