JPH10214972A - 薄膜トランジスタの製造方法 - Google Patents

薄膜トランジスタの製造方法

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JPH10214972A
JPH10214972A JP1618997A JP1618997A JPH10214972A JP H10214972 A JPH10214972 A JP H10214972A JP 1618997 A JP1618997 A JP 1618997A JP 1618997 A JP1618997 A JP 1618997A JP H10214972 A JPH10214972 A JP H10214972A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ポリシリコンを酸素プラズマ処理により高品
質化する際に形成される酸化膜内に取り込まれる電荷に
よりTFTの特性が劣化するのを防止する。 【構成】 ガラス基板101上に形成されたポリシリコ
ン層102を酸素プラズマ103に晒す(a)。この処
理により、ポリシリコン層102上に内部に電荷105
を有する酸化膜104が形成される(b)。ポリシリコ
ン層102を島状にパターニングして活性層106を形
成する(c)。酸素プラズマ処理により形成された酸化
膜104を除去する(d)。ゲート絶縁膜107、ゲー
ト電極108を形成した後、ソース・ドレイン領域10
9、層間絶縁膜110を形成する。コンタクト孔を開口
してAl電極111を形成する(e)。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、アクティブマトリ
クス型液晶表示素子のスイッチング素子などに用いられ
る薄膜トランジスタの製造方法に関し、特に多結晶シリ
コン層を活性層とする薄膜トランジスタの製造方法に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】多結晶シリコンはアモルファスシリコン
に比較して高い電子移動度を有しているため、多結晶シ
リコン薄膜トランジスタ(poly−Si TFT)は
アモルフアスシリコン薄膜トランジスタ(a−Si T
FT)に比べて高性能特性が期待でき、アクティブマト
リクス型の液晶表示素子や密着型イメージセンサ等への
応用に向けて活発に研究・開発されている。これらのデ
バイスは大型化および低価格化が要求されており、基板
として大型かつ安価なガラス基板を用いる必要が生じて
いる。
【0003】これまでにpoly−Si TFT応用デ
バイスとして市販されたものでは、TFTは石英基板上
に高温プロセスを用いて形成されている。高温プロセス
を用いることにより、高性能なpoly−Si TFT
を作製することができるが、高温プロセスに耐えるため
に高価な石英基板を用いる必要があり、デバイスを安価
に作製することができなかった。安価なガラス基板を用
いるためには、poly−Si TFT形成プロセスで
の最高温度は高くても600℃以下、できれば450℃
以下が望ましい。600℃までは石英基板より安価な無
アルカリガラス基板が使用可能となり、450℃以下で
は更に安価な低融点ガラス基板が使用可能となる。
【0004】デバイスの高性能化のためには、このよう
な低温のプロセスを用いても高性能なpoly−Si
TFTを作製できるようにする必要がある。poly−
SiTFTの特性を決定する重要なプロセスとして、チ
ヤネルpoly−Si膜の結晶性の高品質化と、ゲート
絶縁膜の高性能化が挙げられる。チヤネルpoly−S
i膜の高性能化の方法としてはエキシマレーザアニール
(ELA)法が提案されている。ELA法により膜中に
含まれる欠陥密度が低いpoly−Si膜が得られると
されるが、poly−Si膜中の欠陥を更に低減する方
法として、酸素プラズマ雰囲気中でアニールする方法が
提案されている(例えば特開平6−196503号公
報)。この方法について以下に図5を参照して説明す
る。
【0005】まず、図5(a)に示すように、ガラス基
板101上にポリシリコン層102を形成した後、酸素
プラズマ103雰囲気中でアニールを行う。このとき、
図5(b)に示すように、ポリシリコン層102上に酸
化膜104が形成される。酸素プラズマ中には電荷が存
在するため、酸化膜104中に主として正の電荷105
が取り込まれる。次に、図5(c)に示すように、ポリ
シリコン層102と酸化膜104をエッチングによりパ
ターニングを行い、活性層106を形成する。次に、酸
化膜104を除去せずに、連続してゲート絶縁膜107
およびゲート電極108を形成する。次に、図5(d)
に示すように、不純物を活性層106の一部に注入して
ソース・ドレイン領域109を形成する。更に、層間絶
縁膜110を形成した後、ソース・ドレイン領域109
と電気的に接続されるAl電極111を形成する。
【0006】上記の酸素プラズマ処理により、活性層と
なるポリシリコン層が酸素プラズマ雰囲気に晒され、酸
素プラズマ中の酸素がポリシリコン層内で不安定に結合
されたシリコン原子と結合する。このため、ポリシリコ
ン層内のダングリングボンド(dangling bond )が減少
し、チャネル導電率の向上が図られる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】活性層となるポリシリ
コン層を酸素プラズマに晒すことにより、ポリシリコン
層上には酸化膜が形成される。プラズマ中には電荷が存
在するため、酸素プラズマに晒した際に、形成された酸
化膜中に電荷が取り込まれることになる。この酸化膜を
ゲート絶縁膜の一部として用いて形成された薄膜トラン
ジスタの特性は電荷の影響を受けるようになる。具体的
には、しきい値電圧が負側に振られたり、しきい値電圧
のばらつきが大きくなったりという問題が生じる。ま
た、逆スタガード型薄膜トランジスタにあっては、この
酸素プラズマ処理により生成された酸化膜中に取り込ま
れた電荷によりバックチャネル部がn型化されバックチ
ャネル部のリーク電流が増大する。したがって、本発明
の解決すべき課題は、薄膜トランジスタのしきい値電圧
が負側に振られたりばらつきが大きくなったりすること
を防止し、またリーク電流の増大を抑制することであ
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】上述した本発明の課題
は、多結晶シリコン層を酸素を含むプラズマ雰囲気中で
処理して、多結晶シリコン層の高品質化を実現した後、
このプラズマ処理によって生成された酸化膜をエッチン
グ除去するようにすることによって解決することができ
る。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明による薄膜トランジスタの
製造方法は、(1)絶縁性基板上または絶縁膜上に多結
晶シリコン層を形成する工程と、(2)前記多結晶シリ
コン層を島状形状にパターニングして活性層を形成する
工程と、(3)前記多結晶シリコン層を酸素を含むプラ
ズマ雰囲気に晒す工程と、(4)前記活性層上にゲート
絶縁膜を形成する工程と、(5)前記ゲート絶縁膜上に
ゲート電極を形成する工程と、(6)前記活性層の一部
に不純物を高濃度にドープしてソース・ドレイン領域を
形成する工程と、を備え、この順で若しくは前記第
(2)の工程と前記第(3)の工程の順序を変えて行う
ものであって、前記第(3)の工程の後前記第(4)の
工程の前には前記多結晶シリコン層をプラズマ雰囲気に
晒すことによって形成された酸化膜を除去する工程が付
加されることを特徴としている。
【0010】また、本発明による薄膜トランジスタの製
造方法は、(1′)絶縁性基板上または絶縁膜上にゲー
ト電極をする工程と、(2′)前記ゲート電極上にゲー
ト絶縁膜を形成する工程と、(3′)前記ゲート絶縁膜
上に多結晶シリコン層を形成する工程と、(4′)前記
多結晶シリコン層を島状形状にパターニングして活性層
を形成する工程と、(5′)前記多結晶シリコン層を酸
素を含むプラズマ雰囲気に晒す工程と、(6′)前記活
性層上にチャネル保護膜を形成する工程と、(7′)前
記活性層の一部に不純物を高濃度にドープしてソース・
ドレイン領域を形成する工程と、を備え、この順に若し
くは前記第(4′)の工程と前記第(5′)の工程、お
よび/または、前記第(6′)の工程と前記第(7′)
の工程の順序を入れ換えて行う薄膜トランジスタの製造
方法において、前記第(5′)の工程の後で前記第
(6′)の工程の前に前記多結晶シリコン層をプラズマ
雰囲気に晒すことによって形成された酸化膜を除去する
工程が付加されることを特徴としている。
【0011】そして、好ましくは、前記第(3)の工
程、前記酸化膜除去工程および前記第(4)の工程、若
しくは、前記第(5′)の工程、前記酸化膜除去工程お
よび前記第(6′)の工程が真空を破らずに連続的に行
われる。
【0012】[作用]本発明によれば、活性層となるポ
リシリコン層を酸素プラズマに晒しているため、ポリシ
リコン層中のダングリングボンドを減少させることがで
き、高品質の活性層を得ることができる。また、プラズ
マ酸化処理工程で形成された酸化膜を一旦除去した後、
ゲート絶縁膜を形成しているので(正スタガード型薄膜
トランジスタの場合)、ゲート酸化膜中には酸素プラズ
マ中の電荷が取り込まれることがなくなり、薄膜トラン
ジスタのしきい値電圧が負側に振られたりばらつきが大
きくなったりする問題は抑制される。また、逆スタガー
ド型の場合、バックチャネルの形成が抑制されるため、
リーク電流の増大を抑えることができる。よって、本発
明によれば、オン/オフ比の大きな薄膜トランジスタを
得ることができ、例えばアクティブマトリクス方式の液
晶表示素子のスイッチング素子として用いた場合には、
表示画像の高品質化を実現することができる。さらに、
ポリシリコン層のプラズマ酸化、前記プラズマ酸化で形
成された酸化膜の除去およびゲート酸化膜(あるいはチ
ャネル保護膜)の形成を同一チャンバー内で連続して行
うことにより、活性層表面を大気に晒さないで済むよう
になり、良好な界面を形成することができるため、正ス
タガード型の薄膜トランジスタにあってはオン電流を一
層高めることができる。また、逆スタガード型のトラン
ジスタにあっては、特性をより安定化させることができ
る。
【0013】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て詳細に説明する。 [第1の実施例]図1は、nチャネルpoly−Si
TFTを作製する場合についての本発明の第1の実施例
を示す工程順の断面図である。まず、図1(a)に示す
ように、ガラス基板101上に、ジシランガスを用いて
基板温度450℃にて膜厚120nmのアモルフアスシ
リコンを形成した後、エキシマレーザアニール法によ
り、活性化を行いポリシリコン層102を形成する。次
に、前記ポリシリコン層102を酸素プラズマ103雰
囲気に晒す。このとき、図1(b)に示すように、ポリ
シリコン層102上には酸化膜104が40nm程度形
成されるが、この酸化膜中には酸素プラズマ中に含まれ
る電荷105が取り込まれる。また、このとき、ポリシ
リコン層102の膜厚は100nmに減少する。次に、
図1(c)に示すように、前記酸化膜104を除去せず
に、ポリシリコン層102をドライエッチング法により
島状形状にパターニングして活性層106を形成する。
【0014】次に、図1(d)に示すように、電荷10
5を含んだ酸化膜104を3%の濃度のフッ酸で除去す
る。次に、シランガスと酸素を用いた、成長温度400
℃のLPCVD法により、活性層106およびガラス基
板101を覆うように、膜厚50nmのゲート絶縁膜1
07を形成する。更に、リンを高濃度に含有した膜厚1
50nmのポリシリコン膜を形成しこれをパターニング
してゲート電極108を形成した後、イオンドーピング
法により活性層106の一部にリン(P)を加速エネル
ギー50keV、ドーズ量5×1015cm-2の条件で注
入し、ソース・ドレイン領域109を形成する。次い
で、プラズマCVD法により、ゲート絶縁膜107およ
びゲート電極108を覆う、窒化シリコン膜からなる膜
厚300nmの層間絶縁膜110を形成する。さらに、
ゲート絶縁膜107および層間絶縁膜110の一部をド
ライエッチング法により除去してコンタクトホールを開
口し、Al電極111を形成する。最後に、水素プラズ
マ雰囲気で基板温度300℃でアニールを行うことによ
り、活性層中の欠陥を水素により終端する。
【0015】図2に、本実施例により形成したnチヤネ
ルpoly−Si TFTのドレイン電流のゲート電圧
依存性を実線にて、従来例のそれを破線にて示す。従来
例の場合、プラズマ酸化工程で形成された、電荷が混入
した酸化膜をゲート絶縁膜の一部に用いているため、特
性が大幅にマイナス方向にシフトしていることがわか
る。一方、本発明により形成したpoly−Si TF
Tでは、ドレイン電流が最小となるゲート電圧は0Vで
あり、特性のマイナス方向へのシフトは見られない。具
体的には、従来法で形成したnチャネルpoly−Si
TFTのしきい値は−2V程度となり、大幅にマイナ
ス方向へシフトしていたが、本実施例によるpoly−
Si TFTでは1.5V程度となり、正常な値を示し
た。また、プラズマ酸化工程により、ダングリングボン
ド密度を減少させることができ、移動度200cm2
V・secに達するnチャネルpoly−Si TFT
を作製することができ、しきい値の変動を抑えながら高
い移動度を有するpoly−Si TFTを低温プロセ
スで形成することができた。すなわち、本実施例により
オン電流が高く、オフ電流(リーク電流)の低い薄膜ト
ランジスタを製作することができた。したがって、例え
ばアクティブマトリクス方式液晶表示素子のスイッチン
グ素子として、本発明による薄膜トランジスタを用いれ
ば、電圧保持特性が改善され、表示画像の高品質化に資
することができる。
【0016】[第2の実施例]次に、図3および図4を
参照して本発明の第2の実施例について説明する。図3
は、第2の実施例での処理が行われる製造装置の概略を
示す断面図であり、図4は、第2の実施例の製造工程を
示す工程順断面図である。図3に示されるように、第2
の実施例において用いられる半導体製造装置は、プラズ
マ酸化チャンバー201、ドライエッチチャンバー20
2、リモートプラズマCVD(RPCVD)チャンバー
203の3室からなり、各室は予備室204、205で
接続されている。まず、ポリシリコン層を島状形状にパ
ターニングして活性層106を形成したガラス基板10
1をプラズマ酸化チャンバー201に導入する。
【0017】ここで、ガス導入ポート208より酸素を
供給し、RF電源209により、高周波電圧を印加して
電極206、207間に酸素プラズマを発生させること
により、図4(a)に示すように、活性層106の表面
を覆うようにして酸化膜104を形成する。この酸化膜
104中には既に述べたようにプラズマ酸素中の電荷1
05が取り込まれている。次に、プラズマ酸化用チャン
バー内の酸素ガスを排気し、10-7[Torr]以下の
高真空状態を維持したまま、予備室204を通ってガラ
ス基板101をドライエッチチャンバー202に搬送す
る。ドライエッチチャンバー202では、ガス導入ポー
ト212、213よりCF4 と酸素を導入し、RF電源
214により高周波電圧を印加して電極210、211
間にプラズマを発生させ、図4(b)に示すように、活
性層106上の酸化膜104をエッチングする。次に、
ドライエッチチャンバー202内のCF4 および酸素ガ
スを排気し、10-7[Torr]以下の高真空状態を維
持したまま、予備室205を通ってガラス基板101を
RPCVDチャンバー203に搬送する。
【0018】高真空を維持しているために、活性層10
6表面の酸化や、表面の汚染を防ぐことができる。RP
CVDチャンバー203ではガス導入ポート215、2
16からシランガスと酸素ガスが供給し、RF電源22
1により、電極217、218間にプラズマを発生させ
る。さらに、直流電源220によりメッシュ電極219
と電極217間に電圧を印加し、図4(c)に示すよう
に、ガラス基板101と活性層106とを覆うようにし
てSiO2 膜からなるゲート絶縁膜107を形成する。
更に、図4(d)に示すように、リンを高濃度に含有し
たポリシリコンからなる膜厚150nmのゲート電極1
08を形成した後、イオンドーピング法により活性層1
06の一部にリンを加速エネルギー50keV、ドーズ
量5×1015cm-2の条件で注入し、ソース・ドレイン
領域109を形成する。
【0019】次に、プラズマCVD法によりゲート絶縁
膜107およびゲート電極108を覆う、窒化シリコン
膜からなる膜厚300nmの層間絶縁膜110を形成す
る。さらに、ゲート絶縁膜107および層間絶縁膜11
0の一部をドライエッチング法により除去してコンタク
トホールを形成した後、Al電極111を形成する。最
後に、水素プラズマ雰囲気で基板温度300℃でアニー
ルを行うことにより、活性層中の欠陥を水素により終端
する。
【0020】本実施例においては、酸化膜を除去した
後、真空を破らずにゲート絶縁膜を形成しているため、
良好なゲート絶縁膜/活性層界面を形成することがで
き、第1の実施例の効果に加えより高いオン電流を得る
ことができる。したがって、第1の実施例の場合より
も、高いオン/オフ電流比の薄膜トランジスタを得るこ
とができる。本実施例では、ゲート絶縁膜形成プロセス
としてRPCVD法を用いていたが、RFプラズマCV
D法、ECRプラズマCVD等、他の成膜方法を用いて
も同様の効果が得られる。
【0021】以上好ましい実施例について説明したが、
本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、特許
請求の範囲に記載された範囲内において、適宜の変更が
可能なものである。例えば、上記実施例では、nチヤネ
ルpoly−Si TFTについて説明したが、pチャ
ネルpoly−Si TFTもソース・ドレイン領域の
イオンドーピング工程でボロンを注入することにより、
同様に作製することができる。また、絶縁基板上ばかり
でなく、SOI構造のMOSFETでも同様に作製する
ことが可能である。さらに、正スタガード型薄膜トラン
ジスタばかりでなく逆スタガード型のものにも本発明を
適用することができる。また、ポリシリコン層のプラズ
マ処理に用いるガスとしては、酸化窒素(N2 O)など
酸素を含むものであれば用いることができ、実施例の酸
素に限定されるものではない。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
活性層となるポリシリコン層のダングリングボンドを終
端するための酸素プラズマ工程で形成される酸化膜をゲ
ート絶縁膜形成前に除去しているので、プラズマ酸化工
程で混入した電荷により薄膜トランジスタのしきい値が
負側に振られたり不安定となったりするという問題を防
ぐことができる。また、本発明を逆スタガード型TFT
に適用した場合には、酸化膜中に取り込まれた電荷に起
因するバックチャネル部でのリークを防止することがで
きる。したがって、本発明によれば、薄膜トランジスタ
のオフ電流を小さく抑えることができる。また、プラズ
マ酸化工程、酸化膜除去工程およびゲート酸化膜(また
はチャネル保護膜)形成工程を真空を破らずに連続して
行う実施例によれば、良好なゲート絶縁膜/活性層界面
(またはチャネル保護膜/活性層界面)を有する薄膜ト
ランジスタを形成することができ、薄膜トランジスタの
高性能化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を説明するための工程順
の断面図。
【図2】本発明の第1の実施例により製作された薄膜ト
ランジスタと従来例により製作された薄膜トランジスタ
との電気的特性図。
【図3】本発明の第2の実施例において用いられる製造
装置の概略の断面図。
【図4】本発明の第2の実施例を説明するための工程順
の断面図。
【図5】従来例を説明するための工程順の断面図。
【符号の説明】
101 ガラス基板 102 ポリシリコン層 103 酸素プラズマ 104 酸化膜 105 電荷 106 活性層 107 ゲート絶縁膜 108 ゲート電極 109 ソース・ドレイン領域 110 層間絶縁膜 111 Al電極 201 プラズマ酸化チャンバー 202 ドライエッチチャンバー 203 リモートプラズマCVD(RPCVD)チャン
バー 204、205 予備室 206、207、210、211、217、218 電
極 208 ガス導入ポート 209、214、221 RF電源 212、213、215、216 ガス導入ポート 219 メッシュ電極 220 直流電源

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (1)絶縁性基板上または絶縁膜上に多
    結晶シリコン層を形成する工程と、 (2)前記多結晶シリコン層を島状形状にパターニング
    して活性層を形成する工程と、 (3)前記多結晶シリコン層を酸素を含むプラズマ雰囲
    気に晒す工程と、 (4)前記活性層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、 (5)前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程
    と、 (6)前記活性層の一部に不純物を高濃度にドープして
    ソース・ドレイン領域を形成する工程と、を備え、この
    順で若しくは前記第(2)の工程と前記第(3)の工程
    の順序を入れ換えて行う薄膜トランジスタの製造方法に
    おいて、 前記第(3)の工程の後前記第(4)の工程の前には前
    記多結晶シリコン層をプラズマ雰囲気に晒すことによっ
    て形成された酸化膜を除去する工程が付加されることを
    特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
  2. 【請求項2】 前記各工程がこの順で行われ、かつ、前
    記第(3)の工程、前記酸化膜除去工程および前記第
    (4)の工程が真空を破らずに連続的に行われることを
    特徴とする請求項1記載の薄膜トランジスタの製造方
    法。
  3. 【請求項3】 (1′)絶縁性基板上または絶縁膜上に
    ゲート電極をする工程と、 (2′)前記ゲート電極上にゲート絶縁膜を形成する工
    程と、 (3′)前記ゲート絶縁膜上に多結晶シリコン層を形成
    する工程と、 (4′)前記多結晶シリコン層を島状形状にパターニン
    グして活性層を形成する工程と、 (5′)前記多結晶シリコン層を酸素を含むプラズマ雰
    囲気に晒す工程と、 (6′)前記活性層上にチャネル保護膜を形成する工程
    と、 (7′)前記活性層の一部に不純物を高濃度にドープし
    てソース・ドレイン領域を形成する工程と、を備え、こ
    の順に若しくは前記第(4′)の工程と前記第(5′)
    の工程、および/または、前記第(6′)の工程と前記
    第(7′)の工程の順序を入れ換えて行う薄膜トランジ
    スタの製造方法において、 前記第(5′)の工程の後で前記第(6′)の工程の前
    に前記多結晶シリコン層をプラズマ雰囲気に晒すことに
    よって形成された酸化膜を除去する工程が付加されるこ
    とを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
  4. 【請求項4】 前記第(5′)の工程、前記酸化膜除去
    工程および前記第(6′)の工程が真空を破らずに連続
    的に行われることを特徴とする請求項3記載の薄膜トラ
    ンジスタの製造方法。
  5. 【請求項5】 前記第(1)の工程または前記第
    (3′)の工程における多結晶シリコン層の形成工程
    が、アモルファスシリコン層の形成工程と、該アモルフ
    ァスシリコン層のアニーリング工程と、を含むものであ
    ることを特徴とする請求項1または3記載の薄膜トラン
    ジスタの製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002025739A1 (fr) * 2000-09-21 2002-03-28 Matsushita Electric Industrial Co.,Ltd. Transistor en mince couche ainsi qu'un afficheur a cristaux liquides et un afficheur electroluminescent contenant ce transistor
KR100973800B1 (ko) 2003-03-03 2010-08-03 삼성전자주식회사 박막 트랜지스터 기판의 제조 방법
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