JP5655277B2 - Thin film transistor and active matrix display - Google Patents
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Description
本発明は、各種画像表示装置の駆動素子や各種論理回路の論理素子等に用いることができる薄膜トランジスタおよびアクティブマトリクスディスプレイに関する。 The present invention relates to a thin film transistor and an active matrix display that can be used for driving elements of various image display devices, logic elements of various logic circuits, and the like.
現在、一般的な平面薄型画像表示装置(Flat Panel Display;FPD)は、半導体に非晶質シリコンや多結晶シリコンを用いた電界効果型薄膜トランジスタにより駆動するアクティブマトリックスタイプのものが主流となっている。 At present, a general flat panel display (FPD) is mainly an active matrix type driven by a field effect thin film transistor using amorphous silicon or polycrystalline silicon as a semiconductor. .
一方、FPDのさらなる薄型化及び軽量化、耐衝撃性や可撓性の向上を目的に、ガラス基板の代わりにプラスチック基板を用いる試みが近年なされている。 On the other hand, attempts have been made in recent years to use a plastic substrate instead of a glass substrate for the purpose of further reducing the thickness and weight of the FPD, and improving impact resistance and flexibility.
しかしながら、上述のシリコンを半導体層に用いた薄膜トランジスタの製造は、高温の熱工程を要し、耐熱性の低いプラスチック基板に適用するのは困難である。 However, the manufacture of the above-described thin film transistor using silicon as a semiconductor layer requires a high-temperature heat process and is difficult to apply to a plastic substrate with low heat resistance.
そこで、低温形成が可能な酸化物を半導体層に用いた薄膜トランジスタの開発が活発に行われてきている(非特許文献1)。 Therefore, development of a thin film transistor using an oxide that can be formed at a low temperature as a semiconductor layer has been actively performed (Non-patent Document 1).
また高い信頼性を持ち、ディスプレイの多階調表示が可能な薄膜トランジスタを実現するためには、従来の酸化物を半導体に用いた薄膜トランジスタにおいては、オンオフ比が十分でないという問題点を有しており、より高いオンオフ比を持つ薄膜トランジスタを得るための研究がなされている。 In addition, in order to realize a thin film transistor with high reliability and capable of multi-gradation display, a thin film transistor using a conventional oxide as a semiconductor has a problem that an on / off ratio is not sufficient. Research has been conducted to obtain a thin film transistor having a higher on / off ratio.
そこで本発明では、上記のような要求を解決するため、ボトムゲート型の薄膜トランジスタにおいて、オンオフ比の高いトランジスタを提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a transistor having a high on / off ratio among bottom-gate thin film transistors in order to solve the above-described requirements.
本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、請求項1に係る発明は、絶縁基板上に少なくともゲート電極と、ゲート絶縁層が順次積層され、前記ゲート絶縁層上に酸化物を含む半導体層とソース電極およびドレイン電極が設けられたボトムゲート型の薄膜トランジスタであって、前記半導体層表面の一部を覆うように前記ソース電極及びドレイン電極が形成されており、前記ソース電極及びドレイン電極を形成後に、前記ソース電極及びドレイン電極に覆われていない前記半導体層表面の領域に、N 2 Oプラズマを投入電力が100W以上200W以下で1分以上3分以下照射することで酸素を注入することを特徴とする薄膜トランジスタである。
The present invention has been made in order to achieve the above object, the invention according to
また請求項2の係る発明は、前記酸化物を含む半導体層がInとGaとZnの少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項1に記載の薄膜トランジスタである。
The invention according to claim 2 is the thin film transistor according to
また請求項3の係る発明は、前記ソース電極及びドレイン電極に覆われていない前記半導体層上に保護層を有することを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の薄膜トランジスタである。
The invention according a third aspect, a thin film transistor according to
また請求項4の係る発明は、前記保護層は無機材料であることを特徴とする請求項3に記載の薄膜トランジスタである。
According to a fourth aspect of the present invention, in the thin film transistor according to the third aspect, the protective layer is made of an inorganic material.
また請求項5の係る発明は、前記保護層は有機材料であることを特徴とする請求項3に記載の薄膜トランジスタである。
The invention according to claim 5 is the thin film transistor according to claim 3 , wherein the protective layer is an organic material.
また請求項6の係る発明は、絶縁基板上にゲート電極を形成する工程と、該ゲート電極上にゲート絶縁層を形成する工程と、該ゲート絶縁層上に酸化物を含む半導体を形成する工程と、該半導体層上にソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、該半導体層の表面にN2Oプラズマを投入電力が100W以上200W以下で1分以上3分以下照射する工程と、を有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法である。
The invention according to
また請求項7の係る発明は、絶縁基板上にゲート電極を形成する工程と、該ゲート電極上にゲート絶縁層を形成する工程と、該ゲート絶縁層上にソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、該ソース電極及びドレイン電極の一部を覆うように酸化物を含む半導体層を形成する工程と、該半導体層の表面にN2Oプラズマを投入電力が100W以上200W以下で1分以上3分以下照射する工程と、を有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法である。
The invention according to
また請求項8の係る発明は、前記半導体層の表面にN2Oプラズマを照射した後に、該半導体層上に保護層を形成する工程を有することを特徴とする請求項6または7に記載の薄膜トランジスタの製造方法である。
The invention according the
また請求項9の係る発明は、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の薄膜トランジスタ
のアレイと、該アレイのソース電極又はドレイン電極に接続された画素電極と、該画素電
極上に配置された画像表示媒体とを備える画像表示装置である。
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided an array of the thin film transistor according to any one of the first to fifth aspects, a pixel electrode connected to a source electrode or a drain electrode of the array, and the pixel electrode disposed on the pixel electrode. And an image display medium.
また請求項10の係る発明は、前記画像表示媒体が電気泳動方式によるものであることを特徴とする請求項9に記載の画像表示装置。
The invention according to
本発明の薄膜トランジスタによれば、半導体層のゲート側の面の酸素密度が、反対の面の酸素密度よりも低い、言い換えると半導体層のゲート側と反対の面の酸素密度を高くすることにより、薄膜トランジスタのオンオフ比を向上させることができる。
酸化物を含む半導体層は、酸素密度が低い、言い換えれば酸素欠損が多いほど、その電気抵抗は低くなるという特徴を持つ。上記構成の本発明薄膜トランジスタは、前記ゲート絶縁層の界面付近は電気抵抗が低く、かつ界面から離れた層の電気抵抗は高くなることを意味する。この場合、トランジスタのいわゆるチャネル部分の抵抗は低いまま、チャネル層から離れたソース、ドレイン電極間近傍の半導体層の電気抵抗のみ高くなるため、ゲート電圧が正の場合にチャネル部分を流れるオン電流は高く、ゲート電圧が負の場合にチャネル層周辺を流れるオフ電流は小さくなる。したがって、該半導体層が酸素密度勾配を持たない場合と比較して、オンオフ比を向上させることができる。
According to the thin film transistor of the present invention, the oxygen density of the gate side surface of the semiconductor layer is lower than the oxygen density of the opposite surface, in other words, by increasing the oxygen density of the surface opposite to the gate side of the semiconductor layer, The on / off ratio of the thin film transistor can be improved.
A semiconductor layer containing an oxide has a feature that the lower the oxygen density, in other words, the more oxygen vacancies, the lower the electrical resistance. The thin film transistor of the present invention having the above structure means that the electrical resistance is low near the interface of the gate insulating layer and the electrical resistance of a layer away from the interface is high. In this case, the resistance of the so-called channel portion of the transistor remains low, and only the electrical resistance of the semiconductor layer near the source and drain electrodes away from the channel layer is high. When the gate voltage is high, the off-current flowing around the channel layer is small. Therefore, the on / off ratio can be improved as compared with the case where the semiconductor layer does not have an oxygen density gradient.
さらに、半導体層にIn、Zn、Gaのいずれか一種を含む酸化物を用いることで優れたトランジスタ特性を得ることができる。 Further, excellent transistor characteristics can be obtained by using an oxide containing any one of In, Zn, and Ga for the semiconductor layer.
また、半導体層上に保護層を設けることで、外部環境からの影響を受けることによる該半導体層の酸素密度の変化を防ぐことができる。 Further, by providing the protective layer over the semiconductor layer, a change in oxygen density of the semiconductor layer due to the influence from the external environment can be prevented.
保護層に無機材料を用いた場合、外部環境からの影響を受けることによる該半導体層の酸素密度の変化を防ぐことができる。例えば無機材料の一例として挙げられるSiOx薄膜は、ガス・水蒸気バリア性が非常に高いことが知られている。 In the case where an inorganic material is used for the protective layer, a change in the oxygen density of the semiconductor layer due to the influence from the external environment can be prevented. For example, it is known that a SiOx thin film as an example of an inorganic material has a very high gas / water vapor barrier property.
また、有機材料の保護膜はスピンコート等の塗布法で容易に形成できるため、スパッタ法等で無機材料からなる保護層を形成する場合に懸念される半導体層へのプラズマによる損傷がないという利点がある。 In addition, since the protective film of organic material can be easily formed by a coating method such as spin coating, there is no plasma damage to the semiconductor layer, which is a concern when forming a protective layer made of an inorganic material by sputtering or the like. There is.
上記酸素密度のコントロールとしては、酸素含有プラズマを照射することで半導体層の酸素密度を上げることができる。また、トップコンタクト型の薄膜トランジスタの場合には、ソース電極及びドレイン電極を設けた後に、該半導体層の表面に酸素含有プラズマ照射を行うことで、電極接続部分は酸素密度が上がらず、低抵抗率のままであるので、ソース電極およびドレイン電極と半導体層のオーミック接触を損なわず、半導体層の表面の酸素密度を増加させることができる。 As control of the oxygen density, the oxygen density of the semiconductor layer can be increased by irradiating oxygen-containing plasma. In the case of a top contact type thin film transistor, after providing a source electrode and a drain electrode, the surface of the semiconductor layer is irradiated with oxygen-containing plasma, so that the oxygen density does not increase in the electrode connection portion, and the low resistivity Therefore, the oxygen density on the surface of the semiconductor layer can be increased without impairing the ohmic contact between the source and drain electrodes and the semiconductor layer.
前記酸素含有プラズマにO2またはN2Oを用いたプラズマとすることで特に効率的に半導体層の表面の酸素密度を向上させることができる。 By making the oxygen-containing plasma a plasma using O 2 or N 2 O, the oxygen density on the surface of the semiconductor layer can be improved particularly efficiently.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。実施の形態において、同一構成要素には同一符号を付け、実施の形態の間において重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the embodiments, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description among the embodiments is omitted.
図1及び図2は本発明の実施形態の一例を示すボトムゲート型の薄膜トランジスタの模式図である。絶縁基板101上に、ゲート電極102、ゲート電極を覆うように形成されたゲート絶縁層103は形成され、ゲート絶縁膜上に半導体層104と、該半導体層に接続されたソース電極105及びドレイン電極106が形成されている。さらに、本発明の酸化物を含むものである。
1 and 2 are schematic views of a bottom-gate thin film transistor showing an example of an embodiment of the present invention. A
図1はトップコンタクト型の薄膜トランジスタであり、ゲート絶縁膜上に半導体層104が形成され、半導体層104表面の一部を覆うようにソース電極105、ドレイン電極106が半導体層に接続されている。また図2はボトムコンタクト型の薄膜トランジスタであり、ゲート絶縁膜上にソース電極105及びドレイン電極106が形成され、当該ソース電極105及びドレイン電極106の一部を覆うように半導体層104が形成されて接続している。
FIG. 1 shows a top-contact thin film transistor, in which a
各層以外にも本発明に支障がない限り、別途機能層や保護層を加えても良い。例えば、図3に示す本発明の薄膜トランジスタのように、半導体層104上に保護層107を加えても良い。半導体層上に保護層を設けることで、外部環境からの影響を受けることによる該半導体層の特性変化を防ぐことができる。特に、半導体内の酸素密度の変化を防ぐことができる。
As long as there is no hindrance to the present invention other than each layer, a functional layer and a protective layer may be added separately. For example, a
本発明の薄膜トランジスタにおいては、半導体層のゲート側と反対の面の酸素密度が高く、半導体層内の酸素欠損が少なくなっている。すなわち、半導体層104の酸素密度はゲート電極側から垂直方向に勾配を持ち、該半導体層の酸素密度はゲート電極側が最も低い。このような素子は、後述のように酸素原子を含有する気体を用いたプラズマ(酸素含有プラズマ)をゲート側と反対側の半導体層表面に照射することにより実現する。
In the thin film transistor of the present invention, the oxygen density on the surface opposite to the gate side of the semiconductor layer is high, and oxygen vacancies in the semiconductor layer are reduced. That is, the oxygen density of the
酸化物を含む半導体は、酸素密度が低い、言い換えれば酸素欠損が多いほど、その電気抵抗は低くなるという特徴を持つ。したがって、前記半導体層106の酸素密度がゲート電極側から垂直方向に勾配を持ち、ゲート電極側が最も酸素密度が低いということは、前記ゲート絶縁層の界面付近は電気抵抗が低く、かつ界面から離れた領域の電気抵抗は高くなることを意味する。この場合、トランジスタのいわゆるチャネル部分の抵抗は低いまま、チャネル層から離れたソース、ドレイン電極間近傍の高酸素密度化領域104bの電気抵抗のみ高くなるため、ゲート電圧が正の場合にチャネル部分を流れる電流(オン電流)は高く、ゲート電圧が負の場合にチャネル層周辺を流れるオフ電流は小さくなる。よって該半導体層が酸素密度勾配を持たない同程度の半導体層膜厚を持つ従来の薄膜トランジスタと比較して、オンオフ比を向上させることができる。
A semiconductor including an oxide has a feature that the lower the oxygen density, in other words, the greater the number of oxygen vacancies, the lower the electrical resistance. Therefore, the oxygen density of the
以下、本発明の薄膜トランジスタについて詳細に説明する。
絶縁基板101には、例えばガラスやプラスチック基板を用いることができる。プラスチック基板としては、例えば、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレンサルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート(PEN)、シクロオレフィンポリマー、ポリエーテルサルフェン(PES)、トリアセチルセルロース、ポリビニルフルオライドフィルム、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合樹脂、耐候性ポリエチレンテレフタレート、耐候性ポリプロピレン、ガラス繊維強化アクリル樹脂フィルム、ガラス繊維強化ポリカーボネート、透明性ポリイミド、フッ素系樹脂、環状ポリオレフィン系樹脂等を使用することができる。これらの基板は単独で使用することもでき、二種以上を積層した複合基板を使用することもできる。
Hereinafter, the thin film transistor of the present invention will be described in detail.
As the insulating
プラスチック基板等の可撓性基板であれば、薄型、軽量、フレキシブルな薄膜トランジスタを得ることができ好ましい。また、製造工程に乾燥工程等の熱処理を含む場合には、熱安定性の高い石英などのガラス基板の他、プラスチック基板ではPESやPENが好ましい。 A flexible substrate such as a plastic substrate is preferable because a thin, light, and flexible thin film transistor can be obtained. When the manufacturing process includes a heat treatment such as a drying process, PES or PEN is preferable for a plastic substrate in addition to a glass substrate such as quartz having high thermal stability.
また絶縁基板がプラスチック基板である場合は、素子の耐久性を上げるためにガスバリア層を形成することも好ましい。ガスバリア層としてはAl2O3、SiO2、SiN、SiON、SiC、ダイヤモンドライクーボン(DLC)などが挙げられるがこれらに限定されるものではない。またこれらのガスバリア層は二層以上積層して使用することもできる。またガスバリア層はプラスチック基板の片面だけに付与してもよいし、両面に付与しても構わない。ガスバリア層は蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法、ホットワイヤーCVD法、ゾルゲル法などで形成されるが、これらに限定されるものではない。またガラスやプラスチック基板上にカラーフィルタが形成された基材を使用することもできる。 When the insulating substrate is a plastic substrate, it is also preferable to form a gas barrier layer in order to increase the durability of the element. Examples of the gas barrier layer include, but are not limited to, Al 2 O 3 , SiO 2 , SiN, SiON, SiC, and diamond like carbon (DLC). These gas barrier layers can also be used by laminating two or more layers. Further, the gas barrier layer may be provided on only one side of the plastic substrate or on both sides. The gas barrier layer is formed by a vapor deposition method, an ion plating method, a sputtering method, a laser ablation method, a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a hot wire CVD method, a sol-gel method, or the like, but is not limited thereto. A base material in which a color filter is formed on a glass or plastic substrate can also be used.
本発明のゲート電極102、ソース電極105及びドレイン電極106には、酸化インジウム(In2O3)、酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化カドミウム(CdO)、酸化インジウムカドミウム(CdIn2O4)、酸化カドミウムスズ(Cd2SnO2)、酸化亜鉛スズ(Zn2SnO4)、酸化インジウム亜鉛(In−Zn−O)等の酸化物材料が好適に用いられる。またこの酸化物材料に不純物をドープすることも導電率を上げるために好ましい。例えば、酸化インジウムにスズやモリブデン、チタンをドープしたもの、酸化スズにアンチモンやフッ素をドープしたもの、酸化亜鉛にインジウム、アルミニウム、ガリウムをドープしたものなどである。この中では特に酸化インジウムにスズをドープした酸化インジウムスズ(通称ITO)が低い抵抗率のために特に好適に用いられる。またAu、Ag、Cu、Cr、Al、Mg、Liなどの低抵抗金属材料も好適に用いられる。また導電性酸化物材料と低抵抗金属材料を複数積層したものも使用できる。この場合、金属材料の酸化や経時劣化を防ぐために導電性酸化物薄膜/金属薄膜/導電性酸化物薄膜の順に積層した3層構造が特に好適に用いられる。またPEDOT(ポリエチレンジオキシチオフェン)等の有機導電性材料も好適に用いることができる。ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極は全て同じ材料であっても構わないし、また全て違う材料であっても構わない。しかし、工程数を減らすためにソース電極とドレイン電極は同一の材料であることがより望ましい。これらの電極は、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)、光CVD法、ホットワイヤーCVD法、または上述の導電性材料をインキ状、ペースト状にしたものはスクリーン印刷、凸版印刷、インクジェット法等で塗布し、焼成して形成することができるが、これらに限定されるものではない。
The
ゲート絶縁層103として用いられる材料は、酸化シリコン、窒化シリコン、シリコンオキシナイトライド、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、ハフニウムアルミネート、酸化ジルコニア、酸化チタン等の無機材料、または、PMMA(ポリメチルメタクリレート)等のポリアクリレート、PVA(ポリビニルアルコール)、PS(ポリスチレン)、透明性ポリイミド、ポリエステル、エポキシ、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。ゲートリーク電流を抑えるためには、絶縁材料の抵抗率は1011Ωcm以上、特に1014Ωcm以上であることが好ましい。ゲート絶縁層103は真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、プラズマCVD、光CVD法、ホットワイヤーCVD法、スピンコート、ディップコート、スクリーン印刷などの方法を用いて形成される。これらのゲート絶縁層103は膜の成長方向に向けて組成を傾斜したものもまた好適に用いられる。
The material used for the
本発明で用いられる薄膜トランジスタの半導体層104としては、例えば、亜鉛、インジウム、スズ、タングステン、マグネシウム、ガリウムのうち一種類以上の元素を含む酸化物が挙げられる。酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム亜鉛、酸化スズ、酸化タングステン、酸化亜鉛ガリウムインジウム(In―Ga―Zn―O)等公知の材料が挙げられるがこれらに限定されるものではない。これらの材料の構造は単結晶、多結晶、微結晶、結晶/アモルファスの混晶、ナノ結晶散在アモルファス、アモルファスのいずれであってもかまわない。半導体層の膜厚は少なくとも10nm以上が望ましい。10nmより小さいと膜が島状に形成され、膜中に半導体が形成されていない部分が生じやすい。
As the
半導体層はスパッタ法、パルスレーザー堆積法、真空蒸着法、CVD法、ゾルゲル法などの方法を用いて形成されるが、好ましくはスパッタ法、パルスレーザー堆積法、真空蒸着法、CVD法である。スパッタ法ではRFマグネトロンスパッタ法、DCスパッタ法、真空蒸着では加熱蒸着、電子ビーム蒸着、イオンプレーティング法、CVD法ではホットワイヤーCVD法、プラズマCVD法などが挙げられるがこれらに限定されるものではない。 The semiconductor layer is formed using a sputtering method, a pulse laser deposition method, a vacuum evaporation method, a CVD method, a sol-gel method, or the like, preferably a sputtering method, a pulse laser deposition method, a vacuum evaporation method, or a CVD method. Examples of sputtering include RF magnetron sputtering, DC sputtering, vacuum deposition includes heating deposition, electron beam deposition, ion plating, and CVD includes hot wire CVD and plasma CVD. Absent.
半導体層104形成後、半導体層のゲート電極が形成された側と反対の面に、酸素含有プラズマを照射する。図1及び図3で示したようなトップコンタクト型の薄膜トランジスタの場合、ソース電極105及びドレイン電極106を形成した後に照射することが好ましい。電極を形成した後に酸素含有プラズマを照射することで、電極に覆われていない半導体層表面にのみ酸素が注入され、高酸素密度化領域104bとなる。このため、半導体層における各電極と半導体層の接触領域は、低抵抗のまま保たれることから、接触抵抗を低く抑えることができる。
After the
半導体層に酸素含有プラズマを照射する場合、O2、O3、N2O、NO2またはこれらと不活性ガスの混合プラズマ等が挙げられるが、特にO2またはN2Oプラズマは半導体層6に効果的に酸素を注入できるために望ましい。ただしこれらに限定されるものではない。
When irradiating an oxygen-containing plasma in the semiconductor layer, O 2, O 3, N 2 O, NO 2 or mixtures plasma or the like thereof and an inert gas and the like, in particular O 2 or N 2 O
図3で示したように、半導体層106上に保護層107を形成することで、外部環境からの影響を受けることによる該半導体層の特性変化を防ぐことができる。保護層107は少なくとも露出した半導体層を覆うことが好ましい。下記のように有機材料、無機材料のいずれを用いてもよく、また単層としても構わないし、複数の層を積層しても構わない。
As shown in FIG. 3, by forming the
保護層107を無機材料で形成する場合、酸化シリコン、窒化シリコン、シリコンオキシナイトライド(SiNxOy)、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、ハフニウムアルミネート、酸化ジルコニア、酸化チタン等が挙げられる。このような無機材料を用いれば、ガスや水蒸気に対する透過性が低く、バリア性の非常に高い保護層を構成することができる。
When the
また、保護層6を有機材料で形成する場合には、PMMA(ポリメチルメタクリレート)等のポリアクリレート、PVA(ポリビニルアルコール)、PS(ポリスチレン)、透明性ポリイミド、ポリエステル、エポキシ、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール、フッ素系樹脂等や、それらの有機材料に感光剤を添加したフォトレジスト等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。有機材料の保護膜はスピンコート等の塗布法で容易に形成できるため、スパッタ法等で無機材料からなる保護層を形成する場合に懸念される半導体層へのプラズマによる損傷がないという利点がある。
When the
図4及び図5に本発明の薄膜トランジスタを用いた画像表示装置の例を示した。
本発明の画像表示装置は、上記薄膜トランジスタを画素ごとに少なくとも一つ配置した薄膜トランジスタアレイとし、画像表示媒体303と接続する。画像表示媒体の例としては、電気泳動方式の表示媒体(電子ペーパー)や、液晶表示媒体、有機EL、無機EL等が挙げられる。
4 and 5 show an example of an image display device using the thin film transistor of the present invention.
The image display device of the present invention is a thin film transistor array in which at least one thin film transistor is arranged for each pixel, and is connected to the
図4の本発明の画像表示装置の例では、薄膜トランジスタを形成した基板上に層間絶縁膜301が形成され、ソース電極105又はドレイン電極106と画素電極302が接続され、当該画素電極と対向電極304で画像表示媒体303を挟持する構成となっている。本発明の薄膜トランジスタは、材料の選択によって透明とすることができるため、対向電極側、薄膜トランジスタ側のいずれから視認できるようにしても良い。なお層間絶縁膜は、ゲート絶縁膜103や、保護膜107で挙げた材料と同じものを用いることができる。図4の画像表示装置の例では、層間絶縁膜によって平坦化され、全面に画素電極を配置できる。その上に例えば対向電極を形成した電気泳動方式の表示媒体を張り合わせることにより、画像表示装置を作製することができる。
In the example of the image display device of the present invention shown in FIG. 4, an
また本発明の画像表示装置の別の例として、薄膜トランジスタ上に画素を区画する隔壁を形成し、ソース電極105又はドレイン電極106から延長された画素電極302上に画像表示媒体を形成した構成としても良い。例えば、インクジェット法や印刷法を用いて形成した有機ELを表示媒体として用いることができる。
As another example of the image display device of the present invention, a partition for partitioning pixels may be formed on a thin film transistor, and an image display medium may be formed on the
以下、本発明を、実施例1から5、および比較例1から4を用いて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described using Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4.
(実施例1)
実施例1では図1に示したような本発明の薄膜トランジスタを作製した。
Example 1
In Example 1, a thin film transistor of the present invention as shown in FIG. 1 was produced.
絶縁基板101として、PEN基材(帝人デュポン社製Q65 厚さ125μm)を用い、絶縁基板101上に、ITOをDCマグネトロンスパッタリング法で膜厚100nmとなるように成膜した。さらに成膜したITOをエッチングにより所望の形状にパターニングし、ゲート電極102とした。
As the insulating
次に、ゲート電極102を覆うように窒化シリコン(Si3N4)のターゲットを用いてRFスパッタリング法でSiONを膜厚500nmとして成膜し、ゲート絶縁層103とした。
Next, a silicon nitride (Si 3 N 4 ) target was used to cover the
次に、ゲート絶縁層103上に半導体層104として、InGaZnO4のターゲットを用いて、アモルファスIn−Ga−Zn−OをRFスパッタリング法で膜厚15nmに形成し、エッチングにより所望の形状にパターニングし、半導体層104を形成した。
Next, an InGaZnO 4 target is used as the
次に、半導体層104上に、レジストを塗布し、乾燥、現像を行った後に、ITO膜をDCマグネトロンスパッタリング法で膜厚50nmに成膜し、リフトオフを行い、ソース電極105及びドレイン電極106を形成して、薄膜トランジスタ素子を得た。各層の成膜工程における成膜条件を下記表1に示す。なお作製した素子のソース/ドレイン電極間のチャネル長は20μmであり、チャネル幅は5μmであった。
Next, after applying a resist on the
次にRFプラズマ照射装置を用いて、作製した素子に対して、投入電力100W、チャンバー内の圧力を1.0Pa、酸素(O2)の流量を50SCCMとして1分間O2プラズマを照射した。 Next, using an RF plasma irradiation apparatus, the produced element was irradiated with O 2 plasma for 1 minute at an input power of 100 W, a pressure in the chamber of 1.0 Pa, and a flow rate of oxygen (O 2 ) of 50 SCCM.
半導体パラメータアナライザ(Keithlay製SCS4200)を用いて測定した実施例1の薄膜トランジスタ素子のトランジスタ特性は、移動度10cm2/Vs、またソース/ドレイン電極間に10Vの電圧が印加されたときのON/OFF比は8桁であり、良好なトランジスタ特性を示した。 The transistor characteristics of the thin film transistor device of Example 1 measured using a semiconductor parameter analyzer (Keithley SCS4200) are as follows: mobility is 10 cm 2 / Vs, and ON / OFF when a voltage of 10 V is applied between the source / drain electrodes. The ratio was 8 digits and showed good transistor characteristics.
なお、ガラス基板上に形成した膜厚300nmのアモルファスIn−Ga−Zn−O薄膜に、投入電力200W、チャンバー内圧力1.0Pa、O2流量を50SCCMとして3分間O2プラズマを照射した場合には、単膜の電気抵抗率は1.0×10−4Ω・cmから9.1×10−7Ω・cmまで減少した。 Note that when an amorphous In—Ga—Zn—O thin film having a thickness of 300 nm formed on a glass substrate is irradiated with O 2 plasma for 3 minutes with an input power of 200 W, a chamber internal pressure of 1.0 Pa, and an O 2 flow rate of 50 SCCM. The electrical resistivity of the single film decreased from 1.0 × 10 −4 Ω · cm to 9.1 × 10 −7 Ω · cm.
(比較例1)
比較例1では半導体層104表面にO2プラズマを照射しなかったこと以外は、実施例1と同様の工程で薄膜トランジスタを作製した。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a thin film transistor was manufactured in the same process as in Example 1 except that the surface of the
半導体パラメータアナライザ(Keithlay製SCS4200)を用いて測定した比較例1の薄膜トランジスタ素子のトランジスタ特性は、移動度8cm2/Vs、またソース/ドレイン電極間に10Vの電圧が印加されたときのON/OFF比は6桁であり、実施例1の結果と比較するとOFF電流が高く、ON/OFF比は小さい値となった。 The transistor characteristics of the thin film transistor element of Comparative Example 1 measured using a semiconductor parameter analyzer (Keithley SCS4200) are ON / OFF when the mobility is 8 cm 2 / Vs and a voltage of 10 V is applied between the source / drain electrodes. The ratio was 6 digits. Compared with the result of Example 1, the OFF current was high and the ON / OFF ratio was a small value.
(実施例2)
実施例2では、酸素含有プラズマの照射にアルゴン(Ar)と酸素(O2)の混合プラズマを用いたこと以外は実施例1と同様の工程で本発明の薄膜トランジスタを作製した。
(Example 2)
In Example 2, a thin film transistor of the present invention was manufactured in the same process as Example 1 except that a mixed plasma of argon (Ar) and oxygen (O 2 ) was used for the irradiation of oxygen-containing plasma.
酸素含有プラズマ照射工程では、RFプラズマ照射装置を用いて、作製した素子に対して、投入電力100W、チャンバー内圧力1.0Pa、Ar流量を10SCCM、O2流量を50SCCMとして1分間Ar−O2混合プラズマを照射した。 In the oxygen-containing plasma irradiation step, using an RF plasma irradiation apparatus, Ar—O 2 for 1 minute with an input power of 100 W, a chamber internal pressure of 1.0 Pa, an Ar flow rate of 10 SCCM, and an O 2 flow rate of 50 SCCM. Irradiated with mixed plasma.
半導体パラメータアナライザ(Keithlay製SCS4200)を用いて測定した実施例2の薄膜トランジスタ素子のトランジスタ特性は、移動度10cm2/Vs、またソース/ドレイン電極間に10Vの電圧が印加されたときのON/OFF比は7桁であり、比較例1と比較して良好な特性を示した。 The transistor characteristics of the thin film transistor device of Example 2 measured using a semiconductor parameter analyzer (Keithlay SCS4200) are 10 cm 2 / Vs in mobility and ON / OFF when a voltage of 10 V is applied between the source / drain electrodes. The ratio was 7 digits, which was better than that of Comparative Example 1.
なお、ガラス基板上に形成した膜厚300nmのアモルファスIn−Ga−Zn−O薄膜に、投入電力200W、チャンバー内圧力1.0Pa、Ar流量を10SCCM、O2流量を50SCCMとして3分間Ar−O2混合プラズマを照射した場合には、単膜の電気抵抗率は1.0×10−4Ω・cmから9.1×10−7Ω・cmまで減少した。 Note that an amorphous In—Ga—Zn—O thin film with a thickness of 300 nm formed on a glass substrate was subjected to Ar—O for 3 minutes with an input power of 200 W, a chamber pressure of 1.0 Pa, an Ar flow rate of 10 SCCM, and an O 2 flow rate of 50 SCCM. When two mixed plasmas were irradiated, the electrical resistivity of the single film decreased from 1.0 × 10 −4 Ω · cm to 9.1 × 10 −7 Ω · cm.
(実施例3)
実施例3では、酸素含有プラズマの照射工程にN2Oプラズマを用いたこと以外は実施例1と同様の工程で本発明の薄膜トランジスタを作製した。
Example 3
In Example 3, the thin film transistor of the present invention was manufactured in the same process as in Example 1 except that N 2 O plasma was used in the irradiation process of the oxygen-containing plasma.
酸素含有プラズマ照射工程では、RFプラズマ照射装置を用いて、作製した素子に対して、投入電力100W、チャンバー内圧力1.0Pa、N2O流量を50SCCMとして1分間酸素プラズマを照射した。 In the oxygen-containing plasma irradiation step, the produced element was irradiated with oxygen plasma for 1 minute using an RF plasma irradiation apparatus with an input power of 100 W, a chamber internal pressure of 1.0 Pa, and an N 2 O flow rate of 50 SCCM.
半導体パラメータアナライザ(Keithlay製SCS4200)を用いて測定した実施例3の薄膜トランジスタ素子のトランジスタ特性は、移動度9cm2/Vs、またソース/ドレイン電極間に10Vの電圧が印加されたときのON/OFF比は8桁であり、良好な素子特性を示した。 The transistor characteristics of the thin film transistor element of Example 3 measured using a semiconductor parameter analyzer (Keithlay SCS4200) are as follows: mobility is 9 cm 2 / Vs, and ON / OFF when a voltage of 10 V is applied between the source / drain electrodes. The ratio was 8 digits and showed good device characteristics.
なお、ガラス基板上に形成した膜厚300nmのアモルファスIn−Ga−Zn−O薄膜に、投入電力200W、チャンバー内圧力0.6Pa、N2O流量を50SCCMとして3分間N2Oプラズマを照射した場合には、単膜の電気抵抗率は1.1×10−4Ω・cmから2.1×10−6Ω・cmまで減少した。 Note that an amorphous In—Ga—Zn—O thin film having a thickness of 300 nm formed on a glass substrate was irradiated with N 2 O plasma for 3 minutes at an input power of 200 W, a chamber internal pressure of 0.6 Pa, and an N 2 O flow rate of 50 SCCM. In some cases, the electrical resistivity of the single film decreased from 1.1 × 10 −4 Ω · cm to 2.1 × 10 −6 Ω · cm.
(比較例2)
比較例2では、プラズマの照射に酸素の含まない窒素(N2)プラズマを用いたこと以外は実施例1と同様の工程で本発明の薄膜トランジスタを作製した。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, a thin film transistor of the present invention was manufactured in the same process as Example 1 except that nitrogen (N 2 ) plasma containing no oxygen was used for plasma irradiation.
プラズマ照射工程では、RFプラズマ照射装置を用いて、作製した素子に対して、投入電力100W、チャンバー内圧力1.0Pa、N2流量を50SCCMとして1分間N2プラズマを照射した。 In the plasma irradiation step, an RF plasma irradiation apparatus was used to irradiate the fabricated element with N 2 plasma for 1 minute with an input power of 100 W, a chamber internal pressure of 1.0 Pa, and an N 2 flow rate of 50 SCCM.
半導体パラメータアナライザ(Keithlay製SCS4200)を用いて測定した薄膜トランジスタ素子のトランジスタ特性は、移動度9cm2/Vs、またソース/ドレイン電極間に10Vの電圧が印加されたときのON/OFF比は6桁であり、実施例1の結果と比較するとOFF電流が高く、ON/OFF比は小さい値となった。 The transistor characteristics of the thin film transistor element measured using a semiconductor parameter analyzer (SCS4200 manufactured by Keithley) are as follows: the mobility is 9 cm 2 / Vs, and the ON / OFF ratio when a voltage of 10 V is applied between the source / drain electrodes is 6 digits. Compared with the result of Example 1, the OFF current was high and the ON / OFF ratio was a small value.
なおガラス基板上に形成した膜厚300nmのアモルファスIn−Ga−Zn−O薄膜に、投入電力200W、チャンバー内圧力0.6Pa、N2流量を50SCCMとして1分間プラズマを照射した場合には、単膜の電気抵抗率は1.1×10−4Ω・cmから1.3×10−1Ω・cmまで増加した。 Note that when an amorphous In—Ga—Zn—O thin film with a thickness of 300 nm formed on a glass substrate was irradiated with plasma for 1 minute at an input power of 200 W, a chamber internal pressure of 0.6 Pa, and an N 2 flow rate of 50 SCCM, The electrical resistivity of the film increased from 1.1 × 10 −4 Ω · cm to 1.3 × 10 −1 Ω · cm.
(実施例4)
実施例4では図3に示したような本発明の薄膜トランジスタを作製した。
Example 4
In Example 4, a thin film transistor of the present invention as shown in FIG. 3 was produced.
絶縁基板101としてPEN基材(帝人デュポン社製Q65 厚さ125μm)を用い、絶縁基材101上にITOをDCマグネトロンスパッタリング法で膜厚100nmとなるように成膜した。さらに成膜したITOをエッチングにより所望の形状にパターニングし、ゲート電極102とした。
A PEN base material (Q65 thickness 125 μm, manufactured by Teijin DuPont) was used as the insulating
次に、ゲート電極102を覆うように窒化シリコン(Si3N4)のターゲットを用いてRFスパッタリング法でSiONを膜厚500nmとして成膜し、ゲート絶縁層103とした。
Next, a silicon nitride (Si 3 N 4 ) target was used to cover the
次に、ゲート絶縁層103上に半導体層104として、InGaZnO4のターゲットを用いて、アモルファスIn−Ga−Zn−OをRFスパッタリング法で膜厚15nmに形成し、エッチングにより所望の形状にパターニングし、半導体層104を形成した。
Next, an InGaZnO 4 target is used as the
次に、半導体層104まで形成した基板上に、レジストを塗布し、乾燥、現像を行った後に、ITO膜をDCマグネトロンスパッタリング法で膜厚50nmに成膜し、リフトオフを行い、ソース電極105及びドレイン電極106を形成した。なお作製した素子のソース/ドレイン電極間のチャネル長は20μmであり、チャネル幅は5μmであった。
Next, after applying a resist on the substrate formed up to the
次に、RFプラズマ照射装置を用いて、作製した素子に対して、投入電力150W、チャンバー内圧力1.0Pa、O2の流量を50SCCMとして1分間O2プラズマを照射した。 Next, using an RF plasma irradiation apparatus, the produced element was irradiated with O 2 plasma for 1 minute at an input power of 150 W, a chamber internal pressure of 1.0 Pa, and an O 2 flow rate of 50 SCCM.
次に、O2プラズマを照射した基板上にレジストを塗布し、乾燥、現像を行った後に、SiON膜をRFマグネトロンスパッタリング法で膜厚100nmとして成膜し、リフトオフを行い、保護層107を形成して、実施例4の薄膜トランジスタ素子を得た。各層の成膜工程における成膜条件を表2に示す。
Next, after applying a resist on the substrate irradiated with O 2 plasma, drying and developing, a SiON film is formed to a film thickness of 100 nm by RF magnetron sputtering, and lift-off is performed to form the
半導体パラメータアナライザ(Keithlay製SCS4200)を用いて測定した実施例4の薄膜トランジスタ素子のトランジスタ特性は、移動度9cm2/Vs、またソース/ドレイン電極間に10Vの電圧が印加されたときのON/OFF比は8桁であり、良好なトランジスタ特性を示した。 The transistor characteristics of the thin film transistor device of Example 4 measured using a semiconductor parameter analyzer (Keithlay SCS4200) are as follows: mobility is 9 cm 2 / Vs, and ON / OFF when a voltage of 10 V is applied between the source / drain electrodes. The ratio was 8 digits and showed good transistor characteristics.
(比較例3)
比較例3では半導体層104表面にO2プラズマを照射しなかったこと以外は、実施例4と同様の工程で薄膜トランジスタを作製した。
(Comparative Example 3)
In Comparative Example 3, a thin film transistor was manufactured in the same process as in Example 4 except that the surface of the
半導体パラメータアナライザ(Keithlay製SCS4200)を用いて測定した比較例3の薄膜トランジスタ素子のトランジスタ特性は、移動度8cm2/Vs、またソース/ドレイン電極間に10Vの電圧が印加されたときのON/OFF比は6桁であり、実施例4と比較するとON/OFF比は小さい値となった。 The transistor characteristics of the thin film transistor element of Comparative Example 3 measured using a semiconductor parameter analyzer (Keithray SCS4200) are ON / OFF when a mobility of 8 cm 2 / Vs and a voltage of 10 V are applied between the source / drain electrodes. The ratio was 6 digits, and the ON / OFF ratio was a small value compared to Example 4.
(実施例5)
実施例5では、O2プラズマを照射した基板上にフォトレジストをスピンコートで膜厚3μmとして成膜し、パターニングを行い保護層6を形成したこと以外は実施例4と同様の工程で薄膜トランジスタ素子を作製した。各成膜工程は表3に示した。
(Example 5)
In Example 5, a thin film transistor element was manufactured in the same manner as in Example 4 except that a photoresist was formed to a thickness of 3 μm by spin coating on a substrate irradiated with O 2 plasma, and the
半導体パラメータアナライザ(Keithlay製SCS4200)を用いて測定した実施例5の薄膜トランジスタ素子のトランジスタ特性は、移動度9cm2/Vs、またソース/ドレイン電極間に10Vの電圧が印加されたときのON/OFF比は8桁であり、良好なトランジスタ特性を示した。 The transistor characteristics of the thin film transistor element of Example 5 measured using a semiconductor parameter analyzer (Keithlay SCS4200) are as follows: mobility is 9 cm 2 / Vs, and ON / OFF when a voltage of 10 V is applied between the source / drain electrodes. The ratio was 8 digits and showed good transistor characteristics.
(比較例4)
比較例4では、半導体層104表面にO2プラズマを照射しなかったこと以外は、実施例5と同様の工程で薄膜トランジスタを作製した。
(Comparative Example 4)
In Comparative Example 4, a thin film transistor was manufactured in the same process as in Example 5 except that the surface of the
半導体パラメータアナライザ(Keithlay製SCS4200)を用いて測定した比較例4の薄膜トランジスタ素子のトランジスタ特性は、移動度8cm2/Vs、またソース/ドレイン電極間に10Vの電圧が印加されたときのON/OFF比は6桁であり、実施例5と比較するとON/OFF比は小さい値となった。 The transistor characteristics of the thin film transistor element of Comparative Example 4 measured using a semiconductor parameter analyzer (Keithley SCS4200) are ON / OFF when a mobility of 8 cm 2 / Vs and a voltage of 10 V are applied between the source / drain electrodes. The ratio was 6 digits, and the ON / OFF ratio was smaller than that in Example 5.
実施例1〜5及び比較例1〜4のプラズマ照射の条件及び保護層107の有無を表4に示した。また、各実施例及び比較例の素子特性としてキャリア移動度とON/OFF比を示したグラフを図5に示した。図5から、酸素含有プラズマを半導体層104のゲート側と反対の面に照射することにより、OFF電流を抑制することができ、素子特性が向上していることが分かる。
Table 4 shows the plasma irradiation conditions and the presence or absence of the
ボトムゲート型の薄膜トランジスタにおいて、半導体層の表面へ酸素含有プラズマを照射することで、ソース電極とドレイン電極に挟まれた領域の酸素密度がゲート電極側が最も低くなるように垂直方向に勾配を持つ半導体層を設けることにより、オフ電流が低く、オンオフ比が高い薄膜トランジスタを実現できる。このような電界効果トランジスタは電子ペーパー、LCD、有機ELディスプレイ等のスイッチング素子として利用できる。また特にフレキシブル基材を基板とするフレキシブルディスプレイや、ICカード、ICタグ等にも広く応用することができる。 In a bottom gate type thin film transistor, a semiconductor having a gradient in the vertical direction so that the oxygen density of the region sandwiched between the source electrode and the drain electrode is lowest on the gate electrode side by irradiating the surface of the semiconductor layer with oxygen-containing plasma By providing the layer, a thin film transistor with a low off-state current and a high on-off ratio can be realized. Such a field effect transistor can be used as a switching element for electronic paper, LCD, organic EL display and the like. In particular, the present invention can be widely applied to flexible displays, IC cards, IC tags, etc. using a flexible substrate as a substrate.
101 絶縁基板
102 ゲート電極
103 ゲート絶縁層
104 半導体層
104b 高酸素密度化領域(プラズマ照射領域)
105 ソース電極
106 ドレイン電極
107 保護層
301 層間絶縁層
302 画素電極
303 画像表示媒体
304 対向電極
101 Insulating
105
Claims (10)
前記半導体層表面の一部を覆うように前記ソース電極及びドレイン電極が形成されており、前記ソース電極及びドレイン電極を形成後に、前記ソース電極及びドレイン電極に覆われていない前記半導体層表面の領域に、N 2 Oプラズマを投入電力が100W以上200W以下で1分以上3分以下照射することで酸素を注入することを特徴とする薄膜トランジスタ。 And at least a gate electrode on an insulating substrate is laminated gate insulating layer are sequentially semiconductor layer and the source electrode and the drain electrode comprising an oxide comprising a bottom gate thin film transistor provided in the gate insulating layer,
The source electrode and the drain electrode are formed so as to cover a part of the surface of the semiconductor layer, and the region of the surface of the semiconductor layer that is not covered with the source electrode and the drain electrode after forming the source electrode and the drain electrode In addition, a thin film transistor is characterized in that oxygen is injected by irradiating N 2 O plasma with an input power of 100 W to 200 W for 1 minute to 3 minutes .
該ゲート電極上にゲート絶縁層を形成する工程と、
該ゲート絶縁層上に酸化物を含む半導体を形成する工程と、
該半導体層上にソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
該半導体層の表面に投入電力が100W以上200W以下で1分以上3分以下N2Oプラズマを照射する工程と、
を有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。 Forming a gate electrode on an insulating substrate;
Forming a gate insulating layer on the gate electrode;
Forming a semiconductor containing an oxide over the gate insulating layer;
Forming a source electrode and a drain electrode on the semiconductor layer;
Irradiating the surface of the semiconductor layer with N 2 O plasma at an input power of 100 W to 200 W for 1 minute to 3 minutes ;
A method for producing a thin film transistor, comprising:
該ゲート電極上にゲート絶縁層を形成する工程と、
該ゲート絶縁層上にソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
該ソース電極及びドレイン電極の一部を覆うように酸化物を含む半導体層を形成する工程と、
該半導体層の表面に投入電力が100W以上200W以下で1分以上3分以下N2Oプラズマを照射する工程と、
を有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。 Forming a gate electrode on an insulating substrate;
Forming a gate insulating layer on the gate electrode;
Forming a source electrode and a drain electrode on the gate insulating layer;
Forming a semiconductor layer containing an oxide so as to cover part of the source electrode and the drain electrode;
Irradiating the surface of the semiconductor layer with N 2 O plasma at an input power of 100 W to 200 W for 1 minute to 3 minutes ;
A method for producing a thin film transistor, comprising:
The image display device according to claim 9 , wherein the image display medium is an electrophoretic type.
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