CN103985765A - 半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种包括薄膜晶体管的半导体器件，该薄膜晶体管具有氧化物半导体层和优秀的电特性。此外，提供了一种用于制造半导体器件的方法，其中在一个衬底上形成多种类型的不同结构的薄膜晶体管以形成多种类型的电路，而且其中没有显著增加步骤数量。在绝缘表面上形成金属薄膜之后，在该金属薄膜上形成氧化物半导体层。然后，执行诸如热处理之类的氧化处理以部分或全部地氧化该金属薄膜。此外，在诸如逻辑电路之类强调操作速度的电路与矩阵电路之间，薄膜晶体管的结构不同。
Description
本申请是申请日为“2009年12月25日”、申请号为“200910262560.3”、题为“半导体器件及其制造方法”的分案申请。
技术领域
本发明涉及具有利用薄膜晶体管(下文称为TFT)形成的电路的半导体器件及其制造方法。例如，本发明涉及其中安装了以液晶显示面板作为代表的电光器件或包括有机发光元件的发光显示器件作为其部件的电子器件。
注意此说明书中的半导体器件指的是可使用半导体特性操作的所有器件，而且光电器件、半导体电路以及电子器件都是半导体器件。
背景技术
针对多种应用使用多种金属氧化物。氧化铟是众所周知的材料，且用作液晶显示器等所必需的透明电极材料。
某些金属氧化物具有半导体特性。具有半导体特性的金属氧化物是一种类型的化合物半导体。化合物半导体是利用结合到一起的两种或多种类型的半导体形成的半导体。一般而言，金属氧化物变成绝缘体。然而，已知金属氧化物根据金属氧化物中包括的元素的组合而变成半导体。
例如，已知氧化钨、氧化锡、氧化铟、氧化锌等是具有半导体特性的金属氧化物。公开了其中利用这样的金属氧化物形成的透明半导体层作为沟道形成区的一种薄膜晶体管(专利文献1到4与非专利文献1)。
此外，已知作为金属氧化物的不仅有单组分氧化物而且有多组分氧化物。例如，作为同系化合物的InGaO3(ZnO)m(m为自然数)是已知的材料(非专利文献2到4)。
而且，已经确认这样的In-Ga-Zn基氧化物可应用于薄膜晶体管的沟道层(专利文献5和非专利文献5和6)。
此外，一种利用氧化物半导体制造薄膜晶体管、并将该薄膜晶体管应用于电子器件或光学器件的技术已经引起人们的注意。例如，专利文献6和专利文献7公开了使用氧化锌或In-Ga-Zn-O基氧化物半导体作为氧化物半导体膜来制造薄膜晶体管的技术，而且用这样的晶体管作为图像显示器件的开关元件等。
[专利文献]
[专利文献1]日本已公开专利申请No.S60-198861
[专利文献2]日本已公开专利申请No.H8-264794
[专利文献3]PCT国际申请No.H11-505377的日文译文
[专利文献4]日本已公开专利申请No.2000-150900
[专利文献5]日本已公开专利申请No.2004-103957
[专利文献6]日本已公开专利申请No.2007-123861
[专利文献7]日本已公开专利申请No.2007-096055
[非专利文献]
[非专利文献1]M.W.Prins、K.O.Grosse-Holz、G.Muller、J.F.M.Cillessen、J.B.Giesbers、R.P.Weening以及R.M.Wolf，“铁电透明薄膜晶体管(A ferroelectric transparent thin-film transistor)”，应用物理快报(Appl.Phys.Lett.)，1996年6月17日第68卷第3650-3652页
[非专利文献2]M.Nakamura、N.Kimizuka以及T.Mohri，“In2O3-Ga2ZnO4-ZnO系统在1350℃下的相态关系(The Phase Relations inthe In2O3-Ga2ZnO4-ZnO System at1350℃)”，J.Solid State Chem.，1991，第93卷第298-315页
[非专利文献3]N.Kimizuka、M.Isobe以及M.Nakamura，“In2O3-ZnGa2O4-ZnO系统中的同系化合物——In2O3(ZnO)m(m＝3,4,和5)、InGaO3(ZnO)3、以及Ga2O3(ZnO)m(m＝7,8,9,和16)的合成和单晶数据(Syntheses and Single-Crystal Data of Homologous Compounds,In2O3(ZnO)m(m＝3,4,and5),InGaO3(ZnO)3,and Ga2O3(ZnO)m(m＝7,8,9,and16)in the In2O3-ZnGa2O4-ZnO System)”，J.Solid State Chem.，1995，第116卷第170-178页
[非专利文献4]M.Nakamura、N.Kimizuka、T.Mohri以及M.Isobe，“InFeO3(ZnO)m(m:自然数)及其同构化合物的同系系列、合成以及晶体结构(Homologous Series,Synthesis and Crystal Structure of InFeO3(ZnO)m(m:natural number)and its Isostructural Compound)”，KOTAI BUTSURI固态物理(SOLID STATE PHYSICS)，1993，第28卷，No.5，第317-327页
[非专利文献5]K.Nomura、Ohta、K.Ueda、T.Kamiya、M.Hirano以及H.Hosono，“在单晶透明氧化物半导体中制造的薄膜晶体管(Thin-filmtransistor fabricated in single-crystalline transparent oxide semiconductor)”，SCIENCE，2003年，第300卷，第1269-1272页
[非专利文献6]K.Nomura、H.Ohta、A.Takagi、T.Kamiya、M.Hirano以及H.Hosono，“使用非晶氧化物半导体的透明柔性薄膜晶体管的腔室温制造(Room-temperature fabrication of transparent flexible thin-film transistorsusing amorphous oxide semiconductors)”，NATURE，2004年，第432卷，第488-492页
发明内容
一个目的是提供一种包括薄膜晶体管的半导体器件，该薄膜晶体管具有氧化物半导体层和优秀的电特性。
此外，另一目的是提供一种用于制造半导体器件的方法，其中在一个衬底上形成多种类型的不同结构的薄膜晶体管以形成多种类型的电路，而且其中没有显著增加步骤数量。
在绝缘表面上形成金属薄膜之后，在该金属薄膜上形成比该金属薄膜厚的氧化物半导体层。然后，执行诸如热处理之类的氧化处理以部分或全部地氧化该金属薄膜。作为该金属薄膜，能使用在氧化处理之后用作半导体的材料，例如优选使用铟、锌、锡、钼或钨。经过氧化的金属薄膜成为第一氧化物半导体层，藉此获得第一氧化物半导体层和重叠的第二氧化物半导体层的叠层。注意第一氧化物半导体层具有比第二氧化物半导体层低的电阻率(即更高的电导率)。此外，第一氧化物半导体层与栅电极之间的距离比第二氧化物半导体层与栅电极之间的距离短。第一氧化物半导体层至少与栅绝缘膜接触。通过使用此叠层制造薄膜晶体管，能获得具有优秀的电特性(即电场迁移率)的薄膜晶体管。
根据此说明书公开的本发明实施例的结构是一种用于制造半导体器件的方法，其包括以下步骤：在绝缘表面上形成栅电极；在栅电极上形成绝缘层；在绝缘层上形成金属薄膜；在金属薄膜上形成氧化物半导体层；以及在形成氧化物半导体层之后执行氧化处理以至少部分地氧化金属薄膜。
通过上述结构，可解决上述问题中的至少一个。
通过溅射法、真空汽相沉积法、涂覆法等形成该金属薄膜。该金属薄膜的厚度大于0nm且小于或等于10nm，优选为3nm到5nm(含3nm和5nm)。可替代地使用不同金属薄膜的叠层，该叠层的厚度小于或等于10nm。注意，氧化金属薄膜至少部分意味着将该金属薄膜氧化到薄膜晶体管能起作用并呈现出开关特性的程度。换言之，金属薄膜被氧化成不致引起源电极与漏电极之间流过的电流量在对栅极施加了电压与未对栅极施加电压之间几乎没有差别的状态，或不致引起其中源电极与漏电极电导通的状态。
此外，该氧化处理是在含氧气的气氛、空气和氮气气氛中的任一种下执行的热处理(在200℃到600℃下)。即使在氮气气氛中，通过热处理，金属薄膜与在金属薄膜上且与金属薄膜接触的氧化物半导体层(第二氧化物半导体层)中的氧结合，从而氧化了金属薄膜。在此情况下，由于金属薄膜的存在，提取了第二氧化物半导体层的氧，藉此可在第二氧化物半导体层中形成缺氧区。此外，不限于氮气气氛中的热处理，由于金属薄膜的存在，在含氧气的气氛中或空气中通过热处理也可提取第二氧化物半导体层中的氧，藉此能在第二氧化物半导体层中形成缺氧区。通过在第二氧化物半导体层中形成缺氧区，能改善电场迁移率。虽然在某些情况下取决于金属薄膜的材料金属薄膜与上氧化物半导体层之间的界面因此热处理而变得不清晰，但靠近栅绝缘层的作为下氧化物半导体层的氧化物半导体层和上氧化物半导体层具有不同的电特性。
注意，第二氧化物半导体层是含In、M以及Zn中的至少一种的氧化物半导体，而M是从Ga、Fe、Ni、Mn、Co等等中选择的一种或多种元素。注意M不包括诸如Cd或Hg之类的元素，即对人体有害的物质。在此说明书中，如果将Ga用作M，则此薄膜也称为In-Ga-Zn-O基非单晶膜。在本说明书中，使用含In、Ga以及Zn的氧化物半导体膜形成的半导体层也称为“IGZO半导体层”。而且，在该氧化物半导体中，在某些情况下，除包含金属元素作为M之外，还包含诸如Fe或Ni之类的过渡金属元素或过渡金属的氧化物作为杂质元素。此外，第二氧化物半导体层可包含绝缘杂质。作为杂质，应用了以氧化硅、氧化锗、氧化铝等为代表的绝缘氧化物等、以氮化硅、氮化铝等为代表的绝缘氮化物等、或诸如氧氮化硅或氧氮化铝之类的绝缘氧氮化物。以氧化物半导体的电导率不会退化的浓度向该氧化物半导体添加绝缘氧化物、绝缘氮化物或绝缘氧氮化物。通过包含这样的绝缘杂质，氧化物半导体变得难以结晶；因此，能稳定薄膜晶体管的特性。
因为In-Ga-Zn-O基氧化物半导体包含诸如氧化硅之类的杂质，所以即使该氧化物半导体经受300℃到600℃下的热处理，也能防止该氧化物半导体的结晶或微晶粒的产生。在其中In-Ga-Zn-O基氧化物半导体层是沟道形成区的薄膜晶体管的制造工艺中，通过热处理能改善S值(亚阈值摆动值)或电场效应迁移率。即使在这样的情况下，也能防止薄膜晶体管正常导通。此外，即使对该薄膜晶体管施加热应力或偏置应力，也能防止阈值电压的变化。
作为应用于薄膜晶体管的沟道形成区的氧化物半导体，可添加以下除上述以外的以下氧化物半导体中的任一种：In-Sn-Zn-O基氧化物半导体、In-Al-Zn-O基氧化物半导体、Sn-Ga-Zn-O基氧化物半导体、Al-Ga-Zn-O基氧化物半导体、Sn-Al-Zn-O基氧化物半导体、In-Zn-O基氧化物半导体、Sn-Zn-O基氧化物半导体、Al-Zn-O基氧化物半导体、In-O基氧化物半导体、Sn-O基氧化物半导体以及Zn-O基氧化物半导体。换言之，通过向这些氧化物半导体添加抑制结晶的杂质以保持非晶态，能使薄膜晶体管的特性稳定。作为杂质，应用了以氧化硅、氧化锗、氧化铝等为代表的绝缘氧化物等、以氮化硅、氮化铝等为代表的绝缘氮化物等、或诸如氧氮化硅或氧氮化铝之类的绝缘氧氮化物。
例如，在通过溅射法形成添加了氧化硅的In-Sn-Zn-O基氧化物半导体膜的情况下，使用了以预定比例烧结的In2O3、SnO2、ZnO以及SiO2的靶。在添加了氧化硅的In-Al-Zn-O基氧化物半导体的情况下，使用其中以预定比例烧结In2O3、Al2O3、ZnO、SiO2的靶形成膜。
此外，作为用于薄膜晶体管的n+型层的氧化物半导体，可使用含氮的In-Ga-Zn-O基非单晶膜，即In-Ga-Zn-O-N基非单晶膜(也称为IGZON膜)。通过在含氮气的气氛中使用包括含铟、镓以及锌的氧化物的靶形成含铟、镓以及锌的氧氮化物膜、然后对该膜执行热处理可获得此In-Ga-Zn-O-N基非单晶膜。
此外，优选第二氧化物半导体层的厚度至少大于金属薄膜的厚度，例如金属薄膜的厚度的两倍或更多倍。具体而言，第二氧化物半导体层的厚度是30nm或更厚，优选是60nm到150nm(含60nm和150nm)。此外，第二氧化物半导体层优选包含金属薄膜中包含的至少一种元素。如果第二氧化物半导体层包含金属薄膜中包含的至少一种元素，则能使用同一蚀刻剂或同一蚀刻气体在同一蚀刻步骤中蚀刻第二氧化物半导体层和金属薄膜，这能使制造步骤的数量减少。
此外，通过在一个衬底上制造矩阵电路和驱动器电路，降低了该半导体器件的制造成本。该驱动器电路包括例如其中强调操作速度的逻辑电路。在这样的电路中使用包括第一氧化物半导体层和第二氧化物半导体层的叠层的薄膜晶体管，而在形成像素部分的基质电路中使用包括第三氧化物半导体层的单层的薄膜晶体管。以这样的方式，在诸如逻辑电路之类强调操作速度的电路与矩阵电路之间，薄膜晶体管的结构不同。
根据本发明的实施例的另一结构是包括在绝缘表面上的矩阵电路和驱动该矩阵电路的驱动器电路的半导体器件。在该半导体器件中，该驱动器电路具有第一薄膜晶体管，该第一薄膜晶体管包括第一氧化物半导体层和与第一栅电极交迭的第二氧化物半导体层的叠层，该叠层与该第一栅电极之间插入有第一栅绝缘膜，而矩阵电路包括第二薄膜晶体管，该第二薄膜晶体管包括与第二栅电极交迭的第三氧化物半导体层，该第三氧化物半导体层与第二栅电极之间插入有第二栅绝缘膜。第一氧化物半导体层的材料与第二氧化物半导体层的材料彼此不同，而第二氧化物半导体层的材料和第三氧化物半导体层的材料相同。
通过上述结构，可解决上述问题中的至少一个。
在上述结构中，第一薄膜晶体管包括在第一栅电极上的第一栅绝缘膜、在该第一栅绝缘膜上的第一氧化物半导体层以及在第一氧化物半导体层上的第二氧化物半导体层。第一氧化物半导体层的电阻率低于第二氧化物半导体层的电阻率。此外，在上述结构中，第二薄膜晶体管包括在第二栅电极上的第二栅绝缘膜和在该第二栅绝缘膜上的第三氧化物半导体层。
本发明的实施例中还包括用于制造上述结构的方法。这些方法之一是用于制造包括在一个衬底上的矩阵电路和用于驱动该矩阵电路的驱动器电路的半导体器件的方法。该方法包括以下步骤：在衬底的矩阵电路区和驱动器电路区上均形成第一氧化物半导体层；通过蚀刻去除矩阵电路区上的第一氧化物半导体层；以及在驱动器电路区中的第一氧化物半导体层和矩阵电路区中的第三氧化物半导体层上形成第二氧化物半导体层，以形成包括驱动器电路区中的第一氧化物半导体层和第二氧化物半导体层的叠层的第一薄膜晶体管，和包括矩阵电路区中的第三氧化物半导体层的第二薄膜晶体管。
此外，还有可能通过将如所选择而形成的金属薄膜氧化来形成第一氧化物半导体层。本发明的实施例还包括了这样的情况下的制造方法。该方法是用于制造包括在一个衬底上的矩阵电路和用于驱动该矩阵电路的驱动器电路的半导体器件的方法。该方法包括以下步骤：在衬底的矩阵电路区和驱动器电路区上形成金属薄膜；通过蚀刻去除矩阵电路区上的金属薄膜；在驱动器电路区中和矩阵电路区中的金属薄膜上形成氧化物半导体层；以及在形成氧化物半导体层之后执行氧化处理以便氧化金属薄膜，从而形成包括驱动器电路区中的第一氧化物半导体层和第二氧化物半导体层的叠层的第一薄膜晶体管，和包括矩阵电路区中的第三氧化物半导体层的第二薄膜晶体管。
在通过上述方法制造的每一种结构中，第一氧化物半导体层的电阻率低于第二氧化物半导体层的电阻率。此外，在通过上述方法制造的每一种结构中，第一氧化物半导体层的材料与第二氧化物半导体层的材料彼此不同，而第二氧化物半导体层的材料和第三氧化物半导体层的材料相同。
本说明书中指示诸如“在……之上”、“在……上方”、“在……之下”、“在……下方”、“侧面”、“水平”、或“垂直”之类的方向的术语是基于器件设置在衬底表面之上的假定。
利用氧化物半导体层的叠层，能实现包括具有优秀电特性的薄膜晶体管的半导体器件。
此外，在一个衬底上形成包括氧化物半导体层的叠层的薄膜晶体管和包括单层的氧化物半导体层的薄膜晶体管，藉此能制造多种类型的电路。
附图说明
图1A到1D是半导体器件的制造工艺的示例的截面图。
图2A到2C是示出半导体器件的示例的截面图、等效电路图以及俯视图。
图3是半导体器件的示例的等效电路图。
图4A和4B是半导体器件的框图的示例。
图5示出信号线驱动器电路的结构的示例。
图6是信号线驱动器电路的操作的示例的时序图。
图7是信号线驱动器电路的操作的示例的时序图。
图8示出移位寄存器的结构的示例。
图9示出图8中所示的触发器中的连接的示例。
图10示出半导体器件的像素等效电路的示例。
图11A到11C是半导体器件的示例的截面图。
图12A和12B分别是半导体器件的示例的俯视图和截面图。
图13A到13C是半导体器件的制造工艺的示例的截面图。
图14是像素的示例的俯视图。
图15是像素部分、电容器部分以及端子部分的示例的截面图。
图16A和16B分别是端子部分的示例的俯视图和截面图。
图17是像素的示例的俯视图。
图18A1和18A2是俯视图，而图18B是半导体器件的示例的截面图。
图19是半导体器件的示例的截面图。
图20A到20E是半导体器件的制造工艺的示例的截面图。
图21A到21C是半导体器件的制造工艺的示例的截面图。
图22A和22B分别是作为半导体器件的示例的电子器件的截面图和外视图。
图23A和23B是电子器件的示例。
图24A和24B是电子器件的示例。
具体实施方式
以下将描述本发明的实施例。
将参照附图详细描述实施例。注意，本发明不限于以下描述，而且本领域技术人员容易理解的是，能按照多种方法修改模式和细节，而不背离本发明的精神和范围。因此，不应当将本发明解释为受限于以下给出的实施例的描述。注意在以下描述的结构中，不同附图中的相似部分或具有相似功能的部分由相似的附图标记表示，并且省略了重复的描述。
(实施例1)
图1A到1D示出其中在同一衬底上形成用于驱动器电路的第一薄膜晶体管430和用于像素部分(也称为矩阵电路)的第二薄膜晶体管170的制造工艺的示例。
在此实施例中，提供了一种新颖的结构及其制造方法，其中在同一衬底上形成具有不同结构的薄膜晶体管，以形成能高速工作的驱动器电路和包括具有高导通/截止比的薄膜晶体管的像素部分。此外，在此实施例中，还提供了用于制造其中将氧化物半导体层的叠层用作沟道形成区的薄膜晶体管的一种新颖的方法。
使用反相器电路、电容器、电阻器等形成用于驱动像素部分的能高速工作的驱动器电路。当组合两个n沟道TFT以形成反相器电路时，存在以下组合：增强型晶体管和耗尽型晶体管的组合(下文将通过这种组合形成的电路称为“EDMOS”电路)以及增强型TFT的组合(下文将通过这种组合形成的电路称为“EEMOS电路”)。注意阈值电压为正的n沟道TFT被定义为增强型TFT，而阈值电压为负的n沟道TFT被定义为耗尽型晶体管。本说明书遵循这些定义。
像素部分中的薄膜晶体管用作施加给像素电极的电压的开关，因此它应当具有高导通/截止比。导通/截止比是导通电流与截止电流之比(I导通/I截止)，而且I导通/I截止的值越高，则其开关特性越好。因此，高I导通/I截止比有助于显示对比度的改进。注意导通电流是在晶体管处于导通状态时在源电极与漏电极之间流动的电流。同时，截止电流是在晶体管处于截止状态时在源电极与漏电极之间流动的电流。例如，在n沟道晶体管中，当栅极电压低于晶体管的阈值电压时，截止电流是在源电极与漏电极之间流动的电流。因此，优选将增强型晶体管用于像素部分，以实现高对比度和低功耗的驱动。
如上所述，像素部分与驱动器电路之间所强调的电特性不同。因此，优选在像素部分与驱动器电路中使用具有不同结构的薄膜晶体管。在此实施例中，以下将描述用于这样的情况的制造方法的示例。
首先，在具有绝缘表面的衬底400上设置第一栅电极401和第二栅电极101。可使用诸如钼、钛、铬、钽、钨、铝、铜、钕、或钪之类的金属材料或包括这些材料中的任一种作为其主要组分的任何合金材料来形成具有单层结构或层叠结构的第一栅电极401和第二栅电极101。
例如，作为第一栅电极401和第二栅电极101中的每一个的两层结构，优选使用以下结构：铝层和层叠在该铝层上的钼层的两层结构、铜层和层叠在该铜层上的钼层的两层结构、铜层和层叠在该铜层上的氮化钛或氮化钽层的两层结构、以及氮化钛层和钼层的两层结构。替代地，可采用包括含Ca的铜层和其上作为阻挡层的含Ca的氧化铜层的叠层，或包括含Mg的铜层和其上作为阻挡层的含Mg的氧化铜层的叠层。作为三层结构，优选钨层或氮化钨层、铝和硅的合金层或铝和钛的合金层、以及氮化钛层或钛层的叠层。
然后，形成覆盖第一栅电极401和第二栅电极101的栅绝缘层403。通过溅射法、PCVD法等将栅绝缘层403形成为50nm到400nm厚度。
例如，通过溅射法形成100nm厚的氧化硅膜作为栅绝缘层403。不言而喻，栅绝缘层403不限于这样的氧化硅膜，且可以是诸如氧氮化硅膜、氮化硅膜、氧化铝膜、氮化铝膜、氧氮化铝膜或氧化钽膜之类的另一绝缘膜的单层或叠层。在形成叠层的情况下，例如，可通过PCVD法形成氮化硅膜，然后通过溅射法在该氮化硅膜上形成氧化硅膜。如果将氧氮化硅膜、氮化硅膜等用作栅绝缘层403，则能防止钠之类的杂质从玻璃衬底扩散而进入稍后将在衬底上形成的氧化物半导体中。
替代地，可由使用有机硅烷气体通过CVD法形成的氧化硅层形成栅绝缘层403。作为有机硅烷气体，可使用诸如四乙氧基硅烷(TEOS：分子式Si(OC2H5)4)、四甲基硅烷(TMS：化学分子式Si(CH3)4)、四甲基环四硅氧烷(TMCTS)、八甲基环四硅氧烷(OMCTS)、六甲基二硅氮烷(HMDS)、三乙氧基硅烷(SiH(OC2H5)3)或三二甲基氨基硅烷(SiH(N(CH3)2)3)之类的含硅化合物。
然后，在栅绝缘层403上形成铟、锌、锡、钼、钨等的金属薄膜。替代地，可形成那些元素的任一种的合金薄膜或叠层。通过溅射法、真空汽相沉积法或涂覆法形成该金属薄膜。这里，通过汽相沉积法形成厚度为大于0nm且小于或等于10nm——优选为3nm到5nm(含3nm和5nm)——的铟膜。注意对于该金属薄膜，将其材料选择成使该金属薄膜通过稍后进行的热处理变成氧化物，而且该氧化物具有比随后在金属薄膜上形成并与金属薄膜接触的氧化物半导体层更低的电阻率。此外，根据金属薄膜的材料或成膜条件，该金属薄膜没有覆盖栅绝缘层403的表面，而且栅绝缘层403的部分可在某些情况下暴露；例如，金属簇状物可散布在栅绝缘层403上。同样在金属簇状物散布的情况下，只要金属通过稍后进行的氧化处理变成氧化物半导体，就能提高薄膜晶体管的电场迁移率。此外，在金属簇状物散布的情况下，该金属不限于上述材料；能使用铝、铜等。此外，可在簇状物上形成金属薄膜，以改善薄膜晶体管的电特性。
然后，通过光刻技术按所选择地去除金属膜。这里能使用湿法蚀刻或干法蚀刻。因此，在驱动器电路区中形成金属薄膜470。图1A是此阶段的截面图。注意，当采用了光刻技术时，金属薄膜被暴露给空气，藉此可根据其材料在该金属薄膜的表面上形成天然氧化物膜。如果形成了天然氧化物膜，则可将它用作氧化物半导体层的一部分。
替代地，通过采用溅射法，利用除期望区域之外的区域被覆盖的遮光掩模，可仅在期望区域中形成该金属薄膜。此外，通过使用遮光掩模的溅射方法，可在不暴露给空气的情况下在金属薄膜上形成氧化物半导体层。以此方式，可保持金属薄膜与氧化物半导体层之间的界面清洁，而且能减少光掩模的数量。
然后，在金属薄膜470和栅绝缘层403上形成氧化物半导体层。氧化物半导体层的厚度优选大于金属薄膜470的厚度。具体而言，氧化物半导体层的厚度大于或等于30nm，优选是60nm到150nm(含60nm和150nm)。在此实施例中，形成第一In-Ga-Zn-O基非单晶膜作为氧化物半导体层。在氩气或氧气气氛中使用具有8英寸直径且包含In(铟)、Ga(镓)以及Zn(锌)(In2O3:Ga2O3:ZnO的摩尔比为1:1:1)的氧化物半导体靶、在衬底与靶的距离被设置成170mm、0.4Pa的气压下、以及直流(DC)功率源为0.5kW的情况下形成第一In-Ga-Zn-O基非单晶膜。注意，优选使用脉冲直流(DC)功率源，从而减少灰尘并实现均匀厚度。
在通过溅射法形成In-Ga-Zn-O基氧化物半导体层的情况下，含In、Ga以及Zn的氧化物半导体靶可包含绝缘杂质。该杂质是以氧化硅、氧化锗、氧化铝等为代表的绝缘氧化物等、以氮化硅、氮化铝等为代表的绝缘氮化物等、或诸如氧氮化硅或氧氮化铝之类的绝缘氧氮化物等。例如，优选以0.1％到10％重量百分比、更优选以1％到6％重量百分比将SiO2混入氧化物半导体靶中。
当氧化物半导体中包含该绝缘杂质时，容易使氧化物半导体的膜成为非晶。此外，在氧化物半导体膜经受热处理的情况下，能抑制氧化物半导体膜的结晶。
除In-Ga-Zn-O基氧化物半导体之外，通过含绝缘杂质的In-Sn-Zn-O基氧化物半导体、In-Al-Zn-O基氧化物半导体、Sn-Ga-Zn-O基氧化物半导体、Al-Ga-Zn-O基氧化物半导体、Sn-Al-Zn-O基氧化物半导体、In-Zn-O基氧化物半导体、Sn-Zn-O基氧化物半导体、Al-Zn-O基氧化物半导体、In-O基氧化物半导体、Sn-O基氧化物半导体以及Zn-O基氧化物半导体能获得类似的效果。
例如，在通过溅射法形成添加了氧化硅的In-Sn-Zn-O基氧化物半导体膜的情况下，使用了以预定比例烧结的In2O3、SnO2、ZnO以及SiO2的靶。在添加了氧化硅的In-Al-Zn-O基氧化物半导体的情况下，使用其中以预定比例烧结In2O3、Al2O3、ZnO、SiO2的靶形成膜。
接着，在不暴露给空气的情况下通过溅射法形成电阻率低于第一In-Ga-Zn-O基非单晶膜的氧化物半导体膜(在此实施例中为第二In-Ga-Zn-O基非单晶膜)。这里，使用其中In2O3:Ga2O3:ZnO为1:1:1的靶在压力为0.4Pa、功率为500W、沉积温度为腔室温以及氩气流速为40sccm的条件下执行溅射。不论是否使用In2O3:Ga2O3:ZnO为1:1:1的靶，在膜形成之后可立刻形成包括大小为1到10nm的晶粒的In-Ga-Zn-O基非单晶膜。注意，可以认为通过适当调节靶中的组分比、沉积压力(0.1Pa到2.0Pa)、功率(250W到3000W:8英寸)、温度(腔室温到100℃)、用于沉积的反应溅射条件等可调节晶粒的存在与否或晶粒的密度，并可将其直径大小调节在1nm到10nm范围内。第二In-Ga-Zn-O基非单晶膜具有5nm到20nm的厚度。不言而喻，当膜包括晶粒时，晶粒的大小不会超过膜的厚度。在此实施例中，第二In-Ga-Zn-O基非单晶膜的厚度是5nm。
在与形成第二In-Ga-Zn-O基非单晶膜的条件不同的条件下形成第一In-Ga-Zn-O基非单晶膜。例如，在氧气流速与氩气流速比高于第二In-Ga-Zn-O基非单晶膜的条件下的氧气流速与氩气流速比的条件下形成第一In-Ga-Zn-O基非单晶膜。具体而言，在稀有气体(例如氩气或氦气)气氛(或氧气少于或等于10％且氩气多于或等于90％的气氛)中形成第二In-Ga-Zn-O基非单晶膜，而在氧气气氛(或氧气流速大于或等于氩气流速的气氛)中形成第一In-Ga-Zn-O基非单晶膜。
注意，在此实施例中非限制地描述了其中设置了第二In-Ga-Zn-O基非单晶膜的示例。不一定要设置第二In-Ga-Zn-O基非单晶膜。
溅射法的示例包括其中将高频功率源用作溅射功率源的RF溅射法、直流溅射法以及以脉冲方式施加偏压的脉冲直流溅射法。
此外，还存在可设置不同材料的多个靶的多源溅射器件。利用该多源溅射器件，可在同一腔室中沉积层叠的不同材料膜，或可在同一腔室中通过放电同时形成多种材料的膜。
此外，存在腔室中设置有磁铁系统且用于磁控管溅射方法的溅射器件，且在不使用辉光放电的情况下使用微波产生等离子体的用于ECR溅射方法的溅射器件。
此外，作为通过溅射法的沉积方法，还存在靶物质和溅射气体组分在沉积期间相互化学反应以形成它们的化合物薄膜的反应溅射方法，以及在沉积期间也对衬底施加电压的偏压溅射方法。
接着，执行光刻步骤以形成抗蚀剂掩模，并蚀刻第一In-Ga-Zn-O基非单晶膜和第二In-Ga-Zn-O基非单晶膜。这里，通过湿法蚀刻使用ITO07N(KANTO CHEMICAL股份有限公司的产品)去除不必要部分，从而形成作为第一In-Ga-Zn-O基非单晶膜的氧化物半导体膜485a和485b、以及作为第二In-Ga-Zn-O基非单晶膜的氧化物半导体膜486a和486b。如果将铟膜、锌膜或锡膜用作金属薄膜470，则也用ITO07N(KANTO CHEMICAL股份有限公司的产品)蚀刻金属薄膜470。在本实施例中，采用了其中使用了铟膜的示例；因此，金属薄膜470具有与作为第一In-Ga-Zn-O基非单晶膜的氧化物半导体膜485a基本相同的顶部形状。注意，此处的蚀刻不限于湿法蚀刻，而可以是干法蚀刻。图1B是此阶段的截面图。
在金属薄膜470在上述蚀刻步骤中保留的情况下，通过使用在上述蚀刻步骤中使用的同一抗蚀剂掩模和不同的蚀刻剂或不同的蚀刻气体，使金属薄膜470经受蚀刻步骤以便按照选择去除金属薄膜470。
接着，执行光刻步骤以形成抗蚀剂掩模，并通过蚀刻去除不必要部分以形成接触孔，该接触孔到达由与栅电极层相同材料组成的引线或电极层。该接触孔被设置成与稍后形成的导电膜直接接触。例如，当形成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，或当形成电连接至端子部分的栅极引线的端子时，形成接触孔。注意，这里无特殊限制地描述了其中通过光刻步骤形成用于与将稍后形成的导电膜直接连接的接触孔的示例。可稍后在形成与像素电极连接的接触孔的步骤中形成到达栅电极层的接触孔，而且可将与像素电极相同的材料用于电连接。在将与像素电极相同的材料用于电连接的情况下，可将掩模的数量减少一个。
然后，通过溅射法或真空蒸发沉积法用金属材料在作为第二In-Ga-Zn-O基非单晶膜的氧化物半导体膜486a和486b上以及栅绝缘层403上形成导电膜。
作为导电膜的材料，存在从Al、Cr、Ta、Ti、Mo或W中选择的元素、包含这些元素中的任一种的合金、包含这些元素的组合的合金膜等。此外，如果在200℃到600℃下执行热处理，则导电膜优选具有针对这样的热处理的耐热性。因为单独使用Al带来了诸如低耐热性和容易被腐蚀之类的缺点，所以与具有耐热性的导电材料组合使用铝。作为要与Al组合使用的具有耐热性的导电材料，可使用从钛(Ti)、钽(Ta)、钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钕(Nd)或钪(Sc)中选择的元素、或包含这些元素中的任一种的合金、包含这些元素的组合的合金、或包含这些元素中的任一种的氮化物。
这里，导电膜具有钛膜的单层结构。替代地，该导电膜可具有钛膜叠在铝膜上的两层结构。再或者，该导电膜可具有包括Ti膜、叠在Ti膜上的含Nd的铝膜(Al-Nd)、以及在这些膜上形成的Ti膜的三层结构。该导电膜可具有含硅铝膜的单层结构。
然后，通过光刻步骤形成抗蚀剂掩模，并通过蚀刻去除不必要部分。因此，在像素部分中形成源和漏电极层105a和105b以及作为源区和漏区的n+型层104a和104b，而在驱动器电路部分中形成作为源和漏电极层的第一和第二引线409和410以及作为源区和漏区的n+型层406a和406b。这时使用湿法蚀刻或干法蚀刻作为蚀刻方法。例如，当使用铝膜或铝合金膜作为导电膜时，可执行使用磷酸、醋酸以及硝酸的混合溶液的湿法蚀刻。这里，通过使用氨双氧水混合物的湿法蚀刻(双氧水与氨以及水的比例为5:2:2)，蚀刻Ti膜的导电膜以形成源和漏电极层，并蚀刻第二In-Ga-Zn-O基非单晶膜以形成n+型层104a和104b。在此蚀刻步骤中，将氧化物半导体膜的暴露区域部分蚀刻为氧化物半导体层103。因此，n+型层104a和104b之间的氧化物半导体层103的沟道区具有小厚度。在同一步骤中通过使用氨双氧水混合物蚀刻源和漏电极层105a和105b以及n+型层104a和104b；因此，使源和漏电极层105a和105b的端部与n+型层104a和104b的端部对齐，从而这些端部如图1所示地连续。通过上述步骤，能在像素部分中形成包括氧化物半导体层103作为沟道形成区的第二薄膜晶体管170。
接着，优选在200℃到600℃下、通常在300℃到500℃下执行热处理(该热处理可以是利用光的退火)。这里，在炉中在350℃下在氮气气氛中执行热处理1小时。该热处理也可称为将金属薄膜470部分或全部氧化的氧化处理。在本实施例中，金属薄膜470成为氧化铟膜、第一氧化物半导体层471。通过上述步骤，可在驱动器电路中制造包括第一氧化物半导体层471和第二氧化物半导体层405的叠层的第一薄膜晶体管430。图1C是此阶段的截面图。此外，通过此热处理，在In-Ga-Zn-O基非单晶膜中发生原子级的重排。要注意的是，对热处理的定时不存在特定限制，只要在第二In-Ga-Zn-O基非单晶膜形成之后的任何时候进行即可，而且例如，可在像素电极形成之后执行热处理。
注意，虽然热处理之前的金属薄膜470的厚度与热处理之后的第一氧化物半导体层即经过氧化的金属薄膜470的厚度在图1C中基本相同，但第一氧化物半导体层471的厚度由于氧化可大于热处理之前的金属薄膜的厚度。而且，由于第一氧化物半导体层471的厚度的增加，覆盖的第二氧化物半导体层405的厚度可小于热处理之前的厚度。
接着，去除抗蚀剂掩模，并形成保护绝缘层412以覆盖第一薄膜晶体管430和第二薄膜晶体管170。作为保护绝缘层412，可使用通过溅射法等形成的氮化硅膜、氧化硅膜、氧氮化硅膜、氧化铝膜、氮化铝膜、氧氮化铝膜、氧化钽膜等等的单层或叠层。保护绝缘层412具有50nm到400nm的厚度。
接着，执行第五光刻步骤以形成抗蚀剂掩模，并蚀刻保护绝缘层412以形成到达源电极层或漏电极层105b的接触孔。
然后去除抗蚀剂掩模。然后形成导电膜，执行光刻步骤以形成抗蚀剂掩模，并蚀刻该导电膜以形成电连接至源电极层或漏电极层105b的第一电极472。然后，形成绝缘层473，该绝缘层473用作用于隔离相邻像素的第一电极的隔离壁。然后，在第一电极472上形成包括发光层的有机化合物层475，并在该有机化合物层上形成第二电极474。发光元件至少包括第一电极472、包括发光层的有机化合物层475以及第二电极474。图1D是此阶段的截面图。
注意，本实施例在无特定限制的情况下给出了包括发光元件的发光显示器件的示例。可制造液晶显示器件或电子纸。
通过将包括氧化物半导体层的叠层的薄膜晶体管用于诸如液晶显示器件、发光显示器件、电子纸等等中的栅线驱动器电路或源线驱动器电路之类的外围电路，可实现驱动速度的增加和功耗的降低。此外，可在不会显著增加步骤数量的情况下，在同一衬底上既设置像素部分又设置驱动器电路。通过在同一衬底上设置除像素部分之外的多种电路，能降低显示器件的制造成本。
(实施例2)
在本实施例中，以下将描述使用两个n沟道薄膜晶体管形成的反相器电路的示例。本反相器电路被用作驱动器电路的一部分。注意实施例1中的第一薄膜晶体管430与图2A中的第一薄膜晶体管430相同；因此省略了详细描述。
在本实施例中，提供了包括在具有绝缘表面的衬底上的能高速工作的驱动器电路的新颖结构。此外，还提供了该结构的新颖制造方法。此外，还提供了用于在一个衬底上制造其中将氧化物半导体层的叠层用作沟道形成区的第一薄膜晶体管和其中将氧化物半导体层的单层用作沟道形成区的第二薄膜晶体管的新颖方法。
图2A示出驱动器电路的反相器电路的截面结构。在图2A中，在衬底400上设置了第一栅电极401和第二栅电极402。
此外，形成了覆盖第一栅电极401的栅绝缘层403和第二栅电极402。在栅绝缘层403上与第一栅电极401交迭的位置处设置第一氧化物半导体层471和第二氧化物半导体405的叠层。在栅绝缘层403上与第二栅电极402交迭的位置处设置第三氧化物半导体层451和第四氧化物半导体407的叠层。
此外，在第二氧化物半导体层405和第四氧化物半导体层407上，设置第一引线409、第二引线410以及第三引线411。第二引线410通过形成在栅绝缘层403中的接触孔404直接连接至第二栅电极402。注意，对接触孔404的形成的定时并无特定限制，只要在形成栅绝缘层403之后进行即可。例如，可在稍后进行的氧化物半导体膜的蚀刻之后、或甚至在蚀刻之后进行的热处理之后形成接触孔404。注意，在第二氧化物半导体层405与第一引线409之间设置n+型层406a，而在第二氧化物半导体层405与第二引线410之间设置n+型层406b。此外，在第四氧化物半导体层407与第二引线410之间设置n+型层408a，而在第四氧化物半导体层407与第三引线411之间设置n+型层408b。
第一薄膜晶体管430包括：第一栅电极401；与第一栅电极401交迭的第一氧化物半导体层471和第二氧化物半导体层405的叠层，该叠层与第一栅电极401之间插入有栅绝缘层403；以及第一引线409，它是地电位的电源线(接地电源线)。此地电位的电源线可以是施加了负电压VDL的电源线(负电源线)。
此外，第二薄膜晶体管431包括：第二栅电极402；与第二栅电极402交迭的第三氧化物半导体层451和第四氧化物半导体层407的叠层，该叠层与第二栅电极402之间插入有栅绝缘层403；以及第三引线411，它是被施加正电压VDD的电源线(正电源线)。
如图2A所示，电连接至第二氧化物半导体层405和第四氧化物半导体层407的第二引线410通过形成在栅绝缘层403中的接触孔404直接连接至第二薄膜晶体管431的第二栅电极402。通过第二引线410与第二栅电极402的直接连接，能获得良好的接触，这能导致接触电阻减小。与第二栅电极402和第二引线410利用另一导电膜——例如透明导电膜——相互连接的情况相比，可实现接触孔数量的减少和由于接触孔数量减少而驱动器电路占据的面积的减小。
进一步，图2C是驱动器电路的反相器电路的俯视图。在图2C中，沿点划线Z1-Z2所取的截面对应于图2A。
此外，图2B示出EDMOS电路的等效电路。图2B示出了图2A和2C中所示的电路连接。示出了其中第一薄膜晶体管430是n沟道增强型晶体管、而第二薄膜晶体管431是n沟道耗尽型晶体管的示例。
虽然在图2A到2C中描述了EDMOS电路的示例，但可替代地使用EEMOS电路。图3中示出了EEMOS电路的等效电路。在图3中所示的等效电路中，在以下任一种情况下可形成驱动器电路：第一薄膜晶体管460和第二薄膜晶体管461都是n沟道增强型晶体管的情况，或第一薄膜晶体管460是n沟道增强型晶体管、而第二薄膜晶体管461即另一晶体管是n沟道耗尽型晶体管的情况。
可以认为，优选使用图3中所示的电路构造，其中将同一类型的n沟道增强型晶体管组合用于驱动器电路。这是因为，在这样的情况下，用于像素部分的晶体管也由与用于驱动器电路的相同类型的n沟道增强型晶体管形成，因而没有增加制造步骤的数量。
此外，在实施例1中，在无特定限制的情况下给出了其中在层叠金属薄膜和氧化物半导体层之后，将金属薄膜氧化以形成第一氧化物半导体层和第二氧化物半导体层的叠层的示例。例如，还可采用以下制造工艺：在整个表面上形成第一氧化物半导体层之后，用抗蚀剂覆盖第一氧化物半导体层，并将像素部分中的第一氧化物半导体层蚀刻掉；然后去除抗蚀剂；然后，在整个表面上形成第二氧化物半导体层。利用这样的制造工艺，有可能在同一衬底上形成其中设置了包括氧化物半导体层的单层的薄膜晶体管的像素部分、和其中设置了包括氧化物半导体层的叠层的薄膜晶体管的驱动器电路。
注意可将本实施方式与实施例1任意地组合。
(实施例3)
以下描述作为半导体器件的示例的显示器件。在该显示器件中，在一个衬底上形成驱动器电路的至少一部分和像素部分中的薄膜晶体管。
根据实施例1形成像素部分中的薄膜晶体管。该薄膜晶体管是n沟道TFT；因此，在同一衬底上形成可使用n沟道TFT形成的驱动器电路的一部分作为像素部分中的薄膜晶体管。
图4A示出作为半导体器件的示例的有源矩阵液晶显示器件的框图的示例。图4A中所示的显示器件在衬底5300上包括：像素部分5301，其包括分别设置有显示元件的多个像素；选择像素的扫描线驱动器电路5302；以及控制输入选定像素的视频信号的信号线驱动器电路5303。
实施方式1中描述的薄膜晶体管是n沟道TFT。参照图5描述包括n沟道TFT的信号线驱动器电路。
图5的信号线驱动器电路包括驱动器IC5601、开关组5602_1到5602_M、第一引线5611、第二引线5612、第三引线5613以及引线5621_1到5621_M。开关组5602_1到5602_M的每一个包括第一薄膜晶体管5603a、第二薄膜晶体管5603b以及第三薄膜晶体管5603c。
像素部分5301利用从信号线驱动器电路5303沿列向延伸的多条信号线S1到Sm(未示出)连接至信号线驱动器电路5303，且利用从扫描线驱动器电路5302沿行向延伸的多条扫描线G1到Gn(未示出)连接至扫描线驱动器电路5302。像素部分5301包括排列成矩阵以便对应于信号线S1到Sm和扫描线G1到Gn的多个像素(未示出)。此外，各个像素连接至信号线Sj(信号线S1到Sm中的任一条)和扫描线Gi(扫描线G1到Gn中的任一条)。
驱动器IC5601连接至第一引线5611、第二引线5612、第三引线5613以及引线5621_1到5621_M。开关组5602_1到5602_M中的每一个连接至第一引线5611、第二引线5612以及第三引线5613。此外，开关组5602_1到5602_M分别连接至引线5621_1到5621_M。引线5621_1到5621_M中的每一条通过第一薄膜晶体管5603a、第二薄膜晶体管5603b以及第三薄膜晶体管5603c连接至三条信号线。例如，第J列的引线5621_J(引线5621_1到5621_M中的一条)分别通过开关组5602_J中的第一薄膜晶体管5603a、第二薄膜晶体管5603b以及第三薄膜晶体管5603c连接至信号线Sj-1、信号线Sj以及信号线Sj+1。
注意信号被输入第一引线5611、第二引线5612以及第三引线5613中的每一条引线。
注意，优选地在单晶半导体衬底上形成驱动器IC5601。此外，优选地在与像素部分相同的衬底上形成开关组5602_1到5602_M。因此，优选通过FPC等将驱动器IC5601连接至开关组5602_1到5602_M。
接着，参照图6中的时序图描述图5的信号线驱动器电路的操作。图6示出其中选择了第i行中的扫描线Gi的时序图。第i行中的扫描线Gi的选择周期被分成第一子选择周期T1、第二子选择周期T2以及第三子选择周期T3。此外，当选择了另一行中的扫描线时，图5的扫描线驱动器电路如图6所示地工作。
注意，图6的时序图示出第J列中的引线5621_J分别通过第一薄膜晶体管5603a、第二薄膜晶体管5603b以及第三薄膜晶体管5603c连接至信号线Sj-1、信号线Sj以及信号线Sj+1的情况。
图6的时序图示出选择了第i行中的扫描线Gi的时序、第一薄膜晶体管5603a导通/截止的时序5703a、第二薄膜晶体管5603b导通/截止的时序5703b、第三薄膜晶体管5603c导通/截止的时序5703c以及输入第J列中的引线5621_J的信号5721_J。
在第一子选择周期T1、第二子选择周期T2以及第三子选择周期T3中，将不同的视频信号输入引线5621_1到5621_M。例如，在第一子选择周期T1中将输入引线5621_J的视频信号输入信号线Sj-1，在第二子选择周期T2中将输入引线5621_J的视频信号输入信号线Sj，以及在第三子选择周期T3中将输入引线5621_J的视频信号输入信号线Sj+1。通过数据_j-1、数据_j以及数据_j+1分别表示在第一子选择周期T1中、第二子选择周期T2中以及第三子选择周期T3中输入引线5621_J的视频信号。
如图6所示，在第一子选择周期T1中，第一薄膜晶体管5603a导通，而第二薄膜晶体管5603b和第三薄膜晶体管5603c截止。此时，输入引线5621_J的数据_j-1经由第一薄膜晶体管5603a输入信号线Sj-1。在第二子选择周期T2中，第二薄膜晶体管5603b导通，而第一薄膜晶体管5603a和第三薄膜晶体管5603c截止。此时，将输入引线5621_J的数据_j经由第二薄膜晶体管5603b输入信号线Sj。在第三子选择周期T3中，第三薄膜晶体管5603c导通，而第一薄膜晶体管5603a和第二薄膜晶体管5603b截止。此时，将输入引线5621_J的数据_j+1经由第三薄膜晶体管5603c输入信号线Sj+1。
如上所述，在图5的信号线驱动器电路中，将一个门选周期分成三个；因此，可在一个门选周期中将视频信号从一条引线5621输入到三条信号线中。因此，在图5中的信号线驱动器电路中，在设置有驱动器IC5601的衬底与设置有像素部分的衬底之间的连接的数量可以是信号线数量的约1/3。当将连接数量减少到信号线数量的约1/3时，能提高图5中的信号线驱动器电路的可靠性、生产率等。
要注意的是，对薄膜晶体管的排列、数量、驱动方法等并无特定限制，只要将一个门选周期分成多个子选择周期，并如图5所示地在相应的子选择周期将视频信号从一条引线输入多条信号线即可。
例如，当在相应的子选择周期中将视频信号从一条引线输入到三条或更多条信号线时，只需要添加一个薄膜晶体管和用于控制该薄膜晶体管的一条引线。要注意的是，当将一个门选择周期分成四个或多个子选择周期时，每个子选择周期变短。因此，优选地将一个门选择周期分成两个或三个子选择周期。
作为另一示例，如图7的时序图所示，可将一个选择周期分成预充电周期Tp、第一子选择周期T1、第二子选择周期T2以及第三子选择周期T3。图7的时序图示出选择了第i行中的扫描线Gi的时序、使第一薄膜晶体管5603a导通/截止的时序5803a、使第二薄膜晶体管5603b导通/截止的时序5803b、使第三薄膜晶体管5603c导通/截止的时序5803c以及输入第J列中的引线5621_J的信号5821_J。如图7所示，第一薄膜晶体管5603a、第二薄膜晶体管5603b以及第三薄膜晶体管5603c在预充电周期Tp中导通。此时，将输入引线5621_J的预充电电压Vp分别通过第一薄膜晶体管5603a、第二薄膜晶体管5603b以及第三薄膜晶体管5603c输入信号线Sj-1、信号线Sj以及信号线Sj+1。在第一子选择周期T1中，第一薄膜晶体管5603a导通，而第二薄膜晶体管5603b和第三薄膜晶体管5603c截止。此时，将输入引线5621_J的数据_j-1通过第一薄膜晶体管5603a输入信号线Sj-1。在第二子选择周期T2中，第二薄膜晶体管5603b导通，而第一薄膜晶体管5603a和第三薄膜晶体管5603c截止。此时，将输入引线5621_J的数据_j通过第二薄膜晶体管5603b输入信号线Sj。在第三子选择周期T3中，第三薄膜晶体管5603c导通，而第一薄膜晶体管5603a和第二薄膜晶体管5603b截止。此时，将输入引线5621_J的数据_j+1通过第三薄膜晶体管5603c输入信号线Sj+1。
如上所述，在应用了图7的时序图的图5的信号线驱动器电路中，可通过在子选择周期之前提供预充电周期对信号线预充电。因此，可将视频信号高速地写入像素。注意，通过相同的附图标记表示图7中类似于图6的部分，而且省略相同部分或具有相似功能的部分的详细描述。
接着，描述扫描线驱动器电路的构成。该扫描线驱动器电路包括移位寄存器和缓冲器。在某些情况下，该扫描线驱动器电路还可包括电平移动器。在该扫描线驱动器电路中，当将时钟信号(CLK)和起动脉冲信号(SP)输入移位寄存器时，产生选择信号。所产生的选择信号被缓冲器缓存和放大，而所得的信号被提供给相应的扫描线。一条线中的像素中的晶体管的栅电极连接至扫描线。此外，因为必须使一条线的像素中的晶体管同时立即导通，所以使用了能馈送大电流的缓冲器。
参照图8和图9描述用作扫描线驱动器电路的一部分的移位寄存器的示例。
图8示出该移位寄存器的电路构造。图8中所示的移位寄存器包括多个触发器：触发器5701_1到5701_n。通过输入第一时钟信号、第二时钟信号、起动脉冲信号以及复位信号操作该移位寄存器。
描述了图8的移位寄存器的连接关系。在图8的移位寄存器中的第i级的触发器5701_i(触发器5701_1到5701_n中的一个)中，图9中所示的第一引线5501连接至第七引线5717_i-1，图9中所示的第二引线5502连接至第七引线5717_i+1，图9中所示的第三引线5503连接至第七引线5717_i，以及图9中所示的第六引线5506连接至第五引线5715。
此外，图9中所示的第四引线5504连接至奇数级的触发器中的第二引线5712，且连接至偶数级的触发器中的第三引线5713。图9中所示的第五引线5505连接至第四引线5714。
注意，图9中所示的第一级的触发器5701_1的第一引线5501连接至第一引线5711，而图9中所示的第n级触发器5701_n的第二引线5502连接至第六引线5716。
注意，第一引线5711、第二引线5712、第三引线5713以及第六引线5716可分别称为第一信号线、第二信号线、第三信号线以及第四信号线。第四引线5714和第五引线5715可分别称为第一电源线和第二电源线。
图9示出图8中所示触发器的细节。图9中所示的触发器包括第一薄膜晶体管5571、第二薄膜晶体管5572、第三薄膜晶体管5573、第四薄膜晶体管5574、第五薄膜晶体管5575、第六薄膜晶体管5576、第七薄膜晶体管5577以及第八薄膜晶体管5578。注意第一薄膜晶体管5571、第二薄膜晶体管5572、第三薄膜晶体管5573、第四薄膜晶体管5574、第五薄膜晶体管5575、第六薄膜晶体管5576、第七薄膜晶体管5577以及第八薄膜晶体管5578中的每一个均为n沟道晶体管，而且在栅－源电压(Vgs)超过阈值电压(Vth)时导通。
在图9中，第三薄膜晶体管5573的栅电极电连接至电源线。此外，可以认为其中第三薄膜晶体管5573连接至第四薄膜晶体管5574的电路(被图9中的点划线包围的电路)对应于具有图2A中所示结构的电路。虽然这里描述了其中所有薄膜晶体管都是n沟道增强型晶体管的示例，但并不特定限于此示例。例如，甚至可将n沟道耗尽型晶体管用作第三薄膜晶体管5573来驱动驱动器电路。
现在，以下描述图9中所示的触发器的连接结构。
第一薄膜晶体管5571的第一电极(源电极或漏电极之一)连接至第四引线5504，而第一薄膜晶体管5571的第二电极(源电极或漏电极中的另一个)连接至第三引线5503。
第二薄膜晶体管5572的第一电极连接至第六引线5506。第二薄膜晶体管5572的第二电极连接至第三引线5503。
第三薄膜晶体管5573的第一电极连接至第五引线5505。第三薄膜晶体管5573的第二电极连接至第二薄膜晶体管5572的栅电极。第三薄膜晶体管5573的栅电极连接至第五引线5505。
第四薄膜晶体管5574的第一电极连接至第布引线5506。第四薄膜晶体管5574的第二电极连接至第二薄膜晶体管5572的栅电极。第四薄膜晶体管5574的栅电极连接至第一薄膜晶体管5571的栅电极。
第五薄膜晶体管5575的第一电极连接至第五引线5505。第五薄膜晶体管5575的第二电极连接至第一薄膜晶体管5571的栅电极。第五薄膜晶体管5575的栅电极连接至第一引线5501。
第六薄膜晶体管5576的第一电极连接至第六引线5506。第六薄膜晶体管5576的第二电极连接至第一薄膜晶体管5571的栅电极。第六薄膜晶体管5576的栅电极连接至第二薄膜晶体管5572的栅电极。
第七薄膜晶体管5577的第一电极连接至第六引线5506。第七薄膜晶体管5577的第二电极连接至第一薄膜晶体管5571的栅电极。第七薄膜晶体管5577的栅电极连接至第二引线5502。第八薄膜晶体管5578的第一电极连接至第六引线5506。第八薄膜晶体管5578的第二电极连接至第二薄膜晶体管5572的栅电极。第八薄膜晶体管5578的栅电极连接至第一引线5501。
注意，第一薄膜晶体管5571的栅电极、第四薄膜晶体管5574的栅电极、第五薄膜晶体管5575的第二电极、第六薄膜晶体管5576的第二电极以及第七薄膜晶体管5577的第二电极所连接的点被称为节点5543。第二薄膜晶体管5572的栅电极、第三薄膜晶体管5573的第二电极、第四薄膜晶体管5574的第二电极、第六薄膜晶体管5576的栅电极以及第八薄膜晶体管5578的第二电极所连接的点被称为节点5544。
第一引线5501、第二引线5502、第三引线5503以及第四引线5504可分别称为第一信号线、第二信号线、第三信号线以及第四信号线。第五引线5505和第六引线5506可分别称为第一电源线和第二电源线。
此外，可仅使用实施例2中描述的n沟道TFT形成信号线驱动器电路和扫描线驱动器电路。实施例2中所描述的n沟道TFT具有高迁移率，从而可提高驱动器电路的驱动频率。例如，使用实施例2中所描述的n沟道TFT的扫描线驱动器电路可高速地工作，从而可提高帧频率并实现黑色插入(black insertion)。
此外，例如，当提高了扫描线驱动器电路中的晶体管沟道宽度或设置了多个扫描线驱动器电路时，可实现更高的帧频率。当设置了多个扫描线驱动器电路时，将用于驱动偶数扫描线的扫描线驱动器电路设置在一侧，而将用于驱动奇数行扫描线的扫描线驱动器电路设置在另一侧；因此，可实现帧频率的提高。此外，使用多个扫描线驱动器电路用于向同一扫描线输出信号对于增大显示器件的大小是有利的。
在制造作为半导体器件的示例的有源矩阵发光显示器件的情况下，因为在至少一个像素中设置多个薄膜晶体管，所以优选设置多个扫描线驱动器电路。图4B中示出了有源矩阵发光显示器件的框图的示例。
图4B中所示的发光显示器件在衬底5400上包括：包括分别设置有显示元件的多个像素的像素部分5401；选择像素的第一扫描线驱动器电路5402和第二扫描线驱动器电路5404；以及控制输入选定像素的视频信号的信号线驱动器电路5403。
在向图4B的发光显示器件的像素输入数字视频信号的情况下，通过开/关晶体管将像素置于发光状态或不发光状态。因此，可使用面积比灰度法或时间比灰度法显示灰度。面积比灰度法指的是通过将一个像素分成多个子像素并基于视频信号独立地驱动各个子像素从而显示灰度的驱动方法。此外，时间比灰度法指的是通过控制像素发射光的周期从而显示灰度的驱动方法。
因为发光元件的响应时间比液晶元件等的响应时间快，所以发光元件适合于时间比灰度法。具体而言，在通过时间灰度方法显示的情况下，将一个帧周期分成多个子帧周期。接着，根据视频信号，在各个子帧周期中将像素中的发光元件置为发光状态或不发光状态。通过将一个帧周期分成多个子帧周期，可利用视频信号控制像素在一个帧周期中实际发光的总时间长度，从而显示灰度。
注意在图4B的发光显示器件的示例中，在一个像素包括两个开关TFT的情况下，输入第一扫描线即开关TFT之一的栅极引线的信号在第一扫描线驱动器电路5402中产生，而输入第二扫描线即另一开关TFT的栅极引线的信号在第二扫描线驱动器电路5404中产生。不过，输入第一扫描线和第二扫描线的信号都可在一个扫描线驱动器电路中产生。此外，例如，根据一个像素中所包括的开关TFT的数量，有可能在每个像素中设置用于控制开关元件的操作的多条扫描线。在此情况下，输入扫描线的信号均可在一个扫描线驱动器电路中产生，或在多个扫描线驱动器电路中产生。
同样，在发光显示器件中，可将可利用n沟道TFT形成的驱动器电路的一部分与像素部分的薄膜晶体管一起设置在一个衬底上。此外，可仅使用实施例2中描述的n沟道TFT制造信号线驱动器电路和扫描线驱动器电路。
上述驱动器电路不仅可用于液晶显示器件或发光显示器件，还可用于其中通过使用电连接至开关元件的元件驱动电子墨水的电子纸。电子纸也被称为电泳显示器件(电泳显示器)，而且其优点在于，它具有与普通纸张一样的可阅读性，它具有比其它显示器件更低的功耗，而且它可被制造得薄和轻。
存在多种模式的电泳显示器。在电泳显示器中，分别包括具有正电荷的第一粒子和具有负电荷的第二粒子的多个微胶囊散布在溶剂或溶液中，而且将电场施加给这些微胶囊，从而微胶囊中的粒子以彼此相反的方向移动，从而仅显示聚集在一侧的粒子的颜色。注意第一粒子或第二粒子包括染色剂，而且当没有电场时它们不移动。此外，第一粒子的颜色不同于第二粒子的颜色(这些粒子也可以是无色的)。
因此，电泳显示器利用了所谓的介电电泳效应，其中具有高介电常数的物质向具有高电场的区域运动。电泳显示器不需要液晶显示器所必需的极化板和对衬底，因此它的厚度和重量约为液晶显示器的一半。
在溶剂中散布的上述微胶囊所处于的溶液被称为电子墨水。可将此电子墨水印刷在玻璃、塑料、布料、纸张等的表面上。利用滤色器或包括着色行为的粒子有可能实现彩色显示。
此外，通过在有源矩阵衬底上适当地设置多个微胶囊以插入两个电极之间，可完成有源矩阵显示器件，而且通过对微胶囊施加电场能实现显示。例如，可使用利用实施例1到2中所描述的薄膜晶体管获得的有源矩阵衬底。
注意，微胶囊中的第一粒子和第二粒子可分别由导电材料、绝缘材料、半导体材料、磁性材料、液晶材料、铁电材料、电致发光材料、电致变色材料、以及磁泳材料中的任一种材料组成，或由这些材料的复合材料组成。
通过上述工艺，可将高可靠的显示器件制造为半导体器件。
可与其它实施例中描述的任一结构以适当的组合实现本实施例。
(实施例4)
本实施例描述作为半导体器件的发光显示器件的示例。作为显示器件的显示元件，这里描述了利用电致发光的发光元件。利用电致发光的发光元件是根据发光材料是有机化合物还是无机化合物来分类的。前者称为有机EL元件，而后者被称为无机EL元件。
在有机EL元件中，通过对发光元件施加电压，电子和空穴分别从一对电极注入包含发光有机化合物的层中，从而电流流动。然后那些载流子(电子和空穴)复合，从而激发发光有机化合物。当发光有机化合物从激发态返回基态时，光发射。由于这种机制，这种发光元件被称为电流激发发光元件。
根据无机EL元件的元件结构将它们分类为散射型无机EL元件和薄膜型无机EL元件。散射型无机EL元件具有发光材料的粒子散布在粘合剂中的发光层，而且其发光机制是利用施主能级和受主能级的施主－受主复合型发光。薄膜型无机EL元件具有发光层被夹在介电层之间、而介电层又进一步夹在电极之间的结构，其发光机制是利用金属离子的内层电子跃迁的局部型发光。注意，这里使用有机EL元件作为发光元件作出该描述。
图10示出可应用数字时间灰度驱动的作为半导体器件的示例的像素结构的示例。
以下描述可应用数字时间灰度驱动的像素的结构和操作。在本示例中，一个像素包括沟道形成区中有氧化物半导体层(通常为In-Ga-Zn-O基非单晶膜)的两个n沟道晶体管。
像素6400包括开关晶体管6401、驱动晶体管6402、发光元件6404以及电容器6403。开关晶体管6401的栅极连接至扫描线6406，开关晶体管6401的第一电极(源电极和漏电极中的一个)连接至信号线6405，而开关晶体管6401的第二电极(源电极和漏电极中的另一个)连接至驱动晶体管6402的栅极。驱动晶体管6402的栅极通过电容器6403连接至电源线6407，驱动晶体管6402的第一电极连接至电源线6407，以及驱动晶体管6402的第二电极连接至发光元件6404的第一电极(像素电极)。发光元件6404的第二电极对应于公共电极6408。公共电极6408电连接至设置在同一衬底上的公共电位线，而且可将连接部分用作公共连接部分。
注意，发光元件6404的第二电极(公共电极6408)被设置为低电源电位。当设置给电源线6407的高电源电位是基准时，低电源电位是低于该高电源电位的电位。例如可采用GND、0V等作为低电源电位。为了通过向发光元件6404施加高电源电位与低电源电位之间的电位差，从而电流流过发光元件6404以使发光元件6404发光，要将各个电位设置成使高电源电位与低电源电位之间的电位差高于或等于发光元件6404的正向阈值电压。
驱动晶体管6402的栅极电容可用作电容器6403的替代物，因此可省去电容器6403。可在沟道区与栅电极之间形成驱动晶体管6402的栅电容。
在电压-输入电压驱动方法的情况下，将视频信号输入驱动晶体管6402的栅极，以使驱动晶体管6402完全导通或完全截止。即，驱动晶体管6402在线性区中工作。因为驱动晶体管6402在线性区中工作，所以高于电源线6407电压的电压被施加给驱动晶体管6402的栅极。注意，大于或等于驱动晶体管6402的电源线电压与电压Vth之和的电压被施加给信号线6405。
在执行模拟灰度驱动法代替数字时间灰度法的情况下，通过改变信号输入可使用如图10中一样的像素结构。
在执行模拟灰度驱动的情况下，将高于或等于发光元件6404的正向电压与驱动晶体管6402的Vth之和的电压施加给驱动晶体管6402的栅极。发光元件6404的正向电压指的是获得期望照度的电压，且包括至少正向阈值电压。通过输入视频信号以使驱动晶体管6402能在饱和区中工作，电流可流过发光元件6404。为了使驱动晶体管6402能工作于饱和区，将电源线6407的电位设置成高于驱动晶体管6402的栅极电位。当使用了模拟视频信号时，可根据视频信号将电流馈送至发光元件6404，而且能执行模拟灰度驱动。
注意，图10中所示的像素结构不限于此。例如，可向图10中的像素添加开关、电阻器、电容器、晶体管、逻辑电路等。
接着，参照图11A到11C描述发光元件的结构。这里将以n沟道驱动TFT为例描述像素的截面结构。通过类似于用于形成实施例1中所描述的第二薄膜晶体管170的方法可形成用于图11A到11C所示的半导体器件的驱动TFT的TFT7001、7011以及7021。TFT7001、7011以及7021分别包括氧化物半导体膜作为半导体层。
为提取从发光元件发出的光，需要阳极或阴极中的至少一个为透明。在衬底上形成薄膜晶体管和发光元件。发光元件可具有通过与衬底相对的表面提取光的顶发光结构、通过衬底的表面提取光的底发光结构、或通过与衬底相对的表面和衬底的表面提取光的双发光结构。可将该像素结构应用于具有这些发光结构中的任一种的发光元件。
参照图11A描述具有顶发光结构的发光元件。
图11A是作为驱动TFT的驱动TFT7001是n沟道TFT而且发光元件7002中产生的光通过阳极7005发射的情况下的像素的截面图。TFT7001包括其中添加了氧化硅的In-Sn-Zn-O基氧化物半导体作为其半导体层。如果In-Sn-Zn-O基氧化物半导体包含诸如氧化硅之类的杂质，所以即使该In-Sn-Zn-O基氧化物半导体在300℃到600℃下经受热处理，也能防止该In-Sn-Zn-O基氧化物半导体的结晶或微晶粒的产生。在图11A中，发光元件7002的阴极7003电连接至自作为驱动TFT的TFT7001，而发光层7004和阳极7005以此顺序层叠在阴极7003上。可使用具有低功函数的任一种导电材料和反射光的膜形成阴极7003。例如，优选使用Ca、Al、CaF、MgAg、AlLi等。可使用单个层或层叠多个层形成发光层7004。当使用多层形成发光层7004时，通过按照以下顺序在阴极7003上层叠电子注入层、电子输运层、发光层、空穴输运层以及空穴注入层而形成发光层7004。不一定要形成所有这些层。阳极7005由诸如包含氧化钨的氧化铟、包含氧化钨的氧化铟锌、包含氧化钛的氧化铟、包含氧化钛的氧化铟锡、氧化锡铟(下文称为ITO)、氧化锌铟或添加了氧化硅的氧化锡铟之类的透光导电材料制成。
发光元件7002对应于阴极7003与阳极7005夹着发光层7004的区域。在图11A中所示的像素中，如箭头所示，光从发光元件7002发射至阳极7005。
接着，参照图11B描述具有底发光结构的发光元件。图11B是驱动TFT7011是n型TFT、而且发光元件7012中产生的光通过阴极7013发射的情况下的像素的截面图。TFT7001包括其中添加了氧化硅的In-Al-Zn-O基氧化物半导体作为其半导体层。如果In-Al-Zn-O基氧化物半导体包含诸如氧化硅之类的杂质，则即使该In-Al-Zn-O基氧化物半导体在300℃到600℃下经受热处理，也能防止该In-Al-Zn-O基氧化物半导体的结晶或微晶粒的产生。在图11B中，在电连接至驱动TFT7011的具有透光性质的导电膜7017上形成发光元件7012的阴极7013，并按顺序将发光层7014和阳极7015层叠在阴极7013上。注意，当阳极7015具有透光性质时，可形成用于反射和阻挡光的挡光膜7016来覆盖阳极7015。对于阴极7013，与图11A的情况一样，可使用具有低功函数的任一种导电材料。注意，阴极7013被形成为具有能透光的厚度(优选约5nm到30nm)。例如，可将具有20nm厚度的铝膜用作阴极7013。发光层7014可由单层组成，或如图11A的情况一样通过层叠多个层形成发光层7014。不需要阳极7015透光，但可使用如图11A的情况一样的透光导电材料形成阳极7015。作为挡光膜7016，可使用反射光的金属等；不过它不限于金属膜。例如，可使用添加了黑色素的树脂等。
发光元件7012对应于阴极7013与阳极7015夹着发光层7014的区域。在图11B中所示的像素中，如箭头所示，光从发光元件7012发射至阳极7013。
接着，参考图11C描述具有双发光结构的发光元件。在图11C中，在电连接至驱动TFT7021的具有透光性质的导电膜7027上形成发光元件7022的阴极7023，并按顺序将发光层7024和阳极7025层叠在阴极7023上。TFT7001包括其中添加了氧化硅的Sn-Al-Zn-O基氧化物半导体作为其半导体层。如果Sn-Al-Zn-O基氧化物半导体包含诸如氧化硅之类的杂质，则即使该Sn-Al-Zn-O基氧化物半导体在300℃到600℃下经受热处理，也能防止该Sn-Al-Zn-O基氧化物半导体的结晶或微晶粒的产生。像图11A的情况一样，可使用具有低功函数的任一种导电材料形成阴极7023。注意，将阴极7023形成为具有能透射光的厚度。例如，可将具有20nm厚度的Al膜可用作阴极7023。可使用单层或如图11A的情况一样通过层叠多个层来形成发光层7024。以与图11A相似的方式，可使用透光导电材料形成阳极7025。
发光元件7022对应于阴极7023、发光层7024以及阳极7025彼此交迭的区域。在图11C中所示的像素中，如箭头所示，光从发光元件7022发射通过阳极7025和阴极7023。
虽然这里描述了有机EL元件作为发光元件，但还可提供无机EL元件作为发光元件。
注意，本实施例描述了控制发光元件的驱动的薄膜晶体管(驱动TFT)电连接至发光元件的示例；不过，可采用电流控制TFT连接在驱动TFT与发光元件之间的结构。
接着，将参照图12A和12B描述作为半导体器件的一个模式的发光显示面板(也称为发光面板)的外观和截面。图12A是其中使用密封剂将第一衬底上的发光元件和薄膜晶体管密封在第一衬底与第二衬底之间的面板的俯视图。图12B是沿图12A的H-I的截面图。
密封剂4505被设置成包围设置在第一衬底4501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。此外，将第二衬底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上。因此，将像素部分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连同填充物4507通过第一衬底4501、密封剂4505以及第二衬底4506密封到一起。以此方式，优选用保护膜(诸如粘接膜或紫外可固化树脂膜)或具有高气密性和几乎无除气的覆盖材料封装(密封)该发光显示面板，从而使至少像素部分4502不暴露给外部空气。
在第一衬底4501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分别包括多个薄膜晶体管。在图12B中示出像素部分4502中包括的薄膜晶体管4510和信号线驱动器电路4503a中包括的薄膜晶体管4509作为示例。
作为薄膜晶体管4509，采用了实施例1中所描述的包括氧化物半导体层的叠层作为其半导体层的第一薄膜晶体管。作为薄膜晶体管4510，采用了实施例1中所描述的包括In-Ga-Zn-O基非单晶膜的单层的第二薄膜晶体管。在本实施例中，薄膜晶体管4509和4510是n沟道薄膜晶体管。
此外，附图标记4511表示发光元件。包括在发光元件4511中的作为像素电极的第一电极层4517电连接至薄膜晶体管4510的源电极层或漏电极层。注意，虽然发光元件4511在本实施例中具有第一电极层4517、电致发光层4512以及第二电极层4513的层叠结构，但发光元件4511的结构不限于此。可根据从发光元件4511提取光的方向等适当地改变发光元件4511的结构。
使用有机树脂膜、无机绝缘膜或有机聚硅氧烷形成隔离壁4520。尤其优选使用光敏材料制成隔离壁4520，且使其在第一电极层4517上具有开口部分，以将开口部分的侧壁形成为具有连续弯曲的斜面。
可使用单层或层叠的多个层形成电致发光层4512。
为阻止氧气、氢气、水汽、二氧化碳等进入发光元件4511，可在第二电极层4513和隔离壁4520上形成保护膜。作为保护膜，可形成氮化硅膜、氮氧化硅膜、DLC膜等。
此外，从FPC4518a和4518b将多个信号和电压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或像素部分4502。
在本实施例中，使用与发光元件4511中所包括的第一电极层4517相同的导电膜形成连接端子电极4515。使用与薄膜晶体管4509和4510中所包括的源电极层和漏电极层相同的导电膜形成端子电极4516。
连接端子电极4515通过各向异性导电膜4519电连接至FPC4518a中所包括的端子。
位于从发光元件4511提取光的方向的第二衬底需要具有透光性质。在该情况下，使用诸如玻璃板、塑料板、聚酯膜或丙烯酸膜之类的透光材料。
作为填充物4507，可使用紫外可固化树脂或热固性树脂以及诸如氮气或氩气之类的惰性气体。例如，可使用聚氯乙烯(PVC)、丙烯酸、聚酰亚胺、环氧树脂、硅酮树脂、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)或乙烯乙酸乙烯酯(EVA)。在本实施例中，使用氮气作为填充物。
此外，在需要时，可在发光元件的发光表面上酌情设置诸如极化板、圆形极化板(包括椭圆极化板)、阻滞板(四分之一波板或半波板)以及滤色器之类的光学膜。此外，极化板或圆形极化板可设置有抗反射膜。例如，可执行抗眩光处理，通过该处理能通过表面上的凸起和凹陷漫射反射光以减少眩光。
作为信号线驱动器电路4503a和4503b和扫描线驱动器电路4504a和4504b，可在单独制备的衬底上安装利用单晶半导体膜或多晶半导体膜形成的驱动器电路。此外，可单独形成然后安装信号线驱动器电路及其部分或扫描线驱动器电路及其部分。本实施例不限于图12A和12B中所示的结构。
通过上述工艺，可将高可靠的发光显示器件(显示面板)制造为半导体器件。
可与其它实施例中描述的任一结构以适当的组合实现本实施例。
(实施例5)
在本实施例中，参照图13A到13C描述了其中金属薄膜的上表面的面积不同于实施例1中的面积的示例；换言之，金属薄膜的端部远离第二氧化物半导体层的端部。注意，除金属薄膜的形状之外，本示例与图1A到1C中的示例相同，而且相同的附图标记表示相同的部分。
首先，与实施例1中一样，在具有绝缘表面的衬底400上设置第一栅电极401和第二栅电极101。注意，在形成第一栅电极401和第二栅电极101时，也形成像素部分中的电容器引线108和端子部分中的第一端子121。
然后，形成覆盖第一栅电极401和第二栅电极101的栅绝缘层403。
然后，在栅绝缘层403上形成铟、锌、锡、钼、钨等的金属薄膜。替代地，可形成那些元素的任一种的合金薄膜或叠层膜。通过溅射法、真空汽相沉积法或涂覆法形成该金属薄膜。这里，通过溅射法形成厚度为大于0nm且小于或等于10nm——优选为3nm到5nm(含3nm和5nm)——的锌膜。
然后，通过光刻技术按选择地去除金属膜。在此蚀刻步骤中，形成金属薄膜490，使其面积小于稍后将形成的氧化物半导体层的图案化形状的面积。注意，在与第一栅电极401部分交迭的位置形成金属薄膜490，在该金属薄膜490与栅绝缘层403之间插入有栅绝缘层403。当按照这种方式形成金属薄膜490时，金属薄膜490的侧表面被氧化物半导体层覆盖。因此，即使后续的热处理未将金属薄膜充分氧化，也能防止第一引线409与第二引线410之间通过金属薄膜短路。
然后，形成氧化物半导体层以覆盖金属薄膜490的上表面和侧表面。在本实施例中，通过溅射法形成第一In-Ga-Zn-O基非单晶膜作为该氧化物半导体层。
在通过溅射法形成In-Ga-Zn-O基氧化物半导体层的情况下，含In、Ga以及Zn的氧化物半导体靶可包含绝缘杂质。该杂质是以氧化硅、氧化锗、氧化铝等为代表的绝缘氧化物等、以氮化硅、氮化铝等为代表的绝缘氮化物等、或诸如氧氮化硅或氧氮化铝之类的绝缘氧氮化物等。例如，优选以0.1％到10％重量百分比(含0.1％和10％)、更优选以1％到6％(含1％和6％)重量百分比将SiO2混入该氧化物半导体靶中。
接着，在不暴露给空气的情况下通过溅射法形成电阻率低于第一In-Ga-Zn-O基非单晶膜的氧化物半导体膜(在此实施例中为第二In-Ga-Zn-O基非单晶膜)。
接着，执行光刻步骤以形成抗蚀剂掩模，并蚀刻第一In-Ga-Zn-O基非单晶膜和第二In-Ga-Zn-O基非单晶膜。通过蚀刻去除不必要的部分，从而形成作为第一In-Ga-Zn-O基非单晶膜的氧化物半导体膜485a和485b、以及作为第二In-Ga-Zn-O基非单晶膜的氧化物半导体膜486a和486b。图13A是此阶段的截面图。如图13A所示，作为第一In-Ga-Zn-O基非单晶膜的氧化物半导体膜485a覆盖金属薄膜490的上表面和侧表面，从而不暴露金属薄膜490。
注意，在本实施例中无限制地描述了其中设置了第二In-Ga-Zn-O基非单晶膜的示例。不一定要设置第二In-Ga-Zn-O基非单晶膜。
接着，执行光刻步骤以形成抗蚀剂掩模，并通过蚀刻去除不必要部分以形成接触孔，该接触孔到达由与栅电极层相同材料组成的引线或电极层。该接触孔被设置成与稍后形成的导电膜直接接触。例如，当形成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，或当形成电连接至端子部分的栅极引线的端子时，形成接触孔。
然后，通过溅射法用金属材料在作为第二In-Ga-Zn-O基非单晶膜的氧化物半导体膜486a和486b上以及栅绝缘层403上形成导电膜。
然后，通过光刻步骤形成抗蚀剂掩模，并通过蚀刻去除不必要部分。因此，在像素部分中形成源和漏电极层105a和105b以及作为源区和漏区的n+型层104a和104b，而在驱动器电路部分中形成作为源和漏电极层的第一和第二引线409和410以及作为源区和漏区的n+型层406a和406b。在此蚀刻步骤中，将氧化物半导体膜的暴露区域部分蚀刻为氧化物半导体层103。因此，n+型层104a和104b之间的氧化物半导体层103的沟道区具有小厚度。通过上述步骤，能在像素部分中形成包括氧化物半导体层103作为沟道形成区的第二薄膜晶体管170。在该光刻步骤中，由与源或漏电极层105a和105b相同的材料制成的第二端子122被保留在端子部分中。注意，第二端子122电连接至源引线(包括源电极层或漏电极层105a和105b的源引线)。
此外，在端子部分中，连接电极120通过栅绝缘膜中形成的接触孔直接连接至端子部分的第一端子121(参见图15)。注意，虽然此处未示出，但通过与上述步骤相同的步骤将驱动器电路的薄膜晶体管的源引线或漏引线直接连接至栅电极。
接着，优选在200℃到600℃下、通常在300℃到500℃下执行热处理(该热处理可以是利用光的退火)。这里，在炉中在350℃下在空气中执行热处理1小时。该热处理也可称为将金属薄膜490部分或全部氧化的氧化处理。在本实施例中，金属薄膜490成为具有导电性的氧化锌膜、第一氧化物半导体层491。通过上述步骤，可在驱动器电路中制造包括第一氧化物半导体层491和第二氧化物半导体层405的叠层的第一薄膜晶体管420。图13B是此阶段的截面图。此外，通过此热处理，在In-Ga-Zn-O基非单晶膜中发生原子级的重排。要注意的是，对热处理的定时不存在特殊限制，只要在第二In-Ga-Zn-O基非单晶膜形成之后任何时候进行即可，而且例如，可在像素电极形成之后执行热处理。
接着，去除抗蚀剂掩模，并形成保护绝缘层412以覆盖第一薄膜晶体管420和第二薄膜晶体管170。
接着，执行光刻步骤以形成抗蚀剂掩模，并蚀刻保护绝缘层412以形成到达源电极层或漏电极层105b的接触孔。此外，通过这里的蚀刻，形成到达第二端子122的接触孔和到达连接电极120的接触孔。
然后，在去除抗蚀剂掩模之后，形成透明导电膜。使用氧化铟(In2O3)、氧化铟锡(In2O3-SnO2，简称为ITO)等通过溅射方法、真空蒸发方法等形成透明导电膜。使用盐酸基溶液对这样的材料执行蚀刻处理。然而，因为在蚀刻ITO时尤其倾向于产生残留物，所以可使用氧化铟和氧化锌合金(In2O3-ZnO)以提高蚀刻可加工性。
接着，执行光刻步骤以形成抗蚀剂掩模，并通过蚀刻去除不必要的部分，从而形成像素电极层110。此外，在这个光刻步骤中，利用电容器引线108和像素电极层110形成储存电容器。该储存电容器包括栅绝缘层403和电容器部分中的保护绝缘层412作为电介质。此外，在这个光刻步骤中，第一端子和第二端子被抗蚀剂掩模覆盖，从而透明导电膜128和129被保留在端子部分中。透明导电膜128和129用作用于与FPC连接的电极或引线。在连接电极120上形成的直接连接至第一端子121的透明导电膜128用作栅引线的输入端子的连接端子电极。在第二端子122上形成的透明导电膜129用作起源引线的输入端子作用的连接端子电极(参见图15)。
注意，这里描述了其中通过使用栅绝缘层403和保护绝缘层412作为电介质用电容器引线108和像素电极层110形成储存电容器的示例。然而，不存在特殊限制，而且可采用其中在电容器引线上设置由与源电极或漏电极相同的材料组成的电极、并且储存电容器由该电极、电容器引线以及它们之间的作为电介质的栅绝缘层403组成、以及该电极和像素电极电连接的一种结构。
然后去除抗蚀剂掩模，而图13C示出了此阶段的截面图。注意此阶段的像素部分中的第二薄膜晶体管170的俯视图对应于图14。
图15是沿图14中的线A1-A2和B1-B2取得的截面图。图15示出了像素部分中的第二薄膜晶体管170的截面结构、像素部分中的电容器部分的截面结构以及端子部分的截面结构。
此外，图16A和16B分别是源引线端子部分的截面图和俯视图。图16A是沿图16B中的线D1-D2所取的截面图。在图16A中，在保护绝缘膜154上形成的透明导电膜155是起输入端子作用的连接端子电极。此外，在图16A中，在端子部分中，由与栅引线相同材料组成的电极156位于电连接至源引线的第二端子150以下且与之交迭，电极156与第二端子150之间插入有栅绝缘层152。电极156未电连接至第二端子150。当电极156被设置成，例如，浮置、GND或0V，以使电极156的电位不同于第二端子150的电位时，可形成用于防止噪声或静电的电容器。此外，第二端子150电连接至透明导电膜155，其中保护绝缘膜154插入第二端子150与透明导电膜155之间。注意保护绝缘膜154等同于保护绝缘层412。
根据像素密度设置多条栅引线、源引线以及电容器引线。在端子部分中，还分别安排了多个与栅引线相同电位的第一端子、与源引线相同电位的第二端子、与电容器引线相同电位的第三端子等。对各种端子的数量并无特定限制，而且可由本领域技术人员酌情确定端子的数量。
以上述方式，能完成包括其中层叠了氧化物半导体层的第一薄膜晶体管420的驱动器电路、包括作为底栅型n沟道薄膜晶体管的第二薄膜晶体管170和储存电容器的像素部分、以及端子部分。
当制造有源矩阵液晶显示器件时，将有源矩阵衬底和设置有对电极的对衬底相互固定，并在它们之间插入液晶层。注意，在有源矩阵衬底上设置有电连接至对衬底上的对电极的公共电极，而且在端子部分中设置有电连接至公共电极的端子。此端子被设置成将公共电极固定至诸如GND或0V之类的预定电位。
此外，本实施例不限于图14中的像素结构，而且在图17中示出了与图14不同的俯视图的示例。图17示出一示例，其中未设置电容器引线，且像素电极与毗邻像素的栅引线交迭，而且保护绝缘膜和栅绝缘膜插入在像素电极与毗邻像素电极之间以形成存储电容器。在该情况下，可忽略电容器引线和连接至该电容器引线的第三端子。注意，在图17中，由相同的附图标记标注与图14中相同的部分。
在有源矩阵液晶显示器件中，驱动排列成矩阵的像素电极以在屏幕上形成显示图案。具体而言，当在选定的像素电极与对应于该像素电极的对电极之间施加电压时，设置在该像素电极与该对电极之间的液晶层受光调制，而此光调制被观看者识别为显示图案。
在显示运动图像时，液晶显示器件具有的问题在于，液晶分子的长响应时间引起运动图像的拖影或模糊。为改善液晶显示器件的运动图像特性，采用了称为黑色插入的驱动方法，其中每隔一个帧周期在整个屏幕上显示黑色。
替代地，可采用称为双帧率驱动的驱动方法，其中垂直同步频率是通常垂直同步频率的1.5或更多倍、优选为2倍或更多倍，藉此改善运动图像特性。
进一步替代地，为改善液晶显示器件的运动图像特性，可采用一种启动方法，其中使用多个LED(发光二极管)或多个EL光源来形成作为背光的表面光源、而且在一个帧周期中以脉冲方式独立地驱动该表面光源的各个光源。作为该表面光源，可使用三种或更多种类型的LED，或可使用发射白光的LED。因为能独立地控制多个LED，所以可使LED的发光时序与对液晶层进行光调制的时序同步。根据此驱动方法，可使LED部分截止；从而，可获得降低功耗的效果，尤其是显示具有大部分为黑色的图像的情况下。
通过组合这些驱动技术，相比于常规液晶显示器件的显示特性，可改善液晶显示器件的诸如运动图像特性之类的显示特性。
本实施例中获得的第一薄膜晶体管420包括具有不同导电性和具有良好动态特性的氧化物半导体层的叠层。因此，能组合采用那些驱动技术。
此外，根据本实施例，能以低成本提供具有高电性质和高可靠性的显示器件。
(实施例6)
通过不仅在驱动器电路中而且在像素部分中使用薄膜晶体管，能制造包括具有不同导电性的氧化物半导体层的叠层的薄膜晶体管，且能制造具有显示功能的液晶显示器件。此外，在与像素部分相同的衬底上形成使用薄膜晶体管的驱动器电路的一部分或全部，藉此可获得板上系统。
该液晶显示器件包括作为显示元件的液晶元件(也称为液晶显示元件)。
此外，该液晶显示器件包括封装有显示元件的面板和其中包括控制器之类的IC等安装在面板上的模块。本实施例还涉及在用于制造液晶显示器件的工艺中完成显示元件之前的元件衬底的一种模式，而且该元件衬底设置有分别具有用于向显示元件提供电流的器件的多个像素。具体而言，该元件衬底可以处于仅形成显示元件的一个像素电极之后的状态、在形成作为像素电极的导电膜之后但在蚀刻该导电膜以形成像素电极之前的状态或任何其它状态。
注意，此说明书中的液晶显示器件表示图像显示器件、显示器件或光源(包括发光器件)。此外，该液晶显示器件在其种类中还可包括以下模块中的任一种：附连有诸如FPC(柔性印刷电路)、TAB(带式自动接合)带或TCP(带式载体封装)之类的连接器的模块；具有在其端部设置有印刷线路板的TAB带或TCP的模块；以及IC(集成电路)通过COG(玻璃上芯片)方法直接安装在显示元件上的模块。
将参照图18A1、18A2以及18B描述作为液晶显示器件的一个实施例的液晶显示面板的外观和截面。图18A1和18A2是其中用密封剂4005将液晶元件4013封装在第一衬底4001与第二衬底4006之间的面板的俯视图。图18B是沿图18A1和图18A2的M-N所取的截面图。
密封剂4005被设置成包围设置在第一衬底4001上的像素部分4002和扫描线驱动器电路4004。在像素部分4002和扫描线驱动器电路4004之上设置第二衬底4006。因此，利用密封剂4005将像素部分4002和扫描线驱动器电路4004以及液晶层4008密封在第一衬底4001与第二衬底4006之间。在实施例中，无特定限制地将蓝相液晶材料用于液晶层4008。呈现出蓝相的液晶材料具有从未施加电压的状态到施加电压的状态的1毫秒或更短的响应时间，藉此短时间响应成为可能。蓝相液晶材料包括液晶和手性剂。采用手性剂以使液晶以螺旋结构取向，从而使液晶呈现蓝相。例如，可将其中混合了5％重量百分比或更多手性剂的液晶材料用于该液晶层。作为液晶，使用了热致液晶、低分子液晶、高分子液晶、铁电液晶、反铁电液晶等。
在图18A1中，将使用单晶半导体膜或多晶半导体膜在单独制备的衬底上形成的信号线驱动器电路4003安装在第一衬底4001上与被密封剂4005包围的区域不同的区域中。相比之下，图18A2示出利用薄膜晶体管在第一衬底4001上形成信号线驱动器电路的一部分的示例，该薄膜晶体管包括具有不同导电性的氧化物半导体层的叠层。在图18A2中，在第一衬底4001上形成了信号线驱动器电路4003b，且在第一衬底4001上安装了使用单晶半导体膜或多晶半导体膜在单独制备的该衬底上形成的信号线驱动器电路4003a。
注意，对于单独形成的驱动器电路的连接方法无特定限制，而可使用COG法、引线接合法、TAB法等。图18A1示出通过COG法安装信号线驱动器电路4003的示例，而图18A2示出通过TAB法安装信号线驱动器电路4003的示例。
在第一衬底4001上设置的像素部分4002和扫描线驱动器电路4004各包括多个薄膜晶体管。图18B示出像素部分4002中包括的薄膜晶体管4010和扫描线驱动器电路4004中包括的薄膜晶体管4011。绝缘层4020和层间膜4021设置在薄膜晶体管4010和4011上。作为薄膜晶体管4010，采用了实施例1中所描述的包括具有不同导电性的氧化物半导体层的叠层作为其半导体层的第一薄膜晶体管。作为薄膜晶体管4011，采用了实施例1中所描述的包括In-Ga-Zn-O基非单晶膜的单层的第二薄膜晶体管。在本实施例中，薄膜晶体管4010和4011是n沟道薄膜晶体管。
此外，在第一衬底4001上设置了像素电极层4030和公共电极层4031。像素电极层4030电连接至薄膜晶体管4010。液晶元件4013包括像素电极层4030、公共电极层4031以及液晶层4008。在本实施例中，使用了通过产生与衬底基本平行(即横向)的电场以使液晶分子在平行于衬底的平面中移动来控制灰度的方法。在这样的方法中，能使用用于共面切换(IPS)模式或边缘场切换(FFS)模式的电极结构。注意，分别在第一衬底4001和第二衬底4006的外侧上设置了极化板4032和4033。
作为第一衬底4001和第二衬底4006，能使用具有透光性质的玻璃、塑料等。作为塑料，能使用玻璃纤维增强塑料(FRP)板、聚氟乙烯(PVF)膜、聚酯膜、或丙烯酸树脂膜。或者，可使用PVF膜或聚酯膜之间夹有铝箔的薄板。
附图标记4035表示通过对绝缘膜选择性蚀刻而获得的柱状隔离件，而且设置该柱状隔离件用于控制液晶层4008的厚度(单元间隙)。注意，可使用球状隔离件。
图18A1、18A2以及18B示出了在衬底的外侧(观看侧)上设置极化板的液晶显示器件的示例；然而，也可在衬底的内侧上设置该极化板。可根据极化板的材料和制造工艺的条件确定极化板的位置。此外，可设置用作黑色基质的挡光层。
层间膜4021是透光树脂层。层间膜4021的一部分是挡光层4012。挡光层4012覆盖薄膜晶体管4010和4011。在图18B中，在第二衬底4006上设置了挡光层4034以与薄膜晶体管4010和4011交迭。通过挡光层4012和挡光层4034，能实现对比度的进一步提高和薄膜晶体管的稳定。
当设置了挡光层4034时，能使入射薄膜晶体管的半导体层的光强衰减。因此，能使薄膜晶体管的电特性稳定，并防止电特性因为氧化物半导体的光敏性而变化。
可用作为薄膜晶体管的保护膜的绝缘层4020覆盖薄膜晶体管；然而，对这样的结构没有特殊限制。
注意，设置该保护膜用于防止漂浮在空气中的诸如有机物质、金属物质或水汽之类的杂质进入，而且优选地该保护膜是致密膜。可通过溅射法使用氧化硅膜、氮化硅膜、氧氮化硅膜、氮氧化硅膜、氧化铝膜、氮化铝膜、氧氮化铝膜和/或氮氧化铝膜的单层或叠层来形成该保护膜。
此外，在形成另一透光绝缘层作为平坦化绝缘膜的情况下，可使用诸如聚酰亚胺、丙烯酸、苯并环丁烯、聚酰胺或环氧树脂之类的具有耐热性的有机材料形成该透光绝缘层。作为这些有机材料的替代物，还有可能使用低介电常数材料(低k材料)、硅氧烷基树脂、磷硅玻璃(PSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)等。注意，可通过层叠由这些材料中的任一种形成的多层绝缘膜形成该绝缘层。
用于形成层叠绝缘层的方法不限于特定方法，而且根据材料可使用以下方法：溅射法、SOG法、旋涂法、浸涂法、喷涂法、液滴排出法(例如喷墨法、丝网印刷法或胶版印刷法)、刮片法、辊涂法、幕涂法、刀涂法等。在使用材料解决方案形成绝缘层的情况下，可在烘焙步骤同时对该半导体层退火(在200℃到400℃下)。当组合绝缘层的烘焙步骤和半导体层的退火时，能高效地制造液晶显示器件。
可由诸如包含氧化钨的氧化铟、包含氧化钨的氧化锌铟、包含氧化钛的氧化铟、包含氧化钛的氧化锡铟、氧化锡铟(下文称为ITO)、氧化锌铟或添加了氧化硅的氧化锡铟之类的透光导电材料制成像素电极层4030和公共电极层4031。
还可将包含导电高分子(也称为导电聚合物)的导电组合物用于像素电极层4030和公共电极层4031。
此外，从FPC4018对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提供多个信号和电压。
因为薄膜晶体管容易被静电等损坏，所以优选在与栅线或源线相同的衬底上设置用于保护驱动器电路的保护电路。优选使用其中使用了氧化物半导体的非线性元件形成保护电路。
在图18A1、18A2以及18B中，使用与像素电极层4030相同的导电膜形成连接端子电极4015，且使用与薄膜晶体管4010和4011的源电极层和漏电极层相同的导电膜形成端子电极4016。
连接端子电极4015通过各向异性导电膜4019电连接至FPC4018中包括的端子。
图18A1、18A2以及18B无限制地示出其中单独形成信号线驱动器电路4003并将其安装在第一衬底4001上的示例。可单独形成然后安装扫描线驱动器电路，或仅单独形成信号线驱动器电路的一部分或扫描线驱动器电路的一部分然后安装。
图19示出液晶显示器件的截面结构的示例，在该液晶显示器件中，利用密封剂2602将元件衬底2600和对衬底2601附连到一起，而且在这些衬底之间设置了包括TFT等的元件层2603和液晶层2604。
在实现彩色显示的情况下，将发射多色光的发光二极管设置在背光部分中。在RGB模式的情况下，将红光二极管2910R、绿光二极管2910G以及蓝光二极管2910B设置在液晶显示器件的显示区所分成的各个区域中。
在对衬底2601的外侧上设置了极化板2606，而在元件衬底2600的外侧上设置了极化板2607和光薄板2613。使用红光二极管2910R、绿光二极管2910G和蓝光二极管2910B以及反射板2611形成光源。为电路衬底2612而设置的LED控制电路2912通过柔性引线板2609连接至元件衬底2600的引线电路部分2608，且进一步包括诸如控制电路或电源电路之类的外部电路。
本实施例无特殊限制地描述了场序制液晶显示器件，其中该LED控制电路2912使LED单独地发光。还有可能使用冷阴极荧光灯或白光LED作为背光的光源，或提供滤色器。
此外，本实施例无特定限制地采用了用于共面切换(IPS)模式的电极结构。可使用扭曲向列(TN)模式、多畴垂直取向(MVA)模式、图像垂直调整(PVA)模式、轴对称排列微单元(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。
可与其它实施例中描述的任一结构以适当的组合实现本实施例。
(实施例7)
在本实施例中，描述了使用多色调掩模进行曝光以减少掩模数量的示例。注意，多色调掩模能执行三种程度的曝光，以获得曝光部分、半曝光部分以及未曝光部分。在通过多色调掩模之后，光具有多种强度。利用多色调掩模的一次性曝光和显影工艺能形成具有多种厚度(通常为两种厚度)的区域的抗蚀剂掩模。因此，通过使用多色调掩模，能减少光掩模的数量。
作为多色调掩模的示例，有灰色调掩模、半色调掩模等。
灰色调掩模包括具有透光性质的衬底、以及在该衬底上形成的挡光部分和衍射光栅。挡光部分的透光率是0％。另一方面，衍射光栅具有狭缝状、点状、网状等有间距的透光部分，该间距小于或等于用于曝光的光的分辨率极限；因此，能控制透光率。衍射光栅可具有规则设置的狭缝、点或网、或不规则设置的狭缝、点或网。
半色调掩模包括具有透光性质的衬底、以及在该衬底上形成的半透光部分和挡光部分。可使用MoSiN、MoSi、MoSiO、MoSiON、CrSi等形成半透光部分。可使用诸如铬或氧化铬之类吸收光的挡光材料形成挡光部分。当利用光照射半色调掩模以曝光时，挡光部分的透光率为0％，而未设置挡光部分和半透光部分的区域的透光率为100％。可将半透光部分的透光率控制在10％到70％的范围内。可通过控制用于半透光部分的材料来控制半透光部分的透光率。
图20A到20E是示出薄膜晶体管360的制造工艺的截面图。
在图20A中，在其上形成了绝缘膜357的衬底350上形成栅电极层351。在本实施例中，将氧化硅膜(具有100nm厚度)用作绝缘膜357。将栅绝缘层352、金属薄膜380、氧化物半导体膜381以及导电膜383按此顺序层叠在栅电极层351上。在本实施例中，作为金属薄膜380，采用了通过溅射法形成的3nm厚的铟膜和通过溅射法形成的3nm厚的锌膜。
在栅绝缘层352、金属薄膜380、氧化物半导体膜381以及导电膜383上形成了掩模384。
在本实施例中，描述了其中使用多色调(高色调)掩模进行曝光以形成掩模384的示例。
使用透光的多色调掩模进行曝光以获得多种强度，然后进行显影，藉此能形成具有不同厚度的掩模384，如图20B所示。通过使用多色调掩模，能减少曝光掩模的数量。
接着，使用掩模384执行第一蚀刻步骤，以将金属薄膜380、氧化物半导体膜381以及导电膜383蚀刻成岛状。因此，能形成图案化的金属薄膜390、氧化物半导体层385以及导电层387(参见图20B)。
然后，使抗蚀剂掩模384经受灰化。因此，减小了掩模的面积和厚度。此时，去除了具有较小厚度的掩模的区域(与栅电极层351的一部分交迭的区域)，从而能形成彼此分离的掩模388(参见图20C)。
使用掩模388执行第二蚀刻步骤；藉此将氧化物半导体层385和导电层387蚀刻成半导体层353与源和漏电极层355a和355b(参见图20D)。注意，半导体层353是具有凹槽(凹陷)和端部的部分蚀刻的半导体层，该端部也被部分地蚀刻和暴露。
当使用添加了氧气(O2)(优选为15％或更高)的氯基气体(Cl2)进行蚀刻时，在使用氧氮化硅膜作为栅绝缘层352的情况下，能提高氧化物半导体层385的In-Ga-Zn-O基非单晶膜相对于栅绝缘层352的选择性。因此，仅氧化物半导体膜381被选择性地蚀刻。
当在第一蚀刻步骤中对氧化物半导体膜381和导电膜383进行干法蚀刻时，氧化物半导体膜381和导电膜383被各向异性地蚀刻。以此方式，使掩模384的端部与氧化物半导体层385和导电层387的端部对齐，而且这些端部变得连续。
以类似于上述的方式，当在第二蚀刻步骤中对氧化物半导体层385和导电层387进行干法蚀刻时，氧化物半导体层385和导电层387被各向异性地蚀刻。以此方式，使掩模388的端部与半导体层353的凹陷的端部和侧表面以及源和漏电极层355a和355b的端部对齐以变得连续。
在本实施方式中，半导体层353与源和漏电极层355a和355b在相应的端部处具有相同的斜角，并被层叠以使端部连续。然而，因为这些层的蚀刻速率根据氧化物半导体层和导电层的蚀刻条件或材料而变化，所以在某些情况下这些斜角不同，而且这些端部不连续。
然后去除掩模388。
然后，在含氧气的气氛中在200℃到600℃下执行热处理以氧化金属薄膜390；从而形成第一氧化物半导体层391(参见图20E)。在本实施例中，第一氧化物半导体层391是氧化铟和氧化锌的混合层。
通过上述步骤，能制造包括第一氧化物半导体层391和其上作为第二氧化物半导体层的半导体层353的倒交错薄膜晶体管360。
本实施例中使用利用多色调掩模形成的具有多种厚度(通常为两种厚度)的区域的抗蚀剂掩模能实现抗蚀剂掩模数量的减少；因此，能使工艺简化、成本降低。因此，能以低成本和高生产率制造高可靠的半导体器件。
在本实施例中，描述了驱动器电路中的薄膜晶体管和像素部分中的薄膜晶体管都是包括第一氧化物半导体层391和其上作为第二氧化物半导体层的半导体层353的倒交错薄膜晶体管360的示例。换言之，本实施例描述了其中为驱动器电路中和像素部分中的薄膜晶体管采用了基本相同结构、而且这些电路的制造方法没有不同的示例。
可与其它实施例中描述的任一结构以适当的组合实现本实施例。
(实施例8)
与实施例1或实施例2中描述的底栅结构的示例不同，以下在本实施例中将参照图21A到21C描述底接触结构(也称为倒共面结构)的示例。
在图21A到21C中示出了反相器电路的制造工艺的示例。
通过溅射法在衬底740上形成了第一导电膜，并使用第一光掩模按照选择蚀刻第一导电膜以形成第一栅电极741和第二栅电极742。接着，通过等离子体CVD法或溅射法形成覆盖第一栅电极741和第二栅电极742的栅绝缘层743。可通过等离子体CVD方法、溅射方法等使用氧化硅层、氮化硅层、氧氮化硅层、或氮氧化硅层来形成具有单层或叠层的栅绝缘层743。或者，可通过CVD法使用有机硅烷气体用氧化硅形成栅绝缘层743。
接着，使用第二光掩模按照选择蚀刻栅绝缘层743，以形成达到第二栅电极742的接触孔744。到此步骤的截面图对应于图21A。
然后，通过溅射法形成第二导电膜，并使用第三光掩模按照选择蚀刻第二导电膜，以形成第一引线746、第二引线750以及第三引线751。第三引线751通过接触孔744与第二栅电极742直接接触。
接着，通过溅射法形成金属膜和氧化物半导体膜的叠层。注意，优选在引入氩气之后执行产生等离子体的反溅射，以在通过溅射法形成金属薄膜之前去除附连至栅绝缘层743的表面和接触孔744的底面的灰尘。反溅射指的是在不对靶侧施加电压的情况下，使用RF电源在氩气气氛下对衬底侧施加电压以使表面改性的一种方法。注意可使用氮气、氦气等代替氩气气氛。或者，可在添加了氧气、氢气、N2O等的氩气气氛中执行反溅射。再或者，可在添加了Cl2、CF4等的氩气气氛中执行反溅射。
接着，使用第三光掩模按照选择蚀刻金属薄膜和氧化物半导体膜。
接着，在200℃到600℃下在空气或氮气气氛下执行热处理。通过该热处理，将金属薄膜氧化成第一氧化物半导体层748和第三氧化物半导体层749。在热处理之后，在第一氧化物半导体层748上形成第二氧化物半导体层745，藉此形成第一薄膜晶体管760。注意，第一氧化物半导体层748的电导率不同于第二氧化物半导体层745的电导率。第一氧化物半导体层748的电导率更高，这对第一薄膜晶体管760的电场迁移率的提高有贡献。同样，在第三氧化物半导体层749上形成第四氧化物半导体层747，藉此形成第二薄膜晶体管761。注意，该热处理的时序不受特殊限制，而且可在形成第二氧化物半导体膜之后任何时候执行该热处理。例如，如果在使用第四光掩模蚀刻之前执行该热处理以氧化金属薄膜并形成第一氧化物半导体膜，则使用第四光掩模在随后的蚀刻步骤中蚀刻氧化物半导体膜的叠层；因此，能实现蚀刻残留物减少的蚀刻。
接着，形成保护层752，并使用第五光掩模按照选择蚀刻保护层752以形成接触孔。在那之后，形成第三导电膜。最后，使用第六光掩模按照选择蚀刻第三导电膜，以形成电连接至第二引线750的连接引线753。到此步骤的截面图对应于图21C。
注意，上述步骤的次序仅仅是示例，而不存在限制。例如，虽然光掩模的数量增加了一个，但可使用不同的光掩模分别执行对金属薄膜的蚀刻和对氧化物半导体膜的一部分的蚀刻。
此外，还有可能通过溅射法在第二导电膜上形成In-Ga-Zn-O-N基非单晶膜，然后将该In-Ga-Zn-O-N基非单晶膜形成图案，以使该In-Ga-Zn-O-N基非单晶膜作为第二氧化物半导体层745与第一引线746和第二引线750之间的n+型层，且作为第四氧化物半导体层747与第二引线750和第三引线751之间的n+型层。在那种情况下，In-Ga-Zn-O-N基非单晶膜被设置在与第一引线746和第二氧化物半导体层745交迭的区域中、与第二引线750和第二氧化物半导体层745交迭的区域中、与第二引线750和第四氧化物半导体层747交迭的区域中以及与第三引线751和第四氧化物半导体层747交迭的区域中。
可与其它实施例中描述的任一结构以适当的组合实现本实施例。
(实施例9)
在此实施例中，将描述作为半导体器件的电子纸的示例。
图22A是示出有源矩阵电子纸的截面图。可按照类似于实施例1所描述的第二薄膜晶体管的制造方式的方式来制造用于本半导体器件的显示部分的薄膜晶体管581。该薄膜晶体管581包括作为其半导体层的氧化物半导体膜，且具有高电特性。在本实施例中，使用了包括Zn-O-Si基氧化物半导体作为其半导体层且具有高电特性的薄膜晶体管。此外，可任选地在同一衬底上设置包括薄膜晶体管的驱动器电路，该薄膜晶体管包括Zn-O-Si基氧化物半导体作为其半导体层，而且具有高电特性。此外，还有可能使用实施例1中具有氧化物半导体层的叠层的第一薄膜晶体管作为本实施例中的薄膜晶体管581。
图22A的电子纸是采用扭转球显示系统的显示器件的示例。扭转球显示系统指的是一种方法，其中各个着色为黑色和白色的球状粒子被安排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、而且在第一电极层与第二电极层之间产生电位差以控制球状粒子取向从而实现显示。
密封在衬底580与衬底596之间的薄膜晶体管581是具有底栅结构的薄膜晶体管，而其源或漏电极层通过绝缘层583、584以及585中形成的开口与第一电极层587接触，藉此薄膜晶体管581电连接至第一电极层587。在第一电极层587与第二电极层588之间设置了各具有黑区590a、白区590b以及被液体填充的围绕这些区的腔594的球状粒子589。球状粒子589周围的空间被诸如树脂之类的填充物595填充(参见图22A)。在本实施例中，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电连接至设置在与薄膜晶体管581相同的衬底上的公共电位线。通过使用公共连接部分，第二电极层588可通过设置在该对衬底之间的导电粒子电连接至公共电位线。
可使用电泳元件代替扭转球。使用了具有约10μm到200μm直径、且其中密封了透明液体和带正电的白色微粒以及带负电的黑色微粒的微胶囊。在设置在第一电极层与第二电极层之间的微胶囊中，当通过第一电极层和第二电极层施加电场时，白微粒和黑微粒移动到彼此相反侧，从而可显示白色或黑色。使用此原理的显示元件是电泳显示元件，且被称为电子纸。电泳显示元件比液晶显示元件具有更高反射率，因此不需要辅助光、功耗低、而且可在暗处识别显示部分。此外，即使未+对显示部分提供电能，也能保持已经显示过一次的图像。因此，即使具有显示功能的半导体器件(可简单称为显示器件或设置有显示器件的半导体器件)远离电波源，也能保存已显示的图像。
通过按照实施例1所描述的工艺制造薄膜晶体管，可以低成本将电子纸制造为半导体器件。可将电子纸用于多个领域的电子器件以显示信息。例如，可将电子纸应用于电子书阅读器(电子书)、海报、诸如火车之类的车辆中的广告、或诸如信用卡之类的多种卡的显示器。图22B示出了此类电子器件的示例。
图22B示出电子书阅读器2700的示例。例如，电子书阅读器2700包括两个外壳2701和2703。外壳2701和外壳2703与铰链2711组合，从而该电子书阅读器2700可沿该铰链2711打开和关闭。利用这样的结构，可类似于纸书一样地对待电子书阅读器2700。
显示部分2705被包含在外壳2701中，而显示部分2707被包含在外壳2703中。显示部分2705和显示部分2707可显示一幅图像或显示不同的图像。例如，在显示部分2705和显示部分2707上显示不同图像的结构中，右边的显示部分(图22B中的显示部分2705)可显示文字，而左边的显示部分(图22B中的显示部分2707)可显示图像。
图22B示出外壳2701设置有操作部分等的示例。例如，外壳2701设置有电源开关2721、操作键2723、扬声器2725等。利用操作键2723可翻页。注意，可在与外壳的显示部分相同的平面上设置键盘、指向器件等。此外，外壳的后面或侧面可设置有外部连接端子(耳机端子、USB端子、可与诸如AC适配器或USB电缆之类的多种电缆连接的端子等)、存储介质插入部等。而且，电子书阅读器2700可具有电子词典功能。
此外，电子书阅读器2700可无线地发送和接收信息。可从电子书服务器无线地购买和下载想要的图书数据等。
可与其它实施例中描述的任一结构以适当的组合实现本实施例。
(实施例10)
可将具有包括氧化物半导体层的薄膜晶体管的半导体器件应用于多种电子器件(包括游戏机)。电子器件的示例有：电视机(也称为电视或电视接收机)、计算机的监视器等、诸如数码相机或数码摄像机之类的照相机、数码相框、蜂窝电话(也称为移动电话或移动电话机)、便携式游戏控制台、便携式信息终端、音频回放设备、诸如弹球盘机之类的大尺寸游戏机等。
图23A示出电视设备9600的示例。电视设备9600的外壳9601中包括显示部分9603。显示部分9603可显示图像。这里，外壳9601的背部受到支承，从而电视设备9600被固定至墙壁。
可利用外壳9601的操作开关或独立的遥控器9610操作电视设备9600。可利用遥控器9610的操作键9609控制频道和音量，并可控制显示部分9603上显示的图像。而且，遥控器9610可具有显示部分9607，可在该显示部分上显示从遥控器9610发出的信息。
注意，电视设备9600设置有接收器、调制解调器等。利用该接收器，可接收一般的电视广播。而且，当显示设备经由调制解调器连接至通信网络时，可实现单向(从发射器到接收器)或双向(发射器与接收器之间或接收器之间等)信息通信。
图23B示出包括外壳9881和外壳9891的便携式游戏控制台，其中外壳9881和外壳9891通过连接器9893接合到一起以便打开和闭合。显示部分9882和显示部分9883分别被包括在外壳9881和外壳9891中。此外，图23B中所示的便携式游戏控制台还包括扬声器部分9884、存储介质插入部分9886、LED灯9890、输入器件(操作键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、旋转频率、距离、光、液体、磁性、温度、化学物质、声音、时间、硬度、电场、电流、电压、电功率、射线、流速、湿度、梯度、振动、气味或红外线功能))以及话筒9889)等。不言而喻，便携式游戏控制台的结构不限于上述，而且可以是设置有至少一个半导体器件的任何结构。该便携式游戏控制台可适当地包括其它附加设备。图23B中所示的便携式游戏控制台具有读取存储在记录介质中的程序或数据以将其显示在显示部分上的功能，以及通过无线通信与另一便携式游戏控制台共享信息的功能。图23B的便携式游戏控制台可具有除上述功能之外的多种功能。
图24A示出蜂窝电话1000的示例。蜂窝电话1000包括含有显示部分1002的外壳1001、操作按钮1003、外部连接端口1004、扬声器1005、话筒1006等。
通过用手指等触摸显示部分1002可将信息输入图24A中所示的蜂窝电话1000。而且，用户可通过用他们的手指等触摸显示部分1002来打带电话或写电子邮件。
显示部分1002主要有三种屏幕模式。第一种模式是主要用于显示图像的显示模式。第二种模式是主要用于输入诸如文字之类的信息的输入模式。第三种模式是其中组合了显示模式和输入模式这两种模式的显示－输入模式。
例如，在打电话或写电子邮件的情况下，显示部分1002被设置成主要用于输入文字的文字输入模式，而且可输入在屏幕上显示的字符。在该情况下，优选地在显示部分1002的几乎整个屏幕上显示键盘或数字按钮。
当在蜂窝电话1000内部设置诸如陀螺仪或加速度传感器之类的包括用于检测倾斜的传感器的检测设备时，可通过检测蜂窝电话1000的方向(无论蜂窝电话1000被放置成水平还是垂直以用于景色模式或肖像模式)来自动切换显示部分1002的屏幕上的显示内容。
此外，通过触摸显示部分1002或操作外壳1001的操作按钮1003可切换屏幕模式。替代地，可根据显示部分1002上显示的图像类型切换屏幕模式。例如，当显示在显示部分上的图像信号是移动图像数据时，将屏幕模式切换成显示模式。当该信号是文字数据时，将屏幕模式切换成输入模式。
此外，在输入模式中，信号由显示部分1002中的光传感器检测，而且如果未进行通过触摸显示部分1002的输入达一定时间，则可控制屏幕模式从输入模式切换至显示模式。
显示部分1002还能起图像传感器的作用。例如，通过用手掌或手指触摸显示部分1002采集掌纹、指纹等图像，藉此执行个人认证。此外，当在显示部分中设置发射近红外光的背光或感测光源时，可拍摄指纹、掌纹等的图像。
图24B示出蜂窝电话1000的另一示例。图24B中的蜂窝电话具有：设置有外壳9411的显示器件9410，外壳9411包括显示部分9412和操作按钮9413；设置有外壳9401的通信器件9400，外壳9401包括操作按钮9402、外部输入端子9403、话筒9404、扬声器9405以及在接收到电话时发光的发光部分9406。具有显示功能的显示器件9410按照箭头表示的两个方向可脱离地附连至具有电话功能的通信器件9400。因此，显示器件9410和通信器件9400可沿它们的短边或长边彼此附连。此外，当仅需要显示功能时，显示器件9410可从通信器件9400脱离并单独使用。可通过无线或有线通信在分别具有充电电池的通信器件9400和显示器件9410之间发送或接收图像或输入信息。
可与其它实施例中描述的任一结构以适当的组合实现本实施例。
本申请基于2008年12月26日向日本专利局提交的日本专利申请S/N.2008-333788，该申请的全部内容通过引用结合于此。
Claims (14)
1.一种包括反相器电路和像素的半导体器件，
所述反相器电路包括：
第一晶体管；
第二晶体管；且
其中所述第一晶体管的源极电连接至所述第二晶体管的漏极；
其中所述第一晶体管的栅极电连接至所述第一晶体管的源极，
其中所述第一晶体管和所述第二晶体管中的至少一个的沟道形成区包括第一氧化物半导体层和第二氧化物半导体层，
其中所述第二氧化物半导体层设置在所述第一氧化物半导体层上，且
其中所述第一氧化物半导体层具有比所述第二氧化物半导体层低的电阻率，且
所述像素包括第三晶体管，
其中所述第三晶体管的沟道形成区由第三氧化物半导体层的单层形成。
2.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第一晶体管和所述第二晶体管都是底栅型n沟道晶体管。
3.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第一晶体管和所述第二晶体管都包括源电极和形成在所述第二氧化物半导体层上的漏电极。
4.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第一晶体管是耗尽型晶体管，且所述第二晶体管是增强型晶体管。
5.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第二氧化物半导体层和所述第三氧化物半导体层都包括铟。
6.一种包括反相器电路和像素的半导体器件，
所述反相器电路包括：
第一晶体管；
第二晶体管；且
其中所述第一晶体管的源极电连接至所述第二晶体管的漏极；
其中所述第一晶体管的栅极电连接至所述第一晶体管的漏极，
其中所述第一晶体管和所述第二晶体管中的至少一个的沟道形成区包括第一氧化物半导体层和第二氧化物半导体层，
其中所述第二氧化物半导体层设置在所述第一氧化物半导体层上，且
其中所述第一氧化物半导体层具有比所述第二氧化物半导体层低的电阻率，且
所述像素包括第三晶体管，
其中所述第三晶体管的沟道形成区由第三氧化物半导体层的单层形成。
7.如权利要求6所述的半导体器件，其特征在于，所述第一晶体管和所述第二晶体管都是底栅型n沟道晶体管。
8.如权利要求6所述的半导体器件，其特征在于，所述第一晶体管和所述第二晶体管都包括源电极和形成在所述第二氧化物半导体层上的漏电极。
9.如权利要求6所述的半导体器件，其特征在于，所述第一晶体管和所述第二晶体管都是增强型晶体管。
10.如权利要求6所述的半导体器件，其特征在于，所述第二氧化物半导体层和所述第三氧化物半导体层都包括铟。
11.一种包括驱动器电路和像素的半导体器件，
所述驱动器电路包括第一晶体管，
其中所述第一晶体管的沟道形成区包括第一氧化物半导体层和形成在所述第一氧化物半导体层上的第二氧化物半导体层，
其中所述第一氧化物半导体层具有不同于所述第二氧化物半导体层的电阻率，且
所述像素包括第二晶体管，
其中所述第二晶体管的沟道形成区由第三氧化物半导体层的单层形成。
12.如权利要求11所述的半导体器件，其特征在于，所述第一晶体管和所述第二晶体管都是底栅型n沟道晶体管。
13.如权利要求11所述的半导体器件，其特征在于，所述第一晶体管包括源电极和形成在所述第二氧化物半导体层上的漏电极。
14.如权利要求11所述的半导体器件，其特征在于，所述第二氧化物半导体层和所述第三氧化物半导体层都包括铟。
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