JP2015521804A - Thin film transistor manufacturing method - Google Patents
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Abstract
ボトムゲート・トップコンタクト金属酸化物半導体薄膜トランジスタの製造方法であって、この方法は、基板上にゲート電極を形成する工程と、ゲート電極を覆うようにゲート誘電体層を形成する工程と、ゲート誘電体層の上に金属酸化物半導体層を堆積する工程と、金属酸化物半導体層の上に金属層を堆積する工程と、金属層をパターニングしてソースコンタクトとドレインコンタクトを形成する工程とを含み、金属層をパターニングする工程は、金属層をドライエッチングする工程と、その後に金属酸化物半導体層をパターニングする工程とを含む。【選択図】図1A method for manufacturing a bottom gate / top contact metal oxide semiconductor thin film transistor, comprising: forming a gate electrode on a substrate; forming a gate dielectric layer to cover the gate electrode; Depositing a metal oxide semiconductor layer on the body layer, depositing a metal layer on the metal oxide semiconductor layer, and patterning the metal layer to form source and drain contacts. The step of patterning the metal layer includes a step of dry etching the metal layer and a step of patterning the metal oxide semiconductor layer thereafter. [Selection] Figure 1
Description
開示された技術は、金属酸化物半導体薄膜トランジスタの製造方法に関し、特に金属酸化物半導体ボトムゲート・トップコンタクト薄膜トランジスタの製造方法と、それにより得られた薄膜トランジスタに関する。 The disclosed technology relates to a method of manufacturing a metal oxide semiconductor thin film transistor, and more particularly to a method of manufacturing a metal oxide semiconductor bottom gate / top contact thin film transistor and a thin film transistor obtained thereby.
金属酸化物半導体は、低いプロセス温度で優れた電気的特性が達成できるため、大面積ディスプレイや回路のような薄膜エレクトロニクスにおいて潜在的な応用を見出す。例えば、活性層としてアモルファスのガリウム−インジウム−亜鉛−酸化物(a−GIZO)を用いる薄膜トランジスタ(TFT)は、既に実施されている。良好な移動度(μ)と良好な閾値電圧(VTH)の制御を実現することは、ディスプレイにおいて、従来のアモルファスSiTFTバックプレーンを、アモルファス金属酸化物半導体TFTバックプレーンで成功裏に置き換えるための重要なパラメータである。 Metal oxide semiconductors find potential applications in thin film electronics such as large area displays and circuits because they can achieve excellent electrical properties at low process temperatures. For example, thin film transistors (TFTs) using amorphous gallium-indium-zinc-oxide (a-GIZO) as an active layer have already been implemented. Achieving good mobility (μ) and good threshold voltage (V TH ) control is the key to successfully replacing traditional amorphous Si TFT backplanes with amorphous metal oxide semiconductor TFT backplanes in displays. It is an important parameter.
ボトムゲート・トップコンタクト(BGTC)金属酸化物半導体薄膜トランジスタの製造プロセスでは、更なるプロセス中に、プラズマダメージから金属酸化物半導体層を保護するために、エッチストップ層がしばしば用いられる。そのようなプロセスでは、基板上にゲートおよびゲート誘電体層を形成した後、金属酸化物半導体層がゲート誘電体層の上に堆積され、パターニングされる。次に、金属酸化物半導体層の上にエッチストップ層が堆積され、続いてエッチストップ層がパターニングされる。次に、金属層が堆積され、ドライプラズマエッチングでパターニングされ、ソースコンタクトおよびドレインコンタクトを形成する。このソースコンタクトおよびドレインコンタクトを形成するパターニング中に、エッチストップ層は、金属エッチングプロセスにより発生するダメージから、下層の金属酸化物半導体層を保護する。 In the manufacturing process of bottom gate top contact (BGTC) metal oxide semiconductor thin film transistors, an etch stop layer is often used to protect the metal oxide semiconductor layer from plasma damage during further processing. In such a process, after forming the gate and gate dielectric layer on the substrate, a metal oxide semiconductor layer is deposited and patterned on the gate dielectric layer. Next, an etch stop layer is deposited on the metal oxide semiconductor layer, followed by patterning the etch stop layer. Next, a metal layer is deposited and patterned by dry plasma etching to form source and drain contacts. During patterning to form the source and drain contacts, the etch stop layer protects the underlying metal oxide semiconductor layer from damage caused by the metal etching process.
代わりのプロセスフローでは、金属酸化物半導体層の上で金属層をパターニングするために、ウエットエッチングプロセスを用いることにより、エッチストップ層の使用を避けることができる。しかしながら、金属層と金属酸化物半導体層との間で良好なエッチング選択性を有するエッチャントを見出すことが課題であり、このことは使用できる材料の組み合わせを制限する。 In an alternative process flow, the use of an etch stop layer can be avoided by using a wet etch process to pattern the metal layer over the metal oxide semiconductor layer. However, finding an etchant with good etch selectivity between the metal layer and the metal oxide semiconductor layer is a challenge, which limits the combinations of materials that can be used.
1つの発明の形態は、金属酸化物半導体層の上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトのパターニングがドライエッチングで行われ、エッチストップ層を使用する必要のない、良好な金属酸化物半導体薄膜トランジスタの製造方法に関する。 One embodiment of the present invention relates to a method for manufacturing a good metal oxide semiconductor thin film transistor in which patterning of a source contact and a drain contact on a metal oxide semiconductor layer is performed by dry etching, and it is not necessary to use an etch stop layer. .
1つの発明の形態は、ボトムゲート・トップコンタクト金属酸化物半導体薄膜トランジスタの製造方法に関し、この方法は、基板上にゲート電極を形成する工程と、ゲート電極を覆うゲート誘電体層を形成する工程と、ゲート誘電体層の上に金属酸化物半導体層を堆積する工程と、を含む。この方法は、更に、金属酸化物半導体層の上に金属層または金属層スタックを堆積する工程と、金属層または金属層スタックをパターニングして、薄膜トランジスタのソースコンタクトとドレインコンタクトを形成する工程とを含み、金属層または金属層スタックをパターニングする工程は、金属層または金属層スタックをドライエッチングする工程と、その後に、例えばその直後に、金属酸化物半導体層をパターニングする工程と、を含む。この方法は、更に、パッシベーション層を堆積する工程および/またはアニール工程のような追加のプロセスを含んでも良い。アニール工程は、好適には、デバイス作製中の、および/良好なパッシベーションを得る工程ための、プラズマプロセスにより形成されたダメージを治癒するために適用される。 One aspect of the invention relates to a method of manufacturing a bottom gate / top contact metal oxide semiconductor thin film transistor, the method comprising: forming a gate electrode on a substrate; forming a gate dielectric layer covering the gate electrode; Depositing a metal oxide semiconductor layer on the gate dielectric layer. The method further includes depositing a metal layer or metal layer stack over the metal oxide semiconductor layer and patterning the metal layer or metal layer stack to form a source contact and a drain contact of the thin film transistor. The step of patterning the metal layer or the metal layer stack includes a step of dry etching the metal layer or the metal layer stack, and a step of patterning the metal oxide semiconductor layer, for example, immediately thereafter. The method may further include additional processes such as depositing a passivation layer and / or an annealing step. An annealing step is preferably applied to cure the damage formed by the plasma process during device fabrication and / or for obtaining good passivation.
金属酸化物半導体層は、例えば、アモルファスIGZO(インジウム・ガリウム・亜鉛・酸化物)層でも良い。しかしながら、本開示は、これに限定されるものではなく、InZnO、HfInZnO、SiInZnO、ZnO、CuOまたはSnO層のような他の金属酸化物半導体層を用いても良い。 The metal oxide semiconductor layer may be, for example, an amorphous IGZO (indium / gallium / zinc / oxide) layer. However, the present disclosure is not limited to this, and other metal oxide semiconductor layers such as InZnO, HfInZnO, SiInZnO, ZnO, CuO, or SnO layers may be used.
1つの発明の形態にかかる方法では、金属酸化物半導体層をパターニングする工程は、金属酸化物半導体層の上の金属層または金属層スタックをパターニングした後に、即ち、ソースコンタクトとドレインコンタクトを形成した後に、行われる。そのような順序のプロセス工程を用いる長所は、金属ドライエッチング中に、例えば薄膜トランジスタのチャネル領域中で、金属酸化物半導体層がダメージを受けるリスクが、ドライ(プラズマ)エッチングで金属層または金属層スタックをパターニングする前に金属酸化物半導体層をパターニングするプロセス順序に比較して、大きく低減できることである。 In the method according to one aspect of the invention, the step of patterning the metal oxide semiconductor layer is performed after patterning the metal layer or the metal layer stack on the metal oxide semiconductor layer, that is, forming the source contact and the drain contact. Will be done later. The advantage of using such a sequence of process steps is that the risk of damaging the metal oxide semiconductor layer during the dry metal etch, eg, in the channel region of a thin film transistor, is reduced by the dry (plasma) etch metal layer or metal layer stack. Compared with the process sequence in which the metal oxide semiconductor layer is patterned before patterning is significantly reduced.
エッチストップ層を形成しパターニングする必要が無く、これにより必要なマスクの数を減らし、その結果プロセス工程の数を減らし、製造コストを減らせることは、1つの発明の形態にかかる方法の長所である。 It is an advantage of the method according to one aspect of the invention that there is no need to form and pattern an etch stop layer, thereby reducing the number of masks required, thereby reducing the number of process steps and manufacturing costs. is there.
トランジスタサイズ、特にチャネル長を、エッチストップ層を用いる方法に比較して低減できることは、1つの発明の形態にかかる方法の長所である。例えば、基板サイズおよび使用されるリソグラフィ装置に依存して、約2マイクロメータから5マイクロメータのオーダーのチャネル長を有するトランジスタが、1つの発明の形態にかかる方法を用いて形成でき、一方で、エッチストップ層を用いる従来技術の方法では、チャネル長の下限は約5マイクロメータから20マイクロメータのオーダーである。一般に、チャネル長は、エッチストップ層を用いて形成された薄膜トランジスタに比較して、約3の倍数で低減できる。それゆえに、ディスプレイの作製工程で、1つの発明の形態にかかる方法を用いた場合、より小型のピクセルが形成され、改良された解像度のディスプレイが作製できる。 It is an advantage of the method according to one aspect of the invention that the transistor size, in particular the channel length, can be reduced compared to the method using an etch stop layer. For example, depending on the substrate size and the lithographic apparatus used, a transistor having a channel length on the order of about 2 to 5 micrometers can be formed using the method according to one aspect of the invention, In prior art methods using an etch stop layer, the lower limit of channel length is on the order of about 5 to 20 micrometers. In general, the channel length can be reduced by a factor of about 3 as compared to a thin film transistor formed using an etch stop layer. Therefore, when the method according to one aspect of the invention is used in the display manufacturing process, smaller pixels are formed, and an improved resolution display can be manufactured.
良好な電界効果移動度(例えば、約2cm2/Vsから100cm2/Vsの範囲)、低いIOFF電流(例えば、約10pAより低い)、および低いサブ閾値勾配(例えば約1V/decadeより低い)のような、良好な特徴を有する金属酸化物半導体薄膜トランジスタの作製が可能になることが、1つの発明の形態にかかる方法の長所である。 Good field effect mobility (eg, in the range of about 2 cm 2 / Vs to 100 cm 2 / Vs), low I OFF current (eg, below about 10 pA), and low subthreshold slope (eg, below about 1 V / decade) It is an advantage of the method according to one aspect of the invention that a metal oxide semiconductor thin film transistor having favorable characteristics as described above can be manufactured.
アモルファスシリコン薄膜トランジスタおよび回路の大量生産のために使用される現状の製造ラインと互換性があることが、1つの発明の形態にかかる方法の長所である。特に、本発明の形態で使用される製造工程は、アモルファスシリコンTFTの現状の製造ラインで行うことができる。これは、また、金属酸化物TFTが、アモルファスシリコンTFTのための現状の製造ラインで、本発明の具体例にかかる方法を用いて製造できることを暗示する。 It is an advantage of the method according to one aspect of the invention that it is compatible with current production lines used for mass production of amorphous silicon thin film transistors and circuits. In particular, the manufacturing process used in the embodiment of the present invention can be performed on an existing manufacturing line for amorphous silicon TFTs. This also implies that metal oxide TFTs can be manufactured using the method according to embodiments of the present invention on current production lines for amorphous silicon TFTs.
1つの発明の形態にかかる方法は、例えばディスプレイのピクセルを選択または駆動するための、金属酸化物半導体薄膜トランジスタのアレイの作製にも、特徴的に使用できる。 The method according to one aspect of the invention can also be used characteristically to make an array of metal oxide semiconductor thin film transistors, for example for selecting or driving pixels of a display.
いくつかの発明の形態の所定の目的および長所は、上に記載した。もちろん、必ずしもそのような目的や長所の全てが、本開示のいずれの特定の具体例でも達成される必要はないことが理解される。このように、例えば、ここで教示または示唆された他の目的または長所を達成する必要なしに、ここで教示された1つの長所または長所のグループを達成または最適化する方法で、本開示が具体化または実施できることを、当業者は認識するであろう。更に、この概要は単に例示であり、本開示の範囲を限定することを意図しない。機構と操作の方法の双方についての、本開示は、添付の図面と共に読んだ場合に、以下の詳細な説明を参照することにより、その特徴および長所とともに最も理解できるであろう。 Certain objectives and advantages of some inventive aspects have been described above. Of course, it is understood that not all such objectives and advantages need be achieved in any particular embodiment of the present disclosure. Thus, for example, the disclosure may be embodied in a manner that achieves or optimizes one advantage or group of advantages taught herein without having to achieve other objectives or advantages taught or suggested herein. One skilled in the art will recognize that can be implemented or implemented. Moreover, this summary is merely an example and is not intended to limit the scope of the present disclosure. The present disclosure, both in terms of mechanism and method of operation, together with its features and advantages will be best understood by reference to the following detailed description when read in conjunction with the accompanying drawings.
異なる図面において、同じ参照符号は、同一または類似要素を示す。 In the different drawings, the same reference signs refer to the same or analogous elements.
以下の詳細な説明において、開示の全体の理解と、特定の具体例で、それがどのように実施されるかを提供するために、多くの具体的な細部が記載される。しかしながら、本開示は、それらの具体的な細部無しに実施できることが理解されるであろう。他の例では、本開示を不明瞭にしないために、公知の方法、手続き、および技術は、詳細には記載されない。一方、本開示は、所定の図面を参照しながら特別な具体例について記載されるが、この開示はこれに限定されない。ここに含まれ、記載された図面は、模式的で本開示の範囲を限定するものではない。なお、図面において、いくつかの要素のサイズは誇張され、それゆえに例示目的で縮尺通りには記載されない。 In the following detailed description, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the disclosure and how it may be implemented in particular embodiments. However, it will be understood that the present disclosure may be practiced without these specific details. In other instances, well-known methods, procedures, and techniques have not been described in detail so as not to obscure the present disclosure. On the other hand, the present disclosure will be described with reference to specific examples with reference to certain drawings, but the disclosure is not limited thereto. The drawings included and described herein are schematic and are not limiting the scope of the disclosure. In the drawings, the size of some of the elements may be exaggerated and therefore not illustrated on scale for illustrative purposes.
更に、記載中の第1、第2、第3等の用語は、類似要素の間で区別するために使用され、時間的、空間的の双方で、順番または他の方法における順序を表す必要はない。そのように使用された用語は、適当な状況において交換可能であり、ここに記載された本開示の具体例は、ここで記載または示されたのとは違う順序で動作可能であることが理解されるであろう。 In addition, the terms first, second, third, etc. in the description are used to distinguish between similar elements and need to represent an order or order in other ways, both temporally and spatially. Absent. The terms so used are interchangeable in appropriate circumstances, and it is understood that the embodiments of the disclosure described herein may operate in a different order than that described or shown herein. Will be done.
更に、記載中の上、下、上に、下に等の用語は、便宜的に使用され、相対位置を示す必要はない。そのように使用された用語は、適当な状況下で交換可能であり、ここで記載された開示の具体例は、ここに記載され、または示されたものとは異なる方向で実施できることが理解されるであろう。 Further, the terms “up”, “down”, “up”, “down” and the like in the description are used for convenience and do not need to indicate relative positions. It is understood that the terms so used are interchangeable under appropriate circumstances and that the embodiments of the disclosure described herein can be implemented in different directions than those described or shown herein. It will be.
「含む(comprising)」の用語は、それ以降に並べられた手段に限定されて解釈されるものではなく、他の要素や工程を排除するものではない。このように、言及された特徴、数字、工程、または成分は、その通りに解釈され、1またはそれ以上の他の特徴、数字、工程、または成分、またはこれらの組み合わせの存在または追加を排除してはならない。このように、「手段AおよびBを含むデバイス」の表現の範囲は、構成要素AとBのみを含むデバイスに限定されるべきではない。 The term “comprising” is not construed as being limited to the means listed thereafter; it does not exclude other elements or steps. Thus, features, numbers, steps, or ingredients referred to are construed accordingly and exclude the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, or ingredients, or combinations thereof. must not. Thus, the scope of the expression “a device including means A and B” should not be limited to devices including only components A and B.
所定の具体例は、ボトムゲート・トップコンタクト金属酸化物半導体薄膜トランジスタの製造方法を提供し、この方法は、基板上にゲート電極を形成する工程と、ゲート電極の上にゲート誘電体層を形成する工程と、ゲート誘電体層の上に金属酸化物半導体層を堆積する工程と、を含む。1つの具体例では、この方法は、更に、金属酸化物半導体層の上に金属層を堆積する工程と、金属層をパターニングしてソースコンタクトとドレインコンタクトとを形成する工程と、を含み、金属層をパターニングする工程は、金属層をドライエッチする工程と、その後に、金属酸化物半導体層をパターニングする工程と、を含む。この方法は、更に、(シリコン酸化物、シリコン窒化物、および/またはアルミニウム酸化物のような)パッシベーション層を堆積する工程および/またはアニール工程のような、追加の工程を含んでも良い。 Certain embodiments provide a method of fabricating a bottom gate / top contact metal oxide semiconductor thin film transistor, the method comprising forming a gate electrode on a substrate and forming a gate dielectric layer on the gate electrode. And depositing a metal oxide semiconductor layer over the gate dielectric layer. In one embodiment, the method further includes the steps of depositing a metal layer over the metal oxide semiconductor layer and patterning the metal layer to form a source contact and a drain contact, The step of patterning the layer includes a step of dry etching the metal layer and a step of patterning the metal oxide semiconductor layer thereafter. The method may further include additional steps such as depositing a passivation layer (such as silicon oxide, silicon nitride, and / or aluminum oxide) and / or an annealing step.
1つの具体例にかかる方法では、金属酸化物半導体層をパターニングする工程は、金属酸化物半導体層の上で金属層を(ドライエッチングで)パターニングした後に、即ちソースコンタクトとドレインコンタクトとを形成した後に、行われる。 In a method according to one specific example, the step of patterning the metal oxide semiconductor layer is performed after patterning the metal layer on the metal oxide semiconductor layer (by dry etching), that is, forming a source contact and a drain contact. Will be done later.
1つの具体例にかかる金属酸化物半導体薄膜トランジスタを作製するためのプロセスフローの一例が、図1の模式的に示され、更に図2に示される。電気的に絶縁性の基板10の上に、例えば約30nmから300nmの膜厚の、Mo、Ti、Cr、またはCu層、またはTi/MoまたはMo/Al/Moスタックのようなゲート金属層または金属スタックを堆積(プロセス1)した後に、フォトリソグラフィとウエットまたはドライエッチングの手段により、ゲート金属層または金属スタックがパターニングされ(プロセス2)、ゲート電極11を形成する。次に、シリコン酸化物層、シリコン窒化物層、またはアルミニウム酸化物層、または当業者に知られた他の好ましい誘電体層または層スタックのようなゲート誘電体層12が堆積される(プロセス3)。結果の構造が、図2(a)に示される。基板は硬い基板でも、柔軟な基板でも、伸縮性の基板でも良い。柔軟なまたは伸縮性の基板の上で処理する場合、処理中は、基板は(一時的に)硬いキャリアの上に配置される。
An example of a process flow for producing a metal oxide semiconductor thin film transistor according to one specific example is schematically shown in FIG. 1 and further shown in FIG. A gate metal layer, such as a Mo, Ti, Cr, or Cu layer, or a Ti / Mo or Mo / Al / Mo stack, for example about 30 to 300 nm thick, on an electrically insulating
バイア(図示せず)がゲート誘電体層の中に形成され、ゲートに接続しても良い。次に、ゲート誘電体層12(図2(b))の上に、例えばアモルファスIGZO(インジウム・ガリウム・亜鉛・酸化物)層のような金属酸化物半導体層13が堆積される(プロセス4)。しかしながら、本開示はこれに限定されるものではなく、他の金属酸化物半導体層を使用しても良い。好適な金属酸化物半導体は、例えば、InZnO、HfInZnO、SiInZnO、ZnO、CuO、またはSnOである。金属酸化物半導体層の堆積工程は、例えばDCまたはRFスパットまたは蒸着工程を含む。この半導体層13の膜厚は、例えば約10nmから80nmの範囲である。
A via (not shown) may be formed in the gate dielectric layer and connected to the gate. Next, a metal
次のプロセスでは、金属層14または金属スタックが、例えば蒸着またはスパッタにより、金属酸化物半導体層13(図2(c))の上に堆積される(プロセス5)。金属層または金属スタックは、例えばMoを含み、約50nmから300nmの間の範囲の膜厚を有する。例えば、Mo/Al/Moスタック、Mo/Auスタック、Mo/Tiスタック、Mo/Ti/Al/Moスタック、またはMo/ITOスタックを用いても良いが、本開示はこれに限定されるものではない。金属層または金属スタックは、リソグラフィおよびドライ(プラズマ)エッチングでパターニングされ、図2(d)に示すように、ソースコンタクト141とドレインコンタクト142が形成される(プロセス6)。チャネル長は、例えば2マイクロメータから100マイクロメータの範囲である。
In the next process, a
金属層をエッチングしてソースコンタクトとドレインコンタクトとを形成した後に、リソグラフィとウエットまたはドライエッチングにより金属酸化物半導体層13がパターニングされ(プロセス7)、トランジスタの上に活性層131を形成する(図2(e))。
After the metal layer is etched to form a source contact and a drain contact, the metal
次に、約50nmから300nmの膜厚のシリコン酸化物、シリコン窒化物、またはアルミニウム酸化物層のようなパッシベーション層が、スパッタ、ALD、またはCVDにより堆積され(プロセス8)、プラズマエッチングまたはウエットエッチング用いてパターニングされる(プロセス9)。最後に、構造が、例えば約50℃から175℃の間の温度で、窒素雰囲気中または空気中でアニールされる(プロセス10)。 Next, a passivation layer, such as a silicon oxide, silicon nitride, or aluminum oxide layer having a thickness of about 50 nm to 300 nm, is deposited by sputtering, ALD, or CVD (process 8), plasma etching or wet etching. And patterned (process 9). Finally, the structure is annealed in a nitrogen atmosphere or in air, for example at a temperature between about 50 ° C. and 175 ° C. (process 10).
1つの具体例にかかる薄膜トランジスタ回路を形成する場合、そのような回路中に形成されるキャパシタは、金属層の間の誘電体層に加えて金属酸化物半導体層を含む。 When forming a thin film transistor circuit according to one embodiment, a capacitor formed in such a circuit includes a metal oxide semiconductor layer in addition to a dielectric layer between the metal layers.
薄膜トランジスタは、図1および図2のプロセスフローで作製された。電気的に絶縁性の基板の上に、パターニングされたMoゲート(膜厚約100nm)が形成された。次に、約100nm膜厚のSiNゲート誘電体層をCVDで堆積した。次のプロセスでは、a−IGZO層(In:Ga:Zn=1:1:1原子%、膜厚は約20nm)がO2雰囲気中でRF/DCスパッタで堆積した。次に、Moソース−ドレインコンタクト(膜厚約100nm)が、DCスパッタとドライエッチングプロセス(SF6+O2プラズマ)を用いたパターニングにより、a−IGZO層の上に形成された。続くプロセスでは、フォトリソグラフィと金属酸化物層のウエットエッチングにより、(a−IGZO層がパターニングされて)活性領域が形成された。最後に、パッシベーション層がスパッタされ(約100nmSiOx)、トランジスタは続いて約1時間、150℃で、N2雰囲気中でアニールされた。 The thin film transistor was manufactured by the process flow of FIGS. A patterned Mo gate (thickness: about 100 nm) was formed on an electrically insulating substrate. Next, a SiN gate dielectric layer about 100 nm thick was deposited by CVD. In the next process, an a-IGZO layer (In: Ga: Zn = 1: 1: 1 atomic%, film thickness was about 20 nm) was deposited by RF / DC sputtering in an O 2 atmosphere. Next, a Mo source-drain contact (film thickness of about 100 nm) was formed on the a-IGZO layer by patterning using DC sputtering and a dry etching process (SF 6 + O 2 plasma). In the subsequent process, the active region was formed by photolithography and wet etching of the metal oxide layer (the a-IGZO layer was patterned). Finally, the passivation layer was sputtered (about 100 nm SiO x ) and the transistor was subsequently annealed at 150 ° C. for about 1 hour in an N 2 atmosphere.
約10マイクロメータのチャネル長を有するトランジスタの測定されたトランジスタ特性が、図4に示される。トランジスタは、高い移動度(約14.06cm2/Vs)、低いサブ閾値勾配(約0.24V/decade)、低いヒステリシス、108より大きいIon/Ioff、およびゼロに近いVTH(約0.5V)を有する。 The measured transistor characteristics of a transistor having a channel length of about 10 micrometers is shown in FIG. The transistor has high mobility (about 14.06 cm 2 / Vs), low subthreshold slope (about 0.24 V / decade), low hysteresis, I on / I off greater than 10 8 , and V TH close to zero (about 0.5V).
参考として、GIZO薄膜トランジスタが、エッチストップ層を用いないで、異なるプロセスフローで作製され、ここでは、金属酸化物半導体のパターニングおよびエッチングは、ソースおよびドレインの金属パターニングの後の代わりに、金属堆積の前に行われた。追加の参考では、ソースコンタクトとドレインコンタクトは、(問題を引き起こすために高品質化には適さない)リフトオフプロセスの手段により形成され、トランジスタが作製された。 As a reference, GIZO thin film transistors are fabricated with different process flows without the use of an etch stop layer, where metal oxide semiconductor patterning and etching is performed after metal deposition instead of after source and drain metal patterning. Done before. For additional reference, the source and drain contacts were formed by means of a lift-off process (not suitable for high quality because it causes problems) to produce transistors.
それらの参考のトランジスタのトランジスタ特性を図3に示す。エッチストップ層を用いずに、金属堆積前に金属酸化物半導体をエッチングして作製したトランジスタ(図3の「DE Mo」)は、明らかに低いION/IOFF比、高いサブ閾値勾配、および大きなヒステリシスを有する。これは、ソースおよびドレインのエッチングに用いたプラズマのGIZO層への負の影響に関係し、特に、分布した半導体チャネル領域によるウエハ表面上でのプラズマの不均一分布に関連する。 The transistor characteristics of these reference transistors are shown in FIG. Transistors fabricated by etching a metal oxide semiconductor prior to metal deposition without using an etch stop layer (“DE Mo” in FIG. 3) have a clearly low I ON / I OFF ratio, high subthreshold slope, and Has a large hysteresis. This is related to the negative impact of the plasma used for source and drain etching on the GIZO layer, and in particular to the non-uniform distribution of the plasma on the wafer surface due to the distributed semiconductor channel region.
好適な具体例にかかる方法では、ソースおよびドレインがエッチングされた場合、金属酸化物半導体層はまだパターニングされていない。それゆえに、プラズマは全体の基板上により均一に分布し、部分的なプラズマの不均一を減らし、および/または金属酸化物半導体層への部分的なプラズマ帯電効果を減らす。 In a method according to a preferred embodiment, when the source and drain are etched, the metal oxide semiconductor layer is not yet patterned. Therefore, the plasma is more evenly distributed over the entire substrate, reducing partial plasma non-uniformity and / or reducing partial plasma charging effects on the metal oxide semiconductor layer.
機能するディスプレイは、アレイピクセルを選択し、駆動するための薄膜GIZOトランジスタのアレイを含んで作製された。GIZOトランジスタは、約5マイクロメータのチャネル長を有し、1つの具体例にかかる方法で作製した。トランジスタのアレイは、約6インチ基板の上に作製された。図5は、このアレイの5つのトランジスタの測定された伝達特性を示し、1つのトランジスタは基板の中央に配置され、他の4つのトランジスタは基板の対向する端部に配置される。結果は、基板上で、トランジスタ特性の良好な均一性を示す。 A functioning display was made comprising an array of thin film GIZO transistors for selecting and driving array pixels. The GIZO transistor has a channel length of about 5 micrometers and was fabricated by the method according to one embodiment. An array of transistors was fabricated on an approximately 6 inch substrate. FIG. 5 shows the measured transfer characteristics of the five transistors of this array, with one transistor located at the center of the substrate and the other four transistors located at opposite ends of the substrate. The result shows good uniformity of transistor characteristics on the substrate.
更なる実験結果を以下に示す。
テストデバイスは、高ドープSi(共通ゲート)基板の上に熱成長したSiO2(120nm)ゲート誘電体の上で実現された。15nm膜厚のa−IGZO(In:Ga:Zn=1:1:1)膜の活性層が、アルゴン(Ar)中に6%O2を含むdcスパッタにより堆積された。膜厚およびO2/Ar比は、低いプロセス温度で所望のTFT性能を達成するために最適化される。更に、100nm膜厚のMoソースおよびドレイン(S/D)コンタクトは、PVDと、SF6/O2ドライエッチケミストリによるパターニングとで形成された。S/D形成の後に、シュウ酸溶液を用いたウエットエッチ手続により活性層がパターニングされた。活性層の上に、100nmSiO2パッシベーション層が反応性パルスDCPVDで堆積された。
Further experimental results are shown below.
The test device was realized on a SiO 2 (120 nm) gate dielectric thermally grown on a highly doped Si (common gate) substrate. An active layer of a 15 nm thick a-IGZO (In: Ga: Zn = 1: 1: 1) film was deposited by dc sputtering containing 6% O 2 in argon (Ar). Film thickness and O 2 / Ar ratio are optimized to achieve the desired TFT performance at low process temperatures. Further, 100 nm thick Mo source and drain (S / D) contacts were formed by PVD and patterning by SF 6 / O 2 dry etch chemistry. After the S / D formation, the active layer was patterned by a wet etching procedure using an oxalic acid solution. On top of the active layer, a 100 nm SiO 2 passivation layer was deposited with reactive pulse DCPVD.
独立したTFTの電気的特性が、不活性N2雰囲気中で、パラメータアナライザを用いて測定された。 The electrical characteristics of the independent TFT were measured using a parameter analyzer in an inert N 2 atmosphere.
従来技術のアプローチと比べて、a−IGZOパターニングとS/Dコンタクトのパターニングとのプロセス順序を反対にすることにより、本発明の方法では、a−IGZOの分離されたアイランドが回避され、プラズマエッチング中の電荷の部分的な蓄積を抑える。標準のBCEプロセスフローをこの方法で変形することにより、ヒステリシス、移動度、および全体のサブ閾値勾配のような主要なTFTパラメータが大きな改良を示す。 By reversing the process order of a-IGZO patterning and S / D contact patterning compared to prior art approaches, the method of the present invention avoids isolated islands of a-IGZO and plasma etching. Suppresses partial accumulation of charge inside. By modifying the standard BCE process flow in this way, key TFT parameters such as hysteresis, mobility, and overall sub-threshold slope show significant improvements.
従来のリフトオフフロー、標準BCEフロー(半導体パターニング前のS/Dエッチング)、および本発明の形態にかかる変形されたBCEフロー(半導体パターニング後のS/Dエッチング)のそれぞれにより作製された3組のテストFETのI−V特性が図6に示される。すべてのテストデバイスは、高ドープSi(共通ゲート)基板の上に熱成長させたSiO2(120nm)ゲート誘電体の上で実現された。本発明の形態にかかる変形させたBCEフローで作製したa−IGZOテストデバイスは、順および逆のゲート電圧スイープの間の伝達曲線において、単に無視できる程度の量のヒステリシスを示す。実際、この結果は、リフトオフS/Dベースのデバイスで得られた結果と非常に類似している。 Three sets of a conventional lift-off flow, a standard BCE flow (S / D etching before semiconductor patterning), and a modified BCE flow (S / D etching after semiconductor patterning) according to the embodiment of the present invention. The IV characteristics of the test FET are shown in FIG. All test devices were realized on SiO 2 (120 nm) gate dielectrics thermally grown on highly doped Si (common gate) substrates. An a-IGZO test device made with a modified BCE flow according to an aspect of the present invention exhibits a negligible amount of hysteresis in the transfer curve between forward and reverse gate voltage sweeps. In fact, this result is very similar to that obtained with lift-off S / D based devices.
表1は3つの異なるフローの主要な性能パラメータの概略を示す。
Table 1 outlines the main performance parameters of the three different flows.
標準BCE処理されたTFTの伝達特性は、単に5〜12cm2/(V・s)の、より低い移動度、0.60V/decadeの低下したサブ閾値の揺れ、および−0.5Vの負の閾値電圧を示した。更に、伝達曲線中のヒステリシスは、他の2つのフローと比較して十分に増加した。後者は、a−IGZOの小さいアイランドの上のS/D金属層のドライエッチング中に、より多くのダメージが誘起されたことを示す。ダメージは、分離された活性領域でドライエッチプロセス中のプラズマ照射による、部分的な帯電の蓄積に起因する。全体的に、変形されたBCEフローが、デバイス特性の十分な改良につながったことが観察された。 The transfer characteristics of a standard BCE treated TFT are only 5-12 cm 2 / (V · s), lower mobility, reduced subthreshold swing of 0.60 V / decade, and negative of −0.5 V The threshold voltage is shown. Furthermore, the hysteresis in the transfer curve increased sufficiently compared to the other two flows. The latter indicates that more damage was induced during dry etching of the S / D metal layer on the small island of a-IGZO. Damage is due to partial charge buildup due to plasma exposure during the dry etch process in the isolated active region. Overall, it was observed that the modified BCE flow led to a substantial improvement in device characteristics.
更に、a−IGZO層が金属線の下にあるという事実が、信号線の寄生容量に潜在的に影響するか否かが検証された。これは、(TFT)ディスプレイおよび回路への応用において特に重要である。この影響を検証するために、a−IGZOを有するゲート誘電体と、有さないゲート誘電体に対応する2つのキャパシタが比較された。図7に示すように、全容量の単に5%の変化が測定された。更に、TFTの電気的特性に対するバイアスストレスの影響が調査された。正方向および負方向に+/−1.0MV/cmに対応するゲート電界(gate-field)が、104秒のストレス時間の間、室温で、暗所中で与えられた。正のゲートバイアスの場合(VDS=12VおよびVGS=12V)、完全なオン状態に対応して、0.9Vの閾値電圧のシフトが観察された。負バイアスの場合(VDS=0VおよびVGS=−12V)、1.0Vの閾値電圧のシフトが観察された。図8(a)および(b)は、正のゲートバイアスと負のゲートバイアスの双方について、バイアスストレス時間を関数とした伝達特性の変化を示す。図8(c)は、正のゲートバイアスと負のゲートバイアスの双方について、ストレス時間を関数としたVTHシフトの比較を示す。 Further, it was verified whether the fact that the a-IGZO layer is under the metal line potentially affects the parasitic capacitance of the signal line. This is particularly important in (TFT) displays and circuit applications. To verify this effect, two capacitors corresponding to a gate dielectric with and without a-IGZO were compared. As shown in FIG. 7, only a 5% change in total volume was measured. Furthermore, the influence of bias stress on the electrical characteristics of the TFT was investigated. Forward and corresponding gate field in the negative direction +/- 1.0MV / cm (gate-field ) is between 10 4 seconds stress time, at room temperature, given in the dark. In the case of positive gate bias (V DS = 12 V and V GS = 12 V), a threshold voltage shift of 0.9 V was observed corresponding to the fully on state. In the case of negative bias (V DS = 0 V and V GS = −12 V), a threshold voltage shift of 1.0 V was observed. FIGS. 8A and 8B show changes in transfer characteristics as a function of bias stress time for both positive and negative gate biases. FIG. 8 (c) shows a comparison of VTH shift as a function of stress time for both positive and negative gate biases.
最後に、本発明の具体例にかかる変形されたBCEプロセスフローは、ゲート誘電体として200nmのICP−CVDSiNと、ゲートメタライゼーションとして100nmのMoCrを有するPENホイルの上に集積された。 Finally, a modified BCE process flow according to embodiments of the present invention was integrated on a PEN foil with 200 nm ICP-CVD SiN as the gate dielectric and 100 nm MoCr as the gate metallization.
市販されている25μm膜厚の熱安定化されたPENホイルとして具体化された基板ホイルが、150mmの硬いガラスキャリアの上に積層された。キャリアは、デジタル回路とディスプレイの全体の作製プロセス中、支持する。最初の工程で、200nmSiNのバリア層が150℃で、誘導結合化学気相堆積(ICP−CVD)により、PENホイルの上に堆積された。100nm膜厚のMoCr合金層からなるゲートメタライゼーションが、物理気相堆積(PVD)により形成され、続いて、ウエットエッチ手続きが行われた。次に、200nm膜厚のSiNゲート誘電体層が、150℃でICP−CVDにより堆積された。低いゲートリーク電流と高い破壊電界(breakdown field)が、回路やディスプレイのバックプレーン中でブロックを形成するために使用されるTFTに要求される。PENホイル上で処理するために必要とされる低温(<200℃)で、従来のCVD堆積を用いて良好な誘電体特性を達成することが課題である。それゆえに、処理条件は、150℃でICP−CVDにより堆積されるSiN誘電体層で最適化された。2MV/cmで1.3e−6mA/cm2のリーク(誘電率ε=7.1)を有する約8MV/cm破壊電界が達成された。 A substrate foil embodied as a commercially available 25 μm thick thermally stabilized PEN foil was laminated onto a 150 mm hard glass carrier. The carrier supports during the entire fabrication process of the digital circuit and display. In the first step, a 200 nm SiN barrier layer was deposited on the PEN foil by inductively coupled chemical vapor deposition (ICP-CVD) at 150 ° C. A gate metallization consisting of a 100 nm thick MoCr alloy layer was formed by physical vapor deposition (PVD) followed by a wet etch procedure. Next, a 200 nm thick SiN gate dielectric layer was deposited by ICP-CVD at 150 ° C. Low gate leakage current and high breakdown field are required for TFTs used to form blocks in circuit and display backplanes. The challenge is to achieve good dielectric properties using conventional CVD deposition at the low temperatures (<200 ° C.) required for processing on PEN foil. Therefore, the processing conditions were optimized with a SiN dielectric layer deposited by ICP-CVD at 150 ° C. An approximately 8 MV / cm breakdown electric field with a leakage of 1.3e −6 mA / cm 2 (dielectric constant ε = 7.1) at 2 MV / cm was achieved.
その次に、15nm膜厚のa−IGZO(In:Ga:Zn=1:1:1)膜の活性層が、アルゴン(Ar)中に6%のO2を含むdcスパッタにより堆積された。膜厚およびO2/Ar比は、低い処理温度で所望のTFT特性を達成するために、最適化された。更に、100nm膜厚のMoソースおよびドレイン(S/D)コンタクトが、PDVにより形成され、SF6/O2ドライエッチケミストリによりパターニングされた。S/Dの形成後に、シュウ酸溶液を用いたウエットエッチ手続により活性層がパターニングされた。活性層の上に、100nmSiO2パッシベーション層が反応性パルスDCPVDで堆積された。 Next, an active layer of a 15-nm thick a-IGZO (In: Ga: Zn = 1: 1: 1) film was deposited by dc sputtering containing 6% O 2 in argon (Ar). Film thickness and O 2 / Ar ratio were optimized to achieve the desired TFT characteristics at low processing temperatures. In addition, 100 nm thick Mo source and drain (S / D) contacts were formed by PDV and patterned by SF 6 / O 2 dry etch chemistry. After the formation of S / D, the active layer was patterned by a wet etch procedure using an oxalic acid solution. On top of the active layer, a 100 nm SiO 2 passivation layer was deposited with reactive pulse DCPVD.
結果のTFT(W/L=55/5μm/μm)の伝達特性と出力特性が、図9に示される。TFTは、12〜15cm2/(V・s)の直線状の移動度(μ)、−1.0VのVTH、108のION/IOFF比、および0.3V/decadeのサブ閾値の揺れを示す。図9(c)では、PENホイル含む6インチウエハを横切って測定された、TFTのVONおよびIONの拡がりが示される。VD=10VおよびVG=20VにおけるVONおよびIONの拡がりは、5%より小さい。 The transfer characteristics and output characteristics of the resulting TFT (W / L = 55/5 μm / μm) are shown in FIG. TFT is, 12~15cm 2 / linear mobility (V · s) (μ) , - 1.0V of V TH, 10 8 I ON / I OFF ratio, and 0.3V / decade of subthreshold Shows shaking. In FIG. 9 (c), it was measured across a six-inch wafer comprising PEN foil spread of V ON and I ON of the TFT is shown. The V ON and I ON spread at V D = 10V and V G = 20V is less than 5%.
前述の記載は、本開示の所定の具体例を詳説する。しかしながら、当然のことながら、如何に詳細に先の記載がテキストに表されようとも、本開示は多くの方法で実施できる。本開示の所定の特徴や形態を記載する場合の、特定の用語の使用は、用語が関連する本開示の特徴または形態の特定の特徴を含んで限定されるように、その用語をここで再定義することを暗示するものととるべきではないことは留意すべきである。 The foregoing description details certain specific examples of the disclosure. It should be understood, however, that no matter how detailed the foregoing appears in text, the present disclosure can be implemented in many ways. In describing a given feature or form of the present disclosure, the use of a particular term is herein re-described so that the term is limited to include the particular feature of the disclosed feature or form to which the term relates. It should be noted that it should not be taken to imply defining.
上記詳細な説明が、様々な具体例に適用されたように、本開示の新規な特徴を示し、記載し、指摘するが、一方で、記載されたデバイスまたはプロセスの形状や細部における様々な省略、代用、および変形が、本開示の精神から離れることなく、当業者によりなされることが理解されるであろう。 While the foregoing detailed description has shown, described, and pointed out novel features of the present disclosure, as applied to various embodiments, various omissions in the shape and details of the described devices or processes are described. It will be understood that substitutions, alterations, and modifications can be made by those skilled in the art without departing from the spirit of the disclosure.
Claims (11)
基板上にゲート電極を形成する工程と、
ゲート電極を覆うゲート誘電体層を形成する工程と、
ゲート誘電体層の上に金属酸化物半導体層を堆積する工程と、
金属酸化物半導体層の上に金属層または金属層スタックを堆積する工程と、
金属層または金属層スタックをパターニングして、ソースコンタクトとドレインコンタクトを形成する工程と、を含み、
金属層または金属層スタックをパターニングする工程は、金属層または金属層スタックをドライエッチングする工程と、
その後に、金属酸化物半導体層をパターニングする工程と、を含む方法。 A method of manufacturing a bottom gate / top contact metal oxide semiconductor thin film transistor,
Forming a gate electrode on the substrate;
Forming a gate dielectric layer covering the gate electrode;
Depositing a metal oxide semiconductor layer on the gate dielectric layer;
Depositing a metal layer or metal layer stack on the metal oxide semiconductor layer;
Patterning a metal layer or metal layer stack to form source and drain contacts;
Patterning the metal layer or metal layer stack includes dry etching the metal layer or metal layer stack;
And subsequently patterning the metal oxide semiconductor layer.
金属層スタックは、Mo/Al/Moスタック、Mo/Auスタック、Mo/Tiスタック、Mo/Ti/Al/Moスタック、またはMo/ITOスタックを含み、またはこれらからなる請求項1〜5のいずれかに記載の方法。 The metal oxide semiconductor layer comprises or consists of Mo;
The metal layer stack comprises or consists of a Mo / Al / Mo stack, a Mo / Au stack, a Mo / Ti stack, a Mo / Ti / Al / Mo stack, or a Mo / ITO stack. The method of crab.
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