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JP5995698B2 - Thin film transistor and manufacturing method thereof, crystalline oxide semiconductor thin film and manufacturing method thereof, display device, and X-ray sensor - Google Patents
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JP5995698B2 - Thin film transistor and manufacturing method thereof, crystalline oxide semiconductor thin film and manufacturing method thereof, display device, and X-ray sensor - Google Patents

Thin film transistor and manufacturing method thereof, crystalline oxide semiconductor thin film and manufacturing method thereof, display device, and X-ray sensor Download PDF

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Description

本発明は、薄膜トランジスタ及びその製造方法、結晶性酸化物半導体薄膜及びその製造方法、表示装置、並びにX線センサに関する。   The present invention relates to a thin film transistor and a manufacturing method thereof, a crystalline oxide semiconductor thin film and a manufacturing method thereof, a display device, and an X-ray sensor.

近年、In、Ga、Zn及びOを含むIn−Ga−Zn−O系(以下、InGaZnOと略記する場合がある)の酸化物半導体膜をチャネル層(活性層)に用いた薄膜トランジスタ(Thin film transistor:TFT)の研究・開発が盛んである。上記酸化物半導体膜は低温成膜が可能であり、且つアモルファスシリコンよりも高移動度を示し、更に可視光に透明であることから、プラスチック板やフィルム等の基板上にフレキシブルな透明薄膜トランジスタを形成することが可能である。
ここで、表1に各種トランジスタ特性の移動度、プロセス温度等の比較表を示す。
In recent years, a thin film transistor using an In—Ga—Zn—O-based (hereinafter sometimes abbreviated as InGaZnO) oxide semiconductor film containing In, Ga, Zn, and O as a channel layer (active layer) is used. : TFT) is actively researched and developed. The oxide semiconductor film can be formed at a low temperature, has higher mobility than amorphous silicon, and is transparent to visible light. Therefore, a flexible transparent thin film transistor is formed on a substrate such as a plastic plate or film. Is possible.
Here, Table 1 shows a comparison table of mobility of various transistor characteristics, process temperature, and the like.

チャネル層にポリシリコンを用いた薄膜トランジスタは、100cm/Vs程度の移動度を得ることが可能だが、プロセス温度が450度以上と非常に高いために、ガラス等の耐熱性が高い基板にしか形成できず、安価、大面積、フレキシブル化には不向きである。
また、チャネル層にアモルファスシリコンを用いた薄膜トランジスタは300度程度の比較的低温で形成可能なため基板の選択性はポリシリコンに比べて広いが、せいぜい1cm/Vs程度の移動度しか得られず高精細なディスプレイ用途には不向きである。
一方、低温成膜という観点ではチャネル層に有機半導体を用いた薄膜トランジスタは100度以下での形成が可能なため、耐熱性の低いプラスチックフィルム基板等を用いたフレキシブルディスプレイ用途等への応用が期待されているが、移動度はアモルファスシリコンと同程度の結果しか得られていない。
Thin film transistors using polysilicon for the channel layer can achieve mobility of about 100 cm 2 / Vs, but the process temperature is very high at 450 ° C or higher, so it can only be formed on substrates with high heat resistance such as glass. This is not possible and is not suitable for low cost, large area, and flexibility.
A thin film transistor using amorphous silicon for the channel layer can be formed at a relatively low temperature of about 300 ° C., so that the substrate selectivity is wider than that of polysilicon, but only a mobility of about 1 cm 2 / Vs can be obtained. It is not suitable for high-definition display applications.
On the other hand, from the viewpoint of low-temperature film formation, thin film transistors using organic semiconductors for the channel layer can be formed at 100 degrees or less, and therefore are expected to be applied to flexible display applications using plastic film substrates with low heat resistance. However, the mobility is only as high as that of amorphous silicon.

InGaZnOのような酸化物半導体系ではアモルファス状態であっても高い移動度が得られるが、一方で更なる移動度向上・特性安定性向上のため、酸化物半導体を結晶化させたことが記載された文献も散見される(特許文献1、非特許文献1参照)。   In oxide semiconductor systems such as InGaZnO, high mobility can be obtained even in an amorphous state, but on the other hand, it is described that the oxide semiconductor has been crystallized in order to further improve mobility and stability of characteristics. There are also some documents (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).

特許第4164562号公報Japanese Patent No. 4164562

K. Nomuraら著, 「Amorphous Oxide Semiconductors for High-Performance Flexible Thin-Film Transistors」 Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 45 4303-4308 2006年K. Nomura et al., “Amorphous Oxide Semiconductors for High-Performance Flexible Thin-Film Transistors” Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 45 4303-4308 2006

例えば、半導体特性 (移動度及び経時や駆動ストレスに対する特性安定性) の向上のためのプロセスとして結晶化プロセスを導入する場合、特許文献1、非特許文献1では、非常に高いプロセス温度(600℃以上)を必要としている。また、特許文献1のように基板との格子整合の取れたエピタキシャル膜の実現を目指した場合には、初期層の成膜や基板のステップ出しなど更に煩雑なプロセスが必要である。   For example, when a crystallization process is introduced as a process for improving semiconductor characteristics (mobility and stability of characteristics against time and drive stress), Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 describe a very high process temperature (600 ° C. Above). In addition, when aiming to realize an epitaxial film having lattice matching with the substrate as in Patent Document 1, a more complicated process such as film formation of the initial layer and stepping of the substrate is required.

本発明は、アモルファス(非晶質)InGaZnO(以下、a−InGaZnOと記す場合がある)等のアモルファス酸化物半導体が低温で結晶化され、電気的に安定した結晶性酸化物半導体膜の製造方法及びアモルファス酸化物半導体が低温で結晶化され、電気的に安定した活性層を有する薄膜トランジスタの製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、低温で製造することができ、電気的に安定した薄膜トランジスタ、表示装置、及びX線センサを提供することを目的とする。
The present invention relates to a method for producing an electrically stable crystalline oxide semiconductor film in which an amorphous oxide semiconductor such as amorphous (amorphous) InGaZnO (hereinafter sometimes referred to as a-InGaZnO) is crystallized at a low temperature. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a thin film transistor in which an amorphous oxide semiconductor is crystallized at a low temperature and has an electrically stable active layer.
It is another object of the present invention to provide an electrically stable thin film transistor, a display device, and an X-ray sensor that can be manufactured at a low temperature.

上記目的を達成するため、以下の発明が提供される。
<1> ゲート電極を形成する工程と、
ゲート絶縁膜を形成する工程と、
In、Ga、Zn、及びSnから選ばれる少なくとも一種の元素を含むアモルファス酸化物半導体層を形成する工程と、
アモルファス酸化物半導体層に電圧を印加して電流密度を6.7×10 −4 A/cm 以上とすることによってアモルファス酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化させた後、ポストアニールを行って活性層を形成する工程と、
ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
を含む薄膜トランジスタの製造方法。
<2> アモルファス酸化物半導体層が、In、Ga、及びZnから選ばれる少なくとも一種の元素を含む<1>に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
<3> アモルファス酸化物半導体層が、In、Ga、及びZnを含む<2>に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
<4> 活性層が、(In1−xGa(ZnO)で表される組成(但し、0≦x≦1,mは1以上5以下)の結晶相を含む<1>〜<3>のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
<5> 活性層が、InGaO(ZnO)で表される組成(但し、mは1以上5以下)の結晶相を含む<1>〜<3>のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
> アモルファス酸化物半導体層に電圧を印加する際、アモルファス酸化物半導体層の温度を室温以上結晶化温度以下に制御しながらアモルファス酸化物半導体層を結晶化させる<1>〜<5>のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
> アモルファス酸化物半導体層に電圧を印加する際、アモルファス酸化物半導体層の温度を室温以上250℃以下に制御しながらアモルファス酸化物半導体層を結晶化させる<1>〜<5>のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
> ソース電極及びドレイン電極を形成する工程の後に、ソース電極及びドレイン電極間に電圧を印加することによってアモルファス酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化させる<1>〜<7>のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
> InGaO (ZnO) で表される組成(但し、mは1以上3以下)の結晶相を含み、層状の結晶相と、グレイン状の結晶相とを有する結晶性酸化物半導体膜であって、該グレイン状の結晶が10nmを超えるサイズである結晶性酸化物半導体膜
10> In、Ga、Zn、及びSnから選ばれる少なくとも一種の元素を含むアモルファス酸化物半導体膜を形成する工程と、
アモルファス酸化物半導体膜に電圧を印加して電流密度を6.7×10 −4 A/cm 以上とすることによってアモルファス酸化物半導体膜の少なくとも一部を結晶化させた後、ポストアニールを行う工程と、
を含む結晶性酸化物半導体膜の製造方法。
11> <>に記載の結晶性酸化物半導体膜を活性層として備えた薄膜トランジスタ。
12> <11>に記載の薄膜トランジスタを備えた表示装置。
13> <11>に記載の薄膜トランジスタを備えたX線センサ。
In order to achieve the above object, the following invention is provided.
<1> forming a gate electrode;
Forming a gate insulating film;
Forming an amorphous oxide semiconductor layer containing at least one element selected from In, Ga, Zn, and Sn;
A voltage is applied to the amorphous oxide semiconductor layer to increase the current density to 6.7 × 10 −4 A / cm 2 or more to crystallize at least a part of the amorphous oxide semiconductor layer , and then post-annealing is performed. forming an active layer Te,
Forming a source electrode and a drain electrode;
A method of manufacturing a thin film transistor including:
<2> The method for producing a thin film transistor according to <1>, wherein the amorphous oxide semiconductor layer contains at least one element selected from In, Ga, and Zn.
<3> The method for producing a thin film transistor according to <2>, wherein the amorphous oxide semiconductor layer contains In, Ga, and Zn.
<4> The active layer includes a crystal phase having a composition represented by (In 1-x Ga x ) 2 O 3 (ZnO) m (where 0 ≦ x ≦ 1, m is 1 or more and 5 or less) <1 The manufacturing method of the thin-film transistor in any one of>-<3>.
<5> The method for producing a thin film transistor according to any one of <1> to <3>, wherein the active layer includes a crystal phase having a composition represented by InGaO 3 (ZnO) m (where m is 1 or more and 5 or less). .
< 6 > When a voltage is applied to the amorphous oxide semiconductor layer, the amorphous oxide semiconductor layer is crystallized while controlling the temperature of the amorphous oxide semiconductor layer to be a room temperature or more and a crystallization temperature or less. <1> to <5> The manufacturing method of the thin-film transistor in any one.
< 7 > When a voltage is applied to the amorphous oxide semiconductor layer, the amorphous oxide semiconductor layer is crystallized while controlling the temperature of the amorphous oxide semiconductor layer between room temperature and 250 ° C. Any one of <1> to <5> A method for producing the thin film transistor according to claim 1.
< 8 > After the step of forming the source electrode and the drain electrode, any one of <1> to <7>, wherein a voltage is applied between the source electrode and the drain electrode to crystallize at least a part of the amorphous oxide semiconductor layer A method for producing the thin film transistor according to claim 1.
< 9 > A crystalline oxide semiconductor including a crystal phase having a composition represented by InGaO 3 (ZnO) m (where m is 1 or more and 3 or less) and having a layered crystal phase and a grain-like crystal phase A crystalline oxide semiconductor film, wherein the grain-like crystal has a size exceeding 10 nm .
< 10 > forming an amorphous oxide semiconductor film containing at least one element selected from In, Ga, Zn, and Sn;
A voltage is applied to the amorphous oxide semiconductor film so that the current density is 6.7 × 10 −4 A / cm 2 or more to crystallize at least a part of the amorphous oxide semiconductor film , and then post-annealing is performed. Process,
A method for producing a crystalline oxide semiconductor film containing
< 11 > A thin film transistor comprising the crystalline oxide semiconductor film according to < 9 > as an active layer.
< 12 > A display device comprising the thin film transistor according to < 11 >.
< 13 > X-ray sensor provided with the thin-film transistor as described in < 11 >.

本発明によれば、a−InGaZnO等のアモルファス酸化物半導体が低温で結晶化され、電気的に安定した結晶性酸化物半導体膜の製造方法及びアモルファス酸化物半導体が低温で結晶化され、電気的に安定した活性層を有する薄膜トランジスタの製造方法が提供される。
また、本発明によれば、低温で製造することができ、電気的に安定した薄膜トランジスタ、表示装置、及びX線センサが提供される。
According to the present invention, an amorphous oxide semiconductor such as a-InGaZnO is crystallized at a low temperature, and a method for producing an electrically stable crystalline oxide semiconductor film and an amorphous oxide semiconductor are crystallized at a low temperature. A method of manufacturing a thin film transistor having a stable active layer is provided.
In addition, according to the present invention, an electrically stable thin film transistor, a display device, and an X-ray sensor that can be manufactured at a low temperature are provided.

本発明によって製造することができる薄膜トランジスタについて4つの構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically four structures about the thin-film transistor which can be manufactured by this invention. 電子デバイスの製造工程において薄膜トランジスタを製造する工程の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the process of manufacturing a thin-film transistor in the manufacturing process of an electronic device. 電子デバイスの製造工程において薄膜トランジスタを製造した後の工程の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the process after manufacturing a thin-film transistor in the manufacturing process of an electronic device. 実施形態の液晶表示装置の一部分を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows a part of liquid crystal display device of embodiment. 図4の液晶表示装置の電気配線の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the electrical wiring of the liquid crystal display device of FIG. 実施形態の有機EL表示装置の一部分を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows a part of organic EL display apparatus of embodiment. 図6の有機EL表示装置の電気配線の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the electrical wiring of the organic electroluminescent display apparatus of FIG. 実施形態のX線センサアレイの一部分を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows a part of X-ray sensor array of embodiment. 図8のX線センサアレイの電気配線の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the electrical wiring of the X-ray sensor array of FIG. 電圧印加実験で作製したサンプルの模式図である。It is a schematic diagram of the sample produced in the voltage application experiment. 実施例におけるパルス電流の印加方法を示す図である。It is a figure which shows the application method of the pulse current in an Example. 電圧印加時間と電圧値の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between voltage application time and a voltage value. 実施例1における酸化物半導体層の電圧印加領域の断面を倍率を変えて示すTEM画像である。4 is a TEM image showing the cross section of the voltage application region of the oxide semiconductor layer in Example 1 with a different magnification. 実施例2における酸化物半導体層の電圧印加領域の断面を示すTEM画像である。6 is a TEM image showing a cross section of a voltage application region of an oxide semiconductor layer in Example 2. FIG. 比較例1における酸化物半導体層の断面を示すTEM画像である。6 is a TEM image showing a cross section of an oxide semiconductor layer in Comparative Example 1. FIG. 実施例3における酸化物半導体層の電子線回折パターンを示す図である。4 is a diagram showing an electron diffraction pattern of an oxide semiconductor layer in Example 3. FIG. 比較例2における酸化物半導体層の電子線回折パターンを示す図である。7 is a diagram illustrating an electron diffraction pattern of an oxide semiconductor layer in Comparative Example 2. FIG. InGaZnOアモルファス酸化物半導体をアニールによって結晶化した場合の断面TEM画像である。It is a cross-sectional TEM image at the time of crystallizing InGaZnO amorphous oxide semiconductor by annealing.

以下、添付の図面を参照しながら、本発明について具体的に説明する。図中、同一又は対応する機能を有する部材(構成要素)には同じ符号を付して適宜説明を省略する。また、以下の説明において、「〜」を用いて表された範囲は、上限下限の両方の数値を含んだ範囲を表している。   Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. In the drawings, members (components) having the same or corresponding functions are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted as appropriate. Moreover, in the following description, the range represented using “to” represents a range including both upper and lower limit numerical values.

本発明による薄膜トランジスタ(TFT)の製造方法は、ゲート電極を形成する工程と、ゲート絶縁膜を形成する工程と、In、Ga、Zn、及びSnから選ばれる少なくとも一種の元素を含むアモルファス酸化物半導体層を形成する工程と、アモルファス酸化物半導体層に電圧を印加することによってアモルファス酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化させた活性層を形成する工程と、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、を含んで構成されている。   A method of manufacturing a thin film transistor (TFT) according to the present invention includes a step of forming a gate electrode, a step of forming a gate insulating film, and an amorphous oxide semiconductor containing at least one element selected from In, Ga, Zn, and Sn. Forming an active layer obtained by crystallizing at least a part of the amorphous oxide semiconductor layer by applying a voltage to the amorphous oxide semiconductor layer, and forming a source electrode and a drain electrode. And.

通常、上記のようなアモルファス酸化物半導体を結晶化させるためには高温アニールが必要となるが、本発明では熱的なエネルギーの付与ではなく、電気的なエネルギーをアモルファス酸化物半導体に付与する事によって結晶化を引き起こす。電気的なエネルギーがジュール熱によって局所的に熱エネルギーに変化する可能性はあるが、原理的に基板温度が室温であってもアモルファス酸化物半導体を結晶化させることが可能である。
以下、本発明による薄膜トランジスタの製造方法について薄膜トランジスタの構成とともに説明する。
Usually, high-temperature annealing is required to crystallize the amorphous oxide semiconductor as described above. However, in the present invention, electrical energy is applied to the amorphous oxide semiconductor, not thermal energy. Causes crystallization. Although there is a possibility that electrical energy is locally changed to thermal energy by Joule heat, in principle, it is possible to crystallize an amorphous oxide semiconductor even when the substrate temperature is room temperature.
Hereinafter, a method for manufacturing a thin film transistor according to the present invention will be described together with the structure of the thin film transistor.

まず、本発明により製造するTFTの素子構造について説明する。本発明により製造するTFTは、ゲート電極の位置に基づいた、いわゆるボトムゲート型(逆スタガ構造とも呼ばれる)及びトップゲート型(スタガ構造とも呼ばれる)のいずれの態様であってもよい。トップゲート型とは、TFTが形成されている基板を最下層としたときに、ゲート絶縁膜の上側にゲート電極が配置され、ゲート絶縁膜の下側に活性層が形成された形態であり、ボトムゲート型とは、ゲート絶縁膜の下側にゲート電極が配置され、ゲート絶縁膜の上側に活性層が形成された形態である。   First, the element structure of a TFT manufactured according to the present invention will be described. The TFT manufactured according to the present invention may be either a so-called bottom gate type (also referred to as an inverted staggered structure) or a top gate type (also referred to as a staggered structure) based on the position of the gate electrode. The top gate type is a form in which a gate electrode is disposed on the upper side of the gate insulating film and an active layer is formed on the lower side of the gate insulating film when the substrate on which the TFT is formed is the lowermost layer. The bottom gate type is a form in which a gate electrode is disposed below the gate insulating film and an active layer is formed above the gate insulating film.

また、活性層とソース電極及びドレイン電極(適宜、「ソース・ドレイン電極」という。)との接触部分に基づき、いわゆるトップコンタクト型、ボトムコンタクト型のいずれの態様であってもよい。ボトムコンタクト型とは、ソース・ドレイン電極が活性層よりも先に形成されて活性層の下面がソース・ドレイン電極に接触する形態であり、トップコンタクト型とは、活性層がソース・ドレイン電極よりも先に形成されて活性層の上面がソース・ドレイン電極に接触する形態である。
なお、本発明に係るTFTは、上記以外にも、様々な構成をとることが可能であり、適宜、活性層上に保護層や基板上に絶縁層等を備える構成であってもよい。
Further, based on the contact portion between the active layer and the source and drain electrodes (referred to as “source / drain electrodes” as appropriate), either a so-called top contact type or bottom contact type may be used. The bottom contact type is a mode in which the source / drain electrodes are formed before the active layer and the lower surface of the active layer is in contact with the source / drain electrodes. The top contact type is a mode in which the active layer is more than the source / drain electrodes. In this embodiment, the upper surface of the active layer is in contact with the source / drain electrodes.
In addition to the above, the TFT according to the present invention can have various configurations, and may appropriately have a configuration including a protective layer on the active layer and an insulating layer on the substrate.

図1(A)〜(D)は、本発明の第1〜第4の実施形態の薄膜トランジスタの構成を模式的に示す断面図である。図1(A)〜(D)の各薄膜トランジスタ1,2,3,4において、共通の要素には同一の符号を付している。
本発明の実施形態に係る薄膜トランジスタ1,2,3,4は、いずれも、基板11上に、酸化物半導体層(活性層)12と、ソース電極13と、ドレイン電極14と、ゲート絶縁膜15と、ゲート電極16とを有して構成されている。
1A to 1D are cross-sectional views schematically showing the configuration of thin film transistors according to first to fourth embodiments of the present invention. In each thin-film transistor 1, 2, 3, and 4 of FIG. 1 (A)-(D), the same code | symbol is attached | subjected to the common element.
The thin film transistors 1, 2, 3, and 4 according to the embodiment of the present invention all have an oxide semiconductor layer (active layer) 12, a source electrode 13, a drain electrode 14, and a gate insulating film 15 on a substrate 11. And a gate electrode 16.

図1(A)に示す第1の実施形態の薄膜トランジスタ1は、トップゲート−トップコンタクト型のトランジスタであり、図1(B)に示す第2の実施形態の薄膜トランジスタ2は、トップゲート−ボトムコンタクト型のトランジスタであり、図1(C)に示す第3の実施形態の薄膜トランジスタ3は、ボトムゲート−トップコンタクト型のトランジスタであり、図1(D)に示す第4の実施形態の薄膜トランジスタ4は、ボトムゲート−ボトムコンタクト型のトランジスタである。
図1(A)〜(D)に示す実施形態では、ゲート電極16、ソース電極13、及びドレイン電極14の酸化物半導体層12に対する配置が異なるが、同一符号を付与されている各要素の機能は同一であり、同様の材料を適応することができる。以下、適宜、図1(A)に示すTFT1を代表例として各構成要素及び製造工程について詳述する。
The thin film transistor 1 of the first embodiment shown in FIG. 1A is a top gate-top contact type transistor, and the thin film transistor 2 of the second embodiment shown in FIG. 1B is a top gate-bottom contact. The thin film transistor 3 of the third embodiment shown in FIG. 1C is a bottom gate-top contact type transistor, and the thin film transistor 4 of the fourth embodiment shown in FIG. A bottom-gate / bottom-contact transistor.
In the embodiment shown in FIGS. 1A to 1D, the arrangement of the gate electrode 16, the source electrode 13, and the drain electrode 14 with respect to the oxide semiconductor layer 12 is different, but the function of each element given the same reference numeral Are the same and similar materials can be applied. Hereinafter, each component and manufacturing process will be described in detail with reference to the TFT 1 shown in FIG.

(基板)
薄膜トランジスタ1を形成するための基板11の形状、構造、大きさ等については特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
基板11の構造は単層構造であってもよいし、積層構造であってもよい。
基板11としては、ガラス、YSZ(Yttria−Stabilized Zirconia;イットリウム安定化ジルコニウム)等の無機材料、樹脂や樹脂複合材料等からなる基板を用いることができる。中でも軽量である点、可撓性を有する点から樹脂あるいは樹脂複合材料からなる基板が好ましい。具体的には、ポリブチレンテレフタレート、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、ポリブチレンナフタレート、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、アリルジグリコールカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリベンズアゾール、ポリフェニレンサルファイド、ポリシクロオレフィン、ノルボルネン樹脂、ポリクロロトリフルオロエチレン等のフッ素樹脂、液晶ポリマー、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アイオノマー樹脂、シアネート樹脂、架橋フマル酸ジエステル、環状ポリオレフィン、芳香族エーテル、マレイミドーオレフィン、セルロース、エピスルフィド化合物等の合成樹脂からなる基板、既述の合成樹脂等と酸化珪素粒子との複合プラスチック材料からなる基板、既述の合成樹脂等と金属ナノ粒子、無機酸化物ナノ粒子もしくは無機窒化物ナノ粒子等との複合プラスチック材料からなる基板、既述の合成樹脂等とカーボン繊維もしくはカーボンナノチューブとの複合プラスチック材料からなる基板、既述の合成樹脂等とガラスフェレーク、ガラスファイバーもしくはガラスビーズとの複合プラスチック材料からなる基板、既述の合成樹脂等と粘土鉱物もしくは雲母派生結晶構造を有する粒子との複合プラスチック材料からなる基板、薄いガラスと既述のいずれかの合成樹脂との間に少なくとも1回の接合界面を有する積層プラスチック基板、無機層と有機層(既述の合成樹脂)を交互に積層することで、少なくとも1回以上の接合界面を有するバリア性能を有する複合材料からなる基板、ステンレス基板またはステンレスと異種金属とを積層した金属多層基板、アルミニウム基板または表面に酸化処理(例えば陽極酸化処理)を施すことで表面の絶縁性を向上させた酸化皮膜付きのアルミニウム基板等を用いることができる。
(substrate)
There is no restriction | limiting in particular about the shape of the board | substrate 11 for forming the thin-film transistor 1, a structure, a magnitude | size, It can select suitably according to the objective.
The structure of the substrate 11 may be a single layer structure or a laminated structure.
As the substrate 11, a substrate made of glass, an inorganic material such as YSZ (Yttria-Stabilized Zirconia), a resin, a resin composite material, or the like can be used. Among these, a substrate made of a resin or a resin composite material is preferable in terms of light weight and flexibility. Specifically, polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polybutylene naphthalate, polystyrene, polycarbonate, polysulfone, polyethersulfone, polyarylate, allyl diglycol carbonate, polyamide, polyimide, polyamideimide, polyetherimide, Fluorine resin such as polybenzazole, polyphenylene sulfide, polycycloolefin, norbornene resin, polychlorotrifluoroethylene, liquid crystal polymer, acrylic resin, epoxy resin, silicone resin, ionomer resin, cyanate resin, crosslinked fumaric acid diester, cyclic polyolefin, Substrates made of synthetic resins such as aromatic ethers, maleimide-olefins, cellulose, episulfide compounds, A substrate composed of a composite plastic material of the above-mentioned synthetic resin and the like and silicon oxide particles, a substrate composed of a composite plastic material of the above-described synthetic resin and the like and metal nanoparticles, inorganic oxide nanoparticles or inorganic nitride nanoparticles, A substrate made of a composite plastic material of the aforementioned synthetic resin, etc. and carbon fiber or carbon nanotube, a substrate made of a composite plastic material of the aforementioned synthetic resin, etc., and glass fake, glass fiber or glass bead, the aforementioned synthesis A substrate made of a composite plastic material of a resin or the like and particles having a clay mineral or a mica-derived crystal structure, a laminated plastic substrate having at least one bonding interface between a thin glass and any of the aforementioned synthetic resins, inorganic By alternately laminating layers and organic layers (the aforementioned synthetic resins), at least one contact Insulating the surface by subjecting a substrate made of a composite material having a barrier property having an interface, a stainless steel substrate, a metal multilayer substrate in which stainless steel and a dissimilar metal are laminated, an aluminum substrate or a surface to an oxidation treatment (for example, anodization treatment). An aluminum substrate with an improved oxide film can be used.

なお、樹脂基板としては、耐熱性、寸法安定性、耐溶剤性、電気絶縁性、加工性、低通気性、および低吸湿性に優れていることが好ましい。樹脂基板は、水分や酸素の透過を防止するためのガスバリア層や、樹脂基板の平坦性や下部電極との密着性を向上するためのアンダーコート層等を備えていてもよい。   The resin substrate is preferably excellent in heat resistance, dimensional stability, solvent resistance, electrical insulation, workability, low air permeability, and low moisture absorption. The resin substrate may include a gas barrier layer for preventing permeation of moisture and oxygen, an undercoat layer for improving the flatness of the resin substrate and adhesion with the lower electrode, and the like.

基板11の厚みは50μm以上500μm以下であることが好ましい。基板11の厚みが50μm以上であると、基板自体の平坦性がより向上する。基板11の厚みが500μm以下であると、基板自体の可撓性がより向上し、フレキシブルデバイス用基板としての使用がより容易となる。基板11を構成する材料によって、十分な平坦性および可撓性を有する厚みは異なるため、基板材料に応じてその厚みを設定する必要があるが、概ねその範囲は50μm以上500μm以下の範囲となる。   The thickness of the substrate 11 is preferably 50 μm or more and 500 μm or less. When the thickness of the substrate 11 is 50 μm or more, the flatness of the substrate itself is further improved. When the thickness of the substrate 11 is 500 μm or less, the flexibility of the substrate itself is further improved and the use as a substrate for a flexible device becomes easier. Since the thickness having sufficient flatness and flexibility differs depending on the material constituting the substrate 11, it is necessary to set the thickness according to the substrate material, but the range is generally in the range of 50 μm to 500 μm. .

InGaZnO系のアモルファス酸化物半導体と格子整合の取れる単結晶基板(ZnOやYSZ等)を用いた場合には、基板界面でアモルファス酸化物半導体と基板結晶面が整合したエピタキシャル膜の形成が期待できる。
一方で、本発明の結晶化プロセスは原理的に室温でも適用可能であるため、一般的に200℃程度でも熱膨張・収縮を示しやすい可撓性を有する樹脂を用いた場合には、フレキシブルな薄膜トランジスタと、それを備えた電子デバイスの作製が可能になる。
In the case of using a single crystal substrate (ZnO, YSZ, etc.) that can be lattice-matched with an InGaZnO-based amorphous oxide semiconductor, an epitaxial film in which the amorphous oxide semiconductor and the substrate crystal plane are aligned at the substrate interface can be expected.
On the other hand, since the crystallization process of the present invention can be applied at room temperature in principle, it is generally flexible when using a flexible resin that easily exhibits thermal expansion / contraction even at about 200 ° C. A thin film transistor and an electronic device including the thin film transistor can be manufactured.

(活性層)
活性層12は、In、Ga、Zn、及びSnから選ばれる少なくとも一種の元素を含む結晶性の酸化物半導体膜により構成されている。活性層12は、In、Ga、Zn、及びSnから選ばれる少なくとも一種の元素を含むアモルファス酸化物半導体層を形成する工程と、アモルファス酸化物半導体層に電圧を印加することによってアモルファス酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化させた活性層を形成する工程と、を経て作製される。以下、活性層12を作製する各工程について具体的に説明する。
(Active layer)
The active layer 12 is composed of a crystalline oxide semiconductor film containing at least one element selected from In, Ga, Zn, and Sn. The active layer 12 includes a step of forming an amorphous oxide semiconductor layer containing at least one element selected from In, Ga, Zn, and Sn, and an amorphous oxide semiconductor layer by applying a voltage to the amorphous oxide semiconductor layer. And an active layer obtained by crystallizing at least a part of the active layer. Hereinafter, each process for producing the active layer 12 will be described in detail.

−アモルファス酸化物半導体層形成工程−
まず、基板11上にIn、Ga、Zn、及びSnから選ばれる少なくとも一種の元素を含むアモルファス酸化物半導体膜を形成する。アモルファス酸化物半導体膜は、In、Ga、及びZnの少なくとも一種を含む事が望ましく、In、Ga、及びZnを含む事がより望ましく、更には後述する結晶化工程により結晶化した酸化物半導体膜(活性層)が(In1−xGa(ZnO)で表される組成(但し、0≦x≦1,mは1以上5以下)の結晶相を含むことが望ましく、特に、InGaO(ZnO)で表される組成の結晶相を含み、且つmは1以上5以下である事が望ましい。本発明者らの実験によれば、InGaO(ZnO)の組成においてmが小さい値の方が結晶化しやすい状況が見られ、m=1では特に良好な結晶相が得られるため、m=1である事がより好ましい。mが5以下であればグレインサイズが大きい状態で結晶化しやすく、mが1であれば特に良好な結晶相が得られる。
また、InGaZnO系ではIn含有率が高いほうが半導体膜として高い移動度を得やすいため、移動度の観点からもmは5以下である事が望ましい。
-Amorphous oxide semiconductor layer formation process-
First, an amorphous oxide semiconductor film containing at least one element selected from In, Ga, Zn, and Sn is formed over the substrate 11. The amorphous oxide semiconductor film preferably includes at least one of In, Ga, and Zn, more preferably includes In, Ga, and Zn, and further includes an oxide semiconductor film that is crystallized by a crystallization process that will be described later. It is desirable that the (active layer) includes a crystal phase having a composition represented by (In 1-x Ga x ) 2 O 3 (ZnO) m (where 0 ≦ x ≦ 1, m is 1 or more and 5 or less), In particular, it is desirable that the crystal phase has a composition represented by InGaO 3 (ZnO) m and that m is 1 or more and 5 or less. According to the experiments by the present inventors, there is a situation in which a smaller value of m in the composition of InGaO 3 (ZnO) m tends to be crystallized, and a particularly good crystal phase is obtained at m = 1. 1 is more preferable. If m is 5 or less, crystallization is easy with a large grain size, and if m is 1, a particularly good crystal phase can be obtained.
In addition, in the InGaZnO system, the higher the In content, the easier it is to obtain high mobility as a semiconductor film. Therefore, from the viewpoint of mobility, m is preferably 5 or less.

また、アモルファス酸化物半導体膜がZnを含む場合、Znの一部を、よりバンドギャップの広がる元素イオンをドーピングすることによって、光学バンドギャップ増大に伴う光照射安定性を付与することができる。具体的には、Mgをドーピングすることにより膜のバンドギャップを大きくすることが可能である。   In the case where the amorphous oxide semiconductor film contains Zn, light irradiation stability accompanying an increase in the optical band gap can be imparted by doping part of Zn with element ions having a wider band gap. Specifically, the band gap of the film can be increased by doping Mg.

例えば、有機EL(有機エレクトロルミネッセンス)素子に用いられる青色発光層は波長λ=450nm程度にピークを持つブロードな発光を示すことから、仮にInGaZnO膜の光学バンドギャップが比較的狭く、その領域に光学吸収を持つ場合には、トランジスタの閾値シフトが起こってしまうという問題が生じる。従って、特に有機EL駆動用に用いられる薄膜トランジスタとしては、活性層(チャネル層)に用いる材料のバンドギャップが、より大きいことが好ましい。   For example, a blue light emitting layer used in an organic EL (organic electroluminescence) element exhibits a broad light emission having a peak at a wavelength of λ = 450 nm, so that the optical band gap of the InGaZnO film is relatively narrow, and there is no optical in that region. In the case of absorption, there arises a problem that the threshold shift of the transistor occurs. Therefore, it is preferable that the material used for the active layer (channel layer) has a larger band gap, particularly for a thin film transistor used for driving an organic EL.

酸化物半導体層のキャリア密度はカチオンドーピングによっても任意に制御することができる。キャリア密度を増やしたい際には、相対的に価数の大きなカチオンになりやすい材料(Ti、Zr、Hf、Ta等)をドーピングすればよい。但し、価数の大きいカチオンをドーピングする場合は、酸化物半導体膜の構成元素数が増えるため、成膜プロセスの単純化、低コスト化の面で不利であることから、酸素濃度(酸素欠損量)により、キャリア密度を制御することが好ましい。   The carrier density of the oxide semiconductor layer can be arbitrarily controlled by cation doping. In order to increase the carrier density, a material (Ti, Zr, Hf, Ta, etc.) that tends to be a cation having a relatively large valence may be doped. However, when doping a cation having a large valence, the number of constituent elements of the oxide semiconductor film increases, which is disadvantageous in terms of simplifying the film formation process and reducing the cost. ) To control the carrier density.

アモルファス酸化物半導体膜の形成方法としては、印刷方式、コーティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理的方式、CVD、プラズマCVD法等の化学的方式等の中から使用する材料との適性を考慮して適宜選択した方法に従って成膜すればよい。なお、低温で成膜できる観点からは、スパッタリング法が好ましい。
活性層12となるアモルファス酸化物半導体膜の膜厚(総膜厚)は10nm〜200nm程度であることが好ましい。
As a method for forming an amorphous oxide semiconductor film, a printing method, a wet method such as a coating method, a physical method such as a vacuum deposition method, a sputtering method, or an ion plating method, a chemical method such as CVD or a plasma CVD method, etc. The film may be formed according to a method appropriately selected in consideration of suitability with the material to be used. Note that the sputtering method is preferable from the viewpoint of forming a film at a low temperature.
The film thickness (total film thickness) of the amorphous oxide semiconductor film to be the active layer 12 is preferably about 10 nm to 200 nm.

アモルファス酸化物半導体膜を成膜した後、アモルファス酸化物半導体膜を活性層12の形状にパターンニングする。パターンニングはフォトリソグラフィーおよびエッチングにより行うことができる。具体的には、残存させる部分にフォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成し、塩酸、硝酸、希硫酸、または燐酸、硝酸および酢酸の混合液等の酸溶液によりエッチングすることにより活性層12となるパターンを形成する。   After forming the amorphous oxide semiconductor film, the amorphous oxide semiconductor film is patterned into the shape of the active layer 12. Patterning can be performed by photolithography and etching. Specifically, a resist pattern is formed on the remaining portion by photolithography, and a pattern that becomes the active layer 12 is formed by etching with an acid solution such as hydrochloric acid, nitric acid, dilute sulfuric acid, or a mixed solution of phosphoric acid, nitric acid, and acetic acid. Form.

−結晶化工程−
In、Ga、Zn、及びSnから選ばれる少なくとも一種の元素を含むアモルファス酸化物半導層を形成した後、アモルファス酸化物半導体層に電圧を印加することによってアモルファス酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化させる。
-Crystallization process-
After forming an amorphous oxide semiconductor layer containing at least one element selected from In, Ga, Zn, and Sn, a voltage is applied to the amorphous oxide semiconductor layer to form at least a part of the amorphous oxide semiconductor layer. Crystallize.

アモルファス酸化物半導体層に電圧を印加する方法は、アモルファス酸化物半導体の少なくとも一部を結晶化させることができれば特に限定されない。例えば、アモルファス酸化物半導体層に接続した電極が形成された状態で電極を介して電圧を印加しても良いし、端針のようなものでアモルファス酸化物半導体層に直接コンタクトして電圧を印加しても良い。   A method for applying a voltage to the amorphous oxide semiconductor layer is not particularly limited as long as at least a part of the amorphous oxide semiconductor can be crystallized. For example, a voltage may be applied through the electrode in a state where an electrode connected to the amorphous oxide semiconductor layer is formed, or a voltage may be applied by directly contacting the amorphous oxide semiconductor layer with an end needle or the like. You may do it.

アモルファス酸化物半導体層に電圧を印加して結晶化する工程は、アモルファス酸化物半導体層を形成する工程の後であればどの段階で行っても良く、この段階でたとえば端針を用いて電気的な信号を酸化物半導体層に印加して結晶化を引き起こしても良いし、ソース・ドレイン電極を形成してから電気的な信号を印加してもよい。ソース・ドレイン電極間に電圧を印加してアモルファス酸化物半導体層を結晶化させることができる。
電気的な信号を与える手法は定常的に電圧を印加しても良いし、パルスのように時間的に変調された信号を送っても良い。
The step of crystallizing by applying a voltage to the amorphous oxide semiconductor layer may be performed at any stage after the step of forming the amorphous oxide semiconductor layer. Such a signal may be applied to the oxide semiconductor layer to cause crystallization, or an electrical signal may be applied after forming the source / drain electrodes. A voltage can be applied between the source and drain electrodes to crystallize the amorphous oxide semiconductor layer.
As a method for giving an electrical signal, a voltage may be applied constantly, or a signal modulated in time, such as a pulse, may be sent.

結晶化工程では、アモルファス酸化物半導体層に電圧を印加した時の電流密度が6.7×10−4A/cm以上である事が望ましい。エネルギーが高く、より大きな電流を流した方が結晶化を引き起こしやすいためである。ただし、ジュール熱による過度の発熱や、大電流による活性層の特性劣化(格子欠陥、トラップの生成等による)を防ぐ観点で、アモルファス酸化物半導体層に電圧を印加した時の電流密度は1×10−1A/cm以下である事が望ましい。 In the crystallization step, the current density when a voltage is applied to the amorphous oxide semiconductor layer is desirably 6.7 × 10 −4 A / cm 2 or more. This is because energy is high and a larger current is more likely to cause crystallization. However, the current density when a voltage is applied to the amorphous oxide semiconductor layer is 1 × from the viewpoint of preventing excessive heat generation due to Joule heat and deterioration of characteristics of the active layer due to large current (due to generation of lattice defects, traps, etc.). It is desirable that it is 10 −1 A / cm 2 or less.

また、アモルファス酸化物半導体層に電圧を印加する際、アモルファス酸化物半導体層の温度を室温(20℃)以上結晶化温度以下の間で制御しながら活性層を結晶化させることが望ましく、アモルファス酸化物半導体層の温度を室温以上250℃以下の間で制御することが更に望ましい。なお、例えばInGaZnO系のアモルファス酸化物半導体層であれば、結晶化温度は、600℃程度である。
アモルファス酸化物半導体層の温度を制御することで、酸化物半導体層の電気伝導性を変化させる事が可能である。例えば室温時の電気伝導性よりも高い電気伝導性を付与させれば(電気的な抵抗を低くすれば)、電圧を印加しやすくなる。また、250℃以下であれば、フレキシブル基板などの低温プロセスが必要な基板上でもアモルファス酸化物半導体層の結晶化が可能である。
In addition, when a voltage is applied to the amorphous oxide semiconductor layer, it is desirable to crystallize the active layer while controlling the temperature of the amorphous oxide semiconductor layer between room temperature (20 ° C.) and a crystallization temperature or less. It is further desirable to control the temperature of the physical semiconductor layer between room temperature and 250 ° C. For example, in the case of an InGaZnO-based amorphous oxide semiconductor layer, the crystallization temperature is about 600 ° C.
By controlling the temperature of the amorphous oxide semiconductor layer, the electrical conductivity of the oxide semiconductor layer can be changed. For example, if electric conductivity higher than electric conductivity at room temperature is given (if the electric resistance is lowered), it becomes easier to apply a voltage. When the temperature is 250 ° C. or lower, the amorphous oxide semiconductor layer can be crystallized even on a substrate that requires a low-temperature process such as a flexible substrate.

例えば、InGaZnO等の酸化物半導体膜では、酸化物半導体膜の温度を室温以上250℃以下に制御することにより、膜中の水分が脱離し深いギャップ内準位が減少することで、膜としての抵抗値が桁で大きく減少する。250℃を超える温度では抵抗値が増大する効果が見られ、300℃以上ではある程度の抵抗値に収束する。従って、電気伝導性制御の観点から、酸化物半導体層の温度制御は室温から250℃以下で行う事が望ましい。
なお、本発明において、アモルファス酸化物半導体層に電圧を印加する際に加熱する事は、直接の結晶化の要因にはならないものの、熱的エネルギーによって結晶化を促す効果もあるものと推定される。
For example, in the case of an oxide semiconductor film such as InGaZnO, by controlling the temperature of the oxide semiconductor film from room temperature to 250 ° C., moisture in the film is desorbed and deep deep gap levels are reduced. The resistance value is greatly reduced by an order of magnitude. An effect of increasing the resistance value is seen at a temperature exceeding 250 ° C., and converges to a certain resistance value at 300 ° C. or higher. Therefore, from the viewpoint of controlling electrical conductivity, it is desirable to control the temperature of the oxide semiconductor layer from room temperature to 250 ° C. or less.
In the present invention, heating when applying a voltage to the amorphous oxide semiconductor layer does not cause direct crystallization, but it is presumed to have an effect of promoting crystallization by thermal energy. .

アモルファス酸化物半導体層に電圧を印加する際、アモルファス酸化物半導体層の温度制御の仕方は特に限定されず、例えばホットプレートのような基板全体の温度を制御する手法であっても良いし、ランプ加熱や輻射等によってアモルファス酸化物半導体層の表面から温度を上昇させる手法であってもよい。   When applying a voltage to the amorphous oxide semiconductor layer, the temperature control method of the amorphous oxide semiconductor layer is not particularly limited. For example, a technique for controlling the temperature of the entire substrate such as a hot plate may be used. A technique of increasing the temperature from the surface of the amorphous oxide semiconductor layer by heating, radiation, or the like may be used.

活性層12は、前述した結晶化工程の結果として形成されたIn、Ga、Zn、Snのうち少なくとも一種の元素を含む結晶性酸化物半導体膜であって、活性層12内に異なる結晶相を有し、層状の結晶相と、グレイン状(粒状)の結晶相を含むことが好ましい。
酸化物半導体層が結晶相であるかどうか、あるいは本発明の薄膜トランジスタの製造方法において酸化物半導体層が結晶化したかどうかは、X線回折測定により確認することができる。すなわち、X線回折測定により、結晶構造を示す明確なピークが検出されれば、酸化物半導体層が結晶相であることが確認できる。
また、酸化物半導体層内に異なる結晶相が存在しているかどうかは、例えば断面TEM測定を行う事によって確認することができる。併せて電子線回折パターンを取得する事によって、格子状態に関する情報を得る事も可能である。
The active layer 12 is a crystalline oxide semiconductor film containing at least one element of In, Ga, Zn, and Sn formed as a result of the crystallization process described above, and has different crystal phases in the active layer 12. It preferably has a layered crystal phase and a grain-like (granular) crystal phase.
Whether or not the oxide semiconductor layer is in a crystalline phase or whether or not the oxide semiconductor layer is crystallized in the method for manufacturing a thin film transistor of the present invention can be confirmed by X-ray diffraction measurement. That is, if a clear peak indicating a crystal structure is detected by X-ray diffraction measurement, it can be confirmed that the oxide semiconductor layer is in a crystalline phase.
Further, whether or not different crystal phases are present in the oxide semiconductor layer can be confirmed, for example, by performing cross-sectional TEM measurement. It is also possible to obtain information on the lattice state by acquiring an electron diffraction pattern.

本発明による薄膜トランジスタの製造方法では、酸化物半導体層のキャリア濃度制御も重要である。酸化物半導体層のキャリア濃度の制御は金属元素の組成変調によって行うほか、成膜時の酸素分圧制御によっても行うことができる。   In the method for manufacturing a thin film transistor according to the present invention, control of the carrier concentration of the oxide semiconductor layer is also important. The carrier concentration of the oxide semiconductor layer can be controlled not only by modulation of the composition of the metal element but also by oxygen partial pressure control during film formation.

酸素濃度の制御は、酸化物半導体膜の成膜時の酸素分圧をそれぞれ制御することによって行う事ができる。成膜時の酸素分圧を高めれば、キャリア濃度を低減させることができ、それに伴ってオフ電流の低減が期待できる。一方、成膜時の酸素分圧を低くすれば、キャリア濃度を増大させることができ、それに伴って電界効果移動度の増大が期待できる。また、例えば酸化物半導体膜の成膜後に酸素ラジカルやオゾンを照射する処理を施すことによっても膜の酸化を促進し、膜中の酸素欠損量を低減させる事が可能である。   The oxygen concentration can be controlled by controlling the oxygen partial pressure during the formation of the oxide semiconductor film. If the oxygen partial pressure at the time of film formation is increased, the carrier concentration can be reduced, and a reduction in off-current can be expected accordingly. On the other hand, if the oxygen partial pressure during film formation is lowered, the carrier concentration can be increased, and accordingly, the field effect mobility can be expected to increase. Further, for example, by performing treatment with irradiation with oxygen radicals or ozone after the formation of the oxide semiconductor film, the oxidation of the film can be promoted and the amount of oxygen vacancies in the film can be reduced.

また、本発明の薄膜トランジスタの製造方法では、アモルファス酸化物半導体層の結晶化工程とは別に熱処理工程(ポストアニールプロセス)を加えても良い。熱処理温度が400℃以上であると、光照射安定性を極めて高くすることが可能であり、例えば、420nmの光照射に対する閾値シフト量の絶対値|ΔVth|≦0.5V、さらには|ΔVth|≦0.3Vを達成することもできる。   In the thin film transistor manufacturing method of the present invention, a heat treatment step (post-annealing process) may be added separately from the crystallization step of the amorphous oxide semiconductor layer. When the heat treatment temperature is 400 ° C. or higher, the light irradiation stability can be made extremely high. For example, the absolute value of the threshold shift amount for light irradiation of 420 nm | ΔVth | ≦ 0.5 V, and further | ΔVth | ≦ 0.3V can also be achieved.

熱処理工程では、雰囲気全体に含まれる水分含有量が露点温度換算で−36℃以下(絶対湿度0.21g/m−3以下)の乾燥雰囲気下でアニールする事が望ましい。乾燥雰囲気下でのアニールを行う事によって、湿潤雰囲気(大気中など)下でのアニールを行った場合と比較して光安定性を高める事ができる。 In the heat treatment step, it is desirable to anneal in a dry atmosphere in which the moisture content contained in the whole atmosphere is −36 ° C. or less (absolute humidity 0.21 g / m −3 or less) in terms of dew point temperature. By performing the annealing in a dry atmosphere, the light stability can be improved as compared with the case of performing the annealing in a humid atmosphere (such as in the air).

(ソース・ドレイン電極)
ソース電極13およびドレイン電極14はいずれも高い導電性を有するものであれば特に制限なく、Al、Mo、Cr、Ta、Ti、Au、Ag等の金属、Al−Nd、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫(ITO)、酸化亜鉛インジウム(IZO)等の金属酸化物導電膜を単層または2層以上の積層構造として用いることができる。
(Source / drain electrodes)
The source electrode 13 and the drain electrode 14 are not particularly limited as long as they have high conductivity, and metals such as Al, Mo, Cr, Ta, Ti, Au, and Ag, Al—Nd, tin oxide, zinc oxide, A metal oxide conductive film such as indium oxide, indium tin oxide (ITO), or zinc indium oxide (IZO) can be used as a single layer or a stacked structure of two or more layers.

ソース電極13およびドレイン電極14はいずれも、印刷方式、コーティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理的方式、CVD、プラズマCVD法等の化学的方式等の中から使用する材料との適性を考慮して適宜選択した方法に従って成膜すればよい。   Each of the source electrode 13 and the drain electrode 14 includes a printing method, a wet method such as a coating method, a physical method such as a vacuum deposition method, a sputtering method, an ion plating method, a chemical method such as a CVD method and a plasma CVD method. The film may be formed according to a method appropriately selected in consideration of suitability with the material to be used.

ソース電極13およびドレイン電極14を、上記金属により構成する場合、成膜性、エッチングやリフトオフ法によるパターンニング性および導電性等を考慮すると、その厚みは、10nm以上、1000nm以下とすることが好ましく、50nm以上、100nm以下とすることがより好ましい。   When the source electrode 13 and the drain electrode 14 are made of the above metal, the thickness is preferably set to 10 nm or more and 1000 nm or less in consideration of the film forming property, the patterning property by etching or lift-off method, and the conductivity. 50 nm or more and 100 nm or less is more preferable.

(ゲート絶縁膜)
活性層12とゲート電極16との間に配置されるゲート絶縁膜15としては、高い絶縁性を有するものが好ましく、SiO、SiNx、SiON、Al、Y、Ta、HfO等の絶縁膜、またはこれらの化合物を少なくとも二つ以上含む絶縁膜等から構成することができる。
(Gate insulation film)
The gate insulating film 15 disposed between the active layer 12 and the gate electrode 16 is preferably one having high insulating properties, such as SiO 2 , SiNx, SiON, Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ta 2 O. 5 , an insulating film such as HfO 2, or an insulating film containing at least two of these compounds.

ゲート絶縁膜15は、印刷方式、コーティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理的方式、CVD、プラズマCVD法等の化学的方式等の中から使用する材料との適性を考慮して適宜選択した方法に従って成膜すればよい。   The gate insulating film 15 is a material used from a wet method such as a printing method or a coating method, a physical method such as a vacuum deposition method, a sputtering method or an ion plating method, or a chemical method such as a CVD or plasma CVD method. The film may be formed according to a method appropriately selected in consideration of the suitability of

ゲート絶縁膜15はリーク電流の低下および電圧耐性の向上のために十分な厚みを有する必要がある一方、厚みが大きすぎると駆動電圧の上昇を招いてしまう。ゲート絶縁膜15の厚みは、材質にもよるが、10nm〜10μmが好ましく、50nm〜1000nmがより好ましく、100nm〜400nmが特に好ましい。   The gate insulating film 15 needs to have a sufficient thickness for reducing the leakage current and improving the voltage resistance. On the other hand, if the thickness is too large, the driving voltage is increased. Although depending on the material, the thickness of the gate insulating film 15 is preferably 10 nm to 10 μm, more preferably 50 nm to 1000 nm, and particularly preferably 100 nm to 400 nm.

(ゲート電極)
ゲート電極16としては、高い導電性を有するものであれば特に制限なく、Al、Mo、Cr、Ta、Ti、Au、Ag等の金属、Al−Nd、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫(ITO)、酸化亜鉛インジウム(IZO)等の金属酸化物導電膜等を、単層または2層以上の積層構造として用いることができる。
(Gate electrode)
The gate electrode 16 is not particularly limited as long as it has high conductivity, and is a metal such as Al, Mo, Cr, Ta, Ti, Au, and Ag, Al—Nd, tin oxide, zinc oxide, indium oxide, and oxide. A metal oxide conductive film such as indium tin (ITO) or zinc indium oxide (IZO) can be used as a single layer or a stacked structure of two or more layers.

ゲート電極16は、印刷方式、コーティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理的方式、CVD、プラズマCVD法等の化学的方式等の中から使用する材料との適性を考慮して適宜選択した方法に従って成膜すればよい。   The gate electrode 16 is made of a material used from a wet method such as a printing method or a coating method, a physical method such as a vacuum deposition method, a sputtering method or an ion plating method, or a chemical method such as a CVD or plasma CVD method. The film may be formed according to a method appropriately selected in consideration of the suitability of the above.

ゲート電極16を、上記金属により構成する場合、成膜性、エッチングやリフトオフ法によるパターンニング性および導電性等を考慮すると、その厚みは、10nm以上、1000nm以下とすることが好ましく、50nm以上、200nm以下とすることがより好ましい。   When the gate electrode 16 is made of the above metal, the thickness is preferably 10 nm or more and 1000 nm or less in consideration of film forming properties, patterning properties by etching or lift-off methods, conductivity, and the like, preferably 50 nm or more, More preferably, it is 200 nm or less.

次に、本発明により、ボトムゲート−トップコンタクト型の薄膜トランジスタを備えた電子デバイスを製造する方法の一例について、図2及び図3を参照しながら説明する。なお、各部の構成材料、厚みなどは前述した通りであり、以下の説明では適宜省略する。   Next, an example of a method for manufacturing an electronic device including a bottom gate-top contact type thin film transistor according to the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, the constituent material, thickness, etc. of each part are as above-mentioned, and it abbreviate | omits suitably in the following description.

基板11を用意し、基板11を洗浄及び乾燥した後(図2(A))、ゲート電極16を形成する。具体的には、電極膜16Aを成膜後(図2(B))、エッチングまたはリフトオフ法により所定のゲート電極16の形状にパターンニングする(図2(C))。この際、ゲート電極16およびゲート配線(不図示)を同時にパターンニングすることが好ましい。   A substrate 11 is prepared, and after cleaning and drying the substrate 11 (FIG. 2A), a gate electrode 16 is formed. Specifically, after the electrode film 16A is formed (FIG. 2B), it is patterned into a predetermined shape of the gate electrode 16 by etching or a lift-off method (FIG. 2C). At this time, it is preferable to pattern the gate electrode 16 and the gate wiring (not shown) at the same time.

次いで、ゲート絶縁膜15A、アモルファス酸化物半導体膜(a−InGaZnO)12A、エッチングストッパ膜17Aを連続成膜する(図2(D))。ここでエッチングストッパ膜17Aは基本的には絶縁膜であり、絶縁性や水蒸気、酸素透過率が低いものである事が望ましい。具体的にはSiO、SiNなどの金属酸化物又は金属窒化物である事が望ましい。 Next, a gate insulating film 15A, an amorphous oxide semiconductor film (a-InGaZnO) 12A, and an etching stopper film 17A are successively formed (FIG. 2D). Here, the etching stopper film 17A is basically an insulating film, and desirably has a low insulating property, water vapor, and oxygen permeability. Specifically, a metal oxide or metal nitride such as SiO 2 or SiN x is desirable.

その後、エッチングストッパ膜17Aをパターニングして酸化物半導体膜12A上のソース・ドレイン電極となる領域を露出させると共に、チャネルとなる部分の直上部位だけを覆うようにエッチストッパ層17を形成する(図2(E))。   Thereafter, the etching stopper film 17A is patterned to expose the regions to be the source / drain electrodes on the oxide semiconductor film 12A, and the etch stopper layer 17 is formed so as to cover only the portion directly above the portion to be the channel (FIG. 2 (E)).

次いで、アモルファス酸化物半導体膜12Aを、後述するソース・ドレイン電極間の導通を可能にする活性層12の形状にパターニングする(図2(F))。ここでアモルファス酸化物半導体膜12Aのパターニングはフォトリソグラフィーおよびエッチングにより行うことができる。具体的には、残存させる部分にフォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成し、塩酸、硝酸、希硫酸、または燐酸、硝酸および酢酸の混合液等の酸溶液によりエッチングすることによりパターンを形成する。   Next, the amorphous oxide semiconductor film 12A is patterned into the shape of the active layer 12 that enables conduction between the source and drain electrodes described later (FIG. 2F). Here, the patterning of the amorphous oxide semiconductor film 12A can be performed by photolithography and etching. Specifically, a resist pattern is formed on the remaining portion by photolithography, and the pattern is formed by etching with an acid solution such as hydrochloric acid, nitric acid, dilute sulfuric acid, or a mixed solution of phosphoric acid, nitric acid and acetic acid.

更にゲート絶縁膜15Aをパターニングする(図2(G))。   Further, the gate insulating film 15A is patterned (FIG. 2G).

次いで、ソース・ドレイン電極を形成するための金属膜18を成膜した後(図2(H))、金属膜18をエッチングまたはリフトオフ法により所定の形状にパターニングする(図2(I))。これにより、活性層12を介して導通可能なソース・ドレイン電極13,14を形成する。この際、ソース・ドレイン電極13,14およびこれらの電極13,14に接続する配線を同時にパターンニングすることが好ましい。   Next, after forming a metal film 18 for forming the source / drain electrodes (FIG. 2H), the metal film 18 is patterned into a predetermined shape by etching or a lift-off method (FIG. 2I). As a result, source / drain electrodes 13 and 14 which can be conducted through the active layer 12 are formed. At this time, it is preferable to pattern the source / drain electrodes 13 and 14 and the wiring connected to these electrodes 13 and 14 simultaneously.

ソース・ドレイン電極13,14を形成した後、エッチストッパ層17上に更にチャネル保護膜を形成しても良い。   After forming the source / drain electrodes 13, 14, a channel protective film may be further formed on the etch stopper layer 17.

その後、層間絶縁膜20Aを成膜し(図3(A))、層間絶縁膜20をパターニングすることでコンタクトホール19を形成する(図3(B))。
層間絶縁膜20上に画素電極層21Aを成膜し(図3(C))、画素電極層21Aのパターニングにより画素電極21を形成する(図3(D))。
Thereafter, an interlayer insulating film 20A is formed (FIG. 3A), and the contact hole 19 is formed by patterning the interlayer insulating film 20 (FIG. 3B).
A pixel electrode layer 21A is formed over the interlayer insulating film 20 (FIG. 3C), and the pixel electrode 21 is formed by patterning the pixel electrode layer 21A (FIG. 3D).

最終的にポストアニール処理する事によって酸化物半導体を活性層12とした薄膜トランジスタが得られる(図3(E))。   A thin film transistor having an oxide semiconductor as the active layer 12 is finally obtained by post-annealing (FIG. 3E).

上記工程を経て薄膜トランジスタを製造する場合、酸化物半導体層の結晶化工程である電圧印加処理は、アモルファス酸化物半導体層12が形成された後であればどのタイミングで行っても良く、ソース・ドレイン電極13,14を介して電圧を印加することが好ましい。ソース・ドレイン電極形成後(図2(I))、ソース・ドレイン電極間に電圧を印加しても良いし、コンタクトホール形成後(図3(B))、画素電極形成後(図3(C))、又はポストアニール処理後(図3(D))でも良い。なお、ポストアニール処理によってTFTアレイの面内特性の均一化を図るため、結晶化工程を行った後にポストアニール処理を行う事が望ましい。   When a thin film transistor is manufactured through the above steps, the voltage application process which is a crystallization process of the oxide semiconductor layer may be performed at any timing after the amorphous oxide semiconductor layer 12 is formed. It is preferable to apply a voltage via the electrodes 13 and 14. After forming the source / drain electrodes (FIG. 2 (I)), a voltage may be applied between the source / drain electrodes, after forming the contact holes (FIG. 3 (B)), after forming the pixel electrodes (FIG. 3 (C)). )), Or after post-annealing (FIG. 3D). In order to make the in-plane characteristics of the TFT array uniform by post-annealing, it is desirable to perform post-annealing after the crystallization process.

アモルファス酸化物半導体層の結晶化工程は、半導体層が酸化物半導体である事から、酸素を含む雰囲気で行う事が望ましい。特に大気中で行う事によって酸化物半導体層の酸素欠陥を大きく増大させる事無く、且つ大気中の水分が膜中に一部取り込まれることによって酸化物半導体層の格子欠陥を低減させることも可能である。
また、大気中で行う事によって、雰囲気制御が必要な専用の設備を導入する必要がなく、低コスト化も可能である。
The crystallization process of the amorphous oxide semiconductor layer is preferably performed in an atmosphere containing oxygen because the semiconductor layer is an oxide semiconductor. In particular, it is possible to reduce lattice defects in the oxide semiconductor layer without significantly increasing oxygen defects in the oxide semiconductor layer by performing in air, and by partially incorporating moisture in the air into the film. is there.
In addition, by performing the process in the air, it is not necessary to introduce dedicated equipment that requires atmospheric control, and the cost can be reduced.

また、酸化物半導体では加熱に伴う膜中水分脱離によって膜抵抗が桁で大きく変化するため、例えば、a−InGaZnOでは、基板の温度を例えば150℃〜250℃程度に制御する事によって電気伝導度を高める事が可能であり、ゲート電圧印加によってチャネル領域をオン状態としなくても結晶化に十分な電流が流れる事がメリットとして挙げられる。   In addition, in the case of an oxide semiconductor, the film resistance greatly changes by digits due to moisture desorption in the film accompanying heating. An advantage is that a sufficient current flows for crystallization without turning on the channel region by applying a gate voltage.

本発明により製造される薄膜トランジスタの用途は特に限定されるものではないが、例えば電気光学装置としての表示装置(液晶表示装置、有機EL(Electro Luminescence)表示装置、無機EL表示装置等)における駆動素子として好適である。
さらに、本発明により製造される薄膜トランジスタは、樹脂基板を用いた低温プロセスで作製可能なフレキシブルディスプレイ等のデバイス、CCD(Charge Coupled Device)、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等のイメージセンサ、X線センサ等の各種センサ、MEMS(Micro Electro Mechanical System)等、種々の電子デバイスにおける駆動素子(駆動回路)として、好適に用いられるものである。
本発明の薄膜トランジスタを用いた本発明の表示装置およびセンサは、いずれも低い消費電力により良好な特性を示す。なお、ここで言う「特性」とは、表示装置の場合には表示特性、センサの場合には感度特性である。
Although the use of the thin film transistor manufactured by the present invention is not particularly limited, for example, a drive element in a display device (liquid crystal display device, organic EL (Electro Luminescence) display device, inorganic EL display device, etc.) as an electro-optical device. It is suitable as.
Further, the thin film transistor manufactured according to the present invention includes a device such as a flexible display that can be manufactured by a low temperature process using a resin substrate, an image sensor such as a charge coupled device (CCD) and a complementary metal oxide semiconductor (CMOS), and an X-ray sensor. It is suitably used as a drive element (drive circuit) in various electronic devices such as various sensors such as MEMS (Micro Electro Mechanical System).
Both the display device and the sensor of the present invention using the thin film transistor of the present invention exhibit good characteristics due to low power consumption. The “characteristic” referred to here is a display characteristic in the case of a display device, and a sensitivity characteristic in the case of a sensor.

<液晶表示装置>
図4に、本発明により製造される薄膜トランジスタを備えた表示装置の一実施形態である液晶表示装置について、その一部分の概略断面図を示し、図5にその電気配線の概略構成図を示す。
<Liquid crystal display device>
FIG. 4 shows a schematic sectional view of a part of a liquid crystal display device which is an embodiment of a display device including a thin film transistor manufactured according to the present invention, and FIG. 5 shows a schematic configuration diagram of its electric wiring.

図4に示すように、本実施形態の液晶表示装置5は、トップゲート−ボトムコンタクト型の薄膜トランジスタ1と、薄膜トランジスタ1のパッシベーション層54で保護されたゲート電極16上に画素下部電極55及びその対向上部電極56で挟まれた液晶層57と、各画素に対応させて異なる色を発色させるためのRGBカラーフィルタ58とを備え、TFT1の基板11側及びカラーフィルタ58上にそれぞれ偏光板59a、59bを備えた構成である。   As shown in FIG. 4, the liquid crystal display device 5 of this embodiment includes a top gate-bottom contact type thin film transistor 1, a pixel lower electrode 55 on a gate electrode 16 protected by a passivation layer 54 of the thin film transistor 1, and a counter electrode thereof. A liquid crystal layer 57 sandwiched between the upper electrodes 56 and an RGB color filter 58 for developing different colors corresponding to each pixel are provided, and polarizing plates 59a and 59b are provided on the substrate 11 side of the TFT 1 and the color filter 58, respectively. It is the structure provided with.

また、図5に示すように、本実施形態の液晶表示装置5は、互いに平行な複数のゲート配線51と、ゲート配線51と交差する、互いに平行なデータ配線52とを備えている。ここでゲート配線51とデータ配線52は電気的に絶縁されている。ゲート配線51とデータ配線52との交差部付近に、薄膜トランジスタ1が備えられている。   Further, as shown in FIG. 5, the liquid crystal display device 5 of the present embodiment includes a plurality of gate lines 51 that are parallel to each other and data lines 52 that are parallel to each other and intersect the gate lines 51. Here, the gate wiring 51 and the data wiring 52 are electrically insulated. The thin film transistor 1 is provided in the vicinity of the intersection between the gate line 51 and the data line 52.

薄膜トランジスタ1のゲート電極16はゲート配線51に接続されており、薄膜トランジスタ1のソース電極13はデータ配線52に接続されている。また、薄膜トランジスタ1のドレイン電極14はゲート絶縁膜15に設けられたコンタクトホール19を介して(コンタクトホール19に導電体が埋め込まれて)画素下部電極55に電気的に接続されている。この画素下部電極55は、接地された対向電極56とともにコンデンサ53を構成している。   The gate electrode 16 of the thin film transistor 1 is connected to the gate wiring 51, and the source electrode 13 of the thin film transistor 1 is connected to the data wiring 52. The drain electrode 14 of the thin film transistor 1 is electrically connected to the pixel lower electrode 55 through a contact hole 19 provided in the gate insulating film 15 (a conductor is embedded in the contact hole 19). The pixel lower electrode 55 and the grounded counter electrode 56 constitute a capacitor 53.

図4に示した本実施形態の液晶装置においては、トップゲート型の薄膜トランジスタ1を備えるものとしたが、本発明の表示装置である液晶装置において用いられる薄膜トランジスタはトップゲート型に限定されることなく、ボトムゲート型の薄膜トランジスタであってもよい。   In the liquid crystal device of this embodiment shown in FIG. 4, the top gate type thin film transistor 1 is provided. However, the thin film transistor used in the liquid crystal device which is the display device of the present invention is not limited to the top gate type. A bottom-gate thin film transistor may also be used.

本発明により製造される薄膜トランジスタは高い移動度を有するため、液晶表示装置において高精細、高速応答、高コントラスト等の高品位表示が可能となり、大画面化にも適している。また、電圧印加によって低温で結晶化された活性層(酸化物半導体層)12は、特性シフトが少ないため、ゲート電圧を低減でき、ひいては表示装置の消費電力を低減できる。
また、本発明によると、活性層12を構成するIn、Ga、Zn、及びSnから選ばれる少なくとも一種の元素を含むアモルファス酸化物半導体層は、比較的低温での成膜が可能であり、電圧印加によって低温で結晶化させることができるため、基板としては樹脂基板(プラスチック基板)を用いることができる。従って、本発明によれば、表示品質に優れ、フレキシブルな液晶表示装置を提供することもできる。
Since the thin film transistor manufactured according to the present invention has high mobility, high-definition display such as high definition, high-speed response, and high contrast is possible in a liquid crystal display device, which is suitable for a large screen. In addition, since the active layer (oxide semiconductor layer) 12 crystallized at a low temperature by voltage application has few characteristic shifts, the gate voltage can be reduced and thus the power consumption of the display device can be reduced.
Further, according to the present invention, the amorphous oxide semiconductor layer containing at least one element selected from In, Ga, Zn, and Sn constituting the active layer 12 can be formed at a relatively low temperature. Since it can be crystallized at a low temperature by application, a resin substrate (plastic substrate) can be used as the substrate. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a flexible liquid crystal display device having excellent display quality.

<有機EL表示装置>
本発明により製造されるTFTを備えた表示装置の一実施形態として、アクティブマトリックス方式の有機EL表示装置について、図6にその一部分の概略断面図を示し、図7に電気配線の概略構成図を示す。
有機EL表示装置の駆動方式には、単純マトリックス方式とアクティブマトリックス方式の2種類がある。単純マトリックス方式は低コストで作製できるメリットがあるが、走査線を1本ずつ選択して画素を発光させることから、走査線数と走査線あたりの発光時間は反比例する。そのため高精細化、大画面化が困難となっている。アクティブマトリック
ス方式は画素ごとにトランジスタやキャパシタを形成するため製造コストが高くなるが、単純マトリックス方式のように走査線数を増やせないという問題はないため高精細化、大画面化に適している。
<Organic EL display device>
FIG. 6 shows a schematic sectional view of a part of an active matrix organic EL display device as an embodiment of a display device including a TFT manufactured according to the present invention, and FIG. 7 shows a schematic configuration diagram of electrical wiring. Show.
There are two types of driving methods for organic EL display devices: a simple matrix method and an active matrix method. The simple matrix method has an advantage that it can be manufactured at low cost. However, since the pixels are emitted by selecting one scanning line at a time, the number of scanning lines and the light emission time per scanning line are inversely proportional. Therefore, it is difficult to increase the definition and increase the screen size. The active matrix method has a high manufacturing cost because a transistor and a capacitor are formed for each pixel. However, since there is no problem that the number of scanning lines cannot be increased unlike the simple matrix method, it is suitable for high definition and large screen.

本実施形態のアクティブマトリックス方式の有機EL表示装置6は、トップゲート−トップコンタクト型の薄膜トランジスタが、パッシベーション層61aを備えた基板60上に、駆動用TFT1a及びスイッチング用TFT1bとしてそれぞれ備えられている。薄膜トランジスタ1a,1b上には下部電極62及び上部電極63に挟まれた有機発光層64からなる有機発光素子65を備え、上面もパッシベーション層61bにより保護された構成となっている。   In the active matrix organic EL display device 6 of the present embodiment, a top gate-top contact type thin film transistor is provided as a driving TFT 1a and a switching TFT 1b on a substrate 60 provided with a passivation layer 61a. On the thin film transistors 1a and 1b, an organic light emitting element 65 comprising an organic light emitting layer 64 sandwiched between a lower electrode 62 and an upper electrode 63 is provided, and the upper surface is also protected by a passivation layer 61b.

また、図6に示すように、本実施形態の有機EL表示装置6は、互いに平行な複数のゲート配線66と、ゲート配線66と交差する、互いに平行なデータ配線67及び駆動配線68とを備えている。ここでゲート配線66とデータ配線67、駆動配線68とは電気的に絶縁されている。スイッチング用薄膜トランジスタ1bのゲート電極16bは、ゲート配線66に接続されており、スイッチング用薄膜トランジスタ1bのソース電極13bはデータ配線67に接続されている。また、スイッチング用薄膜トランジスタ1bのドレイン電極14bは駆動用薄膜トランジスタ1aのゲート電極16aに接続されるとともに、コンデンサ69を用いることで駆動用薄膜トランジスタ1aをオン状態に保つ。駆動用薄膜トランジスタ1aのソース電極13aは駆動配線68に接続され、ドレイン電極14aは有機EL発光素子65に接続される。   As shown in FIG. 6, the organic EL display device 6 according to the present embodiment includes a plurality of gate lines 66 parallel to each other, and data lines 67 and drive lines 68 that intersect the gate lines 66 and are parallel to each other. ing. Here, the gate wiring 66, the data wiring 67, and the driving wiring 68 are electrically insulated. The gate electrode 16 b of the switching thin film transistor 1 b is connected to the gate line 66, and the source electrode 13 b of the switching thin film transistor 1 b is connected to the data line 67. The drain electrode 14b of the switching thin film transistor 1b is connected to the gate electrode 16a of the driving thin film transistor 1a, and the driving thin film transistor 1a is kept on by using the capacitor 69. The source electrode 13 a of the driving thin film transistor 1 a is connected to the driving wiring 68, and the drain electrode 14 a is connected to the organic EL light emitting element 65.

図6に示した本実施形態の有機EL装置においても、トップゲート型の薄膜トランジスタ1a,1bを備えるものとしたが、本発明の表示装置である有機EL装置において用いられる薄膜トランジスタは、トップゲート型に限定されることなく、ボトムゲート型の薄膜トランジスタであってもよい。   The organic EL device of this embodiment shown in FIG. 6 is also provided with the top gate type thin film transistors 1a and 1b. However, the thin film transistor used in the organic EL device which is the display device of the present invention is a top gate type. Without limitation, a bottom-gate thin film transistor may be used.

本発明により製造される薄膜トランジスタは高い移動度を有するため、低消費電力で且つ高品位な表示が可能となる。また、本発明によると、活性層を構成するIn、Ga、Zn、及びSnから選ばれる少なくとも一種の元素を含むアモルファス酸化物半導体層は、比較的低温での成膜が可能であり、電圧印加によって低温で結晶化させることができるため、基板として樹脂基板(プラスチック基板)を用いることができる。従って、本発明によれば、表示品質に優れフレキシブルな有機EL表示装置を提供することができる。   Since the thin film transistor manufactured according to the present invention has high mobility, low power consumption and high quality display can be achieved. Further, according to the present invention, the amorphous oxide semiconductor layer containing at least one element selected from In, Ga, Zn, and Sn constituting the active layer can be formed at a relatively low temperature, and voltage application can be performed. Therefore, a resin substrate (plastic substrate) can be used as the substrate. Therefore, according to the present invention, a flexible organic EL display device having excellent display quality can be provided.

なお、図6に示した有機EL表示装置において、上部電極63を透明電極としてトップエミッション型としてもよいし、下部電極62及びTFT1a,1bの各電極を透明電極とすることによりボトムエミッション型としてもよい。   In the organic EL display device shown in FIG. 6, the upper electrode 63 may be a top emission type with a transparent electrode, or the lower electrode 62 and each electrode of the TFTs 1a and 1b may be a transparent electrode. Good.

<X線センサ>
図8に、本発明のセンサの一実施形態であるX線センサについて、その一部分の概略断面図を示し、図9にその電気配線の概略構成図を示す。
本実施形態のX線センサ7は基板11上に形成された薄膜トランジスタ1及びキャパシタ70と、キャパシタ70上に形成された電荷収集用電極71と、X線変換層72と、上部電極73とを備えて構成される。薄膜トランジスタ1上にはパッシベーション膜75が設けられている。
<X-ray sensor>
FIG. 8 shows a schematic sectional view of a part of an X-ray sensor which is an embodiment of the sensor of the present invention, and FIG. 9 shows a schematic configuration diagram of its electric wiring.
The X-ray sensor 7 of this embodiment includes a thin film transistor 1 and a capacitor 70 formed on a substrate 11, a charge collection electrode 71 formed on the capacitor 70, an X-ray conversion layer 72, and an upper electrode 73. Configured. A passivation film 75 is provided on the thin film transistor 1.

キャパシタ70はキャパシタ用下部電極76とキャパシタ用上部電極77とで絶縁膜78を挟んだ構造となっている。キャパシタ用上部電極77は絶縁膜78に設けられたコンタクトホール79を介し、薄膜トランジスタ1のソース電極13及びドレイン電極14のいずれか一方(図8においてはドレイン電極14)と接続されている。   The capacitor 70 has a structure in which an insulating film 78 is sandwiched between a capacitor lower electrode 76 and a capacitor upper electrode 77. The capacitor upper electrode 77 is connected to one of the source electrode 13 and the drain electrode 14 (the drain electrode 14 in FIG. 8) of the thin film transistor 1 through a contact hole 79 provided in the insulating film 78.

電荷収集用電極71は、キャパシタ70におけるキャパシタ用上部電極77上に設けられており、キャパシタ用上部電極77に接している。X線変換層72はアモルファスセレンからなる層であり、薄膜トランジスタ1及びキャパシタ70を覆うように設けられている。上部電極73はX線変換層72上に設けられており、X線変換層72に接している。   The charge collection electrode 71 is provided on the capacitor upper electrode 77 in the capacitor 70 and is in contact with the capacitor upper electrode 77. The X-ray conversion layer 72 is a layer made of amorphous selenium and is provided so as to cover the thin film transistor 1 and the capacitor 70. The upper electrode 73 is provided on the X-ray conversion layer 72 and is in contact with the X-ray conversion layer 72.

図9に示すように、本実施形態のX線センサ7は、互いに平行な複数のゲート配線81と、ゲート配線81と交差する、互いに平行な複数のデータ配線82とを備えている。ここでゲート配線81とデータ配線82は電気的に絶縁されている。ゲート配線81とデータ配線82との交差部付近に、薄膜トランジスタ1が備えられている。   As shown in FIG. 9, the X-ray sensor 7 of this embodiment includes a plurality of gate wirings 81 that are parallel to each other and a plurality of data wirings 82 that intersect with the gate wirings 81 and are parallel to each other. Here, the gate wiring 81 and the data wiring 82 are electrically insulated. The thin film transistor 1 is provided in the vicinity of the intersection between the gate wiring 81 and the data wiring 82.

薄膜トランジスタ1のゲート電極16は、ゲート配線81に接続されており、薄膜トランジスタ1のソース電極13はデータ配線82に接続されている。また、薄膜トランジスタ1のドレイン電極14は電荷収集用電極71に接続されており、さらにこの電荷収集用電極71は、接地された対向電極76とともにキャパシタ70を構成している。   The gate electrode 16 of the thin film transistor 1 is connected to the gate wiring 81, and the source electrode 13 of the thin film transistor 1 is connected to the data wiring 82. The drain electrode 14 of the thin film transistor 1 is connected to a charge collecting electrode 71, and the charge collecting electrode 71 constitutes a capacitor 70 together with a grounded counter electrode 76.

本構成のX線センサ7において、X線は図8中、上部(上部電極73側)から照射され、X線変換層72で電子−正孔対を生成する。このX線変換層72に上部電極73によって高電界を印加しておくことにより、生成した電荷はキャパシタ70に蓄積され、薄膜トランジスタ1を順次走査することによって読み出される。   In the X-ray sensor 7 of this configuration, X-rays are irradiated from the upper part (upper electrode 73 side) in FIG. 8, and electron-hole pairs are generated in the X-ray conversion layer 72. By applying a high electric field to the X-ray conversion layer 72 by the upper electrode 73, the generated charges are accumulated in the capacitor 70 and read out by sequentially scanning the thin film transistor 1.

本発明のX線センサは、オン電流が高く、信頼性に優れた薄膜トランジスタ1を備えるため、S/Nが高く、感度特性に優れているため、X線デジタル撮影装置に用いた場合に広ダイナミックレンジの画像が得られる。
特に本発明のX線デジタル撮影装置は、静止画撮影のみ可能なものではなく、動画による透視と静止画の撮影が1台で行えるX線デジタル撮影装置に用いるのが好適である。
Since the X-ray sensor of the present invention includes the thin film transistor 1 having a high on-current and excellent reliability, the S / N is high and the sensitivity characteristic is excellent. Therefore, the X-ray sensor has a wide dynamic when used in an X-ray digital imaging apparatus. A range image is obtained.
In particular, the X-ray digital imaging apparatus of the present invention is suitable not only for still image shooting but also for an X-ray digital imaging apparatus that can perform fluoroscopy with a moving image and still image shooting.

また、活性層12を構成するIn、Ga、Zn、及びSnから選ばれる少なくとも一種の元素を含むアモルファス酸化物半導体層は、比較的低温での成膜が可能であり、電圧印加によって低温で結晶化させることができるため、樹脂基板を用いたフレキシブルなX線センサとすることもできる。
なお、図8に示した本実施形態のX線センサにおいては、トップゲート型の薄膜トランジスタを備えるものとしたが、本発明のセンサにおいて用いられる薄膜トランジスタはトップゲート型に限定されることなく、ボトムゲート型の薄膜トランジスタであってもよい。
The amorphous oxide semiconductor layer containing at least one element selected from In, Ga, Zn, and Sn constituting the active layer 12 can be formed at a relatively low temperature, and can be crystallized at a low temperature by applying a voltage. Therefore, a flexible X-ray sensor using a resin substrate can be obtained.
In the X-ray sensor of this embodiment shown in FIG. 8, the top gate type thin film transistor is provided. However, the thin film transistor used in the sensor of the present invention is not limited to the top gate type, and the bottom gate type. A thin film transistor may be used.

以下に実施例を説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
本発明者らは、電圧を印加する事によってアモルファス酸化物半導体層が結晶化する事を以下の様な実験を行う事によって実証した。
Examples will be described below, but the present invention is not limited to these examples.
The present inventors have demonstrated that the amorphous oxide semiconductor layer is crystallized by applying a voltage by conducting the following experiment.

<酸化物半導体層の電圧印加による結晶化>
図10に示す構成を有する試料(評価用TFT)を下記工程により作製した。
単結晶YSZ基板111上に電極間隔500μm電極幅1mmのAu電極を成膜し、電圧印加用の電極113,114とした。その上にInGaZnO膜112を150nmスパッタ成膜した。スパッタ成膜時の成膜圧力は0.42Pa、酸素/アルゴン分圧は、0.05/30とした。組成はIn:Ga:Zn=1:1:1(実施例1)と1:1:5(実施例2)とした。これは結晶化した場合のInGaZnOをInGaO(ZnO)と記載した時のm=1と5の場合に相当する。
<Crystallization by voltage application of oxide semiconductor layer>
A sample (evaluation TFT) having the configuration shown in FIG. 10 was produced by the following process.
An Au electrode having an electrode interval of 500 μm and an electrode width of 1 mm was formed on the single crystal YSZ substrate 111 to form electrodes 113 and 114 for voltage application. An InGaZnO film 112 was formed thereon by sputtering with a thickness of 150 nm. The film formation pressure during sputtering film formation was 0.42 Pa, and the oxygen / argon partial pressure was 0.05 / 30. The composition was In: Ga: Zn = 1: 1: 1 (Example 1) and 1: 1: 5 (Example 2). This corresponds to the case of m = 1 and 5 when InGaZnO when crystallized is described as InGaO 3 (ZnO) m .

次に試料に定電流を流し、結晶化を試みた。電流源および電圧計としてKeithley社のSMU−237(ソースメジャーユニット)を用い、図11に示すように、±100mA(電流密度6.7×10−4A/cmに相当)のパルス電流を200msのパルス間隔で印加した。パルス間のインターバルは1sとした。
このようにパルス電流は、電圧を印加した状態を継続しながら、10秒に一回電圧測定を行い、酸化物半導体の状態変化を検出した。その結果を図12に示す。図12から、実施例1(In:Ga:Zn=1:1:1、m=1)の場合には電圧印加後2000s程度で、実施例2(In:Ga:Zn=1:1:5、m=5)の場合には10000s程度で電圧値の変極点が生じている事が分かる。
Next, a constant current was passed through the sample to attempt crystallization. Using Keithley's SMU-237 (source measure unit) as a current source and voltmeter, a pulse current of ± 100 mA (corresponding to a current density of 6.7 × 10 −4 A / cm 2 ) as shown in FIG. Application was at a pulse interval of 200 ms. The interval between pulses was 1 s.
As described above, the pulse current was measured once every 10 seconds while the voltage was applied, and the change in the state of the oxide semiconductor was detected. The result is shown in FIG. From FIG. 12, in the case of Example 1 (In: Ga: Zn = 1: 1: 1, m = 1), about 2000 s after voltage application, Example 2 (In: Ga: Zn = 1: 1: 5). , M = 5), it can be seen that the inflection point of the voltage value occurs in about 10000 s.

このような酸化物半導体層の状態変化と思われる電圧値の変化が生じた後に電圧印加を止め、断面TEM画像の測定を行った。実施例1のTEM画像を図13に、実施例2のTEM画像を図14に示す。
また、実施例1と同一のサンプル作製を行ったもので、電圧を印加していない状態(比較例1)の断面TEM像を図15に示す。
After such a change in voltage value that seems to be a change in the state of the oxide semiconductor layer occurred, the voltage application was stopped and a cross-sectional TEM image was measured. A TEM image of Example 1 is shown in FIG. 13, and a TEM image of Example 2 is shown in FIG.
Further, FIG. 15 shows a cross-sectional TEM image in which the same sample as in Example 1 was prepared and no voltage was applied (Comparative Example 1).

図13、図14に示すように電圧印加することにより明瞭な結晶化領域が生じている事が分かる。
実施例1、2では、どちらも活性層全体が結晶化していると思われる格子像が観測された。グレインサイズが大きく、より一様に結晶化している様子が観測されたことから、Zn含有率を減少させたm=1の方がより均一性の高い結晶化膜が得られる事が分かった。m=5の場合にはより結晶粒径の小さい微結晶を含む膜となっている。また、m=1の場合には表面に層状の結晶相が存在し、内部にグレイン形状の結晶相が存在している事が分かる。
As shown in FIGS. 13 and 14, it can be seen that a clear crystallized region is formed by applying a voltage.
In Examples 1 and 2, a lattice image in which the entire active layer was considered to be crystallized was observed. Since it was observed that the grain size was large and crystallization was more uniform, it was found that a crystallized film with higher uniformity can be obtained when m = 1 with the Zn content decreased. When m = 5, the film contains microcrystals having a smaller crystal grain size. It can also be seen that when m = 1, a layered crystal phase exists on the surface and a grain-shaped crystal phase exists inside.

一方、電流通電を行わなかった比較例1では格子像は全く観測されず、アモルファス状態であることが分かった。
上記の実験から、アモルファス酸化物半導体膜に電流を印加する事によって熱エネルギーを付与する事無く結晶化を引き起こす事ができる事が明らかとなった。
On the other hand, in Comparative Example 1 in which no current was applied, no lattice image was observed, and it was found to be in an amorphous state.
From the above experiments, it has been clarified that crystallization can be caused without applying thermal energy by applying a current to the amorphous oxide semiconductor film.

実施例1と比較例1の膜について結晶状態について詳細に評価するため、電子線回折パターンの取得を行った。その結果をそれぞれ図16、図17に示す。図16より、実施例1では表面の結晶相と中央部分の比較的均一な結晶相部分では格子間隔の異なる結晶となっている事が分かる。一方、図17に示すように比較例1では結晶性の回折パターンは観測されなかった。即ちこのような電圧印加による結晶化で得られる膜は表面の層状結晶と内部のグレイン状結晶のように異なる結晶相の混合から成ることが示された。   In order to evaluate in detail the crystal state of the films of Example 1 and Comparative Example 1, electron beam diffraction patterns were obtained. The results are shown in FIGS. 16 and 17, respectively. FIG. 16 shows that in Example 1, the surface crystal phase and the relatively uniform crystal phase portion in the central portion are crystals having different lattice spacings. On the other hand, as shown in FIG. 17, in Comparative Example 1, no crystalline diffraction pattern was observed. That is, it has been shown that the film obtained by crystallization by such voltage application is composed of a mixture of different crystal phases such as a surface layer crystal and an inner grain crystal.

<酸化物半導体層を気相成膜法で形成したInGaZnO−TFTの電気特性評価>
基板として高濃度p型ドーピングSi基板を用意した。基板上には100nmの熱酸化SiOが被覆されており、基板自体がゲート電極、熱酸化SiO膜がゲート絶縁膜として作用する。その上に、スパッタリング法を用いて下記の金属組成のInGaZnO膜を50nm成膜した。成膜条件は、成膜時圧力0.4Pa、アルゴン分圧/酸素分圧=30/0.15とした。
その後メタルマスクを介したスパッタリング法によりTi/Au(10nm/40nm)電極を形成した。これにより評価用のTFTを作製した。
<Electrical characteristic evaluation of InGaZnO-TFT in which oxide semiconductor layer is formed by vapor deposition method>
A high-concentration p-type doped Si substrate was prepared as the substrate. The substrate is coated with 100 nm of thermally oxidized SiO 2, and the substrate itself functions as a gate electrode and the thermally oxidized SiO 2 film functions as a gate insulating film. On top of this, an InGaZnO film having the following metal composition was formed to a thickness of 50 nm by sputtering. The film forming conditions were as follows: film forming pressure 0.4 Pa, argon partial pressure / oxygen partial pressure = 30 / 0.15.
Thereafter, a Ti / Au (10 nm / 40 nm) electrode was formed by a sputtering method through a metal mask. This produced a TFT for evaluation.

TFT作製後、電流源および電圧計としてKeithley社のSMU−237(ソースメジャーユニット)を用い、±100V(電流密度6.7×10−4 A/cmに相当)のパルス電流を200msのパルス間隔で印加する事で活性層の結晶化を行った。パルス間のインターバルは1sとした。 After TFT fabrication, Keithley's SMU-237 (source measure unit) is used as a current source and voltmeter, and a pulse current of ± 100 V (corresponding to a current density of 6.7 × 10 −4 A / cm 2 ) is applied to a pulse of 200 ms. The active layer was crystallized by applying at intervals. The interval between pulses was 1 s.

次いで、大気中でのアニールにはマッフル炉、乾燥酸素中でのアニールには酸素分圧制御管状炉を用いて表2に示す条件でポストアニール処理を行った。   Next, a post-annealing treatment was performed under the conditions shown in Table 2 using a muffle furnace for annealing in the atmosphere and an oxygen partial pressure control tubular furnace for annealing in dry oxygen.

電気特性の評価には半導体パラメータ・アナライザー4156C(アジレントテクノロジー社製)を用い、トランジスタ特性(Vg−Id特性)および移動度μの測定を行った。   For evaluation of electrical characteristics, a semiconductor parameter analyzer 4156C (manufactured by Agilent Technologies) was used, and transistor characteristics (Vg-Id characteristics) and mobility μ were measured.

Vg−Id特性の測定は、ドレイン電圧(Vd)を10Vに固定し、ゲート電圧(Vg)を−30V〜+30Vの範囲内で掃引し、各ゲート電圧(Vg)におけるドレイン電流(Id)を測定することにて行った。   Vg-Id characteristics are measured by fixing the drain voltage (Vd) to 10 V, sweeping the gate voltage (Vg) within the range of -30 V to +30 V, and measuring the drain current (Id) at each gate voltage (Vg). I went to do it.

移動度については、ドレイン電圧(Vd)を10Vに固定した状態でゲート電圧(Vg)を−30V〜+30Vの範囲内で掃引して測定した、飽和領域でのVg−Id特性から線形移動度を算出した。   Regarding the mobility, the linear mobility was determined from the Vg-Id characteristic in the saturation region measured by sweeping the gate voltage (Vg) in the range of -30V to + 30V with the drain voltage (Vd) fixed at 10V. Calculated.

駆動安定性に関しては、ゲート電圧を15V、ドレイン電圧を10Vに固定し、1時間の電流駆動ストレスを印加した後にトランジスタ特性を測定し、初期特性との閾値のシフト量を算出した。   Regarding the driving stability, the gate voltage was fixed at 15 V and the drain voltage was fixed at 10 V, and after applying a current driving stress for 1 hour, the transistor characteristics were measured, and the threshold shift amount from the initial characteristics was calculated.

光安定性ΔVthの評価については、420nm、10μW/cmの強度のモノクロ光を10分間TFTに照射し、同様に初期特性からの閾値シフト量を算出する事で行った。 The light stability ΔVth was evaluated by irradiating the TFT with monochromatic light having an intensity of 420 nm and 10 μW / cm 2 for 10 minutes, and similarly calculating the threshold shift amount from the initial characteristics.

酸化物半導体のZn組成又はポストアニール条件を変更したものについて、上記評価を行った。
また、比較例として、結晶化処理を行わなかったものと、アニールにより結晶化したものについても同様に評価を行った。
上記評価結果を表2に示す。
The above evaluation was performed on the oxide semiconductor in which the Zn composition or post-annealing conditions were changed.
Further, as a comparative example, the same evaluation was performed on a sample that was not crystallized and a sample that was crystallized by annealing.
The evaluation results are shown in Table 2.

まず、実施例3と比較例2の比較から、電圧印加による結晶化工程を導入する事によって駆動安定性を大きく高める事が可能である事が分かる。
また、実施例3,4,5の比較から、mが大きい(Zn含有率が大きい)場合には移動度が低下する振る舞いが見られた。これはInGaZnOでは主伝導はInの5s軌道が担っている事、mが大きい場合にはグレインサイズの小さい(10nm以下)微結晶が生じ、粒界部位が増加する事から、電気伝導性が低下していることが予想される。即ち移動度の観点からmは3以下である事が望ましい。
また実施例6,7のようにポストアニール処理温度を400℃以上とすると、光安定性を向上させることが可能となり、光安定性向上の効果は、相対湿度が1%以下の乾燥酸素中で行った場合がより大きい。
なお、アニールによって結晶化を行った比較例3のTFTでは、電気特性は良好であるが、600℃でのアニールを行うため、樹脂基板など耐熱性が低い基板を用いることができない。
活性層がInGaZnO系で結晶化した場合、その結晶相は以下のように表される。
(In1−xGa(ZnO)
InGaZnOにおいてInとGaは共に3価であり、同一の結晶構造においてその比率は変化しうる。例えば実施例8,9はそれぞれx=0.4,0.6の場合に相当するが、この場合でも電流印加による結晶化は起こり、且つ高い電気特性を有しつつ、良好な特性安定性を示している事が分かる。したがって本発明において上記組成式に従う結晶相を有していれば、高い電気特性と良好な特性安定性が実現できる。
First, it can be seen from the comparison between Example 3 and Comparative Example 2 that driving stability can be greatly increased by introducing a crystallization step by voltage application.
Further, from the comparison of Examples 3, 4 and 5, it was observed that the mobility was lowered when m was large (Zn content was large). This is because, in InGaZnO, the main conduction is in the 5s orbital of In, and when m is large, crystal grains with small grain size (less than 10 nm) are generated and grain boundary sites increase, resulting in a decrease in electrical conductivity. It is expected that That is, from the viewpoint of mobility, m is preferably 3 or less .
Further, when the post-annealing temperature is set to 400 ° C. or more as in Examples 6 and 7, the light stability can be improved, and the effect of improving the light stability is in dry oxygen having a relative humidity of 1% or less. Greater if done.
Note that the TFT of Comparative Example 3 crystallized by annealing has good electrical characteristics, but since annealing is performed at 600 ° C., a substrate having low heat resistance such as a resin substrate cannot be used.
When the active layer is crystallized in the InGaZnO system, the crystal phase is expressed as follows.
(In 1-x Ga x) 2 O 3 (ZnO) m
In and Ga are both trivalent in InGaZnO, and the ratio can be changed in the same crystal structure. For example, Examples 8 and 9 correspond to the cases of x = 0.4 and 0.6, respectively, but even in this case, crystallization is caused by current application, and excellent characteristic stability is obtained while having high electric characteristics. You can see that Therefore, if the present invention has a crystal phase according to the above composition formula, high electrical characteristics and good characteristic stability can be realized.

<InZnO系塗布型TFTの評価>
以下の手法で活性層を塗布型InZnOとした場合のTFTを作製した。
まず、基板として高濃度p型ドーピングSi基板を用意した。基板上には100nmの熱酸化SiOが被覆されており、基板自体がゲート電極、熱酸化SiO膜がゲート絶縁膜として作用する。その上に、以下の手法で酸化物半導体層を形成した。
<Evaluation of InZnO-based coated TFT>
A TFT in the case where the active layer was coated InZnO was manufactured by the following method.
First, a high concentration p-type doping Si substrate was prepared as a substrate. The substrate is coated with 100 nm of thermally oxidized SiO 2, and the substrate itself functions as a gate electrode and the thermally oxidized SiO 2 film functions as a gate insulating film. An oxide semiconductor layer was formed thereon by the following method.

酢酸亜鉛二水和物1.32g、インジウムイソプロポキシ5.79gを秤量し、ジエチルエタノールアミン100mL中で150℃の温度にて攪拌し、淡黄色の金属アルコキシド原料液(膜にした際の金属組成比がIn:Zn=7:2となる)を得た。   1.32 g of zinc acetate dihydrate and 5.79 g of indium isopropoxy were weighed and stirred at a temperature of 150 ° C. in 100 mL of diethylethanolamine to prepare a pale yellow metal alkoxide raw material liquid (metal composition when formed into a film). The ratio was In: Zn = 7: 2.

熱酸化膜付p−typeシリコン基板上に、金属アルコキシド原料液を3000rpmの回転速度でスピンコートした後、5分間自然乾燥する、という工程を2回繰り返す事によって膜厚70nmの酸化物前駆体膜を作製した。
得られた酸化物前駆体膜をボックス炉にて450℃で1時間熱処理を施した。酸化物前駆体膜の焼成により、最終的な酸化物半導体層の膜厚はおよそ50nmとなった。
その後、電子線蒸着装置にてTi/Au(10nm/40nm)をメタルマスク成膜する事によってソース・ドレイン電極を形成した。
以上により、塗布法によって形成したInZnO層を活性層としたチャネル長180μm、チャネル幅1mmのボトムゲート型薄膜トランジスタを得た。
An oxide precursor film having a film thickness of 70 nm is obtained by repeating the process of spin-coating a metal alkoxide raw material solution on a p-type silicon substrate with a thermal oxide film at a rotational speed of 3000 rpm and then naturally drying for 5 minutes twice. Was made.
The obtained oxide precursor film was heat-treated at 450 ° C. for 1 hour in a box furnace. Due to the firing of the oxide precursor film, the final thickness of the oxide semiconductor layer was approximately 50 nm.
Thereafter, Ti / Au (10 nm / 40 nm) was formed into a metal mask using an electron beam vapor deposition apparatus to form source / drain electrodes.
As described above, a bottom-gate thin film transistor having a channel length of 180 μm and a channel width of 1 mm using an InZnO layer formed by a coating method as an active layer was obtained.

前述と同様の手法で結晶化工程を行ったTFTを実施例10、結晶化工程を行っていないTFTを比較例4として、電気特性の評価及び、駆動安定性の評価を行った。結果を下記表3に示す。   The electrical characteristics and the driving stability were evaluated in Example 10 for the TFT that had been crystallized in the same manner as described above, and in Comparative Example 4 for the TFT that had not been crystallized. The results are shown in Table 3 below.

表3に示すように、InZnO系塗布型TFTの場合も、電圧印加により活性層を結晶化した場合は、結晶化しない場合に比べて電気特性に優れていることがわかる。   As shown in Table 3, also in the case of an InZnO-based TFT, when the active layer is crystallized by applying a voltage, it is understood that the electrical characteristics are superior to those when it is not crystallized.

<アニールにより結晶化した酸化物半導体層の結晶状態の評価>
アモルファスInGaZnO層に対し、アニール(1000℃、1時間)を行った場合の断面TEM画像を図18に示す。この場合、グレイン状の多結晶のみが形成され、グレイン間の空隙が大きい事がわかる。
<Evaluation of crystal state of oxide semiconductor layer crystallized by annealing>
FIG. 18 shows a cross-sectional TEM image when annealing (1000 ° C., 1 hour) is performed on the amorphous InGaZnO layer. In this case, only grain-like polycrystals are formed, and it can be seen that the gap between grains is large.

一方、アモルファス酸化物半導体層を電圧印加によって結晶化した手法では、図13、図14に見られるように、層状の結晶相とグレイン状の結晶相から成る結晶性半導体が原理的には室温で得られており、グレイン間の空隙がほとんど無い緻密な膜が形成されている。本発明の手法を用いた場合、活性層内の電気伝導度の高い領域に、基板に水平方向に電流が集中して流れるため、電気伝導度の高い領域を選択的に層状に結晶化(+それ以外の部分のグレイン)できると推測される。層状の結晶化部分には図18に示される様な明瞭な粒界は無く、仮に層状部分が主伝導を担う領域であれば(多結晶化の後でも)高い伝導特性を保持できると推測される。   On the other hand, in the method of crystallizing an amorphous oxide semiconductor layer by applying a voltage, as shown in FIGS. 13 and 14, a crystalline semiconductor composed of a layered crystal phase and a grained crystal phase is in principle at room temperature. As a result, a dense film having almost no voids between grains is formed. When the method of the present invention is used, current concentrates on the substrate in the horizontal direction in the region having high electrical conductivity in the active layer, so that the region having high electrical conductivity is selectively crystallized in layers (+ It is speculated that other parts of the grain) can be made. There is no clear grain boundary as shown in FIG. 18 in the layered crystallized portion, and it is presumed that if the layered region is the region responsible for the main conduction (even after polycrystallization), high conductive properties can be maintained. The

以上の説明では、In−Ga−Zn−O系又はIn−Zn−O系の酸化物半導体層を形成する場合について主に説明したが、これに限定されず、In−Ga−O、In−Sn−O、In−Sn−Zn−O、In−Ga−Sn−O、In−O等の酸化物半導体層を形成する場合にも本発明を適用することができる。   In the above description, the case where an In—Ga—Zn—O-based or In—Zn—O-based oxide semiconductor layer is formed is mainly described; however, the present invention is not limited thereto, and In—Ga—O, In— The present invention can also be applied to the case where an oxide semiconductor layer such as Sn—O, In—Sn—Zn—O, In—Ga—Sn—O, or In—O is formed.

1、2、3、4 薄膜トランジスタ
11 基板
12 活性層(酸化物半導体層)
13 ソース電極
14 ドレイン電極
15 ゲート絶縁膜
16 ゲート電極
17 エッチングストッパ層
18 ソース・ドレイン電極膜
19 層間絶縁膜
20 コンタクトホール
21 画素電極
1, 2, 3, 4 Thin film transistor 11 Substrate 12 Active layer (oxide semiconductor layer)
13 Source electrode 14 Drain electrode 15 Gate insulating film 16 Gate electrode 17 Etching stopper layer 18 Source / drain electrode film 19 Interlayer insulating film 20 Contact hole 21 Pixel electrode

Claims (13)

ゲート電極を形成する工程と、
ゲート絶縁膜を形成する工程と、
In、Ga、Zn、及びSnから選ばれる少なくとも一種の元素を含むアモルファス酸化物半導体層を形成する工程と、
前記アモルファス酸化物半導体層に電圧を印加して電流密度を6.7×10 −4 A/cm 以上とすることによってアモルファス酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化させた後、ポストアニールを行って活性層を形成する工程と、
ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
を含む薄膜トランジスタの製造方法。
Forming a gate electrode;
Forming a gate insulating film;
Forming an amorphous oxide semiconductor layer containing at least one element selected from In, Ga, Zn, and Sn;
A voltage is applied to the amorphous oxide semiconductor layer so that the current density is 6.7 × 10 −4 A / cm 2 or more to crystallize at least a part of the amorphous oxide semiconductor layer, followed by post-annealing. Performing an active layer to perform ,
Forming a source electrode and a drain electrode;
A method of manufacturing a thin film transistor including:
前記アモルファス酸化物半導体層が、In、Ga、及びZnから選ばれる少なくとも一種の元素を含む請求項1に記載の薄膜トランジスタの製造方法。   The method for manufacturing a thin film transistor according to claim 1, wherein the amorphous oxide semiconductor layer contains at least one element selected from In, Ga, and Zn. 前記アモルファス酸化物半導体層が、In、Ga、及びZnを含む請求項2に記載の薄膜トランジスタの製造方法。   The method for manufacturing a thin film transistor according to claim 2, wherein the amorphous oxide semiconductor layer contains In, Ga, and Zn. 前記活性層が、(In1−xGa(ZnO)で表される組成(但し、0≦x≦1,mは1以上5以下)の結晶相を含む請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。 The active layer includes a crystal phase having a composition represented by (In 1-x Ga x ) 2 O 3 (ZnO) m (where 0 ≦ x ≦ 1, m is 1 or more and 5 or less). The manufacturing method of the thin-film transistor as described in any one of Claims 3. 前記活性層が、InGaO(ZnO)で表される組成(但し、mは1以上5以下)の結晶相を含む請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。 4. The method of manufacturing a thin film transistor according to claim 1, wherein the active layer includes a crystal phase having a composition represented by InGaO 3 (ZnO) m (where m is 1 or more and 5 or less). 5. . 前記アモルファス酸化物半導体層に電圧を印加する際、前記アモルファス酸化物半導体層の温度を室温以上結晶化温度以下に制御しながら前記アモルファス酸化物半導体層を結晶化させる請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。   6. The method according to claim 1, wherein when applying a voltage to the amorphous oxide semiconductor layer, the amorphous oxide semiconductor layer is crystallized while controlling a temperature of the amorphous oxide semiconductor layer to a room temperature to a crystallization temperature. The manufacturing method of the thin-film transistor as described in any one. 前記アモルファス酸化物半導体層に電圧を印加する際、前記アモルファス酸化物半導体層の温度を室温以上250℃以下に制御しながら前記アモルファス酸化物半導体層を結晶化させる請求項1〜請求項のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。 When a voltage is applied to the amorphous oxide semiconductor layer, any of claims 1 to 5 for crystallizing the amorphous oxide semiconductor layer while controlling the temperature of the amorphous oxide semiconductor layer 250 ° C. or less than room temperature A method for producing the thin film transistor according to claim 1. 前記ソース電極及びドレイン電極を形成する工程の後に、前記ソース電極及びドレイン電極間に電圧を印加することによって前記アモルファス酸化物半導体層の少なくとも一部を結晶化させる請求項1〜請求項のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタの製造方法。 After the step of forming the source electrode and the drain electrode, one of the claims 1 to 7 for crystallizing at least part of the amorphous oxide semiconductor layer by applying a voltage between the source and drain electrodes A method for producing the thin film transistor according to claim 1. InGaO (ZnO) で表される組成(但し、mは1以上3以下)の結晶相を含み、層状の結晶相と、グレイン状の結晶相とを有する結晶性酸化物半導体膜であって、該グレイン状の結晶が10nmを超えるサイズである結晶性酸化物半導体膜An In GaO 3 composition represented by (ZnO) m (where, m is 1 to 3) comprises a crystalline phase, met crystalline oxide semiconductor film having a crystal phase of layered, and a grain-like crystalline phase A crystalline oxide semiconductor film in which the grain-like crystal has a size exceeding 10 nm . In、Ga、Zn、及びSnから選ばれる少なくとも一種の元素を含むアモルファス酸化物半導体膜を形成する工程と、
前記アモルファス酸化物半導体膜に電圧を印加して電流密度を6.7×10 −4 A/cm 以上とすることによって前記アモルファス酸化物半導体膜の少なくとも一部を結晶化させた後、ポストアニールを行う工程と、
を含む結晶性酸化物半導体膜の製造方法。
Forming an amorphous oxide semiconductor film containing at least one element selected from In, Ga, Zn, and Sn;
A voltage is applied to the amorphous oxide semiconductor film so that the current density is 6.7 × 10 −4 A / cm 2 or more to crystallize at least a part of the amorphous oxide semiconductor film , and then post-annealing is performed. A process of performing
A method for producing a crystalline oxide semiconductor film containing
請求項に記載の結晶性酸化物半導体膜を活性層として備えた薄膜トランジスタ。 A thin film transistor comprising the crystalline oxide semiconductor film according to claim 9 as an active layer. 請求項11に記載の薄膜トランジスタを備えた表示装置。 A display device comprising the thin film transistor according to claim 11 . 請求項11に記載の薄膜トランジスタを備えたX線センサ。 An X-ray sensor comprising the thin film transistor according to claim 11 .
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