JP5228295B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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この発明は薄膜トランジスタ等の半導体装置の製造方法に関する。
従来の薄膜トランジスタには、絶縁基板の上面にゲート電極が設けられ、ゲート電極を含む絶縁基板の上面にゲート絶縁膜が設けられ、ゲート電極上におけるゲート絶縁膜の上面に真性酸化亜鉛(ZnO)からなる半導体薄膜が設けられ、半導体薄膜の上面両側にn型酸化亜鉛からなるオーミックコンタクト層が設けられ、各オーミックコンタクト層の上面にソース・ドレイン電極が設けられたものがある(例えば、特許文献1参照)。
特開2003−37268号公報
ところで、薄膜トランジスタには、上記従来の薄膜トランジスタのようなボトムゲート型のほかに、トップゲート型のものがある。トップゲート型の薄膜トランジスタでは、真性酸化亜鉛からなる半導体薄膜をゲート絶縁膜で覆い、半導体薄膜上におけるゲート絶縁膜上にゲート電極が設けられた構造となる。
しかるに、酸化亜鉛は酸にもアルカリにも溶けやすく、エッチング耐性が極めて低いため、デバイスエリアに真性酸化亜鉛からなる半導体薄膜を加工精度良く形成するのが困難である。そこで、成膜された真性酸化亜鉛からなる半導体薄膜形成用膜上に保護膜をパターン形成し、保護膜をマスクとして半導体薄膜形成用膜をエッチングして、保護膜下に半導体薄膜を形成し、保護膜をそのまま残し、保護膜を絶縁膜で覆い、半導体薄膜上における絶縁膜上にゲート電極を形成する方法が考えられている。この場合、保護膜と絶縁膜とによってゲート絶縁膜が形成される。
しかしながら、上記製造方法では、例えば図5を参照して説明すると、保護膜7下に形成される半導体薄膜6に比較的大きなサイドエッチングが生じ、保護膜7の周辺部がひさし状となり、保護膜7を絶縁膜で覆うと、保護膜7の周辺部のひさし下に空洞が生じ、絶縁膜の堆積不足でカバレッジの悪い部分から薬液が空洞の部分に染み込み、真性酸化亜鉛からなる半導体薄膜6が溶けることがあるということが分かった。
そこで、この発明は、保護膜の周辺部下に空洞が生じないようにすることができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、成膜された半導体薄膜形成用膜上にパターン形成された保護膜をマスクとして前記半導体薄膜形成用膜をエッチングし、前記保護膜下にサイドエッチング部を有する半導体薄膜を形成する工程と、前記保護膜上に前記半導体薄膜の端面と同一形状または当該端面よりも内側に位置する端面を有するレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜をマスクとして前記保護膜をエッチングする工程と、前記レジスト膜を剥離する工程と、前記半導体薄膜形成用膜を成膜する前に、絶縁基板上にソース・ドレイン電極を形成し、少なくとも前記ソース・ドレイン電極上にオーミックコンタクト層を形成し、この後、少なくとも前記オーミックコンタクト層を含む前記絶縁基板上に前記半導体薄膜形成用膜を成膜する工程と、を有することを特徴とするものである。
請求項2に記載の発明は、成膜された半導体薄膜形成用膜上の全体に保護膜形成用膜および前記半導体薄膜形成用膜と同一の材料からなる犠牲膜形成用膜を連続して成膜する工程と、前記犠牲膜形成用膜上にレジスト膜をパターン形成する工程と、前記レジスト膜をマスクとして前記犠牲膜形成用膜をエッチングし、前記レジスト膜下にサイドエッチング部を有する犠牲膜を形成する工程と、前記レジスト膜をマスクとして前記保護膜形成用膜をエッチングして、前記レジスト膜下に保護膜を形成する工程と、前記保護膜をマスクとして前記半導体薄膜形成用膜をエッチングし、前記保護膜下にサイドエッチング部を有する半導体薄膜を形成し、且つ、前記レジスト膜下の前記犠牲膜をさらにサイドエッチングする工程と、前記レジスト膜を剥離する工程と、前記犠牲膜をマスクとして前記保護膜をエッチングする工程と、前記犠牲膜をエッチングして除去し、且つ、前記保護膜下以外の領域における前記半導体薄膜の少なくとも一部をエッチングして除去する工程と、前記半導体薄膜形成用膜を成膜する前に、絶縁基板上にソース・ドレイン電極を形成し、少なくとも前記ソース・ドレイン電極上にオーミックコンタクト層を形成し、この後、少なくとも前記オーミックコンタクト層を含む前記絶縁基板上に前記半導体薄膜形成用膜を成膜する工程と、を有することを特徴とするものである。
この発明によれば、保護膜を一応形成した後に、レジスト膜あるいは犠牲膜をマスクとして保護膜をエッチングしているので、当初の保護膜の周辺部がひさし状となっても、この保護膜の周辺部のひさしを少なくともエッチングして除去することにより、最終的な保護膜の周辺部下に空洞が生じないようにすることができる。
(第1実施形態)
図1はこの発明の第1実施形態としての製造方法により製造された薄膜トランジスタの一例の断面図を示す。この薄膜トランジスタでは、ガラス基板(絶縁基板)1の上面の各所定の箇所に設けられたアルミニウム、クロム、ITO等からなるソース・ドレイン電極2、3を備えている。ソース・ドレイン電極2、3の各上面およびその各近傍のガラス基板1の上面にはITOからなるオーミックコンタクト層4、5が設けられている。
2つのオーミックコンタクト層4、5の相対向する部分の各上面およびその間のガラス基板1の上面には真性酸化亜鉛からなる半導体薄膜6が設けられている。ここで、酸化亜鉛とは、ZnOのみならず、ZnOの他、Mg、Cd等を含むZnO系全体を意味するものである。半導体薄膜6の上面全体には窒化シリコンからなる保護膜7が設けられている。
保護膜7およびオーミックコンタクト層4、5等を含むガラス基板1の上面には窒化シリコン等からなる絶縁膜8が設けられている。保護膜7すなわち半導体薄膜6上における絶縁膜8の上面の所定の箇所にはアルミニウム、クロム、ITO等からなるゲート電極9が設けられている。ここで、この薄膜トランジスタのゲート絶縁膜は、保護膜7および絶縁膜8によって形成されている。
次に、この薄膜トランジスタの製造方法の一例について説明する。まず、図2に示すように、ガラス基板1の上面の各所定の箇所に、スパッタ法により成膜されたアルミニウム等からなる金属膜をフォトリソグラフィ法によりパターニングすることにより、ソース・ドレイン電極2、3を形成する。次に、ソース・ドレイン電極2、3の各上面およびその各近傍のガラス基板1の上面に、スパッタ法により成膜されたITO膜をフォトリソグラフィ法によりパターニングすることにより、オーミックコンタクト層4、5を形成する。
次に、図3に示すように、オーミックコンタクト層4、5等を含むガラス基板1の上面に、プラズマCVD法により、真性酸化亜鉛からなる半導体薄膜形成用膜6aおよび窒化シリコンからなる保護膜形成用膜7aを連続して成膜する。次に、保護膜形成用膜7aの上面の所定の箇所に、フォトリソグラフィ法により、レジスト膜11を形成する。この場合、レジスト膜11の平面サイズは、図1に示す保護膜7の平面サイズよりもある程度大きくなっている。
次に、レジスト膜11をマスクとして保護膜形成用膜7aをエッチングすると、図4に示すように、レジスト膜11下に保護膜7が形成される。この場合、レジスト膜11下以外の領域における半導体薄膜形成用膜6aの表面が露出される。そこで、窒化シリコンからなる保護膜形成用膜7aのエッチング方法としては、保護膜形成用膜7aのエッチング速度は速いが、真性酸化亜鉛からなる半導体薄膜形成用膜6aをなるべく侵さないようにするために、六フッ化イオウ(SF6)を用いた反応性プラズマエッチング(ドライエッチング)が好ましい。また、この状態では、保護膜7の平面サイズは、図1に示す保護膜7の平面サイズよりもある程度大きくなっている。
次に、レジスト膜11をレジスト剥離液を用いて剥離する。この場合、保護膜7下以外の領域における半導体薄膜形成用膜6aの表面がレジスト剥離液に曝されるが、この曝された部分はデバイスエリア以外であるので、別に支障はない。すなわち、保護膜7下の半導体薄膜形成用膜6aは保護膜7によって保護されている。なお、この場合のレジスト剥離液として、後述する酸性もアルカリ性も呈さないものを用いてもよい。
次に、保護膜7をマスクとして半導体薄膜形成用膜6aをエッチングすると、図5に示すように、保護膜7下に半導体薄膜6が形成される。このとき、保護膜7下に形成された半導体薄膜6にサイドエッチングが生じ、保護膜7の周辺部がひさし(7b)状となる。この状態における半導体薄膜6の平面サイズは、図1に示す半導体薄膜6の平面サイズと同じである。なお、この場合のエッチングについては後で詳述する。
ここで、保護膜7は、マスクとして機能するほかに、ゲート絶縁膜の一部としても機能するので、耐薬品性だけでなく、ゲート絶縁膜として好適な性質を持つことが求められる。そこで、保護膜7の材料としては、窒化シリコンの他に、酸化シリコン、酸窒化シリコン等が好ましい。
次に、図6に示すように、保護膜7の上面の所定の箇所に、フォトリソグラフィ法により、半導体薄膜6の端面と同一形状の端面を有するレジスト膜12を形成する。すなわち、ひさし7b以外の部分における保護膜7の上面に、半導体薄膜6の平面サイズと同一の平面サイズのレジスト膜12を形成する。
次に、レジスト膜12をマスクとして保護膜7をエッチングすると、保護膜7の周辺部のひさし7bが除去され、図7に示すようになる。この状態では、保護膜7の端面は半導体薄膜6の端面と同一形状となる。すなわち、半導体薄膜6の上面全体に保護膜7が形成されている。この場合のエッチング方法としては、六フッ化イオウ(SF6)を用いた反応性プラズマエッチング(ドライエッチング)が好ましい。
次に、レジスト膜12をレジスト剥離液を用いて剥離する。ここで、レジスト剥離液として、酸性もアルカリ性も呈さない(電解質を含まない)もの、例えば、単一の有機溶媒(例えばジメチルスルホキシド(DMSO))を用いても、レジスト剥離を良好に行えることは、発明者において確認されている。
そして、このレジスト剥離液により真性酸化亜鉛からなる半導体薄膜6の周側面がエッチングされるが、その場合のサイドエッチング量はそれ程大きくなく、ほとんど無視することができる。したがって、この状態では、半導体薄膜6の上面全体に保護膜7が形成されており、保護膜7の周辺部にひさしは無い。
次に、図1に示すように、保護膜7およびオーミックコンタクト層4、5等を含むガラス基板1の上面に、プラズマCVD法により、窒化シリコンからなる絶縁膜8を成膜する。この場合、保護膜7の周辺部にひさしは無いので、保護膜7の周辺部下に空洞が形成されることもない。次に、半導体薄膜6上における絶縁膜8の上面の所定の箇所に、スパッタ法により成膜されたアルミニウム等からなる金属膜をフォトリソグラフィ法によりパターニングすることにより、ゲート電極9を形成する。かくして、図1に示す薄膜トランジスタが得られる。
このようにして得られた薄膜トランジスタでは、保護膜7の周辺部下に空洞が形成されていないので、絶縁膜8の堆積不足でカバレッジが悪くなることはなく、素子の信頼性を損なわないようにすることができる。なお、絶縁膜8の膜厚は、半導体薄膜6と保護膜7との合計膜厚以上とすれば、保護膜7の周端部に対する絶縁膜8のカバレッジを良くすることができる。また、保護膜7の周辺部下に空洞が無いため、保護膜7の周辺部下がゲート電界がかかる位置であっても、当該部分で絶縁破壊が生じないようにすることができる。
ここで、図5に示すエッチングについて説明する。上述の如く、保護膜7の周辺部のひさし7bは後の工程で除去され、且つ、半導体薄膜6にそれ以上のサイドエッチングが生じることはない。したがって、図5に示す状態における半導体薄膜6のサイドエッチング量が比較的大きくても、その平面サイズが所期の平面サイズであれば、別に問題はない。この結果、この場合のエッチング液としては、半導体薄膜6のサイドエッチング量が比較的大きくなってしまう希酸を用いても構わない。
しかし、半導体薄膜6のサイドエッチング量は小さい方が好ましい。そこで、この場合のエッチング液としては、アルカリ水溶液を用いる。例えば、水酸化ナトリウム(NaOH)30wt%未満水溶液、好ましくは2〜10wt%水溶液を用いる。エッチング液の温度は、5〜40℃、好ましくは室温(22〜23℃)とする。そして、エッチング液として水酸化ナトリウム(NaOH)5wt%水溶液(温度は室温(22〜23℃))を用いたところ、エッチング速度は約80nm/分であった。
ところで、上記第1実施形態では、図6に示すように、保護膜7の上面の所定の箇所に、半導体薄膜6の端面と同一形状の端面を有するレジスト膜12を形成している。すなわち、半導体薄膜6のサイドエッチング量が一定であると仮定し、これに応じた平面サシズのレジスト膜12を形成している。したがって、半導体薄膜6の実際のサイドエッチング量が変化した場合には、レジスト膜12の平面サイズに過不足が発生してしまう。
また、レジスト膜12の形成と図4に示すレジスト膜11の形成とは別々の工程であるので、露光時のアライメント誤差が発生するおそれがある。例えば、図6において、露光時のアライメントが右側にずれ、レジスト膜12の右端面が保護膜7のひさし7bの右端面と一致した場合には、保護膜7の右側のひさし7bが残ってしまう。そこで、次に、以上のような不都合を解消することができるこの発明の第2実施形態について説明する。
(第2実施形態)
この第2実施形態で製造される薄膜トランジスタの構造は図1に示す場合と同じである。さて、この第2実施形態では、図2に示す工程後に、図8に示すように、オーミックコンタクト層4、5等を含むガラス基板1の上面に、プラズマCVD法により、真性酸化亜鉛からなる半導体薄膜形成用膜6a、窒化シリコンからなる保護膜形成用膜7aおよび犠牲膜形成用膜21aを連続して成膜する。犠牲膜形成用膜21aは半導体薄膜形成用膜6aと同一の材料によって形成する。犠牲膜形成用膜21aの膜厚は半導体薄膜形成用膜6aの膜厚と同じかそれ未満とする。
次に、犠牲膜形成用膜21aの上面の所定の箇所に、フォトリソグラフィ法により、レジスト膜22を形成する。この場合、レジスト膜22の平面サイズは、図3に示すレジスト膜11の平面サイズよりもある程度大きくなっている。次に、レジスト膜22をマスクとして犠牲膜形成用膜21aをエッチングすると、図9に示すように、レジスト膜22下に犠牲膜21が形成される。この場合、エッチング液としては、レジスト膜22を侵さないようにするために、酸系を用いた方が好ましい。そして、この状態では、犠牲膜21にある程度のサイドエッチングが生じている。
次に、レジスト膜22をマスクとして保護膜形成用膜7aをエッチングすると、図10に示すように、レジスト膜22下に保護膜7が形成される。この場合、レジスト膜22下以外の領域における半導体薄膜形成用膜6aの表面が露出されるため、窒化シリコンからなる保護膜形成用膜7aのエッチング方法としては、六フッ化イオウ(SF6)を用いた反応性プラズマエッチング(ドライエッチング)が好ましい。また、ドライエッチングは異方性であるため、犠牲膜21にサイドエッチングはほとんど生じない。
次に、保護膜7をマスクとして半導体薄膜形成用膜6aをエッチングすると、図11に示すように、保護膜7下に半導体薄膜6が形成される。このとき、保護膜7下に形成された半導体薄膜6にサイドエッチングが生じ、保護膜7の周辺部がひさし(7b)状となる。この状態における半導体薄膜6の平面サイズは、図1に示す半導体薄膜6の平面サイズよりもある程度大きくなっている。
また、このとき、半導体薄膜形成用膜6aと同一の材料からなる犠牲膜21がさらにサイドエッチングされ、サイドエッチング量がある程度増大する。犠牲膜21のサイドエッチングの増大量は、半導体薄膜6のサイドエッチング量(ひさし7bの奥行)と同じであり、半導体薄膜6のサイドエッチング量が変化すれば、それに応じて変化する。この状態における犠牲膜21の平面サイズは、図1に示す半導体薄膜6の平面サイズと同じである。
次に、レジスト膜22をレジスト剥離液を用いて剥離する。この場合のレジスト剥離液として、酸性もアルカリ性も呈さない(電解質を含まない)もの、例えば、単一の有機溶媒(例えばジメチルスルホキシド(DMSO))を用いる。次に、犠牲膜21をマスクとして保護膜7をエッチングすると、保護膜7のひさし7bを含む周辺部が除去され、図12に示すようになる。この場合、犠牲膜21の位置は、図9に示す工程でほとんど決まっているため、アライメントずれが生じることはない。
この状態では、保護膜7の端面は半導体薄膜6の端面よりも内側に位置している。この場合のエッチング方法としては、六フッ化イオウ(SF6)を用いた反応性プラズマエッチング(ドライエッチング)が好ましい。このようなドライエッチングであると、犠牲膜21はほとんど侵されず、また保護膜7下以外の領域における半導体薄膜6もほとんど侵されることはない。
次に、犠牲膜21をエッチングして除去し、同時に、保護膜7下以外の領域における、犠牲膜21と同一の材料からなる半導体薄膜6をエッチングして除去すると、図13に示すようになる。この状態では、半導体薄膜6の端面は保護膜7の端面と同一形状となる。すなわち、半導体薄膜6の上面全体に保護膜7が形成されている。
この場合のエッチング液としては、サイドエッチングが大きくなってしまう希酸を用いてもよいが、サイドエッチングを小さくすることができる上記水酸化ナトリウム水溶液を用いる方が好ましい。以下、図1に示すように、絶縁膜8を成膜し、ゲート電極9を形成すると、図1に示す薄膜トランジスタが得られる。
ところで、図12に示す状態において、エッチング液を用いたウェットエッチングは等方性であるため、犠牲膜21をエッチングしている間、保護膜7下以外の領域における半導体薄膜6もエッチングされる。この場合、保護膜7下以外の領域における半導体薄膜6をエッチングし終えた時点で、犠牲膜21のエッチングが終了していない場合には、半導体薄膜6にサイドエッチングが生じてしまい、好ましくない。
そこで、上述の如く、犠牲膜形成用膜21aの膜厚は半導体薄膜形成用膜6aの膜厚と同じかそれ未満とすると、半導体薄膜6にサイドエッチングが生じないようすることができる。なお、犠牲膜21を完全に除去した状態において、半導体薄膜6が保護膜7から食み出ていても、この食み出た部分下に空洞が形成されることはなく、また薄膜トランジスタの特性に影響を与えることもないので、問題はない。
(第3実施形態)
図14はこの発明の第3実施形態としての製造方法により製造された薄膜トランジスタの一例の断面図を示す。この薄膜トランジスタにおいて、図1に示す薄膜トランジスタと異なる点は、保護膜7の平面サイズを半導体薄膜6の平面サイズよりもある程度小さくした点である。
この場合の製造方法の一例について説明すると、図5に示す工程後に、図15に示すように、保護膜7の上面の所定の箇所に、半導体薄膜6の平面サイズよりもある程度小さい平面サイズのレジスト膜12を形成する。次に、レジスト膜12をマスクとして保護膜7をエッチングすると、図16に示すように、レジスト膜12下に、半導体薄膜6の平面サイズよりもある程度小さい平面サイズの保護膜7が形成される。
次に、レジスト膜12を剥離する。次に、図14に示すように、絶縁膜8を成膜し、ゲート電極9を形成すると、図14に示す薄膜トランジスタが得られる。このようにして得られた薄膜トランジスタでも、犠牲膜7の周辺部下に空洞が形成されないようにすることができる。また、完成した状態における薄膜トランジスタでは、保護膜7はゲート絶縁膜の一部となるので、その平面サイズが半導体薄膜6の平面サイズよりもある程度小さくても、問題はない。
この発明の第1実施形態としての製造方法により製造された薄膜トランジスタの一例の断面図。 図1に示す薄膜トランジスタを製造する際の当初の工程の断面図。 図2に続く工程の断面図。 図3に続く工程の断面図。 図4に続く工程の断面図。 図5に続く工程の断面図。 図6に続く工程の断面図。 この発明の第2実施形態としての製造方法により図1に示す薄膜トランジスタを製造する際の所定の工程の断面図。 図8に続く工程の断面図。 図9に続く工程の断面図。 図10に続く工程の断面図。 図11に続く工程の断面図。 図12に続く工程の断面図。 この発明の第3実施形態としての製造方法により製造された薄膜トランジスタの一例の断面図。 図14に示す薄膜トランジスタを製造する際の所定の工程の断面図。 図15に続く工程の断面図。
符号の説明
1 ガラス基板
2、3 ソース・ドレイン電極
4、5 オーミックコンタクト層
6 半導体薄膜
7 保護膜
8 絶縁膜
9 ゲート電極
6a 半導体薄膜形成用膜
7a 保護膜形成用膜
7b ひさし
11、12 レジスト膜
21 犠牲膜
21a 犠牲膜形成用膜
22 レジスト膜

Claims (5)

  1. 成膜された半導体薄膜形成用膜上にパターン形成された保護膜をマスクとして前記半導体薄膜形成用膜をエッチングし、前記保護膜下にサイドエッチング部を有する半導体薄膜を形成する工程と、
    前記保護膜上に前記半導体薄膜の端面と同一形状または当該端面よりも内側に位置する端面を有するレジスト膜を形成する工程と、
    前記レジスト膜をマスクとして前記保護膜をエッチングする工程と、
    前記レジスト膜を剥離する工程と、
    前記半導体薄膜形成用膜を成膜する前に、絶縁基板上にソース・ドレイン電極を形成し、少なくとも前記ソース・ドレイン電極上にオーミックコンタクト層を形成し、この後、少なくとも前記オーミックコンタクト層を含む前記絶縁基板上に前記半導体薄膜形成用膜を成膜する工程と、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 成膜された半導体薄膜形成用膜上の全体に保護膜形成用膜および前記半導体薄膜形成用膜と同一の材料からなる犠牲膜形成用膜を連続して成膜する工程と、
    前記犠牲膜形成用膜上にレジスト膜をパターン形成する工程と、
    前記レジスト膜をマスクとして前記犠牲膜形成用膜をエッチングし、前記レジスト膜下にサイドエッチング部を有する犠牲膜を形成する工程と、
    前記レジスト膜をマスクとして前記保護膜形成用膜をエッチングして、前記レジスト膜下に保護膜を形成する工程と、
    前記保護膜をマスクとして前記半導体薄膜形成用膜をエッチングし、前記保護膜下にサイドエッチング部を有する半導体薄膜を形成し、且つ、前記レジスト膜下の前記犠牲膜をさらにサイドエッチングする工程と、
    前記レジスト膜を剥離する工程と、
    前記犠牲膜をマスクとして前記保護膜をエッチングする工程と、
    前記犠牲膜をエッチングして除去し、且つ、前記保護膜下以外の領域における前記半導体薄膜の少なくとも一部をエッチングして除去する工程と、
    前記半導体薄膜形成用膜を成膜する前に、絶縁基板上にソース・ドレイン電極を形成し、少なくとも前記ソース・ドレイン電極上にオーミックコンタクト層を形成し、この後、少なくとも前記オーミックコンタクト層を含む前記絶縁基板上に前記半導体薄膜形成用膜を成膜する工程と、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 請求項1または2に記載の発明において、前記半導体薄膜形成用膜は真性酸化亜鉛によって形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 請求項に記載の発明において、前記オーミックコンタクト層はITOによって形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 請求項に記載の発明において、さらに、前記保護膜を覆う絶縁膜を成膜する工程と、前記半導体薄膜上における前記絶縁膜上にゲート電極を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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