半导体器件、显示装置和电子电器的制作方法

xiaoxiao2020-7-2  2

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专利名称:半导体器件、显示装置和电子电器的制作方法
技术领域
本发明涉及半导体器件、显示装置以及使用半导体器件的电子电器。
背景技术
近年来,使用在具有绝缘表面的衬底之上形成的半导体薄膜(厚度大约为数纳米至数百纳米)来形成薄膜晶体管(TFT)的技术已经引起关注。薄膜晶体管广泛地应用于诸如IC之类的电子装置和光电装置,并且特别预计作为图像显示装置的开关元件迅速发展。各种金属氧化物用于各种应用。氧化铟是众所周知的材料,并且用作液晶显示器等所需的透明电极材料。一些金属氧化物具有半导体特性。具有半导体特性的这类金属氧化物的示例包括氧化钨、氧化锡、氧化铟和氧化锌。其中使用具有半导体特性的这类金属氧化物来形成沟道形成区的薄膜晶体管是已知的(专利文献I和2)。此外,使用氧化物半导体的TFT具有高场效应迁移率。因此,显示装置等的驱动器电路也能够使用TFT来形成。[参考文献][专利文献][专利文献I]日本公开专利申请No.2007-123861[专利文献2]日本公开专利申请No.2007-9605
发明内容
在相互不同的多个电路在绝缘表面之上形成的情况下,例如在一个衬底之上形成像素部分和驱动器电路时,对于用于像素部分的薄膜晶体管需要优良开关特性、如高通-断比,而对于用于驱动器电路的薄膜晶体管需要高操作速度。具体来说,当显示装置的清晰度较高时,显示图像的写入时间降低。因此,优选的是,用于驱动器电路的薄膜晶体管高速工作。本发明的一个实施例的一个目的是提供一种具有良好电特性的极可靠薄膜晶体管以及包括该薄膜晶体管作为开关元件的显示装置。本发明的一个实施例是一种半导体器件,包括衬底之上的栅电极层;栅电极层之上的栅绝缘层;栅绝缘层之上的氧化物半导体层;与氧化物半导体层的一部分相接触的氧化物绝缘层;各与氧化物半导体层的一部分相接触的源电极层和漏电极层。在氧化物半导体层中,源电极层与氧化物绝缘层之间的区域以及漏电极层与氧化物绝缘层之间的区域各具有小于与源电极层重叠的区域、与氧化物绝缘层重叠的区域和与漏电极层重叠的区域的每个的厚度。此外,与氧化物绝缘层相接触的氧化物半导体层的表面部分具有结晶区。
在上述结构中,半导体器件中包含的栅电极层、源电极层和漏电极层使用包含从招、铜、钥、钛、铬、钽、鹤、钕和钪中选取的金属元素作为其主要成分的膜或者包含这些元素的任意种类的合金膜的堆叠膜来形成。源电极层和漏电极层的每个并不局限于包含上述元素的任意种类的单层,而可以是两层或多层的叠层。氧化铟、氧化铟和氧化锡的合金、氧化铟和氧化锌的合金、氧化锌、氧化锌招、氧氮化锌铝、氧化锌镓等的透光氧化物导电层能够用于源电极层、漏电极层和栅电极层,由此能够改进像素部分的透光性质,并且能够增加孔径比。氧化物导电层能够在氧化物半导体层与包含金属元素作为其主要成分的用于形成源电极层和漏电极层的膜之间形成,由此能够形成具有低接触电阻并且能够高速操作的
薄膜晶体管。在上述结构中,半导体器件包括氧化物半导体层以及氧化物半导体层之上的氧化物绝缘层。与氧化物半导体层的沟道形成区相接触的氧化物绝缘层用作沟道保护层。在上述结构中,作为用作半导体器件的沟道保护层的氧化物绝缘层,使用通过溅 射方法所形成的无机绝缘膜;通常使用氧化硅膜、氧化氮化硅膜、氧化铝膜、氧氮化铝膜等。作为氧化物半导体层,形成InMO3(ZnO)mOii > 0,并且m不是整数)的薄膜。薄膜用作氧化物半导体层,以便形成薄膜晶体管。注意,M表示从Ga、Fe、Ni、Mn和Co中选取的一种金属元素或多种金属元素。作为一个示例,M可以是Ga,或者除了 Ga之外还可包含上述金属元素,例如,M可以是Ga和Ni或者Ga和Fe。此外,在氧化物半导体中,在一些情况下,除了作为M所包含的金属元素之外,还包含诸如Fe或Ni之类的过渡金属元素或者过渡金属的氧化物作为杂质元素。在本说明书中,在其组成分子式由InMO3(ZnO)mOii >0,并且m不是整数)表示的氧化物半导体层之中,包含Ga作为M的氧化物半导体称作In-Ga-Zn-O基氧化物半导体,并且In-Ga-Zn-O基氧化物半导体的薄膜又称作In-Ga-Zn-O基膜。作为用于氧化物半导体层的金属氧化物,除了上述之外,还能够使用下列金属氧化物的任意种类In-Sn-O基金属氧化物、In-Sn-Zn-O基金属氧化物、In-Al-Zn-O基金属氧化物、Sn-Ga-Zn-O基金属氧化物、Al-Ga-Zn-O基金属氧化物、Sn-Al-Zn-O基金属氧化物、In-Zn-O基金属氧化物、Sn-Zn-O基金属氧化物、Al-Zn-O基金属氧化物、In-O基金属氧化物、Sn-O基金属氧化物和Zn-O基金属氧化物。氧化硅可包含在使用金属氧化物所形成的氧化物半导体层中。对于氧化物半导体层,使用通过RTA方法等经过短时间高温的脱水或脱氢的氧化物半导体层。通过RTA方法等的加热过程使氧化物半导体层的表面部分具有包含晶粒尺寸大于或等于Inm但小于或等于20nm的所谓纳米晶的结晶区,而其余部分是非晶的或者由非晶质/非晶体和微晶体的混合物来形成,其中非晶区点缀有微晶体。使用具有这种结构的氧化物半导体层,由此能够防止因水分进入表面部分或者从表面部分消除氧所引起的转变为η型而引起的电特性的退化。氧化物半导体层的表面部分处于背沟道侧上,并且具有包含纳米晶的结晶区,使得能够抑制寄生沟道的生成。在脱水或脱氢之后氧化物半导体层形成为具有岛状的情况下,在侧表面部分没有形成结晶区。虽然结晶区仅在除了侧表面部分之外的表面部分中形成,但是侧表面部分的面积比小,并且没有防止上述效果。显示装置能够使用在同一衬底之上使用各作为本发明的一个实施例的薄膜晶体管所形成的驱动器电路部分和像素部分以及EL元件、液晶元件、电泳元件等等来形成。在作为本发明的一个实施例的显示装置中,多个薄膜晶体管设置在像素部分中,并且像素部分具有其中薄膜晶体管之一的栅电极连接到另一个薄膜晶体管的源极布线或漏极布线的区域。另外,在作为本发明的一个实施例的显示装置的驱动器电路中,存在薄膜晶体管的栅电极连接到薄膜晶体管的源极布线或漏极布线的区域。由于薄膜晶体管因静电等而易于中断,所以用于保护像素部分的薄膜晶体管的保护电路优选地设置在栅极线或源极线的相同衬底之上。保护电路优选地采用包括氧化物半导体层的非线性元件来形成。注意,本说明书中诸如“第一”和“第二”之类的序数是为了方便起见而使用,并不是表示步骤的顺序和层的堆叠顺序。另外,本说明书中的序数并不表示规定本发明的特定名称。在本说明书中,半导体器件一般表示能够通过利用半导体特性来起作用的装置,并且电光装置、半导体电路和电子电器都是半导体器件。在包括氧化物半导体层的薄膜晶体管中,氧化物半导体层的表面部分包括沟道形成区中的结晶区。相应地,能够形成均具有良好电特性的极可靠薄膜晶体管和极可靠显示
>J-U ρ α装直。


附图包括图I是示出本发明的一个实施例的截面图;图2Α至图2Ε是示出本发明的一个实施例的截面过程图;图3是示出本发明的一个实施例的顶视图;图4Α1和图4Β1是截面图,图4Α2和图4Β2是顶视图,示出本发明的一个实施例;图5Α是截面图,以及图5Β是顶视图,示出本发明的一个实施例;图6Α至图6Ε是示出本发明的一个实施例的截面过程图;图7Α和图7Β是半导体器件的框图;图8Α和图8Β分别是信号线驱动器电路的电路图和时序图;图9Α至图9C是示出移位寄存器的结构的电路图;图IOA和图IOB是不出移位寄存器的丨呆作的电路图和时序图;图IlAl和图11Α2是平面图,以及图IlB是截面图,示出本发明的一个实施例;图12是示出本发明的一个实施例的截面图;图13是示出本发明的一个实施例的截面图;图14是示出半导体器件的像素的等效电路的视图;图15Α至图15C是各示出本发明的一个实施例的截面图;图16Α是平面图,以及图16Β是截面图,示出本发明的一个实施例;图17Α和图17Β是示出电子纸的使用模式的视图;图18是电子书籍阅读器的一个示例的外视图;图19Α和图19Β是分别示出电视机和数码相框的示例的外视图;图20Α和图20Β是示出游戏机的示例的外视图;图21Α和图21Β是示出移动电话的示例的外视图;图22Α至图22D是各示出本发明的一个实施例的截面图;、
图23是示出氧化物半导体的晶体结构的示例的视图;图24是简述科学计算的简图;图25A和图25B是简述科学计算的简图;以及图26A和图26B是示出科学计算的结果的图表。
具体实施方式

将参照附图来描述实施例。注意,本发明并不局限于以下描述,并且本领域的技术人员将易于理解,本发明的模式和细节能够通过各种方式来修改,而没有背离本发明的精神和范围。因此,本发明不应当被理解为局限于实施例的以下描述。注意,在以下所述的本发明的结构中,相同部分或者具有相似功能的部分在不同附图中由相同的参考标号来表示,并且省略其描述。[实施例I]在这个实施例中,将参照图I来描述薄膜晶体管的结构。这个实施例的沟道保护薄膜晶体管如图I所示。在图I所示的薄膜晶体管470中,在具有绝缘表面的衬底400之上,设置栅电极层421a、栅绝缘层402、包括沟道形成区的氧化物半导体层423、源电极层425a、漏电极层425b以及用作沟道保护层的氧化物绝缘层426a。能够形成具有使用诸如铝、铜、钥、钛、铬、钽、钨、钕和钪之类的金属材料的任意种类、包含这些金属材料的任意种类作为其主要成分的合金材料或者包含这些金属材料的任意种类的氮化物的单层结构或堆叠层结构的栅电极层421a。优选的是,栅电极层借助于诸如铝或铜之类的低电阻金属材料来形成,这是有效的,但是要注意,低电阻金属材料优选地与难熔金属材料结合使用,因为它具有诸如低耐热性以及被腐蚀的趋势之类的缺点。作为难熔金属材料,能够使用钥、钛、铬、钽、钨、钕、钪等。此外,为了增加像素部分的孔径比,氧化铟、氧化铟和氧化锡的合金、氧化铟和氧化锌的合金、氧化锌、氧化锌铝、氧氮化锌铝、氧化锌镓等的透光氧化物导电层能够用作栅电极层421a。作为栅绝缘层402,能够使用通过CVD方法、溅射方法等所形成的氧化硅、氧氮化硅、氧化氮化硅、氮化硅、氧化铝、氧化钽等的任意种类的单层膜或层压膜。氧化物半导体层423使用包含In、Ga和Zn并且具有表示为InMO3 (ZnO)m(m > O)的结构的In-Ga-Zn-O基膜来形成。注意,M表示从镓(Ga)、铁(Fe)、镍(Ni)、锰(Mn)和钴(Co)中选取的金属元素的一种或多种。作为一个示例,M可以是Ga,或者除了 Ga之外还可包含上述金属元素,例如,M可以是Ga和Ni或者Ga和Fe。此外,在氧化物半导体中,在一些情况下,除了作为M所包含的金属元素之外,还包含诸如Fe或Ni之类的过渡金属元素或者过渡金属的氧化物作为杂质元素。氧化物半导体层423通过溅射方法形成为大于或等于IOnm但小于或等于300nm、优选地大于或等于20nm但小于或等于IOOnm的厚度。注意,如图I所示,在氧化物半导体层423中,源电极层425a与氧化物绝缘层426a之间的第三区域424c以及漏电极层425b与氧化物绝缘层426a之间的第四区域424d各具有小于与源电极层425a重叠的第一区域424a、与氧化物绝缘层426a重叠的第五区域424e以及与漏电极层425b重叠的第二区域424b的每个的厚度。作为氧化物半导体层423,使用通过快速热退火(RTA)方法等经过短时间高温的脱水或脱氢的氧化物半导体层。脱水或脱氢能够通过RTA处理借助于高温气体(诸如氮之类的惰性气体或者稀有气体)或借助于光线在高于或等于500°C但低于或等于750°C的温度(或者低于或等于玻璃衬底的应变点的温度)下执行大致大于或等于I分钟但小于或等于10分钟、优选地在650°C下执行大致大于或等于3分钟但小于或等于6分钟。通过RTA方法,脱水或脱氢能够执行短时间;因此,处理能够甚至在高于玻璃衬底的应变点的温度下执行。氧化物半导体层423是在形成氧化物半导体层423的阶段具有许多悬挂键的非晶层。通过用于脱水或脱氢的加热步骤,短距离内的悬挂键相互键合,使得氧化物半导体层423能够具有有序非晶结构。随着有序化进行,氧化物半导体层423成为由非晶质/非晶体 和微晶体的混合物来形成,其中非晶区点缀有微晶体,或者由非晶质/非晶体来形成。在这里,微晶体是微粒尺寸大于或等于Inm但小于或等于20nm的所谓纳米晶,这比一般称作微晶体的微晶微粒要小。优选的是,与氧化物绝缘层426a重叠的第五区域424e中的氧化物半导体层423的表面部分包括结晶区,并且c轴取向为沿垂直于氧化物半导体层的表面的方向的纳米晶在结晶区中形成。在那种情况下,长轴处于c轴方向,并且短轴方向的长度大于或等于Inm但小于或等于20nm。通过使用具有这种结构的氧化物半导体层,能够防止因水分进入表面部分或者从表面部分消除氧所引起的转变为η型而引起的电特性的退化,因为包括纳米晶的密集结晶区存在于沟道形成区的表面部分。此外,由于沟道形成区中的氧化物半导体层的表面部分处于背沟道侧上,所以防止氧化物半导体层转变为η型对于抑制寄生沟道的生成也是有效的。在这里,可能生长的In-Ga-Zn-O基膜的晶体结构取决于所使用金属氧化物靶。例如,例如,在In-Ga-Zn-O基膜使用包含In、Ga和Zn的金属氧化物靶来形成以使得In2O3与Ga2O3与ZnO的摩尔分子比为I : I : O. 5并且晶化通过加热步骤来执行的情况下,可能形成其中包含Ga和Zn的一个氧化物层或者两个氧化物层在In氧化物层之间混合的六方晶系分层化合物晶体结构。这时,结晶区可能具有由In2Ga2ZnO7所表示的晶体结构(参见图23)。在非晶区或者在氧化物半导体层中混合非晶质/非晶体和微晶体的区域的结构中的In与Ga与Zn的摩尔分子比可能为I : I : O. 5。备选地,在沉积使用其In2O3与Ga2O3与ZnO的摩尔分子比为I : I : I的金属氧化物半导体靶来执行并且晶化通过加热步骤来执行的情况下,夹入In氧化物层之间的包含Ga和Zn的氧化物层可能具有二层结构。由于具有二层结构的该后者的包含Ga和Zn的氧化物层的晶体结构是稳定的并且因而晶体生长可能发生,所以在使用其In2O3与Ga2O3与ZnO的摩尔分子比为I : I : I的靶并且晶化通过加热步骤来执行的情况下,在一些情况下形成从外层到栅绝缘层与包含Ga和Zn的氧化物层之间的界面的连续晶体。注意,摩尔分子比可称作原子比。 在这个实施例中,源电极层425a和漏电极层425b各具有第一导电层、第二导电层和第三导电层的三层结构。作为这些层的材料,能够适当地使用各与栅电极层421a相似的材料。
此外,透光氧化物导电层按照与栅电极层421a相似的方式用于源和漏电极层425a和425b,由此能够改进像素部分的透光性质,并且还能够增加孔径比。此外,氧化物导电层可在氧化物半导体层423与待成为源和漏电极层425a和425b的包含上述金属材料的任意种类作为其主要成分的膜之间来形成,使得接触电阻能够降低。在氧化物 半导体层423之上,用作沟道保护层的氧化物绝缘层426a设置成与氧化物半导体层423相接触。通过溅射方法使用无机绝缘膜、通常为氧化硅膜、氧化氮化硅膜、氧化铝膜、氧氮化铝膜等等来形成氧化物绝缘层426a。图I中,沟道形成区表示第五区域424e,其中用作沟道保护层的氧化物绝缘层426a隔着栅绝缘层402与栅电极层重叠。注意,将薄膜晶体管的沟道长度L定义为源电极层与漏电极层之间的距离;但是,在沟道保护薄膜晶体管470的情况下,沟道长度L等于沿与载流子流动的方向平行的方向的氧化物绝缘层426a的宽度。还要注意,薄膜晶体管470的沟道长度L表示与氧化物绝缘层426a的界面处的氧化物半导体层423的长度,即,表示图I的截面图中的氧化物绝缘层426a的梯形的底。在沟道保护薄膜晶体管中,当源电极层和漏电极层设置在具有降低到使得缩短沟道形成区的沟道长度L的小宽度的氧化物绝缘层之上时,源电极层与漏电极层之间的短路可在氧化物绝缘层之上形成。为了解决这个问题,源电极层425a和漏电极层425b设置成使得其端部以图I的薄膜晶体管中的降低宽度与氧化物绝缘层426a分隔开。作为沟道保护薄膜晶体管470,氧化物绝缘层的宽度能够降低成使得沟道形成区的沟道长度L变为与大于或等于O. I μ m但小于或等于2 μ m的长度同样短,由此实现具有高操作速度的薄膜晶体管。下面参照图2A至图2E以及图3来描述包括图I所示的沟道保护薄膜晶体管的显示装置的制造过程的示例。注意,图3是显示装置的平面图,以及图2A至图2E的每个是沿图3的线条A1-A2和线条B 1-B2所截取的截面图。首先,制备衬底400。作为衬底400,能够使用下列衬底的任意通过熔化方法或浮法由钡硼硅酸盐玻璃、铝硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃等等所制成的非碱性玻璃衬底;陶瓷衬底;具有足够耐受这个制造过程的过程温度的耐热性的塑料衬底;等等。备选地,可使用具有提供有绝缘膜的表面的诸如不锈钢合金衬底之类的金属衬底。注意,代替上述玻璃衬底,使用诸如陶瓷衬底、石英衬底或蓝宝石衬底之类的绝缘体所形成的衬底可用作衬底400。备选地,可使用晶化玻璃衬底等。此外,作为基底膜,绝缘膜可在衬底400之上形成。作为基底膜,氧化硅膜、氮化硅膜、氧氮化硅膜和氧化氮化硅膜的任意可通过CVD方法、溅射方法等等来形成为具有单层结构或堆叠层结构。在包含移动离子的衬底、如玻璃衬底用作衬底400的情况下,包含氮的膜、如氮化硅膜或氧化氮化硅膜用作基底膜,由此能够防止移动离子进入氧化物半导体层或半导体层。随后,用于形成包括栅电极层421a、电容器布线421b和第一端子421c的栅极布线的导电膜通过溅射方法或真空蒸发方法在衬底400的整个表面之上形成。随后,在衬底400的整个表面之上形成导电膜之后,在第一光刻步骤中,形成抗蚀剂掩模,并且通过蚀刻去除不必要部分,以便形成布线和电极(包括栅电极层421a、电容器布线421b和第一端子421c的栅极布线)。这时,优选地执行蚀刻,使得栅电极层421a的至少端部逐渐变细,以便防止断开连接。在端子部分中包括栅电极层421a、电容器布线421b和第一端子421c的栅极布线能够形成为具有使用诸如铝、铜、钥、钛、铬、钽、钨、钕和钪之类的金属材料的任意种类、包含这些金属材料的任意种类作为其主要成分的合金材料或者包含这些金属材料的任意种类的氮化物的单层结构或堆叠层结构。优选的是,栅电极层借助于诸如铝或铜之类的低电阻金属材料来形成,这是有效的,但是要注意,低电阻金属材料优选地与难熔金属材料结合使用,因为它具有诸如低耐热性以及被腐蚀的趋势之类的缺点。作为难熔金属材料,能够使用钥、钛、铬、钽、鹤、钕、钪等。例如,作为栅电极层421a的堆叠层结构,下列结构是优选的其中钥层堆叠在铝层之上的二层结构,其中钥层堆叠在铜层之上的二层结构,其中氮化钛层或氮化钽层堆叠在铜层之上的二层结构,以及氮化钛层和钥层的二层结构。作为三层结构,下列结构是优选的堆叠层结构,其在中间层中包含铝、铝和硅的合金、铝和钛的合金或者铝和钕的合金,以及在顶层和底层中包含钨、氮化钨、氮化钛和钛的任意种类。在那时,透光氧化物导电层可用于电极层和布线层的一个或多个,以便增加孔径比。例如,氧化物导电层能够使用氧化铟、氧化铟和氧化锡的合金、氧化铟和氧化锌的合金、氧化锌、氧化锌铝、氧氮化锌铝、氧化锌镓等等来形成。随后,栅绝缘层402形成为使得覆盖栅电极层421a(参见图2A)。栅绝缘层402通过CVD方法、派射方法等等形成为大于或等于IOnm但小于或等于400nm的厚度。例如,作为栅绝缘层402,厚度为IOOnm的氧化硅膜通过CVD方法、溅射方法等等来形成。不用说,栅绝缘层402并不局限于这种氧化硅膜,而是可形成为具有使用诸如氧氮化硅膜、氧化氮化硅膜、氮化硅膜、氧化铝膜和氧化钽膜之类的任何其它绝缘膜的单层结构或者堆叠层结构。栅绝缘层402使用高密度等离子体设备来形成。在这里,高密度等离子体设备表示能够实现大于或等于IXlO1Vcm3的等离子体密度的设备。例如,等离子体通过施加3kW至6kW的微波功率来形成,使得形成绝缘膜。将甲硅烷气体(SiH4)、一氧化二氮(N2O)和稀有气体作为源气体引入室中,以便在高于或等于IOPa但低于或等于30Pa的压力下生成高密度等离子体,使得绝缘膜在具有绝缘表面的衬底、如玻璃衬底之上形成。此后,停止提供甲硅烷,并且引入一氧化二氮(N2O)和稀有气体而没有暴露于空气,使得绝缘膜的表面经过等离子体处理。通过引入一氧化二氮(N2O)和稀有气体来对绝缘膜的表面所执行的等离子体处理至少在形成绝缘膜之后执行。例如,通过上述工艺过程所形成的绝缘膜具有小厚度,并且对应于甚至在具有小于IOOnm的厚度时也能够确保其可靠性的绝缘膜。在形成栅绝缘层402中,引入室中的甲硅烷气体(SiH4)与一氧化二氮(N2O)的流量比是在I : 10至I : 200的范围之内。另外,作为引入室中的稀有气体,能够使用氦、氩、氪、氙等。具体来说,优选地使用低成本的氩。另外,由于通过使用高密度等离子体设备所形成的绝缘膜能够具有某个厚度,所 以绝缘膜具有优良的阶梯覆盖。此外,对于使用高密度等离子体设备所形成的绝缘膜,能够准确控制薄膜的厚度。
在许多方面与使用常规平行板等离子体增强CVD设备所形成的绝缘膜不同,在相互比较相同蚀刻剂的蚀刻速率的情况下,通过上述工艺过程所形成的绝缘膜的蚀刻速率比使用常规平行板等离子体增强CVD设备所形成的绝缘膜要低大于或等于10%或者大于或等于20%。因此,能够说,使用高密度等离子体设备所得到的绝缘膜是密集膜。备选地,栅绝缘层402能够通过使用有机硅烷气体的CVD方法、使用氧化硅层来形成。作为有机硅烷气体,能够使用诸如四乙氧基甲硅烷(TEOS)(化学式Si (OC2H5)4)、四甲基硅烷(TMS)(化学式Si (CH3)4)、四甲基环四硅氧烷(TMCTS)、八甲基环四硅氧烷(OMCTS)、六甲基二硅胺烷(HMDS)、三乙氧基甲硅烷(化学式SiH(0C2H5)3)或者三(二甲基氨基)硅烷(化学式SiH(N(CH3)2)3)之类的含硅化合物。备选地,栅绝缘层402可使用铝、钇或铪的氧化物、氮化物、氧氮化物和氧化氮化物中的一种或者包含上述至少两种或更多种的化合物来形成。注意,在本说明书中,术语“氧氮化物”指的是包含氧原子和氮原子以使得氧原子的数量比氮原子要大的物质,而“氧化氮化物”指的是包含氮原子和氧原子以使得氮原子 的数量比氧原子的数量要大的物质。例如,“氧氮化硅膜”表示一种膜,其中包含氧原子和氮原子以使得氧原子的数量比氮原子要大,并且在使用卢瑟福后向散射能谱测定(RBS)和氢前向散射(HFS)来执行测量的情况下,以浓度范围分别从50&如111化%至70&如111化%、O. 5atomic % 至 15atomic % >25atomic % 至 35atomic % 和 O. Iatomic % 至 IOatomic % 包含氧、氮、硅和氢。此外,“氧化氮化硅膜”表示一种膜,其中包含氮原子和氧原子以使得氮原子的数量比氧原子要大,并且在使用RBS和HFS来执行测量的情况下,以浓度范围分别从 5atomic % 至 30atomic % >20atomic % 至 55atomic % >25atomic % 至 35atomic % 和1(^10111;
在这里,使用包含In、Ga和Zn (In2O3与Ga2O3与ZnO的摩尔比为I I O. 5或者In与Ga与ZnO的摩尔比为I : I : I或I : I : 2)的金属氧化物靶,在衬底与靶之间的距离为100mm、压力为O. 6Pa、直流(DC)功率为O. 5kff以及气氛是氧气氛(氧流量的比例为100%)的条件下,形成氧化物半导体膜。优选的是使用脉冲直流(DC)电源,因为能够降低膜沉积中生成的粉状物质(又称作微粒或灰尘),并且膜厚度能够是均匀的。在这个实施例中,作为氧化物半导体膜,30nm厚的In-Ga-Zn-O基膜通过溅射方法、借助于In-Ga-Zn-O基金属氧化物靶来形成。溅射方法的示例包括RF溅射方法,其中高频电源用作溅射电源;DC溅射方法,其中使用DC电源;以及脉冲DC溅射方法,其中以脉冲方式来施加偏压。RF溅射方法主要用于形成绝缘膜的情况,而DC溅射方法主要用于形成金属膜的情况。另外,还存在多源溅射设备,其中能够设置不同材料的多个靶。通过多源溅射设备,在同一个室中不同材料的膜能够形成为堆叠,或者多种材料的膜能够在同一个室中同时通过放电来形成。另外,存在一种溅射设备,该溅射设备提供有室内部的磁体系统并且用于磁控溅射,以及存在一种用于ECR溅射的溅射设备,其中使用借助于微波所产生的等离子体,而无需使用辉光放电。此外,作为使用溅射方法的沉积方法,还存在反应溅射方法,其中靶物质和溅射气体成分在沉积期间相互发生化学反应,以便形成其化合物薄膜,并且存在偏压溅射方法,其中电压在沉积期间还施加到衬底。随后,在第二光刻步骤中,形成抗蚀剂掩模,并且蚀刻In-Ga-Zn-O基膜。在蚀刻中,诸如柠檬酸或草酸之类的有机酸能够用于蚀刻剂。在这里,In-Ga-Zn-O基膜通过湿式蚀刻、借助于IT0-07N(由Kanto Chemical Co.,Inc.制造)来蚀刻,以便去除不必要的部分。因此,In-Ga-Zn-O基膜处理成具有岛状,由此形成氧化物半导体层423。氧化物半导体层423的端部蚀刻成具有锥形,由此能够防止因阶梯形状引起的布线的断裂。注意,在这里,蚀刻并不局限于湿式蚀刻,而是可执行干式蚀刻。然后,氧化物半导体层经过脱水或脱氢。用于脱水或脱氢的第一热处理能够通过快速热退火(RTA)处理借助于高温气体(诸如氮之类的惰性气体或者稀有气体)或借助于光线在高于或等于500°C但低于或等于750°C的温度(或者低于或等于玻璃衬底的应变点的温度)下执行大致大于或等于I分钟但小于或等于10分钟、优选地在650°C下执行大致大于或等于3分钟但小于或等于6分钟。通过RTA方法,脱水或脱氢能够执行短时间;因此,处理能够甚至在高于玻璃衬底的应变点的温度下执行。注意,热处理的定时并不局限于这个定时,而是例如在光刻步骤或沉积步骤之前和之后可多次执行。在这里,氧化物半导体层423的表面部分通过第一热处理来晶化,并且因而成为具有包含纳米晶的结晶区106。氧化物半导体层423的其余部分成为非晶的,或者由非晶质/非晶体和微晶体的混合物来形成,其中非晶区点缀有微晶体。注意,结晶区106是氧化物半导体层423的一部分,并且在下文中,“氧化物半导体层423”包括结晶区106。注意,在本说明书中,在诸如氮之类的惰性气体或者稀有气体的气氛中的热处理称作用于脱水或脱氢的热处理。在本说明书中,“脱水”或“脱氢”不是要表示通过热处理仅消除H2或H20。为了方便起见,H、OH等的消除称作“脱水或脱氢”。另外,当温度从用以使氧化物半导体层经过脱水或脱氢的加热温度T降低时,重要的是,通过使用用于脱 水或脱氢的同一个炉,按照使得氧化物半导体层没有暴露于空气的方式来防止水或氢进入。当薄膜晶体管使用通过将氧化物半导体层通过执行脱水或脱氢转变为低电阻氧化物半导体层、即η型(例如η—型或η+型)氧化物半导体层、并且将低电阻氧化物半导体层转变为高电阻氧化物半导体层以使得氧化物半导体层成为i型半导体层所得到的氧化物半导体层来形成时,薄膜晶体管的阈值电压为正值,使得能够实现具有所谓的常断性质的开关元件。对于显示装置优选的是,以薄膜晶体管中尽可能接近OV的正阈值电压来形成沟道。如果薄膜晶体管的阈值电压为负值,则它趋向于具有所谓的常通性质;换言之,甚至当栅极电压为OV时,电流也在源电极与漏电极之间流动。在有源矩阵显示装置中,电路中包含的薄膜晶体管的电特性是重要的,并且显示装置的性能取决于电特性。具体来说,在薄膜晶体管的电特性中,阈值电压(Vth)是重要的。甚至当场效应迁移率高时阈值电压值也高或者在负值内时,难以控制电路。在薄膜晶体管具有高阈值电压并且具有其阈值电压的大绝对值的情况下,薄膜晶体管不能作为TFT来执行开关功能,并且在以低电压驱动薄膜晶体管时可能是负载。在η沟道薄膜晶体管的情况下,优选的是,在施加正电压作为栅极电压之后,形成沟道并且漏极电流流动。其中如果不升高驱动电压则不形成沟道的晶体管以及其中即使施加负电压时也形成沟道并且漏极电流也流动的晶体管不适合于电路中使用的薄膜晶体管。另外,其中温度从加热温度T降低的气体气氛可切换到与其中温度升高到加热温度T的气体气氛不同的气体气氛。例如,在执行用于脱水或脱氢的热处理的炉中,执行冷却,同时该炉填充有高纯度氧气体、高纯度N2O气体或者超干空气(具有低于或等于-40°C、优选地低于或等于_60°C的露点)且没有暴露于空气。注意,在第一热处理中,优选的是,水、氢等等没有包含在气氛中。备选地,引入热处理设备的惰性气体的纯度优选地大于或等于6N(99. 9999% ),更优选地大于或等于7N(99. 99999% )(即,杂质浓度小于或等于Ippm,优选地小于或等于O. Ippm)。在惰性气体气氛中执行热处理的情况下,氧化物半导体层转变为缺氧氧化物半导体层,使得氧化物半导体层通过热处理成为低电阻氧化物半导体层(即,η型(例如η—型)氧化物半导体层)。此后,通过形成与氧化物半导体层相接触的氧化物绝缘层,来使氧化物半导体层处于氧过剩状态。因此,使氧化物半导体层成为i型;也就是说,氧化物半导体层转变为高电阻氧化物半导体层。相应地,有可能形成具有有利电特性的极可靠薄膜晶体管。取决于第一热处理的条件或者氧化物半导体层的材料,氧化物半导体层可部分晶化。通过第一热处理,氧化物半导体层423转变成缺氧类型,并且其电阻降低。在第一热处理之后,载流子浓度比紧接膜沉积之后的氧化物半导体膜的要高,使得氧化物半导体层具有优选地大于或等于IXlO1Vcm3的载流子浓度。氧化物半导体层的第一热处理可在将氧化物半导体膜处理成岛状氧化物半导体层之前执行。在那种情况下,在第一热处理之后,从热处理设备中取出衬底,并且执行第二光刻步骤。结晶区没有在氧化物半导体层423的侧表面部分中形成,并且结晶区106仅在氧化物半导体层423的上层部分中形成。
随后,在第三光刻步骤中,形成抗蚀剂掩模,并且通过蚀刻去除不必要的部分,以便形成接触孔,其到达使用与栅电极层421a(参见图2B)相同材料形成的布线或电极层。这个接触孔设置用于与以后形成的导电膜直接连接。例如,当形成其栅电极层与驱动器电路部分中的源或漏电极层直接接触的薄膜晶体管时或者当形成电连接到端子部分的栅极布线的端子时,形成接触孔。随后,氧化物绝缘膜在氧化物半导体层423和栅绝缘层402之上通过溅射方法来形成;然后,在第四光刻步骤中,形成抗蚀剂掩模,并且在其上执行选择性蚀刻,以使得形成氧化物绝缘层426a、426b、426c和426d。此后,去除抗蚀剂掩模(参见图2C)。在这个阶段,与氧化物绝缘层426a相接触的区域在氧化物半导体层中形成。在这个区域中,隔着栅绝缘层与栅电极层重叠并且还与氧化物绝缘层426a重叠的区域是沟道形成区。此外,在第四光刻步骤中,还形成到达第一端子421c的接触孔。
氧化物绝缘膜能够适当地通过用以不将诸如水和氢之类的杂质混合到氧化物绝缘膜中的诸如溅射方法之类的方法来形成为至少大于或等于Inm的厚度。在这个实施例中,氧化硅膜通过溅射方法作为氧化物绝缘膜来形成。膜沉积中的衬底温度可高于或等于室温但低于或等于300°C ;在这个实施例中,衬底温度为100°C。通过溅射方法沉积氧化硅膜能够在稀有气体(通常为氩)气氛、氧气氛或者稀有气体(通常为氩)和氧的气氛中执行。作为靶,能够使用氧化硅靶或硅靶。例如,借助于硅靶,氧化硅膜能够通过溅射方法在氧和稀有气体的气氛中形成。作为形成为与其电阻被降低的氧化物半导体层相接触的氧化物绝缘膜,使用没有包含诸如水分、氢离子和0!Γ之类的杂质并且阻止这些杂质从外部进入的无机绝缘膜。通常使用氧化硅膜、氧化氮化硅膜、氧化铝膜、氧氮化铝膜等。在这个实施例中,膜沉积通过脉冲DC溅射方法使用纯度为6Ν(电阻率为0.01Ω -cm)的柱状多晶硼掺杂硅靶来执行,其中衬底与靶之间的距离(T-S距离)为89mm,压力为0.4Pa,直流(DC)电源为6kW,以及气氛为氧(氧流率为100% )。其膜厚度为300nm。随后,导电膜使用金属材料通过溅射方法、真空蒸发方法等等在氧化物半导体层423之上形成。作为导电膜的材料,能够使用与栅电极层421a相似的材料。在这个实施例中,形成其中堆叠第一至第三导电膜的导电膜。例如,第一导电膜和第三导电膜使用作为耐热导电材料的钛来形成,并且第二导电膜使用包含钕的铝合金来形成。这种结构能够降低小丘的生成,并且利用铝的低电阻性质。虽然在这个实施例中使用第一至第三导电膜的三层结构,但是本发明的一个实施例并不局限于此。可采用单层结构、二层结构或者四层或更多层的堆叠层结构。可采用包括两层或者四层或更多层的结构。例如,可采用钛膜的单层结构或者包含硅的铝膜的单层结构。注意,在其表面部分具有包含纳米晶的密集结晶区106的氧化物半导体层上并且与其接触地沉积导电膜时,在一些情况下,因沉积或者沉积的热量引起的对结晶区的损坏使半导体层的结晶区106为非晶。但是,在这个实施例描述的薄膜晶体管的制造方法中,用作沟道保护层的氧化物绝缘层426a设置成与待成为氧化物半导体层的沟道形成区的该区域相接触,由此至少在沟道形成区(第五区域)中的氧化物半导体层423的表面部分能够具有结晶区106。随后,在第五蚀刻步骤中,形成蚀刻剂掩模,并且通过蚀刻去除不必要的部分,以使得形成源和漏电极层425a和425b以及连接电极429。这时,将湿式蚀刻或干式蚀刻用作蚀刻方法。例如,当第一导电膜和第三导电膜使用钛来形成并且第二导电膜使用包含钕的铝合金来形成时,能够使用过氧化氢溶液或者加热盐酸作为蚀刻剂来执行湿式蚀刻。通过这个蚀刻步骤,部分蚀刻氧化物半导体层423,使得源电极层425a与氧化物绝缘层426a之间的第三区域424c以及漏电极层425b与氧化物绝缘层426a之间的第四区域424d各具有小于与源电极层425a重叠的第一区域424a、与氧化物绝缘层426a重叠的第五区域424e以及与漏电极层425b重叠的第二区域424b的每个(参见图2D)的厚度。注意,氧化物半导体层423的第五区域424e由氧化物绝缘层426a来保护,以便没有被蚀刻,并且因而表面部分至少在沟道形成区中具有包含纳米晶的密集结晶区。在沟道形成区中,氧化物半导体层的表面部分处于背沟道侧上,并且结晶区能够抑制寄生沟道的生成。另外,通过第五光刻步骤,连接电极429通过栅绝缘层中形成的接触孔直接连接 到端子部分的第一端子421c。虽然未示出,驱动器电路的薄膜晶体管的源极或漏极布线和栅电极通过与上述步骤相同的步骤相互直接连接。随后,形成覆盖薄膜晶体管470的氧化物绝缘层428 (参见图2E)。作为氧化物绝缘层428,使用氧化硅膜、氧氮化硅膜、氧化铝膜、氧氮化铝膜或氧化钽膜所形成的氧化物绝缘层通过溅射方法等等形成。氧化物绝缘层能够适当地通过用以不将诸如水和氢之类的杂质混合到氧化物绝缘层中的诸如溅射方法之类的方法来形成。在这个实施例中,氧化硅膜通过溅射方法来形成,用于氧化物绝缘层。膜沉积中的衬底温度可高于或等于室温但低于或等于300°C ;在这个实施例中,衬底温度为100°C。为了防止膜沉积中诸如水和氢之类的杂质进入,在膜沉积之前,预烘焙优选地在降低压力下以高于或等于150°C但低于或等于350°C的温度执行大于或等于2分钟但小于或等于10分钟,以便形成氧化物绝缘层,而没有暴露于空气。通过溅射方法沉积氧化硅膜能够在稀有气体(通常为氩)气氛、氧气氛或者稀有气体(通常为氩)和氧的气氛中执行。作为靶,能够使用氧化硅靶或硅靶。例如,借助于硅靶,氧化硅膜能够通过溅射方法在氧和稀有气体的气氛中形成。对于形成为与其电阻被降低的氧化物半导体层相接触的氧化物绝缘层,优选地使用没有包含诸如水分、氢离子和OH—之类的杂质并且阻止这些杂质从外部进入的无机绝缘膜。在这个实施例中,膜沉积通过脉冲DC溅射方法使用纯度为6N(电阻率为0.01Ω -cm)的柱状多晶硼掺杂硅靶来执行,其中衬底与靶之间的距离(T-S距离)为89mm,压力为O. 4Pa,直流(DC)电源为6kW,以及气氛为氧(氧流率为100% )。其膜厚度为300nm。随后,第二热处理在惰性气体气氛或者氮气体气氛中(优选地在高于或等于200°C但低于或等于40(TC、例如高于或等于250°C但低于或等于350°C的温度)执行。例如,第二热处理在氮气氛中以250°C执行I小时。备选地,RTA处理可在高温下执行短时间,如同第一热处理中那样。通过第二热处理,加热氧化物绝缘层以及与氧化物绝缘层重叠的氧化物半导体层,从而相互接触。注意,通过第二热处理,其电阻通过第一热处理被降低的氧化物半导体层423处于氧过剩状态,并且能够转变为高电阻氧化物半导体层(i型氧化物半导体层)。在这个实施例中,第二热处理在形成氧化硅膜之后执行;但是,热处理的定时并不局限于紧接形成氧化硅膜之后的定时,只要它在形成氧化硅膜之后即可。在源电极层425a和漏电极层425b使用耐热材料来形成的情况下,使用第一热处理的条件的步骤能够以第二热处理的定时来执行。在那种情况下,热处理可在形成氧化硅膜之后执行一次。然后,在第六光刻步骤中,形成抗蚀剂掩模,并且蚀刻氧化物绝缘层428,使得形成到达漏电极层425b的接触孔。另外,到达连接电极429的接触孔也通过这种蚀刻来形成。随后,透明导电膜在去除抗蚀剂掩模之后形成。透明导电膜使用氧化铟(In2O3)、氧化铟和氧化锡的合金(In2O3-SnO2,以下缩写为ΙΤ0)等通过溅射方法、真空蒸发方法等等形成。这种材料采用盐酸基溶液来蚀刻。注意,由于残留物具体来说可能在蚀刻ITO中生成,所以氧化铟和氧化锌的合金(In2O3-ZnO)可用于改进蚀刻加工性。随后,在第七光刻步骤中,形成抗蚀剂掩模,并且通过蚀刻去除不必要的部分,以便形成像素电极层110。在第七光刻步骤中,存储电容器采用电容器部分中用作电介质的栅绝缘层402、氧化物绝缘层426b和氧化物绝缘层428、电容器布线421b和像素电极层110来形成。此外,在第七光刻步骤中,第一端子421c覆盖有抗蚀剂掩模,并且透明导电膜128留在端子部分中。透明导电膜128用作连接到FPC的电极或者布线。在直接连接到第一端子421c的连接电极429之上形成的透明导电膜128是用作栅极布线的输入端子的连接端子电极。虽然未示出,这时也形成用作源极布线的输入端子的连接端子电极。图4A1和图4A2分别是在这个阶段的栅极布线端子部分的截面图及其平面图。图4A1是沿图4A2的线条C1-C2所截取的截面图。图4A1中,在氧化物绝缘膜428之上形成的透明导电膜415是用作输入端子的连接端子电极。此外,图4A1中,在端子部分,使用与栅极布线相同的材料所形成的第一端子411以及使用与源极布线相同的材料所形成的连接电极412隔着栅绝缘层402相互重叠,并且直接电连接。此外,连接电极412和透明导电膜415通过氧化物绝缘层428中形成的接触孔相互直接连接。图4B1和图4B2分别是源极布线端子部分的截面图及其平面图。图4B1是沿图4B2的线条C3-C4所截取的截面图。图4B1中,在氧化物绝缘膜428之上形成的透明导电膜418是用作输入端子的连接端子电极。此外,图4B1中,在端子部分,使用与栅极布线相同的材料所形成的电极416位于电连接到源极布线的第二端子414下面并且隔着栅绝缘层402与其重叠。电极416没有电连接到第二端子414,并且当电极416的电位设置成与第二端子414不同的电位、例如GND电位或OV或者电极416设置为处于浮置状态时,能够形成防止噪声或静电的电容器。第二端子414隔着氧化物绝缘层428电连接到透明导电膜418。多个栅极布线、源极布线和电容器布线层根据像素密度来设置。另外,在端子部分,设置了处于与栅极布线相同电位的多个第一端子、处于与源极布线相同电位的多个第二端子、处于与电容器布线相同电位的多个第三端子等。每种端子的的数量可以是任何数量,并且端子的数量可由专业人员适当地确定。通过这七个光刻步骤,因而沟道保护薄膜晶体管470和存储电容器部分能够使用七个光掩模来完成。这些晶体管和存储电容器排列成与相应像素对应的矩阵,以使得形成像素部分,由此能够得到有源矩阵显示装置中包含的衬底之一。在本说明书中,为了方便起见,这种衬底称作有源矩阵衬底。在制造有源矩阵液晶显示装置的情况下,有源矩阵衬底和提供有对电极的对衬底隔着液晶层相互接合。注意,电连接到对衬底上的对电极的公共电极设置在有源矩阵衬底之上,并且电连接到公共电极的第四端子设置在端子部分中。第四端子设置成使得公共电极设置为诸如GND电位或OV之类的固定电位。这个实施例的像素结构并不局限于图3中的像素结构。例如,像素电极可隔着保护绝缘膜和栅极绝缘层与相邻像素的栅极布线重叠,以便形成存储电容器而无需电容器布线。在这种情况下,能够省略电容器布线以及连接到电容器布线的第三端子。进一步备选地,源电极层425a和漏电极层425b可在用作沟道保护层的氧化物绝缘层456a之上并且与其 重叠,如图5A和图5B所示。在这种情况下,在对源电极层425a和漏电极层425b形成图案时没有蚀刻氧化物半导体层,并且因此在氧化物半导体层中没有形成较薄区域。换言之,氧化物半导体层具有与源电极层425a重叠的第一区域424a、与漏电极层425b重叠的第二区域424b以及作为沟道形成区的第五区域,这些区域具有相同厚度。进一步备选地,可采用薄膜晶体管490,其中在氧化物半导体层的第五区域424e中作为非晶的或者由非晶质/非晶体和微晶体的混合物来形成的区域的厚度小于第三区域424c和第四区域424d的每个厚度(即,第五区域424e中的结晶区与作为非晶的或者由非晶质/非晶体和微晶体的混合物来形成的区域之间的界面高于第三区域424c和第四区域424d的最外表面),如图22A所示。能够通过调整第一热处理的加热温度或加热时间以使得使氧化物半导体层的结晶区的深度极浅,来得到具有这种结构的薄膜晶体管490。通过采用图22所示的薄膜晶体管490的结构,能够降低截止电流。图22A所示的沟道保护薄膜晶体管490的沟道长度L等于在与载流子流动的方向平行的方向的氧化物绝缘层426a的宽度。要注意,第三区域的沟道长度方向的宽度L3与第四区域的沟道长度方向的宽度L4之和在图22A所示的薄膜晶体管490中是恒定的,但是氧化物半导体层的第三区域的沟道长度方向的宽度L3不一定等于第四区域的沟道长度方向的宽度L4。可备选地采用具有其中如图22B所示的氧化物半导体层的第一至第五区域424a至424e在其表面部分具有结晶区的结构的薄膜晶体管430。通过采用图22B所示的薄膜晶体管430的结构,能够增加导通电流。可从薄膜晶体管430、450、470和490中选取的具有不同结构的薄膜晶体管可在一个衬底之上形成。注意,在像素部分和驱动器电路在一个衬底之上形成的情况下,对于用于像素部分的薄膜晶体管需要优良的开关特性,并且高操作速度对于用于驱动器电路的薄膜晶体管是优选的;例如,薄膜晶体管430可设置在驱动器电路部分中,而薄膜晶体管490可设置在像素部分中,如图22C所示。设置在驱动器电路部分中的薄膜晶体管430能够增加导通电流,并且适合于需要高电流驱动能力的应用。设置在像素部分中的薄膜晶体管490能够降低截止电流,并且因而在用作像素部分中的开关元件时能够提高对比度。备选地,如图22D所示,薄膜晶体管450可设置在驱动器电路部分中,而具有低截止电流的薄膜晶体管470优选地设置在像素部分中。进一步备选地,虽然未示出,但是薄膜晶体管430和薄膜晶体管470可分别设置在驱动器电路部分和像素部分中,或者薄膜晶体管450和薄膜晶体管490可分别设置在驱动器电路部分和像素部分中。注意,在薄膜晶体管430、450、470和490的每个中,相互接触的栅绝缘层402与氧化物半导体层423之间的界面是非晶的或者由非晶质/非晶体和微晶体的混合物来形成,并且与氧化物绝缘层426a相接触的氧化物半导体层的至少表面部分具有结晶区。在有源矩阵液晶显示装置中,通过驱动设置成矩阵的像素电极,在屏幕上形成显示图案。具体来说,电压施加在所选像素电极与对应于像素电极的对电极之间,使得在光学上调制设置在像素电极与对电极之间的液晶层,并且这个光学调制由观察者识别为显示图
案在显示液晶显示装置的运动图像中,存在的问题在于,液晶分子本身的长响应时间引起运动图像的余像或模糊。为了改进液晶显示装置的运动图像特性,采用称作插黑的驱动方法,其中每隔一个帧周期在整个屏幕上显示黑色。此外,存在所谓的双帧速率驱动的另一种驱动技术。在双帧速率驱动中,垂直同步频率设置为通常垂直同步频率的I. 5倍或以上、优选地为2倍或以上,由此提高响应速度,并且对于通过驱动得到的各帧中的每个多场来选择待写入的灰度。进一步备选地,为了改进液晶显示装置的运动图像特性,可采用一种驱动方法,其中多个LED (发光二极管)或者多个EL光源用于形成作为背光的平面光源,并且平面光源的各光源在一个帧周期中按照脉冲方式来单独驱动。可使用三种或更多种LED,或者可使用发射白光的LED。由于能够单独控制多个LED,所以LED的光发射定时能够与光学调制液晶层的定时同步。按照这种驱动方法,LED能够部分关断,因此,特别是在显示具有在一个屏幕中所占用的大黑色显示区域的图像的情况下,能够得到降低功率消耗的效果。通过组合这些驱动方法,与常规液晶显示装置相比,液晶显示装置的显示特性、如运动图像特性能够得到改进。这个实施例中得到的η沟道晶体管在沟道形成区中包括In-Ga-Zn-O基膜,并且具有良好的动态特性。因此,这些驱动方法能够结合地应用于这个实施例的晶体管。在制造发光显示装置中,有机发光元件的一个电极(又称作阴极)设置成低电源电位、如GND电位或OV ;因此,端子部分提供有用于将阴极设置成低电源电位、如GND电位或OV的第四端子。又在制造发光显示装置中,除了源极布线和栅极布线之外,还设置电源线。相应地,端子部分提供有电连接到电源线的第五端子。通过上述步骤,能够提供具有有利电特性的极可靠薄膜晶体管以及包括该薄膜晶体管的显示装置。这个实施例中所述的薄膜晶体管是使用氧化物半导体层的薄膜晶体管。至少氧化物半导体层的在沟道形成区中的表面部分具有结晶区,并且氧化物半导体层的其余部分能够是非晶的或者由非晶质/非晶体和微晶体的混合物来形成,这使薄膜晶体管能够抑制寄生沟道的生成。注意,这个实施例中所述的结构能够与其它实施例中所述的结构的任意适当地结
口 ο[实施例2]在这个实施例中,参照图6Α至图6Ε来描述与实施例I中不同的显示装置的制造过程的一个示例。注意,在这个实施例中,与实施例I中相同的部分以及具有与实施例I相似功能的部分能够如同实施例I 一样对待,并且与实施例I中相同或相似的步骤能够如同实施例I中那样来执行。因此,省略重复描述。首先,在具有绝缘表面的衬底400之上,通过溅射方法或真空蒸发方法来形成用于形成包括栅电极层421a、电容器布线421b和第一端子421c的栅极布线的导电膜。随后,在衬底400的整个表面之上形成导电膜之后,在第一光刻步骤中,形成抗蚀剂掩模,并且通过蚀刻去除不必要部分,以便形成布线和电极(包括栅电极层421a、电容器布线421b和第一端子421c的栅极布线)。随后,在栅电极层421a、电容器布线421b和第一端子421c之上,形成栅绝缘层402 ;然后,在栅绝缘层402之上,氧化物半导体膜103形成为大于或等于5nm但小于或等于200nm、优选地大于或等于IOnm但小于或等于40nm的厚度。注意,上述步骤能够如同实施例I中那样来执行。随后,在氧化物半导体膜103之上,通过溅射方法来形成氧化物绝缘膜105 ;然后,在第二光刻步骤中,形成抗蚀剂掩模,并且对其执行选择性蚀刻,使得形成到达第一端子 421c的接触孔(图6A)。氧化物绝缘膜105能够按照与实施例I中所述的将要作为氧化物绝缘层426a的氧化物绝缘膜相似的方式来形成。然后,氧化物半导体膜103经过脱水或脱氢。用于脱水或脱氢的第一热处理能够通过快速热退火(RTA)处理借助于高温气体(诸如氮之类的惰性气体或者稀有气体)或借助于光线在高于或等于500°C但低于或等于750°C的温度(或者低于或等于玻璃衬底的应变点的温度)下执行大致大于或等于I分钟但小于或等于10分钟、优选地在650°C下执行大致大于或等于3分钟但小于或等于6分钟。通过RTA处理,脱水或脱氢能够执行短时间;因此,处理能够甚至在高于玻璃衬底的应变点的温度下执行。注意,热处理的定时并不局限于这个定时,而是例如在光刻步骤或沉积步骤之前和之后可多次执行。在这里,氧化物半导体膜103的表面部分通过第一热处理来晶化,并且因而成为具有包含纳米晶的密集结晶区106。氧化物半导体膜103的其余部分成为非晶的,或者由非晶质/非晶体和微晶体的混合物来形成,其中非晶区点缀有微晶体。注意,结晶区106是氧化物半导体膜103的一部分,并且在下文中,“氧化物半导体膜103”包括结晶区106。另外,当温度从用以使氧化物半导体膜经过脱水或脱氢的加热温度T降低时,重要的是,通过使用用于脱水或脱氢的同一个炉,按照使得氧化物半导体层没有暴露于空气的方式来防止水或氢进入。另外,其中温度从加热温度T降低的气体气氛可切换到与其中温度升高到加热温度T的气体气氛不同的气体气氛。例如,在用于脱水或脱氢的热处理的炉中执行冷却,同时该炉填充有高纯度氧气体、高纯度N2O气体或者超干空气(具有低于或等于_40°C、优选地低于或等于_60°C的露点)且没有暴露于空气。注意,在第一热处理中,优选的是,水、氢等等没有包含在气氛中。备选地,引入热处理设备的惰性气体的纯度优选地大于或等于6N(99. 9999% ),更优选地大于或等于7N(99. 99999% )(即,杂质浓度小于或等于Ippm,优选地小于或等于O. Ippm)。通过第一热处理,氧化物半导体膜103转变成缺氧类型,并且其电阻降低。在第一热处理之后,载流子浓度比紧接膜沉积之后的氧化物半导体膜要高,使得氧化物半导体膜具有优选地大于或等于IXlO1Vcm3的载流子浓度。然后,在第三光刻步骤中,形成抗蚀剂掩模,并且通过选择性蚀刻来形成氧化物绝缘层426a、426b、426c和426d。此后,去除抗蚀剂掩模(参见图6B)。在这里,氧化物绝缘层426a用作薄膜晶体管的沟道保护层。此外,在氧化物半导体膜103中,与氧化物绝缘层426a重叠的区域是在后一步骤中成为沟道形成区的区域。
然后,使用金属材料形成的导电膜通过溅射方法、真空蒸发方法等等在氧化物半导体膜103以及氧化物绝缘层426a、426b、426c和426d之上形成。作为导电膜的材料,能够使用与栅电极层421a相似的材料。
在这个实施例中,形成其中堆叠第一至第三导电膜的导电膜。例如,第一导电膜和第三导电膜使用作为耐热导电材料的钛来形成,并且第二导电膜使用包含钕的铝合金来形成。这种结构能够降低小丘的生成,并且利用铝的低电阻性质。虽然在这个实施例中使用第一至第三导电膜的三层结构,但是本发明的一个实施例并不局限于此。可采用单层结构、二层结构或者四层或更多层的堆叠层结构。可采用包括两层或者四层或更多层的结构。例如,可采用钛膜的单层结构或者包含硅的铝膜的单层结构。注意,在其表面部分具有包含纳米晶的密集结晶区106的氧化物半导体层上并且与其接触地沉积导电膜时,在一些情况下,因沉积或者沉积的热量引起的对结晶区的损坏使半导体层的结晶区106为非晶。但是,在这个实施例描述的薄膜晶体管的制造方法中,用作沟道保护层的氧化物绝缘层426a设置成与待成为氧化物半导体层的沟道形成区的该区域相接触,由此至少在沟道形成区中的氧化物半导体层423的表面部分能够具有结晶区106。随后,在第四光刻步骤中,形成抗蚀剂掩模480a和480b,并且通过蚀刻去除不必要部分,使得形成导电层425和连接电极429 (参见图6C)。这时,将湿式蚀刻或干式蚀刻用作蚀刻方法。例如,当第一导电膜和第三导电膜使用钛来形成并且第二导电膜使用包含钕的铝合金来形成时,能够使用过氧化氢溶液或者加热盐酸作为蚀刻剂来执行湿式蚀刻。另外,通过第四光刻步骤,连接电极429通过栅绝缘层中形成的接触孔直接连接到端子部分的第一端子421c。虽然未示出,驱动器电路的薄膜晶体管的源极或漏极布线和栅电极通过与上述步骤相同的步骤相互直接连接。这个实施例中的抗蚀剂掩模480a和480b又能够称作具有凹陷部分或凸出部分的抗蚀剂掩模。换言之,抗蚀剂掩模480a和480b能够称作包含具有不同厚度的多个区域(这里为两个区域)的抗蚀剂掩模。在抗蚀剂掩模480a和480b中,具有较大厚度的区域称作凸出部分,而具有较小厚度的区域称作凹陷部分。在抗蚀剂掩模480a和480b的每个中,形成与成为源电极层或漏电极层的导电膜的区域对应的凸出部分,以及形成与稍后描述的岛状氧化物半导体层的周边部分对应的凹陷部分。这个实施例中所述的抗蚀剂掩模能够使用多色调掩模(multi-tone mask)来形成。多色调掩模是能够采用多级光强度进行曝光的掩模,并且通常采用三级光强度来执行曝光,以便提供暴露区域、半暴露区域和未暴露区域。借助于多色调掩模,具有多个厚度(通常为两种厚度)的抗蚀剂掩模能够通过一个曝光和显影步骤来形成。因此,通过使用多色调掩模,能够降低光掩模的数量。通过使用多色调掩模的曝光和显影,能够形成各包含具有不同厚度的区域的抗蚀剂掩模480a和480b。注意,并非对其进行限制,可无需多色调掩模来形成抗蚀剂掩模480a和 480b ο在导电层425和连接电极429使用抗蚀剂掩模480a和480b来形成之后,减小(缩小化)抗蚀剂掩模480a和480b,以便形成抗蚀剂掩模482a、482b和482c。为了减小(缩小化)抗蚀剂掩模480a和480b,可执行使用氧等离子体的灰化等。通过减小(缩小化)抗蚀剂掩模,抗蚀剂掩模480a的凹陷部分消失并且分为抗蚀剂掩模482a和482b。此外,暴露抗蚀剂掩模482a与482b之间的区域(未示出)中的导电层425。随后,使用抗蚀剂掩模482a、482b和482c,蚀刻导电层425的暴露部分,并且部分蚀刻连接电极429。相应地,形成源电极425a、漏电极425b和岛状氧化物半导体层423 (参见图6D)。通过这个蚀刻步骤,部分蚀刻氧化物半导体膜103,使得源电极层425a与氧化物绝缘层426a之间的第三区域424c以及漏电极层425b与氧化物绝缘层426a之间的第四区域424d各具有小于与源电极层425a重叠的第一区域424a、与漏电极层425b重叠的第二区域424b以及与氧化物绝缘层426a重叠的第五区域424e的每个的厚度。注意,氧化物半导体层423的第五区域424e由氧化物绝缘层426a来保护,以便没有被蚀刻,并且因而表面部分至少在沟道形成区中具有包含纳米晶的密集结晶区。在沟道形成区中,氧化物半导体层的表面部分处于背沟道侧上,并且结晶区能够抑制寄生沟道的生成。
第一区域424a和第二区域424b的每个厚度与作为沟道形成区的第五区域424e相等。随后,形成覆盖薄膜晶体管410的氧化物绝缘层428 (参见图6E)。作为氧化物绝缘层428,使用氧化硅膜、氧氮化硅膜、氧化铝膜、氧氮化铝膜或氧化钽膜所形成的氧化物绝缘层428通过溅射方法等等形成。随后,第二热处理在惰性气体气氛或者氮气体气氛中(优选地在高于或等于200°C但低于或等于40(TC、例如高于或等于250°C但低于或等于350°C的温度)执行。例如,第二热处理在氮气氛中以250°C执行I小时。备选地,RTA处理可在高温下执行短时间,如同第一热处理中那样。通过第二热处理,加热氧化物绝缘层以及与氧化物绝缘层重叠的氧化物半导体层,从而相互接触。注意,通过第二热处理,其电阻通过第一热处理被降低的氧化物半导体层423处于氧过剩状态,并且能够转变为高电阻氧化物半导体层(i型氧化物半导体层)。在这个实施例中,第二热处理在形成氧化硅膜之后执行;但是,热处理的定时并不局限于紧接形成氧化硅膜之后的定时,只要它在形成氧化硅膜之后即可。在源电极层425a和漏电极层425b使用耐热材料来形成的情况下,使用第一热处理的条件的步骤能够以第二热处理的定时来执行。在那种情况下,热处理可在形成氧化硅膜之后执行一次。注意,保护绝缘层可在氧化物绝缘层428之上形成。作为保护绝缘层,例如,氮化硅膜能够通过RF溅射方法来形成。使用没有包含诸如水、氢离子和0H_之类的杂质并且防止这些杂质从外部进入的无机绝缘膜来形成保护绝缘层使用氮化硅膜、氮化铝膜、氧化氮化硅膜、氧氮化铝膜等。还要注意,保护绝缘层能够接着氧化物绝缘层428连续形成。然后,在第五光刻步骤中,形成抗蚀剂掩模,并且蚀刻氧化物绝缘层428,使得形成到达漏电极层425b的接触孔。另外,到达连接电极429的接触孔也通过这种蚀刻来形成。随后,透明导电膜在去除抗蚀剂掩模之后形成。透明导电膜使用氧化铟(In2O3)、氧化铟和氧化锡的合金(In2O3-SnO2,以下缩写为ΙΤ0)等通过溅射方法、真空蒸发方法等等形成。这种材料采用盐酸基溶液来蚀刻。注意,由于残留物具体来说可能在蚀刻ITO中生成,所以氧化铟和氧化锌的合金(In2O3-ZnO)可用于改进蚀刻加工性。随后,在第六光刻步骤中,形成抗蚀剂掩模,并且通过蚀刻去除不必要的部分,以便形成像素电极层110。在第六光刻步骤中,存储电容器采用电容器部分中用作电介质的栅绝缘层402、氧化物半导体层、氧化物绝缘层426b和氧化物绝缘层428、电容器布线421b和像素电极层110来形成。此外,在第六光刻步骤中,第一端子421c覆盖有抗蚀剂掩模,并且透明导电膜128留在端子部分中。透明导电膜128用作连接到FPC的电极或者布线。在直接连接到第一端子421c的连接电极429之上形成的透明导电膜128是用作栅极布线的输入端子的连接端子电极。虽然未示出,这时也形成用作源极布线的输入端子的连接端子电极。通过这六个光刻步骤,因而沟道保护薄膜晶体管410和存储电容器部分能够使用六个光掩模来完成。这个实施例中所述的薄膜晶体管是使用氧化物半导体层的薄膜晶体管。沟道形成区中的氧化物半导体层的表面部分具有结晶区,并且氧化物半导体层的其余部分能够是非晶的或者由非晶质/非晶体和微晶体的混合物来形成。通过具有这种结构的薄膜晶体管,能够抑制寄生沟道的生成;相应地,能够制造具有有利电特性的极可靠薄膜晶体管和显示
>J-U ρ α装直。注意,这个实施例中所述的结构能够与其它实施例中所述的结构的任意适当地结
口 ο[实施例3]在这个实施例中,下面描述一个示例,其中驱动器电路的至少一部分和待设置在像素部分中的薄膜晶体管在一个衬底之上形成。设置在像素部分中的薄膜晶体管按照实施例I或2来形成。此外,实施例I或2中所述的薄膜晶体管是η沟道TFT。因此,驱动器电路之中的能够由η沟道TFT来构成的驱动器电路中的一些在与像素部分中的薄膜晶体管相同的衬底之上形成。图7Α示出有源矩阵显示装置的框图的一个示例。像素部分5301、第一扫描线驱动器电路5302、第二扫描线驱动器电路5303和信号线驱动器电路5304设置在显示装置的衬底5300之上。在像素部分5301中,设置从信号线驱动器电路5304延伸的多个信号线,并且设置从第一扫描线驱动器电路5302和第二扫描线驱动器电路5303延伸的多个扫描线。注意,在扫描线和信号线的交叉区域中,各具有显示元件的像素设置成矩阵。此外,显示装置的衬底5300通过柔性印刷电路(FPC)等的连接部分连接到定时控制电路5305 (又称作控制器或控制IC)。图7Α中,第一扫描线驱动器电路5302、第二扫描线驱动器电路5303和信号线驱动器电路5304在与像素部分5301相同的衬底5300之上形成。相应地,设置在外部的诸如驱动器电路之类的部件的数量降低,使得成本能够降低。此外,能够降低在布线从衬底5300外部所设置的驱动器电路延伸的情况下的连接部分的连接的数量,并且能够提高可靠性或产率。注意,作为一个不例,定时控制电路5305向第一扫描线驱动器电路5302提供第一扫描线驱动器电路的启动信号(GSPl)和扫描线驱动器电路的时钟信号(GCKl)。另外,例、如,定时控制电路5305向第二扫描线驱动器电路5303提供第二扫描线驱动器电路的启动信号(GSP2)(又称作启动脉冲)和扫描线驱动器电路的时钟信号(GCK2)。向信号线驱动器电路5304提供信号线驱动器电路的启动信号(SSP)、信号线驱动器电路的时钟信号(SCK)、视频信号的数据(DATA)(又简单地称作视频信号)和锁存信号(LAT)。注意,各时钟信号可以是具有不同相位的多个时钟信号,或者可与反相时钟信号(CKB) —起来提供。注意,能够省略第一扫描线驱动器电路5302或者第二扫描线驱动器电路5303。图7B中,具有低驱动频率的电路(例如第一扫描线驱动器电路5302和第二扫描线驱动器电路5303)在与像素部分5301相同的衬底5300之上形成,并且信号线驱动器电路5304在与提供有像素部分5301的衬底不同的另一个衬底之上形成。与使用单晶半导体所形成的晶体管相比,这种结构实现在衬底5300之上使用具有低场效应迁移率的薄膜晶体管所形成的驱动器电路。相应地,能够实现显示装置的尺寸的增加、步骤数量的减少、成本的降低、广率的提闻等等。实施例I或2中所述的薄膜晶体管是η沟道TFT。图8A和图8B中,描述使用η沟 道TFT所形成的信号线驱动器电路的结构和操作的示例。信号线驱动器电路包括移位寄存器5601和开关电路5602。开关电路5602包括多个开关电路5602_1至5602_Ν(Ν为自然数)。开关电路5602_1至5602_Ν各包括多个薄膜晶体管2603_1至5603_k(k为自然数)。描述其中薄膜晶体管5603_1至5603_k是η沟道TFT的示例。通过使用开关电路5602_1作为示例来描述信号线驱动器电路的连接关系。薄膜晶体管5603_1至5603_k的第一端子分别连接到布线5604_1至5604_k。薄膜晶体管5603_1至5603_k的第二端子分别连接到信号线SI至Sk。薄膜晶体管5603_1至5603_k的栅极连接到布线5605_1。移位寄存器5601具有向布线5605_1至5605_N依次输出H电平信号(又称作H信号或者高电源电位电平)的功能以及依次选择开关电路5602_1至5602_N的功能。开关电路5602_1具有控制布线5604_1至5604_k与信号线SI至Sk之间的传导状态(第一端子与第二端子之间的传导)的功能,即,控制是否向信号线Si至Sk提供布线5604_1至5604_k的电位的功能。这样,开关电路5602_1具有选择器的功能。薄膜晶体管5603_1至5603_k具有控制布线5604_1至5604_k与信号线SI至Sk之间的传导状态的功能,即,分别向信号线SI至Sk提供布线5604_1至5604_k的电位的功能。这样,薄膜晶体管5603_1至5603_k的每个用作开关。注意,视频信号的数据(DATA)输入到布线5604_1至5604_k。在许多情况下,视频信号的数据(DATA)是与图像数据或图像信号对应的模拟信号。接下来,参照图SB的时序图来描述图8A所示的信号线驱动器电路的操作。图SB中,不出信号Sout_l至Sout_N和信号Vdata_l至Vdata_k的不例。信号Sout_l至Sout_N是移位寄存器5601的输出信号的示例,以及信号Vdata_l至Vdata_k分别是输入到布线5604_1至5604_k的信号的示例。注意,信号线驱动器电路的一个操作期对应于显示装置中的一个栅极选择期。例如,一个栅极选择期分为期间Tl至TN。期间Tl至TN是用于将视频信号的数据(DATA)写到所选行中的像素的期间。在期间Tl至TN中,移位寄存器5601向布线5605_1至5605_N依次输出H电平信号。例如,在期间Tl,移位寄存器5601向布线5605_1输出高电平信号。然后,薄膜晶体管5603_1至5603_k导通,使得布线5604_1至5604_k和信号线SI至Sk开始传导。在这种情况下,Data (SI)至 Data (Sk)分别输入到布线 5604_1 至 5604_k。Data (SI)至 Data (Sk)分别通过薄膜晶体管5603_1至5603_k输入到所选行中的第一至第k列的像素。这样,在期间Tl至TN中,视频信号的数据(DATA)依次写到所选行中的k列的像素。通过将视频信号的数据(DATA)写到多列的像素,能够降低视频信号的数据(DATA)的数量或者布线的数量。相应地,能够降低到外部电路的连接的数量。此外,通过每次将视频信号写到多列的像素,写入时间能够延长,并且能够防止视频信号的写入的不足。注意,对于移位寄存器5601和开关电路5602,能够使用采用实施例I或2中所述的薄膜晶体管来形成的电路。在那种情况下,移位寄存器5601中包含的所有晶体管能够仅为η沟道晶体管或者仅为P沟道晶体管。将描述扫描线驱动器电路的结构。扫描线驱动器电路包括移位寄存器。另外,在一些情况下,扫描线驱动器电路可包括电平移位器、缓冲器等。在扫描线驱动电路中,当时 钟信号(CLK)和起始脉冲信号(SP)输入到移位寄存器时,生成选择信号。所生成的选择信号由缓冲器来缓冲和放大,并且将所产生的信号提供给对应扫描线。一行的像素中的晶体管的栅电极连接到扫描线。由于一行的像素中的晶体管必须同时导通,所以使用能够提供大电流量的缓冲器。参照图9Α至图9C以及图IOA和图IOB来描述用于扫描线驱动器电路和/或信号线驱动器电路的一部分的移位寄存器的一种模式。移位寄存器包括第一至第N脉冲输出电路10_1至10_Ν(Ν为大于或等于3的自然数)(参见图9Α)。在图9Α所示的移位寄存器中,第一时钟信号CK1、第二时钟信号CK2、第三时钟信号CK3和第四时钟信号CK4分别从第一布线11、第二布线12、第三布线13和第四布线14提供给第一至第N脉冲输出电路10_1至10_Ν。启动脉冲SPl (第一启动脉冲)从第五布线15输入到第一脉冲输出电路10_1。向第二或后一级的第η脉冲输出电路10_η(η为大于或等于2但小于或等于N的自然数)输入来自前一级的脉冲输出电路的信号(这种信号称作前一级信号OUT(η-I))。来自第一脉冲输出电路10_1之后两级的级中的第三脉冲输出电路10_3的信号也输入到第一脉冲输出电路10_1。类似地,向第二或后一级中的第η脉冲输出电路10_η输入来自第η脉冲输出电路10_η之后两级的级中的第(η+2)脉冲输出电路10_(η+2)的信号(这种信号称作后一级信号OUT (η+2))。因此,相应级中的脉冲输出电路输出将要输入到相应后续级的脉冲输出电路和/或相应脉冲输出电路之前两级的级中的脉冲输出电路的第一输出信号(OUT(I) (SR)至OUT (N) (SR))以及到其它布线的电连接的第二输出信号(OUT(I)至OUT(N))等。注意,例如,由于下一级信号OUT(η+2)没有输入到如图9Α所示的移位寄存器的最后两级,所以来自第六布线16的第二启动脉冲SP2和来自第七布线17的第三启动脉冲SP3可分别输入到最后一级之前的级以及最后一级。备选地,还可输入在移位寄存器中生成的信号。例如,可采用一种结构,其中设置没有影响对像素部分的脉冲输出的第(η+1)脉冲输出电路10(η+1)和第(η+2)脉冲输出电路10 (η+2)(这类电路又称作哑级),使得从哑级来生成用作第二启动脉冲的信号(SP2)和用作第三启动脉冲的信号(SP3)。注意,时钟信号(CK)是每隔一定间隔在H电平与L电平信号(又称作L信号或者低电源电位电平)之间交替的信号。在这里,将第一至第四时钟信号(CKl)至(CK4)依次延迟四分之一周期。在这个实施例中,通过使用第一至第四时钟信号(CKl)至(CK4),执行脉冲输出电路的驱动的控制等。虽然时钟信号按照对其输入时钟信号的驱动器电路来用作GCK或SCK,但是时钟信号在这里描述为CK。第一输入端子21、第二输入端子22和第三输入端子23电连接到第一至第四布线11至14的任意。例如,图9A中,第一脉冲输出电路10_1的第一输入端子21电连接到第一布线11,第一脉冲输出电路10_1的第二输入端子22电连接到第二布线12,以及第一脉冲输出电路10_1的第三输入端子23电连接到第三布线13。另外,第二脉冲输出电路10_2的第一输入端子21电连接到第二布线12,第二脉冲输出电路10_2的第二输入端子22电连接到第三布线13,以及第二脉冲输出电路10_2的第三输入端子23电连接到第四布线14。
第一至第N脉冲输出电路10_1至10_N的每个包括第一输入端子21、第二输入端子22、第三输入端子23、第四输入端子24、第五输入端子25、第一输出端子26以及第二输出端子27 (参见图9B)。在第一脉冲输出电路10_1中,第一时钟信号CKl输入到第一输入端子21,第二时钟信号CK2输入到第二输入端子22,第三时钟信号CK3输入到第三输入端子23,启动脉冲输入到第四输入端子24,下一级信号OUT (3)输入到第五输入端子25,第一输出信号OUT (I) (SR)从第一输出端子26输出,以及第二输出信号OUT (I)从第二输出端子27输出。接下来参照图9C来描述图9B所示的脉冲输出电路的特定电路结构的示例。图9C所示的脉冲输出电路包括第一至第十一晶体管31至41。除了第一至第五输入端子21至25、第一输出端子26和第二输出端子27之外,信号或电源电位还从对其提供第一高电源电位VDD的电源线51、对其提供第二高电源电位VCC的电源线52以及对其提供低电源电位VSS的电源线53提供给第一至第十一晶体管31至41。在这里,图9C所示的电源线的电源电位之间的幅值关系按如下所述来设置第一电源电位VDD高于或等于第二电源电位VCC,以及第二电源电位VCC高于第三电源电位VSS。虽然第一至第四时钟信号(CKl)至(CK4)是每隔一定间隔在H电平信号与L电平信号之间交替的信号,但是电位在时钟信号处于H电平时为VDD,而电位在时钟信号处于L电平时为VSS。注意,电源线51的电位VDD高于电源线52的电位VCC,使得对操作没有影响,施加到晶体管的栅电极的电位能够低,晶体管的阈值的偏移能够降低,并且能够抑制退化。图9C中,第一晶体管31的第一端子电连接到电源线51,第一晶体管31的第二端子电连接到第九晶体管39的第一端子,以及第一晶体管31的栅电极电连接到第四输入端子24。第二晶体管32的第一端子电连接到电源线53,第二晶体管32的第二端子电连接到第九晶体管39的第一端子,以及第二晶体管32的栅电极电连接到第四晶体管34的栅电极。第三晶体管33的第一端子电连接到第一输入端子21,以及第三晶体管33的第二端子电连接到第一输出端子26。第四晶体管34的第一端子电连接到电源线53,以及第四晶体管34的第二端子电连接到第一输出端子26。第五晶体管35的第一端子电连接到电源线53,第五晶体管35的第二端子电连接到第二晶体管32的栅电极和第四晶体管34的栅电极,以及第五晶体管35的栅电极电连接到第四输入端子24。第六晶体管36的第一端子电连接到电源线52,第六晶体管36的第二端子电连接到第二晶体管32的栅电极和第四晶体管34的栅电极,以及第六晶体管36的栅电极电连接到第五输入端子25。第七晶体管37的第一端子电连接到电源线52,第七晶体管37的第二端子电连接到第八晶体管38的第二端子,以及第七晶体管37的栅电极电连接到第三输入端子23。第八晶体管38的第一端子电连接到第二晶体管32的栅电极和第四晶体管34的栅电极,以及第八晶体管38的栅电极电连接到第二输入端子22。第九晶体管39的第一端子电连接到第一晶体管31的第二端子和第二晶体管32的第二端子,第九晶体管39的第二端子电连接到第三晶体管33的栅电极和第十晶体管40的栅电极,以及第九晶体管39的栅电极电连接到电源线52。第十晶体管40的第一端子电连接到第一输入端子21,第十晶体管40的第二端子电连接到第二输出端子27,以及第十晶体管40的栅电极电连接到第九晶体管39的第二端子。第十一晶体管41的第一端子电连接到电源线53,第十一晶体管41的第二端子电连接到第二输出端子27,以及第十一晶体管41的栅电极电连接到第二晶体管32的栅电极和第四晶体管34的栅电极。图9C中,第三晶体管33的栅电极、第十晶体管40的栅电极和第九晶体管39的第二端子的连接部分称作结点A。第二晶体管32的栅电极、第四晶体管34的栅电极、第五晶体管35的第二端子、第六晶体管36的第二端子、第八晶体管38的第一端子和第十一晶体管41的栅电极的连接部分是结点B(参见图10A)。注意,薄膜晶体管是具有栅极、漏极和源极至少三个端子的元件。薄膜晶体管在漏区与源区之间具有沟道区,并且电流能够流经漏区、沟道区和源区。在这里,由于薄膜晶体管的源极和漏极可根据晶体管的结构、操作条件等等而改变,所以难以定义哪一个是源极或漏极。因此,在一些情况下,用作源极或漏极的区域不称作源极或漏极。在这种情况下,例如,源极和漏极其中之一可称作第一端子,而其中的另一个可称作第二端子。在这里,其中设置了图IOA所示的多个脉冲输出电路的移位寄存器的时序图如图IOB所示。注意,图IOB中,当移位寄存器是扫描线驱动器电路时,期间61是垂直回扫期间,并且期间62是栅极选择期。注意,如图IOA所示,当设置具有对其施加第二电源电位VCC的栅极的第九晶体管39时,在自举操作之前或之后存在下列优点。没有其栅电极提供有第二电源电位VCC的第九晶体管39,当结点A的电位通过自举操作来升高时,作为第一晶体管31的第二端子的源极的电位增加到高于第一电源电位VDD的值。然后,第一晶体管31的源极切换到第一端子侧,即,电源线51侧。因此,在第一晶体管31中,施加大偏压量,并且因而大应力施加在栅极与源极之间以及栅极与漏极之间,这会引起晶体管的退化。当设置其栅电极提供有第二电源电位VCC的第九晶体管39时,结点A的电位通过自举操作来升高,但是同时能够防止第一晶体管31的第二端子的电位的增力口。换言之,通过第九晶体管39,施加在第一晶体管31的栅极与源极之间的负偏压能够降低。相应地,通过这个实施例中的电路结构,施加在第一晶体管31的栅极与源极之间的负偏压能够降低,使得因应力引起的第一晶体管31的退化能够得到抑制。注意,第九晶体管39可设置任何位置中,其中第九晶体管39通过第一端子和第二端子连接在第一晶体管31的第二端子与第三晶体管33的栅极之间。在移位寄存器包括这个实施例的多个脉冲输出电路时,在具有比扫描线驱动器电路更多级数的信号线驱动器电路中可省略第九晶体管39,并且存在降低晶体管的数量的优点。
注意,当氧化物半导体用于第一至第十一晶体管31至41的半导体层时,薄膜晶体管的断态电流能够降低,通态电流和场效应迁移率能够增加,并且退化程度能够降低,由此电路的故障能够降低。与使用氧化物半导体所形成的晶体管以及使用非晶硅所形成的晶体管进行比较,因高电位施加到栅电极引起的该晶体管的退化程度低。因此,甚至当第一电源电位VDD提供给提供第二电源电位VCC的电源线时也能够得到类似操作,并且能够降低在电路之间引导的电源线的数量;因此能够降低电路的尺寸。注意,甚至当连接关系改变成使得从第三输入端子23提供给第七晶体管37的栅电极的时钟信号以及从第二输入端子22提供给第八晶体管38的栅电极的时钟信号分别从第二输入端子22和第三输入端子23来提供时,也得到类似功能。在这种情况下,在图IOA所示的移位寄存器中,状态从其中第七晶体管37和第八晶体管38均导通的状态转变成其中第七晶体管37关断而第八晶体管38导通的状态,并且然后转变成其中第七晶体管37和第八晶体管38均关断的状态;因此,通过第七晶体管37的栅电极的电位的下降和第 八晶体管38的栅电极的电位的下降两次引起因第二输入端子22和第三输入端子23的电位的下降而引起的节点B的电位的下降。另一方面,在图IOA所示的移位寄存器中,状态从其中第七晶体管和第八晶体管38均导通的状态转变成其中第七晶体管37导通而第八晶体管38关断的状态,并且然后转变成其中第七晶体管37和第八晶体管38均关断的状态。相应地,因第二输入端子22和第三输入端子23的电位的下降而引起的结点B的电位的下降降低到一,这通过第八晶体管38的栅电极的电位的下降引起。因此,连接关系、即时钟信号CK3从第三输入端子23提供给第七晶体管37的栅电极以及时钟信号CK2从第二输入端子22提供给第八晶体管38的栅电极是优选的。那是因为能够降低结点B的电位的变化次数,并且能够降低噪声。这样,在第一输出端子26的电位和第二输出端子27的电位各保持在L电平的期间中,H电平信号定期提供给结点B ;因此,能够抑制脉冲输出电路的故障。注意,这个实施例中所述的结构能够与其它实施例中所述的结构的任意适当地结
口 ο[实施例4]制造实施例I或2中所述的薄膜晶体管,并且具有显示功能的半导体器件(又称作显示装置)能够在像素部分以及还在驱动器电路中使用该薄膜晶体管来制造。此外,具有实施例I或2中所述的薄膜晶体管的驱动器电路的部分或全部在与像素部分相同的衬底之上形成,由此能够得到面板上系统。显示装置包括显示元件。作为显示元件,能够使用液晶元件(又称作液晶显示元件)或发光元件(又称作发光显示元件)。发光元件在其范畴内包括其亮度通过电流或电压来控制的元件,并且在其范畴内具体包括无机电致发光(EL)元件、有机EL元件等等。此夕卜,能够使用其对比度通过电效应、如电子墨水来改变的显示介质。另外,显示装置包括其中密封显示元件的面板以及其中包括控制器的IC等安装到面板的模块。此外,与显示元件在显示装置的制造过程中完成之前的一个实施例对应的元件衬底提供有用于将电流提供给多个像素的每个中的显示元件的部件。具体来说,元件衬底可处于其中仅形成显示元件的像素电极的状态或者处于形成将要成为像素电极的导电膜之后但在蚀刻导电膜以形成像素电极之前的状态,并且能够具有任何模式。注意,本说明书中的显示装置表示图像显示装置、显示装置或者光源(包括照明装置)。此外,显示装置在其范畴内包括下列模块包括诸如柔性印刷电路(FPC)、带式自动接合(TAB)带或者附连的带载封装(TCP)之类的连接器的模块;具有在其端部设置了印刷电路板的TAB带或TCP的模块;以及具有通过玻璃上芯片(COG)方法直接安装到显示元件上的集成电路(IC)的模块。在这个实施例中,参照图I IAl、图11A2和图IlB来描述与半导体器件的一种模式对应的液晶显不面板的外观和截面。图IlAl和图11A2是面板的顶视图,其中各包括实施例I和2中所述的In-Ga-Zn-O基膜作为氧化物半导体层的极可靠薄膜晶体管4010和4011和在第一衬底4001之上形成的液晶元件4013采用密封剂4005密封在第一衬底4001与第二衬底4006之间。图IlB是沿图IlAl和图11A2的线条M-N所截取的截面图。密封剂4005设置成使得围绕设置在第一衬底4001之上的像素部分4002和扫描线驱动器电路4004。第二衬底4006设置在像素部分4002和扫描线驱动器电路4004之上。因此,像素部分4002和扫描线驱动器电路4004连同液晶层4008 —起由第一衬底4001、密封剂4005和第二衬底4006来密封。使用单独制备的衬底之上的单晶半导体膜或多晶半导体膜来形成的信号线驱动器电路4003安装在与第一衬底4001之上的密封剂4005所包围 的区域不同的区域中。注意,对于单独形成的驱动器电路的连接方法没有具体限制,并且可使用COG方法、导线接合方法、TAB方法等等。图IlAl示出其中信号线驱动电路4003通过COG方法来安装的一个示例,而图11A2示出其中信号线驱动电路4003通过TAB方法来安装的一个示例。设置在第一衬底4001之上的像素部分4002和扫描线驱动电路4004的每个包括多个薄膜晶体管。图IlB示出像素部分4002中包含的薄膜晶体管4010以及扫描线驱动电路4004中包含的薄膜晶体管4011。在薄膜晶体管4010和4011之上设置绝缘层4020和4021。包括作为实施例I和2中描述的氧化物半导体层的In-Ga-Zn-O基膜的极可靠薄膜晶体管的任意能够用作薄膜晶体管4010和4011。在这个实施例中,薄膜晶体管4010和4011是η沟道薄膜晶体管。液晶元件4013中包含的像素电极层4030电连接到薄膜晶体管4010。液晶元件4013的对电极层4031设置在第二衬底4006上。其中像素电极层4030、对电极层4031和液晶层4008相互重叠的部分对应于液晶元件4013。注意,像素电极层4030和对电极层4031分别提供有用作配向膜的绝缘层4032和绝缘层4033,并且液晶层4008隔着绝缘层4032和4033夹合在像素电极层4030与对电极层4031之间。虽然未示出,但是滤色件可设置在第一衬底4001侧或者第二衬底4006侦U。注意,第一衬底4001和第二衬底4006能够由玻璃、金属(通常为不锈钢)、陶瓷或塑料来形成。作为塑料,能够使用玻璃纤维增强塑料(FRP)板、聚氟乙烯膜、聚酯膜或丙烯酸树脂膜。另外,能够使用具有其中铝箔夹合在PVF膜或聚酯膜之间的结构的片材。间隔件4035是通过有选择地蚀刻绝缘膜所得到的柱状间隔件,并且被设置以便控制像素电极层4030与对电极层4031之间的距离(单元间隙)。备选地,还可使用球形间隔件。另外,对电极层4031电连接到在与薄膜晶体管4010相同的衬底之上形成的公共电位线。借助于公共连接部分,对电极层4031和公共电位线能够通过设置在一对衬底之间的导电微粒相互电连接。注意,导电微粒包含在密封剂4005中。
备选地,可使用对其不需要配向膜的呈现蓝相的液晶。蓝相是液晶相的一种,其在胆甾型液晶的温度增加的同时恰好在胆 留型相变成各向同性相之前出现。由于蓝相仅出现在窄温度范围中,所以包含大于或等于5重量百分比的手性试剂以使得改进温度范围的液晶组成用于液晶层4008。包括呈现监相的液晶和手性试剂的液晶组成具有大于或等于10微秒但小于或等于100微秒的短响应时间,具有使得不需要配向过程的光学各向异性,并且具有小视角相关性。注意,虽然这个实施例中描述透射液晶显示装置的一个示例,但是本发明还能够应用于反射液晶显示装置或者透反射液晶显示装置。描述按照这个实施例的液晶显示装置的一个示例,其中起偏振片设置在衬底的外表面(观看者侧)上,并且用于显示元件的着色层和电极层设置在衬底的内表面上;但是,起偏振片可设置在衬底的内表面上。起偏振片和着色层的堆叠结构并不局限于这个实施例,而是可根据起偏振片和着色层的材料或者制造过程的条件来适当地设置。此外,可提供用作黑矩阵的遮光膜。在这个实施例中,为了降低薄膜因晶体管引起的表面粗糙度以及提高薄膜晶体管的可靠性,在实施例I或2中得到的薄膜晶体管覆盖有用作保护膜和平坦化绝缘膜的绝缘层(绝缘层4020和4021)。注意,保护膜设置成防止空气中存在的诸如有机物质、金属和水分之类的污染杂质进入,并且优选地是密集膜。保护膜可形成为具有使用氧化硅膜、氮化硅膜、氧氮化硅膜、氧化氮化硅膜、氧化铝膜、氮化铝膜、氧氮化铝膜和氧化氮化铝膜中的任意的单层结构或堆叠层结构。虽然这个实施例描述其中保护膜通过溅射方法来形成的示例,但是可使用任何其它方法。在这个实施例中,形成作为保护膜的具有堆叠层结构的绝缘层4020。在这里,氧化硅膜通过溅射方法作为绝缘层4020的第一层来形成。氧化硅膜用作保护膜具有防止用作源和漏电极层的铝膜的小丘的效果。作为保护膜的第二层,形成绝缘层。在这里,氮化硅膜通过溅射方法作为绝缘层4020的第二层来形成。氮化硅膜用作保护膜能够防止钠等的移动离子进入半导体区,使得能够抑制TFT的电特性的变化。在形成保护膜之后,可执行氧化物半导体层的退火(高于或等于300°C但低于或等于 400°C )。形成作为平坦化绝缘膜的绝缘层4021。可使用诸如丙烯酸酯、聚酰亚胺、苯并环丁烯、聚酰胺或环氧树酯之类的具有耐热性的有机材料来形成绝缘层4021。除了这类有机材料,还有可能使用低介电常数材料(低k材料)、硅氧烷基树脂、磷硅酸盐玻璃(PSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)等。注意,绝缘层4021可通过堆叠使用这些材料所形成的多个绝缘膜来形成。注意,硅氧烷基树脂对应于包括使用硅氧烷基材料作为起始材料所形成的Si-O-Si键的树脂。硅氧烷基树脂可包括有机基团(例如烷基或芳基)或者氟基团作为取代基。另外,有机基团可包括氟基团。对于形成绝缘层4021的方法没有具体限制,并且取决于材料,能够采用下列方法或方式诸如溅射方法、SOG方法、旋涂方法、浸涂方法、喷涂方法或微滴排放方法(例如喷墨方法、丝网印刷或胶印)之类的方法或者诸如刮刀、辊涂机、幕涂机或刮刀式涂层机之类的工具。在借助于液体材料来形成绝缘层4021的情况下,氧化物半导体层的退火(高于或等于300°C但低于或等于400°C )可与烘焙步骤同时执行。绝缘层4021的烘焙步骤还用作氧化物半导体层的退火,由此能够有效地制造半导体器件。能够使用诸如包含氧化鹤的氧化铟、包含氧化鹤的氧化铟锌、包含氧化钛的氧化铟、包含氧化钛的氧化铟锡、氧化铟锡(以下称作ΙΤ0)、氧化铟锌或者添加了氧化硅的氧化铟锡之类的透光导电材料来形成像素电极层4030和对电极层4031。包含导电高分子(又称作导电聚合物)的导电组成能够用于像素电极层4030和对电极层4031。使用导电组成所形成的像素电极优选地具有小于或等于10000欧姆每平方的表面电阻以及在波长550nm的大于或等于70%的透光率。此外,导电组成中包含的导电 高分子的电阻率优选地为小于或等于O. I Ω · cm。作为导电高分子,可使用所谓的π电子共轭导电聚合物。例如,能够给出聚苯胺或其衍生物、聚吡咯或其衍生物、聚噻吩或其衍生物、它们的两种或更多种的共聚物等等。此外,各种信号和电位从FPC 4018提供给单独形成的信号线驱动器电路4003、扫描线驱动器电路4004或像素部分4002。在这个实施例中,连接端子电极4015使用用于液晶元件4013中包含的像素电极层4030的相同导电膜来形成。端子电极4016使用用于薄膜晶体管4010和4011的源和漏电极层的相同导电膜来形成。连接端子电极4015经由各向异性导电膜4019电连接到FPC 4018中包含的端子。图11Α1、图11Α2和图IlB示出其中信号线驱动器电路4003单独形成并且安装到第一衬底4001上的示例;但是,这个实施例并不局限于这个结构。扫描线驱动器电路可单独形成并且然后再安装,或者只有信号线驱动器电路的一部分或者扫描线驱动器电路的一部分可单独形成并且然后再安装。图12示出其中液晶显示模块作为半导体器件、使用采用实施例I或2中所述的薄膜晶体管来制造的TFT衬底2600来形成的示例。图12示出液晶显示模块的一个示例,其中,TFT衬底2600和对衬底2601采用密封剂2602相互固定,并且包括TFT等的像素部分2603、包括液晶层的显示元件2604和着色层2605设置在衬底之间以形成显示区域。着色层2605是执行彩色显示所需的。在RGB系统中,为相应像素提供与红、绿和蓝的颜色对应的相应着色层。起偏振片2606和2607以及扩散板2613设置在TFT衬底2600和对衬底2601的外部。光源包括冷阴极管2610和反射板2611,并且电路衬底2612通过柔性线路板2609连接到TFT衬底2600的布线电路部分2608,并且包括诸如控制电路或电源电路之类的外部电路。起偏振片和液晶层可隔着推迟板来堆叠。液晶显示模块能够采用扭转向列(TN)模式、共面转换(IPS)模式、边缘场转换(FFS)模式、多象限垂直配向(MVA)模式、图案垂直配向(PVA)模式、轴向对称定向微单元(ASM)模式、光学补偿双折射(OCB)模式、铁电液晶(FLC)模式、反铁电液晶(AFLC)模式等。通过上述过程,能够制造作为半导体器件的极可靠液晶显示面板。注意,这个实施例中所述的结构能够与其它实施例中所述的结构的任意适当地结

口 ο[实施例5]
在这个实施例中,将描述作为实施例I或实施例2中所述的薄膜晶体管对其适用的半导体器件的电子纸的示例。图13示出作为半导体器件的一个示例的有源矩阵电子纸。作为用于半导体器件的薄膜晶体管581,能够应用实施例I和2中所述的薄膜晶体管。图13的电子纸是使用扭转球显示系统的显示装置的一个示例。扭转球显示系统指的是一种方法 ,其中,各以黑色和白色着色的球形微粒设置在作为用于显示元件的电极层的第一电极层与第二电极层之间,并且电位差在第一电极层与第二电极层之间生成,以便控制球形微粒的取向,从而进行显示。在衬底580与衬底596之间密封的薄膜晶体管581是具有底栅结构的薄膜晶体管,并且其源或漏电极层通过绝缘层584和585中形成的开口与第一电极层587相接触,由此薄膜晶体管581电连接到第一电极层587。在第一电极层587与第二电极层588之间设置球形微粒589。各球形微粒589包括黑色区域590a和白色区域590b以及围绕黑色区域590a和白色区域590b的填充有液体的空腔594。球形微粒589的圆周填充有诸如树脂等的填充剂595 (参见图13)。在这个实施例中,第一电极层587对应于像素电极,而第二电极层588对应于公共电极。第二电极层588电连接到设置在与薄膜晶体管581相同的衬底之上的公共电位线。借助于实施例I或2中所述的公共连接部分,第二电极层588能够通过设置在一对衬底之间的导电微粒电连接到公共电位线。此外,还能够使用电泳元件代替扭转球。使用直径大致大于或等于10 μ m但小于或等于200 μ m、其中封装了透明液体、带正电白色微粒和带负电黑色微粒的微胶囊。在设置于第一电极层与第二电极层之间的微胶囊中,当电场由第一电极层和第二电极层来施加时,白色微粒和黑色微粒移动到相对侧,使得能够显示白色或黑色。使用这种原理的显示元件是电泳显示元件,并且一般称作电子纸。电泳显示元件具有比液晶显示元件更高的反射率,因此辅助光是不必要的,功率消耗低,并且在昏暗位置能够识别显示部分。另外,甚至当没有向显示部分提供电力时,也能够保持曾经已经显示的图像。相应地,即使具有显示功能的半导体器件(可简单地称作显示装置或者提供有显示装置的半导体器件)远离电波源,也能够存储所显示的图像。通过上述过程,能够实现作为半导体器件的极可靠电子纸。注意,这个实施例中所述的结构能够与其它实施例中所述的结构的任意适当地结

口 ο[实施例6]在这个实施例中,将描述作为实施例I或2中所述的薄膜晶体管对其适用的半导体器件的发光显示装置的示例。作为显示装置中包含的显示元件,在这里描述利用电致发光的发光元件。利用电致发光的发光元件按照发光材料是有机化合物还是无机化合物来分类。一般来说,前一种称作有机EL元件,而后一种称作无机EL元件。在有机EL元件中,通过向发光元件施加电压,电子和空穴从一对电极单独注入包含发光有机化合物的层,并且电流流动。载流子(即电子和空穴)复合,并且因而激发发光有机化合物。发光有机化合物从激发状态返回到基态,由此发光。由于这种机制,这个发光元件称作电流激发发光元件。无机EL元件按照其元件结构分为分散类型无机EL元件和薄膜无机EL元件。分散类型无机EL元件具有发光层,其中发光材料的微粒在粘合剂中分散,并且其发光机制是利用施主级和受主级的施主-受主复合类型光发射。薄膜无机EL元件具有一种结构,其中发光层夹合在介电层之间,并且其光发射机制是利用金属离子的内壳电子跃迁的定域类型光发射,其中介电层又夹合在电极之间。注意,在这里描述作为发光元件的有机EL元件的示例。图14示出数字时间灰度驱动可适用的像素结构的一个示例,作为本发明适用的半导体器件的示例。描述数字时间灰度驱动能够适用的像素的结构和操作。在这里,描述其中一个像素包括各在实施例I和2中描述并且各在沟道形成区中包含氧化物半导体层(In-Ga-Zn-O基膜)的两个η沟道晶体管的示例。像素6400包括开关晶体管6401、驱动器晶体管6402、发光元件6404和电容器6403。开关晶体管6401的栅极连接到扫描线6406,开关晶体管6401的第一电极(源电极 和漏电极其中之一)连接到信号线6405,并且开关晶体管6401的第二电极(源电极和漏电极中的另一个)连接到驱动器晶体管6402的栅极。驱动器晶体管6402的栅极经由电容器6403连接到电源线6407,驱动器晶体管6402的第一电极连接到电源线6407,并且驱动器晶体管6402的第二电极连接到发光兀件6404的第一电极(像素电极)。发光兀件6404的第二电极对应于公共电极6408。公共电极6408电连接到设置在同一衬底之上的公共电位线。连接部分可用作公共连接部分。发光元件6404的第二电极(公共电极6408)设置成低电源电位。注意,低电源电位是参考设置到电源线6407的高电源电位满足低电源电位<高电源电位的电位。作为低电源电位,例如可采用GND电位、OV等。高电源电位与低电源电位之间的电位差施加到发光元件6404,并且电流提供给发光元件6404,使得发光元件6404发光。在这里,为了使发光元件6404发光,各电位设置成使得高电源电位与低电源电位之间的电位差大于或等于发光兀件6404的正向阈值电压。注意,驱动器晶体管6402的栅极电容器可用作电容器6403的替代,使得能够省略电容器6403。驱动器晶体管6402的栅极电容可在沟道区与栅电极之间形成。在电压-输入电压驱动方法的情况下,将视频信号输入到驱动器晶体管6402的栅极,使得驱动器晶体管6402处于充分导通或关断的两种状态的任一种。也就是说,驱动器晶体管6402工作在线性区域。由于驱动器晶体管6402工作在线性区域,所以比电源线6407的电压更大的电压施加到驱动器晶体管6402的栅极。注意,大于或等于(电源线的电压+驱动器晶体管6402的Vth)的电压施加到信号线6405。在执行模拟灰度驱动而不是数字时间灰度驱动的情况下,能够通过改变信号输入来使用与图14相同的像素配置。在执行模拟灰度驱动的情况下,大于或等于(发光元件6404的正向电压+驱动器晶体管6402的Vth)的电压施加到驱动器晶体管6402的栅极。发光元件6404的正向电压表示得到预期亮度时的电压,并且至少包括正向阈值电压。驱动晶体管6402用以工作在饱和区域的视频信号被输入,使得电流能够提供给发光元件6404。为了使驱动器晶体管6402工作在饱和区域,电源线6407的电位设置成大于驱动器晶体管6402的栅电位。当使用模拟视频信号时,有可能按照视频信号将电流馈送到发光元件6404,并且执行模拟灰度驱动。
注意,像素结构并不局限于图14所示。例如,开关、电阻器、电容器、晶体管、逻辑电路等可添加到图14所示的像素。
接下来将参照图15A至图15C来描述发光元件的结构。在这里,示出驱动器TFT是η沟道晶体管的情况,并且描述像素的截面结构。用于图15Α至图15C所示的半导体器件的驱动器TFT的7001、7011和7021能够按照与实施例I和2中所述的薄膜晶体管相似的方式来制造,并且是各包括作为氧化物半导体层的In-Ga-Zn-O基膜的极可靠薄膜晶体管。
为了抽取从发光元件所发射的光线,要求阳极和阴极中的至少一个透射光线。薄膜晶体管和发光元件在衬底之上形成。发光元件能够具有顶部发光结构,其中光发射通过与衬底侧相对侧的表面来抽取;底部发光结构,其中光发射通过衬底侧的表面来抽取;或者双重发光结构,其中光发射通过与衬底侧相对侧的表面和衬底侧的表面来抽取。按照本发明的一个实施例的像素结构能够应用于具有这些发光结构的任意种类的发光元件。接下来将参照图15Α来描述具有底部发光结构的发光元件。图15Α是在驱动器TFT 7011是η沟道晶体管并且发光元件7012中生成的光线被发射以经过第一电极7013的情况下的像素的截面图。图15Α中,发光元件7012的第一电极层7013在电连接到驱动器TFT 7011的漏电极层的透光导电膜7017之上形成,并且EL层7014和第二电极7015按照该顺序堆叠在第一电极7013之上。作为透光导电膜7017,能够使用诸如包含氧化鹤的氧化铟、包含氧化鹤的氧化铟锌、包含氧化钛的氧化铟、包含氧化钛的氧化铟锡、氧化铟锡、氧化铟锌或者添加了氧化硅的氧化铟锡的膜之类的透光导电膜。各种材料的任意种类能够用于发光兀件的第一电极7013。例如,在第一电极7013用作阴极时,具体来说,优选地使用诸如Li或Cs之类的碱金属、诸如Mg、Ca或Sr之类的碱土金属、包含这些金属的任意种类的合金(例如MG:Ag、Al:Li)或者诸如Yb或Er之类的稀土金属等的具有低功函数的材料来形成第一电极7013。图15A中,第一电极7013形成为具有足以透射光线的厚度(优选地为大约5nm至30nm)。例如,厚度为20nm的铝膜用作第一电极7013。备选地,透光导电膜和铝膜可堆叠并且然后有选择地蚀刻,以使得形成透光导电膜7017和第一电极7013。在这种情况下,蚀刻能够使用相同掩模来执行,这是优选的。第一电极7013的周边部分覆盖有间隔7019。间隔7019能够使用聚酰亚胺、丙烯酸酯、聚酰胺、环氧树脂等的有机树脂膜、无机绝缘膜或者有机聚硅氧烷来形成。特别优选的是,间隔7019使用光敏树脂材料来形成,以便在第一电极7013之上具有开口,使得开口的侧壁作为具有连续曲率的斜面来形成。在光敏树脂材料用于间隔7019的情况下,能够省略形成抗蚀剂掩模的步骤。在第一电极7013和间隔7019之上形成的EL层7014可至少包括发光层,并且使用单层或者堆叠的多层来形成。当EL层7014使用多层来形成时,电子注入层、电子传输层、发光层、空穴传输层和空穴注入层按照该顺序堆叠在用作阴极的第一电极7013之上。注意,不是必须形成所有这些层。堆叠顺序并不局限于上述堆叠顺序,而是空穴注入层、空穴传输层、发光层、电子传输层和电子注入层可按照该顺序堆叠在用作阳极的第一电极7013之上。但是,当比较功率消耗时,优选的是第一电极7013用作阴极,并且将电子注入层、电子传输层、发光层、空穴传输层和空穴注入层按照该顺序堆叠在第一电极7013之上,因为能够抑制驱动器电路部分的电压升高,并且能够降低功率消耗。作为在EL层7014之上形成的第二电极7015,能够使用各种材料。例如,在第二电极7015用作阳极时,优选地是使用诸如ZrN、Ti、W、Ni、Pt、Cr之类的具有高功函数的材料,或者诸如ITO、IZO或ZnO之类的透光导电材料。此外,挡光膜7016、例如阻挡光线的金属、反射光线的金属等设置在第二电极7015之上。在这个实施例中,ITO膜用作第二电极7015,并且Ti膜用作挡光膜7016。发光元件7012对应于其中包括发光层的EL层7014夹合在第一电极7013与第二电极7015之间的区域。在图15A所示的元件结构的情况下,光线从发光元件7012发射到第一电极7013侧,如箭头所示。注意,图15A中,从发光元件7012所发射的光线经过滤色件层7033、绝缘层7032、氧化物绝缘层7031、栅绝缘层7060和衬底7010,以便发射到外部。 滤色件层7033通过微滴排放方法、诸如喷墨方法、印刷方法、借助于光刻技术的蚀刻方法等来形成。滤色件层7033覆盖有覆盖层7034,并且还覆盖有保护绝缘层7035。虽然覆盖层7034在图15A中示为具有小厚度,但是覆盖层7034具有借助于诸如丙烯酸树脂之类的树脂材料来降低滤色件层7033所引起的不平整的功能。在保护绝缘层7035和绝缘层7032中形成并且到达连接电极层7030的接触孔设置在与间隔7019重叠的部分中。接下来将参照图15B来描述具有双重发光结构的发光元件。图15B中,发光元件7022的第一电极7023在电连接到驱动器TFT 7021的漏电极层的透光导电膜7027之上形成,并且EL层7024和第二电极7025按照该顺序堆叠在第一电极7023之上。作为透光导电膜7027,能够使用诸如包含氧化鹤的氧化铟、包含氧化鹤的氧化铟锌、包含氧化钛的氧化铟、包含氧化钛的氧化铟锡、氧化铟锡、氧化铟锌或者添加了氧化硅的氧化铟锡的膜之类的透光导电膜。各种材料的任意种类能够用于第一电极7023。例如,在第一电极7023用作阴极时,具体来说,优选地使用诸如Li或Cs之类的碱金属、诸如Mg、Ca或Sr之类的碱土金属、包含这些金属的任意种类的合金(例如MG:Ag、Al:Li)或者诸如Yb或Er之类的稀土金属等的具有低功函数的材料来形成第一电极7023。在这个实施例中,第一电极7023用作阴极,并且第一电极7023形成为具有足以透射光线的厚度(优选地大约为5nm至30nm)。例如,厚度为20nm的铝膜能够用作阴极。备选地,透光导电膜和铝膜可堆叠并且然后有选择地蚀刻,以使得形成透光导电膜7027和第一电极7023。在这种情况下,蚀刻能够使用相同掩模来执行,这是优选的。第一电极7023的周边部分覆盖有间隔7029。间隔7029能够使用聚酰亚胺、丙烯酸酯、聚酰胺、环氧树脂等的有机树脂膜、无机绝缘膜或者有机聚硅氧烷来形成。特别优选的是,间隔7029使用光敏材料来形成,以便在第一电极7023之上具有开口,使得开口的侧壁作为具有连续曲率的斜面来形成。在光敏树脂材料用于间隔7029的情况下,能够省略形成抗蚀剂掩模的步骤。
在第一电极7023和间隔7029之上形成的EL层7024可至少包括发光层,并且使用单层或者堆叠的多层来形成。当EL层7024使用多层来形成时,电子注入层、电子传输层、发光层、空穴传输层和空穴注入层按照该顺序堆叠在用作阴极的第一电极7023之上。注意,不是必须形成所有这些层。堆叠顺序并不局限于以上所述,而是第一电极7023用作阳极,并且空穴注入层、空穴传输层、发光层、电子传输层和电子注入层可按照该顺序堆叠在第一电极7023之上。注意,当比较功率消耗时,优选的是第一电极7023用作阴极,并且 电子注入层、电子传输层、发光层、空穴传输层和空穴注入层按照该顺序堆叠在阴极之上,因为能够降低功率消耗。作为在EL层7024之上形成的第二电极7025,能够使用各种材料。例如,在第二电极7025用作阳极时,优选地是使用具有高功函数的材料、例如诸如ITO、IZO或ZnO之类的透光导电材料。在这个实施例中,第二电极7025用作阳极,并且形成包括氧化硅的ITO膜。发光元件7022对应于其中包括发光层的EL层7024夹合在第一电极7023与第二电极7025之间的区域。在图15B所示的元件结构的情况下,从发光元件7022所发射的光线从第二电极7025侧和第一电极7023侧发射,如箭头所示。注意,图15B中,从发光元件7022发射到第一电极7023侧的光线经过滤色件层7043、绝缘层7042、氧化物绝缘层7041、栅绝缘层7070和衬底7010,以便发射到外部。滤色件层7043通过微滴排放方法、诸如喷墨方法、印刷方法、借助于光刻技术的蚀刻方法等来形成。滤色件层7043覆盖有覆盖层7044,并且还覆盖有保护绝缘层7045。在保护绝缘层7045和绝缘层7042中形成并且到达连接电极层7040的接触孔设置在与间隔7029重叠的部分中。注意,在使用具有双重发光结构的发光元件并且对两个显示表面执行全色显示的情况下,来自第二电极7025侧的光线没有经过滤色件层7043 ;因此,提供有另一个滤色件层的密封衬底优选地设置在第二电极7025上。接下来将参照图15C来描述具有顶部发光结构的发光元件。图15C是在驱动器TFT 7001是η沟道TFT并且发光元件7002中生成的光线被发射以经过第二电极7005的情况下的像素的截面图。图15C中,发光元件7002的第一电极层7003形成为电连接到驱动器TFT 7001的漏电极层,并且EL层7004和第二电极7005按照该顺序堆叠在第一电极7003之上。第一电极7003能够使用各种材料的任意种类来形成;例如,当第一电极7003用作阴极时,优选的是使用具有低功函数的材料,例如诸如Li或Cs之类的碱金属、诸如Mg、Ca或Sr之类的碱土金属、包含这些金属的任意种类的合金(例如Mg:Ag、Al:Li)或者诸如Yb或Er之类的稀土金属。在第一电极7003和间隔7009之上形成的EL层7004可至少包括发光层,并且使用单层或者堆叠的多层来形成。当EL层7004使用多层来形成时,通过将电子注入层、电子传输层、发光层、空穴传输层和空穴注入层按照该顺序堆叠在第一电极7003之上,来形成EL层7004。注意,不是必须形成所有这些层。堆叠顺序并不局限于上述堆叠顺序,而是空穴注入层、空穴传输层、发光层、电子传输层和电子注入层可按照该顺序堆叠在用作阳极的第一电极7003之上。图15C中,空穴注入层、空穴传输层、发光层、电子传输层和电子注入层按照该顺序堆叠在层压膜之上,该层压膜中Ti膜、铝膜和Ti膜按照该顺序堆叠。此外,形成Mg:Ag合金薄膜和ITO膜的堆叠层。注意,当TFT 7001是η沟道晶体管时,优选的是将电子注入层、电子传输层、发光层、空穴传输层和空穴注入层按照该顺序堆叠在第一电极7003之上,因为能够抑制驱动器电路的电压的增加,并且能够降低功率消耗。第二电极7005使用透光导电材料来形成;例如能够使用包含氧化钨的氧化铟、包含氧化鹤的氧化铟锌、包含氧化钛的氧化铟、包含氧化钛的氧化铟锡、氧化铟锡、氧化铟锌或者添加了氧化硅的氧化铟锡等的透光导电膜。
发光元件7002对应于其中包括发光层的EL层7004夹合在第一电极7003与第二电极7005之间的区域。在图15C所示的元件结构的情况下,光线从发光元件7002发射到第二电极7005侧,如箭头所示。图15C中,TFT 7001的漏电极层通过氧化物绝缘层7051、保护绝缘层7052和绝缘层7055中形成的接触孔电连接到第一电极7003。平坦化绝缘层7053能够使用诸如聚酰亚胺、丙烯酸酯、苯并环丁烯、聚酰胺或环氧树酯之类的树脂材料来形成。除了这类树脂材料之外,还有可能使用低介电常数材料(低k材料)、硅氧烷基树脂、磷硅酸盐玻璃(PSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)等。注意,可通过堆叠由这些材料所形成的多个绝缘膜,来形成平坦化绝缘层7053。对于用于形成平坦化绝缘层7053的方法没有具体限制,并且平坦化绝缘层7053能够根据材料、通过诸如溅射方法、SOG方法、旋涂方法、浸涂方法、喷涂或者微滴排放方法(例如喷墨方法、丝网印刷、或胶印等)之类的方法或者采用诸如刮刀、辊涂机、幕涂机或刮刀式涂层机之类的工具(设备)来形成。提供间隔7009,以使得将第一电极7003和相邻像素的第一电极7003绝缘。间隔7009能够使用聚酰亚胺、丙烯酸酯、聚酰胺、环氧树脂等的有机树脂膜、无机绝缘膜或者有机聚硅氧烷来形成。特别优选的是,间隔7009使用光敏树脂材料来形成,以便在第一电极7003之上具有开口,使得开口的侧壁作为具有连续曲率的斜面来形成。在光敏树脂材料用于间隔7009的情况下,能够省略形成抗蚀剂掩模的步骤。在图15C所示的结构中,为了执行全色显示,发光元件7002、与发光元件7002相邻的发光元件之一以及发光元件的另一个例如分别是绿色发射发光元件、红色发射发光元件和蓝色发射发光元件。备选地,除了三种发光元件之外,还可使用包括白色发射发光元件的四种发光元件来制造能够进行全色显示的发光显示装置。在图15C的结构中,能够进行全色显示的发光显示装置可按照如下方式来制造使得设置的所有多个发光元件为白色发射发光元件,并且具有滤色件等的密封衬底设置在发光元件7002之上。呈现单色、如白色的材料被形成并且与滤色件或颜色转换层相结合,由此能够执行全色显示。不用说,也能够执行单色光的显示。例如,照明装置可借助于白光发射来形成,或者背景色发光装置(area-color light emitting device)可借助于单色光发射来形成。必要时,可设置光学膜、例如包括圆偏振片的起偏振膜。 注意,虽然有机EL元件在这里描述为发光元件,但是无机EL元件也能够作为发光元件来提供。注意,描述其中控制发光元件的驱动的薄膜晶体管(驱动器TFT)电连接到发光元件的示例;但是可采用其中用于电流控制的TFT连接在驱动器TFT与发光元件之间的结构。这个实施例中所述的半导体器件的结构并不局限于图15A至图15C所示,而是能够基于本发明的技术的精神通过各种方式来修改。接下来,参照图16A和图16B来描述对应于实施例I或2中所述的薄膜晶体管对其适用的半导体器件的一个实施例的发光显示面板(又称作发光面板)的外观和截面。图 16A是其中在第一衬底之上形成的薄膜晶体管和发光元件采用密封剂密封在第一衬底与第二衬底之间的面板的顶视图。图16B是沿图16A的线条H-I所截取的截面图。密封剂4505设置成使得包围设置在第一衬底4501之上的像素部分4502、信号线驱动器电路4503a和4503b以及扫描线驱动器电路4504a和4504b。另外,第二衬底4506设置在像素部分4502、信号线驱动器电路4503a和4503b以及扫描线驱动器电路4504a和4504b之上。相应地,像素部分4502、信号线驱动器电路4503a和4503b以及扫描线驱动器电路4504a和4504b连同填充剂4507 —起通过第一衬底4501、密封剂4505和第二衬底4506来密封。优选的是,面板采用保护膜(例如层压膜或紫外线固化树脂膜)或者具有高气密和极小除气的覆盖材料来封装(密封),使得按照这种方式面板没有暴露于外部空气。在第一衬底4501之上形成的像素部分4502、信号线驱动器电路4503a和4503b以及扫描线驱动器电路4504a和4504b各包括多个薄膜晶体管,并且像素部分4502中包含的薄膜晶体管4510以及信号线驱动器电路4503a中包含的薄膜晶体管4509在图16B中作为示例示出。包括作为实施例I和2中描述的氧化物半导体层的In-Ga-Zn-O基膜的极可靠薄膜晶体管的任意能够用作薄膜晶体管4509和4510。在这个实施例中,薄膜晶体管4509和4510是η沟道薄膜晶体管。在绝缘层4544之上,导电层4540设置在与用于驱动器电路的薄膜晶体管4509的氧化物半导体层的沟道形成区重叠的位置中。通过将导电层4540设置成使得与氧化物半导体层的沟道形成区重叠,能够降低在BT测试之前与之后之间的薄膜晶体管4509的阈值电压的变化量。此外,导电层4540的电位可与薄膜晶体管4509的栅电极层的电位相等或不同。导电层4540还能够用作第二栅电极层。备选地,导电层4540的电位可以是GND电位或0V,或者导电层4540可处于浮态。此外,参考标号4511表不发光兀件。作为发光兀件4511中包含的像素电极的第一电极层4517电连接到薄膜晶体管4510的源或漏电极层。注意,发光元件4511的结构是第一电极层4517、电致发光层4512和第二电极4513的堆叠层结构,但是对该结构没有具体限制。发光元件4511的结构能够根据从发光元件4511抽取光线的方向等等适当地改变。间隔4520使用有机树脂膜、无机绝缘膜或有机聚硅氧烷来形成。特别优选的是,间隔4520使用光敏材料来形成,并且在第一电极层4517上形成开口,以使得开口的侧壁作为具有连续曲率的斜面来形成。电致发光层4512可采用单层或堆叠的多层来形成。保护膜可在第二电极层4513和间隔4520之上形成,以便防止氧、氢、水分、二氧化碳等进入发光元件4511。作为保护膜,能够形成氮化硅膜、氧化氮化硅膜、DLC膜等。
另外,各种信号和电位从FPC 4518a和4518b提供给信号线驱动器电路4503a和4503b、扫描线驱动器电路4504a和4504b或者像素部分4502。在这个实施例中,连接端子电极4515使用用于发光兀件4511中包含的第一电极层4517的相同导电膜来形成。端子电极4516使用用于薄膜晶体管4509和4510中包含的源和漏电极层的相同导电膜来形成。连接端子电极4515经由各向异性导电膜4519电连接到FPC4518a中包含的端子。位于从发光兀件4511抽取光线的方向中的第二衬底应当具有透光性质。在那种情况下,诸如玻璃板、塑料板、聚酯膜或丙烯酸酯膜之类的透光材料用于第二衬底。作为填充剂4507,除了诸如氮或氩之类的惰性气体之外,还能够使用紫外线固化树脂或热固树脂。例如,能够使用聚氯乙烯(PVC)、丙烯酸酯、聚酰亚胺、环氧树脂、有机硅树月旨、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)或乙烯醋酸乙烯酯(EVA)。在这个实施例中,氮用于填充剂。另外,在需要时,诸如起偏振片、圆偏振片(包括椭圆偏振片)、推迟板(四分之一波片或半波片)或滤色件之类的光学膜可适当地设置在发光元件的发光表面上。此外,起偏振片或圆偏振片可提供有抗反射膜。例如,能够执行防眩光处理,通过该处理,反射光能够经由表面的凸出部分和凹陷部分来扩散,以便降低眩光。信号线驱动器电路4503a和4503b以及扫描线驱动器电路4504a和4504b可作为使用单晶半导体膜或者多晶半导体膜在单独制备的衬底之上形成的驱动器电路来安装。另夕卜,只有信号线驱动器电路或其一部分或者扫描线驱动器电路或其一部分可单独形成并且安装。这个实施例并不局限于图16B和图16B所示的结构。通过上述过程,能够制造作为半导体器件的极可靠的发光显示装置(显示面板)。注意,这个实施例中所述的结构能够与其它实施例中所述的结构的任意适当地结
合 ο[实施例7]实施例I或2所述的薄膜晶体管对其适用的半导体器件能够用作电子纸。电子纸能够用于各种领域的电子装置,只要它们能够显示数据即可。例如,电子纸能够应用于电子书籍阅读器(电子书)、海报、诸如火车之类的车辆中的广告、诸如信用卡之类的各种卡的显示器。电子装置的示例如图17A和图17B以及图18所示。图17A示出使用电子纸的海报2631。在广告介质是印刷纸张的情况下,广告由手工取代;但是,通过使用电子纸,广告显示能够在短时间内改变。此外,能够在没有显示缺陷的情况下得到稳定图像。注意,海报可具有能够无线传送和接收数据的配置。图17B示出诸如火车之类的车辆中的广告2632。在广告介质是纸张的情况下,广告由手工取代,但是在它是电子纸的情况下,不需要许多人力,并且广告显示能够在短时间内改变。此外,能够在没有显示缺陷的情况下得到稳定图像。注意,车辆中的广告可具有能够无线传送和接收数据的配置。图18示出电子书阅读器的一个示例。例如,电子书阅读器2700包括两个壳体,即壳体2701和壳体2703。壳体2701和壳体2703与铰链2711结合,使得电子书阅读器2700能够采用铰链2711作为轴来开启和闭合。通过这种结构,电子书阅读器2700能够像纸书
一样进行操作。
显示部分2705和显示部分2707分别结合在壳体2701和壳体2703中。显示部分2705和显示部分2707可显示一个图像或者不同图像。在其中不同的图像显示于不同显示部分的结构中,例如右显示部分(图18中的显示部分2705)能够显示文本,而左显示部分(图18中的显示部分2707)能够显示图像。在图18所示的示例中,壳体2701提供有操作部分等。例如,壳体2701提供有电源开关2721、操作按键2723、喇叭2725等。通过操作按键2723能够翻页。注意,键盘、指针装置等可设置在与壳体的显示部分相同的表面上。此外,外部连接端子(耳机端子、USB端子、能够连接到例如AC适配器和USB缆线等各种缆线的端子等等)、记录介质插入部分等等可设置在壳体的背面或侧表面上。此外,电子书阅读器2700可具有电子词典的功能。电子书阅读器2700可具有能够无线传送和接收数据的配置。通过无线通信,期望的书籍数据等等能够从电子书籍服务器购买和下载。注意,这个实施例中所述的结构能够与其它实施例中所述的结构的任意适当地结
口 ο [实施例8]使用实施例I或2中所述的薄膜晶体管的半导体器件能够应用于各种电子电器(包括游戏机)。电子装置的示例是电视机(又称作电视或电视接收器)、计算机等的监视器、例如数码相机或数字摄像机等照相装置、数码相框、移动电话(又称作移动电话手机或移动电话装置)、便携游戏控制台、便携信息终端、音频再现装置、例如弹球盘机等大型游戏机等等。图19A示出电视机的一个示例。在电视机9600中,显示部分9603结合在壳体9601中。显示部分9603能够显示图像。在这里,壳体9601由支架9605来支承。电视机9600能够与壳体9601的操作开关或者独立遥控器9610配合操作。频道和音量能够采用遥控器9610的操作按键9609来控制,使得能够控制显示部分9603显示的图像。此外,遥控器9610可提供有显示部分9607,用于显示从遥控器9610输出的数据。注意,电视机9600提供有接收器、调制解调器等。借助于接收器,能够接收一般电视广播。此外,当电视机9600通过有线或无线经由调制解调器连接到通信网络时,能够执行单向(从发送器到接收器)或双向(在发送器与接收器之间或者在接收器之间)信息通 目。图19Β示出数码相框的一个示例。例如,在数码相框9700中,显示部分9703结合到壳体9701中。显示部分9703能够显示各种图像。例如,显示部分9703能够显示采用数码相机等拍摄的图像的数据,并且用作标准相框。注意,数码相框9700提供有操作部分、外部连接部分(例如USB端子、能够连接到诸如USB缆线之类的各种缆线的端子等)、记录介质插入部分等等。虽然这些组件可设置在其上设置了显示部分的表面,但对于数码相框9700的设计,优选的是将它们设置在侧表面或背面。例如,将存储采用数码相机所拍摄的图像的数据的存储器插入数码相框的记录介质插入部分,由此图像数据可被传递以及然后在显示部分9703上显示。数码相框9700可配置成无线传送和接收数据。可采用其中无线传递期望的图像数据以便显示的该结构。图20Α是便携游戏机,并且由壳体9881和壳体9891两个壳体构成,其中壳体9881和壳体9891与接合部分9893连接,使得便携游戏机能够开启或折叠。显示部分9882和显示部分9883分别结合在壳体9881和壳体9891中。另外,图20A所示的便携游戏机提供有喇叭部分9884、记录介质插入部分9886、LED灯9890、输入部件(操作按键9885、连接端子9887、传感器9888 (具有测量力、位移、位置、速度、加速度、角速度、转数、距离、光、液体、磁、温度、化学物质、声音、时间、硬度、电场、电流、电压、电力、辐射射线、流率、湿度、梯度、振动、气味或红外线的功能)和话筒9889)等等。不用说,便携游戏机的结构并不局限于以上所述,而是可采用至少提供有本发明的半导体器件的其它结构。便携游戏机可适当地包括其它配件。图20A所示的便携游戏机具有读取记录介质中存储的程序或数据以将其显示于显示部分的功能以及通过无线通信与另一个便携游戏机共享信息的功能。注意,图20A所示的便携游戏机的功能并不局限于以上所述,而是便携游戏机能够具有各种功能。
图20B示出作为大型游戏机的投币机的一个示例。在投币机9900中,显示部分9903结合在壳体9901中。另外,投币机9900包括例如起动杆或停止开关、投币孔、喇叭等操作部件。不用说,投币机9900的结构并不局限于以上所述,而是可采用至少提供有本发明的半导体器件的其它结构。投币机9900可适当地包括其它配件。图21A示出移动电话的一个示例。移动电话1000包括结合在壳体1001中的显示部分1002、操作按钮1003、外部连接端口 1004、喇叭1005、话筒1006等等。当采用手指等触摸图21A所示的显示部分1002时,数据能够输入到移动电话1000。此外,例如拨打电话和写邮件等操作可通过用手指等触摸显示部分1002来执行。主要存在显示部分1002的三种屏幕模式。第一模式是主要用于显示图像的显示模式。第二模式是主要用于输入诸如文本之类的数据的输入模式。第三模式是显示和输入模式,其中结合了显不模式和输入模式这两种模式。例如,在拨打电话或者写邮件的情况下,对显示部分1002选择主要用于输入文本的文本输入模式,使得能够输入在屏幕上显示的文本。在那种情况下,优选的是在显示部分1002的屏幕的几乎所有区域显示键盘或数字按钮。当包括例如陀螺仪或加速传感器等用于检测倾斜的传感器的检测装置设置在移动电话1000内部时,显示部分1002的屏幕中的显示能够通过确定移动电话1000的安装方向(移动电话1000针对风景模式或肖像模式是水平还是垂直放置)自动切换。屏幕模式通过触摸显示部分1002或者操作壳体1001的操作按钮1003来切换。备选地,屏幕模式可根据显示部分1002上显示的图像种类来切换。例如,当显示部分显示的图像的信号是运动图像数据的信号时,屏幕模式切换到显示模式。当信号是文本数据的信号时,屏幕模式切换到输入模式。此外,在输入模式中,当检测到由显示部分1002中的光学传感器所检测的信号的同时在某个时间段期间没有执行通过触摸显示部分1002进行的输入时,屏幕模式可控制成使得从输入模式切换到显示模式。显示部分1002可用作图像传感器。例如,掌纹、指纹等的图像在用手掌或手指触摸显示部分1002时来拍摄,由此能够执行人物识别。此外,通过在显示部分提供背光或者发出近红外光的感测光源,能够拍摄指静脉、掌静脉等的图像。图21B还示出移动电话的一个示例。图21B中的移动电话包括显示装置9410,其中显示部分9412和操作按钮9413包含在壳体9411中;以及通信装置9400,其中操作按钮9402、外部输入终端9403、话筒9404、喇叭9405和在接收到呼叫时发光的发光部分9406包含在壳体9401中。具有显示功能的显示装置9410可在如箭头所示的两个方向与具有电话功能的通信装置9400分离或附连。因此,显示装置9410的短轴能够附连到通信装置9400的短轴,并且显示装置9410的长轴能够附连到通信装置9400的长轴。另外,当仅需要显示功能时,显示装置9410能够与通信装置9400分离并且单独使用。图像或输入信息能够通过各具有可充电电池的通信装置9400与显示装置9410之间的无线或有线通信来传送或接收。注意,这个实施例中所述的结构能够与其它实施例中所述的结构的任意适当地结
口 ο [实施例9]在这个实施例中,使用科学计算结果来描述在非晶氧化物半导体层的情况与结晶氧化物半导体层的情况之间的氧在氧化物半导体层与金属层(导电层)或者氧化物绝缘层相接触时移动的现象的差别。图24是其中在作为本发明的一个实施例的薄膜晶体管的结构中氧化物半导体层与用作源电极层和漏电极层的金属层以及氧化物绝缘层相接触的状态的示意图。箭头的方向指示在它们相互接触的状态中或者在它们被加热的状态中的氧的移动方向。当氧空位发生时,i型氧化物半导体层具有η型导电,而当氧供应过度时,氧空位所引起的η型氧化物半导体层成为i型氧化物半导体层。这个效果用于实际装置过程中,并且在与用作源电极层和漏电极层的金属层相接触的氧化物半导体层中,氧被拉取到金属侦牝并且氧空位在与金属层相接触的区域的一部分中(在小厚度的情况下,沿膜厚度方向在整个区域中)发生,由此氧化物半导体层成为η型氧化物半导体层,并且能够得到与金属层的有利接触。另外,氧从氧化物绝缘层提供到与氧化物绝缘层相接触的氧化物半导体层,并且与氧化物绝缘层相接触的氧化物半导体层的区域的一部分(在小厚度的情况,在沿膜厚度方向的整个区域中)包含过剩氧以成为i型区域,由此氧化物半导体层成为i型氧化物半导体层,并且用作薄膜晶体管的沟道形成区。在本发明的一个实施例中,在氧化物半导体层与用作源电极层和漏电极层的金属层以及氧化物绝缘层相接触的区域中,形成结晶区,并且该区域处于非晶状态的情况与该区域为结晶区的情况之间的氧移动状态的差别通过科学计算来检查。用于科学计算的模型具有In-Ga-Zn-O基非晶结构和In-Ga-Zn-O基晶体结构。在每个模型中,矩形固体的纵向的区域之一与另一区域相比(参见图25A和图25B)为缺氧10%。该计算是比较在650°C的加速条件下在10纳秒之后的In-Ga-Zn-O基非晶结构和In-Ga-Zn-O基晶体结构中的氧分布。在表I和表2中示出相应条件。表I
结构条件
原子数317(氧=192)晶格常数a=b=1.3196 nm, c=2.601 nm, α=β=90。,
γ=120°
密度6.23 g/cm3
权利要求
1.一种半导体器件,包括 栅电极层; 所述栅电极层之上的栅绝缘层; 所述栅绝缘层之上的氧化物半导体层; 与所述氧化物半导体层的一部分相接触的氧化物绝缘层;以及 与所述氧化物半导体层的一部分相接触的源电极层和漏电极层, 其中,在所述氧化物半导体层中,所述源电极层与所述氧化物绝缘层之间的区域以及所述漏电极层与所述氧化物绝缘层之间的区域各具有小于与所述源电极层重叠的区域、与所述氧化物绝缘层重叠的区域和与所述漏电极层重叠的区域的每个的厚度。
2.如权利要求I所述的半导体器件,其中,所述氧化物绝缘层从由氧化硅膜、氧化氮化 硅膜、氧化铝膜和氧氮化铝膜所组成的组中选取。
3.如权利要求I所述的半导体器件,其中,所述氧化物半导体层包含铟、镓和锌。
4.一种半导体器件,包括 栅电极层; 所述栅电极层之上的栅绝缘层; 所述栅绝缘层之上的氧化物半导体层; 与所述氧化物半导体层的一部分相接触的氧化物绝缘层;以及 与所述氧化物半导体层的一部分相接触的源电极层和漏电极层, 其中,在所述氧化物半导体层中,所述源电极层与所述氧化物绝缘层之间的区域以及所述漏电极层与所述氧化物绝缘层之间的区域各具有小于与所述源电极层重叠的区域、与所述氧化物绝缘层重叠的区域和与所述漏电极层重叠的区域的每个的厚度,并且其中与所述氧化物绝缘层相接触的所述氧化物半导体层的表面部分具有结晶区。
5.如权利要求4所述的方法,其中,所述氧化物绝缘层从由氧化硅膜、氧化氮化硅膜、氧化铝膜和氧氮化铝膜所组成的组中选取。
6.如权利要求4所述的半导体器件,其中,所述氧化物半导体层包含铟、镓和锌。
7.如权利要求4所述的半导体器件,其中,c轴取向为沿垂直于所述氧化物半导体层的表面的方向的纳米晶在所述结晶区中形成。
8.一种显示装置,包括 衬底之上的像素部分和驱动器电路部分,所述像素部分和所述驱动器电路部分各包括薄膜晶体管, 其中,所述薄膜晶体管包括 栅电极层; 所述栅电极层之上的栅绝缘层; 所述栅绝缘层之上的氧化物半导体层; 与所述氧化物半导体层的一部分相接触的氧化物绝缘层;以及 与所述氧化物半导体层的一部分相接触的源电极层和漏电极层, 其中,在所述氧化物半导体层中,所述源电极层与所述氧化物绝缘层之间的区域以及所述漏电极层与所述氧化物绝缘层之间的区域各具有小于与所述源电极层重叠的区域、与所述氧化物绝缘层重叠的区域和与所述漏电极层重叠的区域的每个的厚度。
9.如权利要求8所述的显示装置,其中,所述氧化物绝缘层从由氧化硅膜、氧化氮化硅膜、氧化铝膜和氧氮化铝膜所组成的组中选取。
10.如权利要求8所述的显示装置,其中,所述氧化物半导体层包含铟、镓和锌。
11.一种显示装置,包括 衬底之上的像素部分和驱动器电路部分,所述像素部分和所述驱动器电路部分各包括薄膜晶体管, 其中,所述薄膜晶体管包括 栅电极层; 所述栅电极层之上的栅绝缘层; 所述栅绝缘层之上的氧化物半导体层; 与所述氧化物半导体层的一部分相接触的氧化物绝缘层;以及 与所述氧化物半导体层的一部分相接触的源电极层和漏电极层, 其中,在所述氧化物半导体层中,所述源电极层与所述氧化物绝缘层之间的区域以及所述漏电极层与所述氧化物绝缘层之间的区域各具有小于与所述源电极层重叠的区域、与所述氧化物绝缘层重叠的区域和与所述漏电极层重叠的区域的每个的厚度,并且其中与所述氧化物绝缘层相接触的所述氧化物半导体层的表面部分具有结晶区。
12.如权利要求11所述的显示装置,其中,所述氧化物绝缘层从由氧化硅膜、氧化氮化硅膜、氧化铝膜和氧氮化铝膜所组成的组中选取。
13.如权利要求11所述的显示装置,其中,所述氧化物半导体层包含铟、镓和锌。
14.如权利要求11所述的显示装置,其中,c轴取向为沿垂直于所述氧化物半导体层的表面的方向的纳米晶在所述结晶区中形成。
15.一种电子电器,其中使用如权利要求I所述的半导体器件。
16.一种电子电器,其中使用如权利要求4所述的半导体器件。
17.一种电子电器,其中使用如权利要求8所述的显示装置。
18.一种电子电器,其中使用如权利要求11所述的显示装置。
全文摘要
沟道保护薄膜晶体管中,其中沟道形成区使用氧化物半导体来形成,通过热处理来脱水或脱氢的氧化物半导体层用作活性层,包括纳米晶的结晶区包含在沟道形成区的表面部分中,并且其余部分是非晶的或者由非晶质/非晶体和微晶体的混合物来形成,其中非晶区点缀有微晶体。通过使用具有这种结构的氧化物半导体层,能够防止由于水分进入表面部分或者从表面部分消除氧所引起的转变成n型以及防止寄生沟道的生成,并且能够降低与源和漏电极的接触电阻。
文档编号G02F1/1368GK102648524SQ201080045818
公开日2012年8月22日 申请日期2010年9月16日 优先权日2009年10月8日
发明者坂仓真之, 坂田淳一郎, 宫永昭治, 山崎舜平, 岸田英幸, 广桥拓也, 渡边了介, 秋元健吾 申请人:株式会社半导体能源研究所

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