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半導體器件及其制造方法.pdf

關 鍵 詞:
半導體器件 及其 制造 方法
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摘要
申請專利號:

CN201110143920.5

申請日:

2009.12.25

公開號:

CN102214660B

公開日:

2015.01.28

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01L 27/12申請日:20091225|||公開
IPC分類號: H01L27/12; H01L29/786 主分類號: H01L27/12
申請人: 株式會社半導體能源研究所
發明人: 山崎舜平; 坂田淳一郎; 小山潤
地址: 日本神奈川縣
優先權: 2008.12.26 JP 2008-333788
專利代理機構: 上海專利商標事務所有限公司 31100 代理人: 李玲
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201110143920.5

授權公告號:

102214660B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.28|||2011.11.30|||2011.10.12

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

半導體器件及其制造方法。提供了一種包括薄膜晶體管的半導體器件,該薄膜晶體管具有氧化物半導體層和優秀的電特性。此外,提供了一種用于制造半導體器件的方法,其中在一個襯底上形成多種類型的不同結構的薄膜晶體管以形成多種類型的電路,而且其中沒有顯著增加步驟數量。在絕緣表面上形成金屬薄膜之后,在該金屬薄膜上形成氧化物半導體層。然后,執行諸如熱處理之類的氧化處理以部分或全部地氧化該金屬薄膜。此外,在諸如邏輯電路之類強調操作速度的電路與矩陣電路之間,薄膜晶體管的結構不同。

權利要求書

權利要求書
1.  一種有源矩陣顯示器件,包括:
晶體管,其包括:
柵電極;
在所述柵電極上的柵絕緣層;和
在所述柵電極上的具有溝道形成區的氧化物半導體層,所述柵絕緣層插入在所述柵電極與所述氧化物半導體層之間,所述氧化物半導體層包括銦、錫和鋅;
在所述氧化物半導體層上的包括氧化鋁的絕緣層;
與所述氧化物半導體層電接觸的像素電極。

2.  一種有源矩陣顯示器件,包括:
晶體管,其包括:
柵電極;
在所述柵電極上的柵絕緣層;和
在所述柵電極上的具有溝道形成區的氧化物半導體層,所述柵絕緣層插入在所述柵電極與所述氧化物半導體層之間,所述氧化物半導體層包括銦、錫和鋅;
在所述氧化物半導體層上的源電極;
在所述氧化物半導體層上的漏電極;
在所述氧化物半導體層、所述源電極和所述漏電極上的絕緣層;以及
與所述源電極和所述漏電極之一電接觸的像素電極,
其中,所述源電極和所述漏電極中的一個具有面對所述源電極和所述漏電極中另一個的部分,以及
所述部分具有U形。

3.  一種有源矩陣顯示器件,包括:
像素,包括:
晶體管;
與所述晶體管電接觸的像素電極;
與所述像素可操作地連接的掃描線驅動器電路,所述掃描線驅動器電路包括:
第一晶體管;
第二晶體管;
第三晶體管;
第四晶體管;
第五晶體管;
第六晶體管;
第七晶體管;
第八晶體管;
其中,所述第一晶體管的源極和漏極之一電連接到第一引線,
其中,所述第二晶體管的源極和漏極之一電連接到第二引線,
其中,所述第一晶體管的源極和漏極中的另一個電連接到所述第二晶體管的源極和漏極中的另一個,
其中,所述第三晶體管的源極和漏極之一電連接到第三引線,
其中,所述第四晶體管的源極和漏極之一電連接到第二引線,
其中,所述第三晶體管的源極和漏極中的另一個電連接到所述第二晶體管的柵極,
其中,所述第四晶體管的源極和漏極中的另一個電連接到所述第二晶體管的柵極
其中,所述第三晶體管的柵極電連接到第三晶體管的源極和漏極中所述一個,
其中,所述第四晶體管的柵極電連接到第一晶體管的柵極,
其中,所述第五晶體管的源極和漏極之一電連接到所述第三引線,
其中,所述第六晶體管的源極和漏極之一電連接到所述第二引線,
其中,所述第五晶體管的源極和漏極中的另一個電連接到所述第六晶體管的源極和漏極中的另一個,
其中,所述第六晶體管的柵極電連接到第二晶體管的柵極,
其中,所述第七晶體管的源極和漏極之一電連接到所述第二引線,
其中,所述第七晶體管的源極和漏極中的另一個電連接到所述第一晶體管的柵極,
其中,所述第八晶體管的源極和漏極之一電連接到所述第二引線,
其中,所述第八晶體管的源極和漏極中的另一個電連接到所述第二晶體管的柵極,
其中,所述第八晶體管的柵極電連接到所述第五晶體管的柵極,
其中,所述像素的所述晶體管、第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管、第四晶體管、第五晶體管、第六晶體管、第七晶體管和第八晶體管中的每一個包括:
柵電極;
在所述柵電極上的柵絕緣層;和
在所述柵電極上的具有溝道形成區的氧化物半導體層,所述柵絕緣層插入在所述柵電極與所述氧化物半導體層之間,所述氧化物半導體層包括銦、錫和鋅。

4.  一種有源矩陣顯示器件,包括:
像素,包括:
晶體管;
與所述晶體管電接觸的像素電極;
與所述像素可操作地連接的驅動器電路,所述驅動器電路包括反相器電路,所述反相器電路包括:
第一晶體管;
第二晶體管;以及
其中,所述第一晶體管的源極電連接到第二晶體管的漏極,
其中,所述第一晶體管的柵極電連接到第一晶體管的源極,
所述像素的所述晶體管、第一晶體管、和第二晶體管中的每一個包括:
柵電極;
在所述柵電極上的柵絕緣層;和
在所述柵電極上的具有溝道形成區的氧化物半導體層,所述柵絕緣層插入在所述柵電極與所述氧化物半導體層之間,所述氧化物半導體層包括銦、錫和鋅。

5.  一種有源矩陣顯示器件,包括:
像素,包括:
晶體管;
與所述晶體管電接觸的像素電極;
與所述像素可操作地連接的驅動器電路,所述驅動器電路包括反相器電路,所述反相器電路包括:
第一晶體管;
第二晶體管;以及
其中,所述第一晶體管的源極電連接到第二晶體管的漏極,
其中,所述第一晶體管的柵極電連接到第一晶體管的漏極,
所述像素的所述晶體管、第一晶體管、和第二晶體管中的每一個包括:
柵電極;
在所述柵電極上的柵絕緣層;和
在所述柵電極上的具有溝道形成區的氧化物半導體層,所述柵絕緣層插入在所述柵電極與所述氧化物半導體層之間,所述氧化物半導體層包括銦、錫和鋅。

6.  一種有源矩陣顯示器件,包括:
像素,包括:
晶體管;
與所述晶體管電接觸的像素電極;
與所述像素可操作地連接的信號線驅動器電路,所述信號線驅動器電路包括:
第一晶體管;
第二晶體管;
第三晶體管;和
第四晶體管;
其中,所述第一晶體管的源極和漏極之一可電連接到驅動器IC的第一端,
其中,所述第二晶體管的源極和漏極之一可電連接到驅動器IC的第一端,
其中,所述第三晶體管的源極和漏極之一可電連接到驅動器IC的第二端,
其中,所述第四晶體管的源極和漏極之一可電連接到驅動器IC的第二端,
其中,所述第一晶體管的源極和漏極中的另一個電連接到第一信號線,
其中,所述第二晶體管的源極和漏極中的另一個電連接到第二信號線,
其中,所述第三晶體管的源極和漏極中的另一個電連接到第三信號線,
其中,所述第四晶體管的源極和漏極中的另一個電連接到第四信號線,
其中,所述像素的所述晶體管、第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管和第四晶體管中的每一個包括:
柵電極;
在所述柵電極上的柵絕緣層;和
在所述柵電極上的具有溝道形成區的氧化物半導體層,所述柵絕緣層插入在所述柵電極與所述氧化物半導體層之間,所述氧化物半導體層包括銦、錫和鋅。

7.  一種有源矩陣顯示器件,包括:
第一晶體管,其中,所述第一晶體管的柵極可操作地電連接到掃描線驅動器電路,
第二晶體管,其中,所述第二晶體管的柵極電連接所述第一晶體管的源極和漏極之一;
在所述第一晶體管和第二晶體管上的絕緣層;以及
與所述第二晶體管的源極和漏極之一電連接的像素電極,
其中,所述第一晶體管和第二晶體管中的每一個包括:
柵電極;
在所述柵電極上的柵絕緣層;和
在所述柵電極上的具有溝道形成區的氧化物半導體層,所述柵絕緣層插入在所述柵電極與所述氧化物半導體層之間,所述氧化物半導體層包括銦、錫和鋅。

8.  一種有源矩陣顯示器件,包括:
電容器引線;
所述電容器引線上的第一絕緣層;
晶體管,包括:
柵電極;
在所述柵電極上的柵絕緣層,其中所述柵絕緣層為所述第一絕緣層的一部分;和
在所述柵電極上的具有溝道形成區的氧化物半導體層,所述柵絕緣層插入在所述柵電極與所述氧化物半導體層之間,所述氧化物半導體層包括銦、錫和鋅;
所述氧化物半導體層和所述電容器引線上的第二絕緣層;
與所述氧化物半導體層電連接的像素電極,
其中,所述像素電極與所述電容器引線交迭,所述第一絕緣層和第二絕緣層插入在所述像素電極與所述電容器引線之間。

9.  如權利要求1一8之一所述的有源矩陣顯示器件,其特征在于,所述有源矩陣顯示器件為液晶器件。

10.  如權利要求1-8之一所述的有源矩陣顯示器件,其特征在于,所述有源矩陣顯示器件為發光器件。

11.  如權利要求2或7所述的有源矩陣顯示器件,其特征在于,所述絕緣層包括選自由氮化硅、氧化硅、氧氮化硅、氧化鋁、氮化鋁、氧氮化鋁、和氧化鉭組成的組中的材料。

12.  如權利要求1-8之一所述的有源矩陣顯示器件,其特征在于,所述氧化物半導體層為非晶。

13.  如權利要求1-8之一所述的有源矩陣顯示器件,其特征在于,所述氧化物半導體層包含絕緣雜質。

說明書

說明書半導體器件及其制造方法
本申請為申請日為2009年12月25日、申請號為200910262560.3、發明名稱為“半導體器件及其制造方法”的發明專利申請的分案申請。
技術領域
本發明涉及具有利用薄膜晶體管(下文稱為TFT)形成的電路的半導體器件及其制造方法。例如,本發明涉及其中安裝了以液晶顯示面板作為代表的電光器件或包括有機發光元件的發光顯示器件作為其部件的電子器件。
注意此說明書中的半導體器件指的是可使用半導體特性操作的所有器件,而且光電器件、半導體電路以及電子器件都是半導體器件。
背景技術
針對多種應用使用多種金屬氧化物。氧化銦是眾所周知的材料,且用作液晶顯示器等所必需的透明電極材料。
某些金屬氧化物具有半導體特性。具有半導體特性的金屬氧化物是一種類型的化合物半導體。化合物半導體是利用結合到一起的兩種或多種類型的半導體形成的半導體。一般而言,金屬氧化物變成絕緣體。然而,已知金屬氧化物根據金屬氧化物中包括的元素的組合而變成半導體。
例如,已知氧化鎢、氧化錫、氧化銦、氧化鋅等是具有半導體特性的金屬氧化物。公開了其中利用這樣的金屬氧化物形成的透明半導體層作為溝道形成區的一種薄膜晶體管(專利文獻1到4與非專利文獻1)。
此外,已知作為金屬氧化物的不僅有單組分氧化物而且有多組分氧化物。例如,作為同系化合物的InGaO3(ZnO)m(m為自然數)是已知的材料(非專利文獻2到4)。
而且,已經確認這樣的In-Ga-Zn基氧化物可應用于薄膜晶體管的溝道層(專利文獻5和非專利文獻5和6)。
此外,一種利用氧化物半導體制造薄膜晶體管、并將該薄膜晶體管應用于電子器件或光學器件的技術已經引起人們的注意。例如,專利文獻6和專利文獻7公開了使用氧化鋅或In-Ga-Zn-O基氧化物半導體作為氧化物半導體膜來制造薄膜晶體管的技術,而且用這樣的晶體管作為圖像顯示器件的開關元件等。
[專利文獻]
[專利文獻1]日本已公開專利申請No.S60-198861
[專利文獻2]日本已公開專利申請No.H8-264794
[專利文獻3]PCT國際申請No.H11-505377的日文譯文
[專利文獻4]日本已公開專利申請No.2000-150900
[專利文獻5]日本已公開專利申請No.2004-103957
[專利文獻6]日本已公開專利申請No.2007-123861
[專利文獻7]日本已公開專利申請No.2007-096055
[非專利文獻]
[非專利文獻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,“鐵電透明薄膜晶體管(A ferroelectric transparent thin-film transistor)”,應用物理快報(Appl.Phys.Lett.),1996年6月17日第68卷第3650-3652頁
[非專利文獻2]M.Nakamura、N.Kimizuka以及T.Mohri,“In2O3-Ga2ZnO4-ZnO系統在1350℃下的相態關系(The Phase Relations in the In2O3-Ga2ZnO4-ZnO System at 1350℃)”,J.Solid State Chem.,1991,第93卷第298-315頁
[非專利文獻3]N.Kimizuka、M.Isobe以及M.Nakamura,“In2O3-ZnGa2O4-ZnO系統中的同系化合物——In2O3(ZnO)m(m=3,4,和5)、InGaO3(ZnO)3、以及Ga2O3(ZnO)m(m=7,8,9,和16)的合成和單晶數據(Syntheses and Single-Crystal Data of Homologous Compounds,In2O3(ZnO)m(m=3,4,and 5),InGaO3(ZnO)3,and Ga2O3(ZnO)m(m=7,8,9,and 16)in the In2O3-ZnGa2O4-ZnO System)”,J.Solid State Chem.,1995,第116卷第170-178頁
[非專利文獻4]M.Nakamura、N.Kimizuka、T.Mohri以及M.Isobe,“InFeO3(ZnO)m(m:自然數)及其同構化合物的同系系列、合成以及晶體結構(Homologous Series,Synthesis and Crystal Structure of InFeO3(ZnO)m(m:natural number)and its Isostructural Compound)”,KOTAI BUTSURI固態物理(SOLID STATE PHYSICS),1993,第28卷,No.5,第317-327頁
[非專利文獻5]K.Nomura、Ohta、K.Ueda、T.Kamiya、M.Hirano以及H.Hosono,“在單晶透明氧化物半導體中制造的薄膜晶體管(Thin-film transistor fabricated in single-crystalline transparent oxide semiconductor)”,SCIENCE,2003年,第300卷,第1269-1272頁
[非專利文獻6]K.Nomura、H.Ohta、A.Takagi、T.Kamiya、M.Hirano以及H.Hosono,“使用非晶氧化物半導體的透明柔性薄膜晶體管的腔室溫制造(Room-temperature fabrication of transparent flexible thin-film transistors using amorphous oxide semiconductors)”,NATURE,2004年,第432卷,第488-492頁
發明內容
一個目的是提供一種包括薄膜晶體管的半導體器件,該薄膜晶體管具有氧化物半導體層和優秀的電特性。
此外,另一目的是提供一種用于制造半導體器件的方法,其中在一個襯底上形成多種類型的不同結構的薄膜晶體管以形成多種類型的電路,而且其中沒有顯著增加步驟數量。
在絕緣表面上形成金屬薄膜之后,在該金屬薄膜上形成比該金屬薄膜厚的氧化物半導體層。然后,執行諸如熱處理之類的氧化處理以部分或全部地氧化該金屬薄膜。作為該金屬薄膜,能使用在氧化處理之后用作半導體的材料,例如優選使用銦、鋅、錫、鉬或鎢。經過氧化的金屬薄膜成為第一氧化物半導體層,藉此獲得第一氧化物半導體層和重疊的第二氧化物半導體層的疊層。注意第一氧化物半導體層具有比第二氧化物半導體層低的電阻率(即更高的電導率)。此外,第一氧化物半導體層與柵電極之間的距離比第二氧化物半導體層與柵電極之間的距離短。第一氧化物半導體層至少與柵絕緣膜接觸。通過使用此疊層制造薄膜晶體管,能獲得具有優秀的電特性(即電場遷移率)的薄膜晶體管。
根據此說明書公開的本發明實施例的結構是一種用于制造半導體器件的方法,其包括以下步驟:在絕緣表面上形成柵電極;在柵電極上形成絕緣層;在絕緣層上形成金屬薄膜;在金屬薄膜上形成氧化物半導體層;以及在形成氧化物半導體層之后執行氧化處理以至少部分地氧化金屬薄膜。
通過上述結構,可解決上述問題中的至少一個。
通過濺射法、真空汽相沉積法、涂覆法等形成該金屬薄膜。該金屬薄膜的厚度大于0nm且小于或等于10nm,優選為3nm到5nm(含3nm和5nm)。可替代地使用不同金屬薄膜的疊層,該疊層的厚度小于或等于10nm。注意,氧化金屬薄膜至少部分意味著將該金屬薄膜氧化到薄膜晶體管能起作用并呈現出開關特性的程度。換言之,金屬薄膜被氧化成不致引起源電極與漏電極之間流過的電流量在對柵極施加了電壓與未對柵極施加電壓之間幾乎沒有差別的狀態,或不致引起其中源電極與漏電極電導通的狀態。
此外,該氧化處理是在含氧氣的氣氛、空氣和氮氣氣氛中的任一種下執行的熱處理(在200℃到600℃下)。即使在氮氣氣氛中,通過熱處理,金屬薄膜與在金屬薄膜上且與金屬薄膜接觸的氧化物半導體層(第二氧化物半導體層)中的氧結合,從而氧化了金屬薄膜。在此情況下,由于金屬薄膜的存在,提取了第二氧化物半導體層的氧,藉此可在第二氧化物半導體層中形成缺氧區。此外,不限于氮氣氣氛中的熱處理,由于金屬薄膜的存在,在含氧氣的氣氛中或空氣中通過熱處理也可提取第二氧化物半導體層中的氧,藉此能在第二氧化物半導體層中形成缺氧區。通過在第二氧化物半導體層中形成缺氧區,能改善電場遷移率。雖然在某些情況下取決于金屬薄膜的材料金屬薄膜與上氧化物半導體層之間的界面因此熱處理而變得不清晰,但靠近柵絕緣層的作為下氧化物半導體層的氧化物半導體層和上氧化物半導體層具有不同的電特性。
注意,第二氧化物半導體層是含In、M以及Zn中的至少一種的氧化物半導體,而M是從Ga、Fe、Ni、Mn、Co等等中選擇的一種或多種元素。注意M不包括諸如Cd或Hg之類的元素,即對人體有害的物質。在此說明書中,如果將Ga用作M,則此薄膜也稱為In-Ga-Zn-O基非單晶膜。在本說明書中,使用含In、Ga以及Zn的氧化物半導體膜形成的半導體層也稱為“IGZO半導體層”。而且,在該氧化物半導體中,在某些情況下,除包含金屬元素作為M之外,還包含諸如Fe或Ni之類的過渡金屬元素或過渡金屬的氧化物作為雜質元素。此外,第二氧化物半導體層可包含絕緣雜質。作為雜質,應用了以氧化硅、氧化鍺、氧化鋁等為代表的絕緣氧化物等、以氮化硅、氮化鋁等為代表的絕緣氮化物等、或諸如氧氮化硅或氧氮化鋁之類的絕緣氧氮化物。以氧化物半導體的電導率不會退化的濃度向該氧化物半導體添加絕緣氧化物、絕緣氮化物或絕緣氧氮化物。通過包含這樣的絕緣雜質,氧化物半導體變得難以結晶;因此,能穩定薄膜晶體管的特性。
因為In-Ga-Zn-O基氧化物半導體包含諸如氧化硅之類的雜質,所以即使該氧化物半導體經受300℃到600℃下的熱處理,也能防止該氧化物半導體的結晶或微晶粒的產生。在其中In-Ga-Zn-O基氧化物半導體層是溝道形成區的薄膜晶體管的制造工藝中,通過熱處理能改善S值(亞閾值擺動值)或電場效應遷移率。即使在這樣的情況下,也能防止薄膜晶體管正常導通。此外,即使對該薄膜晶體管施加熱應力或偏置應力,也能防止閾值電壓的變化。
作為應用于薄膜晶體管的溝道形成區的氧化物半導體,可添加以下除上述以外的以下氧化物半導體中的任一種:In-Sn-Zn-O基氧化物半導體、In-Al-Zn-O基氧化物半導體、Sn-Ga-Zn-O基氧化物半導體、Al-Ga-Zn-O基氧化物半導體、Sn-Al-Zn-O基氧化物半導體、In-Zn-O基氧化物半導體、Sn-Zn-O基氧化物半導體、Al-Zn-O基氧化物半導體、In-O基氧化物半導體、Sn-O基氧化物半導體以及Zn-O基氧化物半導體。換言之,通過向這些氧化物半導體添加抑制結晶的雜質以保持非晶態,能使薄膜晶體管的特性穩定。作為雜質,應用了以氧化硅、氧化鍺、氧化鋁等為代表的絕緣氧化物等、以氮化硅、氮化鋁等為代表的絕緣氮化物等、或諸如氧氮化硅或氧氮化鋁之類的絕緣氧氮化物。
例如,在通過濺射法形成添加了氧化硅的In-Sn-Zn-O基氧化物半導體膜的情況下,使用了以預定比例燒結的In2O3、SnO2、ZnO以及SiO2的靶。在添加了氧化硅的In-Al-Zn-O基氧化物半導體的情況下,使用其中以預定比例燒結In2O3、Al2O3、ZnO、SiO2的靶形成膜。
此外,作為用于薄膜晶體管的n+型層的氧化物半導體,可使用含氮的In-Ga-Zn-O基非單晶膜,即In-Ga-Zn-O-N基非單晶膜(也稱為IGZON膜)。通過在含氮氣的氣氛中使用包括含銦、鎵以及鋅的氧化物的靶形成含銦、鎵以及鋅的氧氮化物膜、然后對該膜執行熱處理可獲得此In-Ga-Zn-O-N基非單晶膜。
此外,優選第二氧化物半導體層的厚度至少大于金屬薄膜的厚度,例如金屬薄膜的厚度的兩倍或更多倍。具體而言,第二氧化物半導體層的厚度是30nm或更厚,優選是60nm到150nm(含60nm和150nm)。此外,第二氧化物半導體層優選包含金屬薄膜中包含的至少一種元素。如果第二氧化物半導體層包含金屬薄膜中包含的至少一種元素,則能使用同一蝕刻劑或同一蝕刻氣體在同一蝕刻步驟中蝕刻第二氧化物半導體層和金屬薄膜,這能使制造步驟的數量減少。
此外,通過在一個襯底上制造矩陣電路和驅動器電路,降低了該半導體器件的制造成本。該驅動器電路包括例如其中強調操作速度的邏輯電路。在這樣的電路中使用包括第一氧化物半導體層和第二氧化物半導體層的疊層的薄膜晶體管,而在形成像素部分的基質電路中使用包括第三氧化物半導體層的單層的薄膜晶體管。以這樣的方式,在諸如邏輯電路之類強調操作速度的電路與矩陣電路之間,薄膜晶體管的結構不同。
根據本發明的實施例的另一結構是包括在絕緣表面上的矩陣電路和驅動該矩陣電路的驅動器電路的半導體器件。在該半導體器件中,該驅動器電路具有第一薄膜晶體管,該第一薄膜晶體管包括第一氧化物半導體層和與第一柵電極交迭的第二氧化物半導體層的疊層,該疊層與該第一柵電極之間插入有第一柵絕緣膜,而矩陣電路包括第二薄膜晶體管,該第二薄膜晶體管包括與第二柵電極交迭的第三氧化物半導體層,該第三氧化物半導體層與第二柵電極之間插入有第二柵絕緣膜。第一氧化物半導體層的材料與第二氧化物半導體層的材料彼此不同,而第二氧化物半導體層的材料和第三氧化物半導體層的材料相同。
通過上述結構,可解決上述問題中的至少一個。
在上述結構中,第一薄膜晶體管包括在第一柵電極上的第一柵絕緣膜、在該第一柵絕緣膜上的第一氧化物半導體層以及在第一氧化物半導體層上的第二氧化物半導體層。第一氧化物半導體層的電阻率低于第二氧化物半導體層的電阻率。此外,在上述結構中,第二薄膜晶體管包括在第二柵電極上的第二柵絕緣膜和在該第二柵絕緣膜上的第三氧化物半導體層。
本發明的實施例中還包括用于制造上述結構的方法。這些方法之一是用于制造包括在一個襯底上的矩陣電路和用于驅動該矩陣電路的驅動器電路的半導體器件的方法。該方法包括以下步驟:在襯底的矩陣電路區和驅動器電路區上均形成第一氧化物半導體層;通過蝕刻去除矩陣電路區上的第一氧化物半導體層;以及在驅動器電路區中的第一氧化物半導體層和矩陣電路區中的第三氧化物半導體層上形成第二氧化物半導體層,以形成包括驅動器電路區中的第一氧化物半導體層和第二氧化物半導體層的疊層的第一薄膜晶體管,和包括矩陣電路區中的第三氧化物半導體層的第二薄膜晶體管。
此外,還有可能通過將如所選擇而形成的金屬薄膜氧化來形成第一氧化物半導體層。本發明的實施例還包括了這樣的情況下的制造方法。該方法是用于制造包括在一個襯底上的矩陣電路和用于驅動該矩陣電路的驅動器電路的半導體器件的方法。該方法包括以下步驟:在襯底的矩陣電路區和驅動器電路區上形成金屬薄膜;通過蝕刻去除矩陣電路區上的金屬薄膜;在驅動器電路區中和矩陣電路區中的金屬薄膜上形成氧化物半導體層;以及在形成氧化物半導體層之后執行氧化處理以便氧化金屬薄膜,從而形成包括驅動器電路區中的第一氧化物半導體層和第二氧化物半導體層的疊層的第一薄膜晶體管,和包括矩陣電路區中的第三氧化物半導體層的第二薄膜晶體管。
在通過上述方法制造的每一種結構中,第一氧化物半導體層的電阻率低于第二氧化物半導體層的電阻率。此外,在通過上述方法制造的每一種結構中,第一氧化物半導體層的材料與第二氧化物半導體層的材料彼此不同,而第二氧化物半導體層的材料和第三氧化物半導體層的材料相同。
本說明書中指示諸如“在……之上”、“在……上方”、“在……之下”、“在……下方”、“側面”、“水平”、或“垂直”之類的方向的術語是基于器件設置在襯底表面之上的假定。
利用氧化物半導體層的疊層,能實現包括具有優秀電特性的薄膜晶體管的半導體器件。
此外,在一個襯底上形成包括氧化物半導體層的疊層的薄膜晶體管和包括單層的氧化物半導體層的薄膜晶體管,藉此能制造多種類型的電路。
附圖說明
圖1A到1D是半導體器件的制造工藝的示例的截面圖。
圖2A到2C是示出半導體器件的示例的截面圖、等效電路圖以及俯視圖。
圖3是半導體器件的示例的等效電路圖。
圖4A和4B是半導體器件的框圖的示例。
圖5示出信號線驅動器電路的結構的示例。
圖6是信號線驅動器電路的操作的示例的時序圖。
圖7是信號線驅動器電路的操作的示例的時序圖。
圖8示出移位寄存器的結構的示例。
圖9示出圖8中所示的觸發器中的連接的示例。
圖10示出半導體器件的像素等效電路的示例。
圖11A到11C是半導體器件的示例的截面圖。
圖12A和12B分別是半導體器件的示例的俯視圖和截面圖。
圖13A到13C是半導體器件的制造工藝的示例的截面圖。
圖14是像素的示例的俯視圖。
圖15是像素部分、電容器部分以及端子部分的示例的截面圖。
圖16A和16B分別是端子部分的示例的俯視圖和截面圖。
圖17是像素的示例的俯視圖。
圖18A1和18A2是俯視圖,而圖18B是半導體器件的示例的截面圖。
圖19是半導體器件的示例的截面圖。
圖20A到20E是半導體器件的制造工藝的示例的截面圖。
圖21A到21C是半導體器件的制造工藝的示例的截面圖。
圖22A和22B分別是作為半導體器件的示例的電子器件的截面圖和外視圖。
圖23A和23B是電子器件的示例。
圖24A和24B是電子器件的示例。
具體實施方式
以下將描述本發明的實施例。
將參照附圖詳細描述實施例。注意,本發明不限于以下描述,而且本領域技術人員容易理解的是,能按照多種方法修改模式和細節,而不背離本發明的精神和范圍。因此,不應當將本發明解釋為受限于以下給出的實施例的描述。注意在以下描述的結構中,不同附圖中的相似部分或具有相似功能的部分由相似的附圖標記表示,并且省略了重復的描述。
(實施例1)
圖1A到1D示出其中在同一襯底上形成用于驅動器電路的第一薄膜晶體管430和用于像素部分(也稱為矩陣電路)的第二薄膜晶體管170的制造工藝的示例。
在此實施例中,提供了一種新穎的結構及其制造方法,其中在同一襯底上形成具有不同結構的薄膜晶體管,以形成能高速工作的驅動器電路和包括具有高導通/截止比的薄膜晶體管的像素部分。此外,在此實施例中,還提供了用于制造其中將氧化物半導體層的疊層用作溝道形成區的薄膜晶體管的一種新穎的方法。
使用反相器電路、電容器、電阻器等形成用于驅動像素部分的能高速工作的驅動器電路。當組合兩個n溝道TFT以形成反相器電路時,存在以下組合:增強型晶體管和耗盡型晶體管的組合(下文將通過這種組合形成的電路稱為“EDMOS”電路)以及增強型TFT的組合(下文將通過這種組合形成的電路稱為“EEMOS電路”)。注意閾值電壓為正的n溝道TFT被定義為增強型TFT,而閾值電壓為負的n溝道TFT被定義為耗盡型晶體管。本說明書遵循這些定義。
像素部分中的薄膜晶體管用作施加給像素電極的電壓的開關,因此它應當具有高導通/截止比。導通/截止比是導通電流與截止電流之比(I導通/I截止),而且I導通/I截止的值越高,則其開關特性越好。因此,高I導通/I截止比有助于顯示對比度的改進。注意導通電流是在晶體管處于導通狀態時在源電極與漏電極之間流動的電流。同時,截止電流是在晶體管處于截止狀態時在源電極與漏電極之間流動的電流。例如,在n溝道晶體管中,當柵極電壓低于晶體管的閾值電壓時,截止電流是在源電極與漏電極之間流動的電流。因此,優選將增強型晶體管用于像素部分,以實現高對比度和低功耗的驅動。
如上所述,像素部分與驅動器電路之間所強調的電特性不同。因此,優選在像素部分與驅動器電路中使用具有不同結構的薄膜晶體管。在此實施例中,以下將描述用于這樣的情況的制造方法的示例。
首先,在具有絕緣表面的襯底400上設置第一柵電極401和第二柵電極101。可使用諸如鉬、鈦、鉻、鉭、鎢、鋁、銅、釹、或鈧之類的金屬材料或包括這些材料中的任一種作為其主要組分的任何合金材料來形成具有單層結構或層疊結構的第一柵電極401和第二柵電極101。
例如,作為第一柵電極401和第二柵電極101中的每一個的兩層結構,優選使用以下結構:鋁層和層疊在該鋁層上的鉬層的兩層結構、銅層和層疊在該銅層上的鉬層的兩層結構、銅層和層疊在該銅層上的氮化鈦或氮化鉭層的兩層結構、以及氮化鈦層和鉬層的兩層結構。替代地,可采用包括含Ca的銅層和其上作為阻擋層的含Ca的氧化銅層的疊層,或包括含Mg的銅層和其上作為阻擋層的含Mg的氧化銅層的疊層。作為三層結構,優選鎢層或氮化鎢層、鋁和硅的合金層或鋁和鈦的合金層、以及氮化鈦層或鈦層的疊層。
然后,形成覆蓋第一柵電極401和第二柵電極101的柵絕緣層403。通過濺射法、PCVD法等將柵絕緣層403形成為50nm到400nm厚度。
例如,通過濺射法形成100nm厚的氧化硅膜作為柵絕緣層403。不言而喻,柵絕緣層403不限于這樣的氧化硅膜,且可以是諸如氧氮化硅膜、氮化硅膜、氧化鋁膜、氮化鋁膜、氧氮化鋁膜或氧化鉭膜之類的另一絕緣膜的單層或疊層。在形成疊層的情況下,例如,可通過PCVD法形成氮化硅膜,然后通過濺射法在該氮化硅膜上形成氧化硅膜。如果將氧氮化硅膜、氮化硅膜等用作柵絕緣層403,則能防止鈉之類的雜質從玻璃襯底擴散而進入稍后將在襯底上形成的氧化物半導體中。
替代地,可由使用有機硅烷氣體通過CVD法形成的氧化硅層形成柵絕緣層403。作為有機硅烷氣體,可使用諸如四乙氧基硅烷(TEOS:分子式Si(OC2H5)4)、四甲基硅烷(TMS:化學分子式Si(CH3)4)、四甲基環四硅氧烷(TMCTS)、八甲基環四硅氧烷(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)之類的含硅化合物。
然后,在柵絕緣層403上形成銦、鋅、錫、鉬、鎢等的金屬薄膜。替代地,可形成那些元素的任一種的合金薄膜或疊層。通過濺射法、真空汽相沉積法或涂覆法形成該金屬薄膜。這里,通過汽相沉積法形成厚度為大于0nm且小于或等于10nm——優選為3nm到5nm(含3nm和5nm)——的銦膜。注意對于該金屬薄膜,將其材料選擇成使該金屬薄膜通過稍后進行的熱處理變成氧化物,而且該氧化物具有比隨后在金屬薄膜上形成并與金屬薄膜接觸的氧化物半導體層更低的電阻率。此外,根據金屬薄膜的材料或成膜條件,該金屬薄膜沒有覆蓋柵絕緣層403的表面,而且柵絕緣層403的部分可在某些情況下暴露;例如,金屬簇狀物可散布在柵絕緣層403上。同樣在金屬簇狀物散布的情況下,只要金屬通過稍后進行的氧化處理變成氧化物半導體,就能提高薄膜晶體管的電場遷移率。此外,在金屬簇狀物散布的情況下,該金屬不限于上述材料;能使用鋁、銅等。此外,可在簇狀物上形成金屬薄膜,以改善薄膜晶體管的電特性。
然后,通過光刻技術按所選擇地去除金屬膜。這里能使用濕法蝕刻或干法蝕刻。因此,在驅動器電路區中形成金屬薄膜470。圖1A是此階段的截面圖。注意,當采用了光刻技術時,金屬薄膜被暴露給空氣,藉此可根據其材料在該金屬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,則可將它用作氧化物半導體層的一部分。
替代地,通過采用濺射法,利用除期望區域之外的區域被覆蓋的遮光掩模,可僅在期望區域中形成該金屬薄膜。此外,通過使用遮光掩模的濺射方法,可在不暴露給空氣的情況下在金屬薄膜上形成氧化物半導體層。以此方式,可保持金屬薄膜與氧化物半導體層之間的界面清潔,而且能減少光掩模的數量。
然后,在金屬薄膜470和柵絕緣層403上形成氧化物半導體層。氧化物半導體層的厚度優選大于金屬薄膜470的厚度。具體而言,氧化物半導體層的厚度大于或等于30nm,優選是60nm到150nm(含60nm和150nm)。在此實施例中,形成第一In-Ga-Zn-O基非單晶膜作為氧化物半導體層。在氬氣或氧氣氣氛中使用具有8英寸直徑且包含In(銦)、Ga(鎵)以及Zn(鋅)(In2O3∶Ga2O3∶ZnO的摩爾比為1∶1∶1)的氧化物半導體靶、在襯底與靶的距離被設置成170mm、0.4Pa的氣壓下、以及直流(DC)功率源為0.5kW的情況下形成第一In-Ga-Zn-O基非單晶膜。注意,優選使用脈沖直流(DC)功率源,從而減少灰塵并實現均勻厚度。
在通過濺射法形成In-Ga-Zn-O基氧化物半導體層的情況下,含In、Ga以及Zn的氧化物半導體靶可包含絕緣雜質。該雜質是以氧化硅、氧化鍺、氧化鋁等為代表的絕緣氧化物等、以氮化硅、氮化鋁等為代表的絕緣氮化物等、或諸如氧氮化硅或氧氮化鋁之類的絕緣氧氮化物等。例如,優選以0.1%到10%重量百分比、更優選以1%到6%重量百分比將SiO2混入氧化物半導體靶中。
當氧化物半導體中包含該絕緣雜質時,容易使氧化物半導體的膜成為非晶。此外,在氧化物半導體膜經受熱處理的情況下,能抑制氧化物半導體膜的結晶。
除In-Ga-Zn-O基氧化物半導體之外,通過含絕緣雜質的In-Sn-Zn-O基氧化物半導體、In-Al-Zn-O基氧化物半導體、Sn-Ga-Zn-O基氧化物半導體、Al-Ga-Zn-O基氧化物半導體、Sn-Al-Zn-O基氧化物半導體、In-Zn-O基氧化物半導體、Sn-Zn-O基氧化物半導體、Al-Zn-O基氧化物半導體、In-O基氧化物半導體、Sn-O基氧化物半導體以及Zn-O基氧化物半導體能獲得類似的效果。
例如,在通過濺射法形成添加了氧化硅的In-Sn-Zn-O基氧化物半導體膜的情況下,使用了以預定比例燒結的In2O3、SnO2、ZnO以及SiO2的靶。在添加了氧化硅的In-Al-Zn-O基氧化物半導體的情況下,使用其中以預定比例燒結In2O3、Al2O3、ZnO、SiO2的靶形成膜。
接著,在不暴露給空氣的情況下通過濺射法形成電阻率低于第一In-Ga-Zn-O基非單晶膜的氧化物半導體膜(在此實施例中為第二In-Ga-Zn-O基非單晶膜)。這里,使用其中In2O3∶Ga2O3∶ZnO為1∶1∶1的靶在壓力為0.4Pa、功率為500W、沉積溫度為腔室溫以及氬氣流速為40sccm的條件下執行濺射。不論是否使用In2O3∶Ga2O3∶ZnO為1∶1∶1的靶,在膜形成之后可立刻形成包括大小為1到10nm的晶粒的In-Ga-Zn-O基非單晶膜。注意,可以認為通過適當調節靶中的組分比、沉積壓力(0.1Pa到2.0Pa)、功率(250W到3000W:8英寸)、溫度(腔室溫到100℃)、用于沉積的反應濺射條件等可調節晶粒的存在與否或晶粒的密度,并可將其直徑大小調節在1nm到10nm范圍內。第二In-Ga-Zn-O基非單晶膜具有5nm到20nm的厚度。不言而喻,當膜包括晶粒時,晶粒的大小不會超過膜的厚度。在此實施例中,第二In-Ga-Zn-O基非單晶膜的厚度是5nm。
在與形成第二In-Ga-Zn-O基非單晶膜的條件不同的條件下形成第一In-Ga-Zn-O基非單晶膜。例如,在氧氣流速與氬氣流速比高于第二In-Ga-Zn-O基非單晶膜的條件下的氧氣流速與氬氣流速比的條件下形成第一In-Ga-Zn-O基非單晶膜。具體而言,在稀有氣體(例如氬氣或氦氣)氣氛(或氧氣少于或等于10%且氬氣多于或等于90%的氣氛)中形成第二In-Ga-Zn-O基非單晶膜,而在氧氣氣氛(或氧氣流速大于或等于氬氣流速的氣氛)中形成第一In-Ga-Zn-O基非單晶膜。
注意,在此實施例中非限制地描述了其中設置了第二In-Ga-Zn-O基非單晶膜的示例。不一定要設置第二In-Ga-Zn-O基非單晶膜。
濺射法的示例包括其中將高頻功率源用作濺射功率源的RF濺射法、直流濺射法以及以脈沖方式施加偏壓的脈沖直流濺射法。
此外,還存在可設置不同材料的多個靶的多源濺射器件。利用該多源濺射器件,可在同一腔室中沉積層疊的不同材料膜,或可在同一腔室中通過放電同時形成多種材料的膜。
此外,存在腔室中設置有磁鐵系統且用于磁控管濺射方法的濺射器件,且在不使用輝光放電的情況下使用微波產生等離子體的用于ECR濺射方法的濺射器件。
此外,作為通過濺射法的沉積方法,還存在靶物質和濺射氣體組分在沉積期間相互化學反應以形成它們的化合物薄膜的反應濺射方法,以及在沉積期間也對襯底施加電壓的偏壓濺射方法。
接著,執行光刻步驟以形成抗蝕劑掩模,并蝕刻第一In-Ga-Zn-O基非單晶膜和第二In-Ga-Zn-O基非單晶膜。這里,通過濕法蝕刻使用ITO07N(KANTOCHEMICAL股份有限公司的產品)去除不必要部分,從而形成作為第一In-Ga-Zn-O基非單晶膜的氧化物半導體膜485a和485b、以及作為第二In-Ga-Zn-O基非單晶膜的氧化物半導體膜486a和486b。如果將銦膜、鋅膜或錫膜用作金屬薄膜470,則也用ITO07N(KANTO CHEMICAL股份有限公司的產品)蝕刻金屬薄膜470。在本實施例中,采用了其中使用了銦膜的示例;因此,金屬薄膜470具有與作為第一In-Ga-Zn-O基非單晶膜的氧化物半導體膜485a基本相同的頂部形狀。注意,此處的蝕刻不限于濕法蝕刻,而可以是干法蝕刻。圖1B是此階段的截面圖。
在金屬薄膜470在上述蝕刻步驟中保留的情況下,通過使用在上述蝕刻步驟中使用的同一抗蝕劑掩模和不同的蝕刻劑或不同的蝕刻氣體,使金屬薄膜470經受蝕刻步驟以便按照選擇去除金屬薄膜470。
接著,執行光刻步驟以形成抗蝕劑掩模,并通過蝕刻去除不必要部分以形成接觸孔,該接觸孔到達由與柵電極層相同材料組成的引線或電極層。該接觸孔被設置成與稍后形成的導電膜直接接觸。例如,當形成柵電極層與驅動器電路部分中的源或漏電極層直接接觸的薄膜晶體管時,或當形成電連接至端子部分的柵極引線的端子時,形成接觸孔。注意,這里無特殊限制地描述了其中通過光刻步驟形成用于與將稍后形成的導電膜直接連接的接觸孔的示例。可稍后在形成與像素電極連接的接觸孔的步驟中形成到達柵電極層的接觸孔,而且可將與像素電極相同的材料用于電連接。在將與像素電極相同的材料用于電連接的情況下,可將掩模的數量減少一個。
然后,通過濺射法或真空蒸發沉積法用金屬材料在作為第二In-Ga-Zn-O基非單晶膜的氧化物半導體膜486a和486b上以及柵絕緣層403上形成導電膜。
作為導電膜的材料,存在從Al、Cr、Ta、Ti、Mo或W中選擇的元素、包含這些元素中的任一種的合金、包含這些元素的組合的合金膜等。此外,如果在200℃到600℃下執行熱處理,則導電膜優選具有針對這樣的熱處理的耐熱性。因為單獨使用Al帶來了諸如低耐熱性和容易被腐蝕之類的缺點,所以與具有耐熱性的導電材料組合使用鋁。作為要與Al組合使用的具有耐熱性的導電材料,可使用從鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎢(W)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、釹(Nd)或鈧(Sc)中選擇的元素、或包含這些元素中的任一種的合金、包含這些元素的組合的合金、或包含這些元素中的任一種的氮化物。
這里,導電膜具有鈦膜的單層結構。替代地,該導電膜可具有鈦膜疊在鋁膜上的兩層結構。再或者,該導電膜可具有包括Ti膜、疊在Ti膜上的含Nd的鋁膜(Al-Nd)、以及在這些膜上形成的Ti膜的三層結構。該導電膜可具有含硅鋁膜的單層結構。
然后,通過光刻步驟形成抗蝕劑掩模,并通過蝕刻去除不必要部分。因此,在像素部分中形成源和漏電極層105a和105b以及作為源區和漏區的n+型層104a和104b,而在驅動器電路部分中形成作為源和漏電極層的第一和第二引線409和410以及作為源區和漏區的n+型層406a和406b。這時使用濕法蝕刻或干法蝕刻作為蝕刻方法。例如,當使用鋁膜或鋁合金膜作為導電膜時,可執行使用磷酸、醋酸以及硝酸的混合溶液的濕法蝕刻。這里,通過使用氨雙氧水混合物的濕法蝕刻(雙氧水與氨以及水的比例為5∶2∶2),蝕刻Ti膜的導電膜以形成源和漏電極層,并蝕刻第二In-Ga-Zn-O基非單晶膜以形成n+型層104a和104b。在此蝕刻步驟中,將氧化物半導體膜的暴露區域部分蝕刻為氧化物半導體層103。因此,n+型層104a和104b之間的氧化物半導體層103的溝道區具有小厚度。在同一步驟中通過使用氨雙氧水混合物蝕刻源和漏電極層105a和105b以及n+型層104a和104b;因此,使源和漏電極層105a和105b的端部與n+型層104a和104b的端部對齊,從而這些端部如圖1所示地連續。通過上述步驟,能在像素部分中形成包括氧化物半導體層103作為溝道形成區的第二薄膜晶體管170。
接著,優選在200℃到600℃下、通常在300℃到500℃下執行熱處理(該熱處理可以是利用光的退火)。這里,在爐中在350℃下在氮氣氣氛中執行熱處理1小時。該熱處理也可稱為將金屬薄膜470部分或全部氧化的氧化處理。在本實施例中,金屬薄膜470成為氧化銦膜、第一氧化物半導體層471。通過上述步驟,可在驅動器電路中制造包括第一氧化物半導體層471和第二氧化物半導體層405的疊層的第一薄膜晶體管430。圖1C是此階段的截面圖。此外,通過此熱處理,在In-Ga-Zn-O基非單晶膜中發生原子級的重排。要注意的是,對熱處理的定時不存在特定限制,只要在第二In-Ga-Zn-O基非單晶膜形成之后的任何時候進行即可,而且例如,可在像素電極形成之后執行熱處理。
注意,雖然熱處理之前的金屬薄膜470的厚度與熱處理之后的第一氧化物半導體層即經過氧化的金屬薄膜470的厚度在圖1C中基本相同,但第一氧化物半導體層471的厚度由于氧化可大于熱處理之前的金屬薄膜的厚度。而且,由于第一氧化物半導體層471的厚度的增加,覆蓋的第二氧化物半導體層405的厚度可小于熱處理之前的厚度。
接著,去除抗蝕劑掩模,并形成保護絕緣層412以覆蓋第一薄膜晶體管430和第二薄膜晶體管170。作為保護絕緣層412,可使用通過濺射法等形成的氮化硅膜、氧化硅膜、氧氮化硅膜、氧化鋁膜、氮化鋁膜、氧氮化鋁膜、氧化鉭膜等等的單層或疊層。保護絕緣層412具有50nm到400nm的厚度。
接著,執行第五光刻步驟以形成抗蝕劑掩模,并蝕刻保護絕緣層412以形成到達源電極層或漏電極層105b的接觸孔。
然后去除抗蝕劑掩模。然后形成導電膜,執行光刻步驟以形成抗蝕劑掩模,并蝕刻該導電膜以形成電連接至源電極層或漏電極層105b的第一電極472。然后,形成絕緣層473,該絕緣層473用作用于隔離相鄰像素的第一電極的隔離壁。然后,在第一電極472上形成包括發光層的有機化合物層475,并在該有機化合物層上形成第二電極474。發光元件至少包括第一電極472、包括發光層的有機化合物層475以及第二電極474。圖1D是此階段的截面圖。
注意,本實施例在無特定限制的情況下給出了包括發光元件的發光顯示器件的示例。可制造液晶顯示器件或電子紙。
通過將包括氧化物半導體層的疊層的薄膜晶體管用于諸如液晶顯示器件、發光顯示器件、電子紙等等中的柵線驅動器電路或源線驅動器電路之類的外圍電路,可實現驅動速度的增加和功耗的降低。此外,可在不會顯著增加步驟數量的情況下,在同一襯底上既設置像素部分又設置驅動器電路。通過在同一襯底上設置除像素部分之外的多種電路,能降低顯示器件的制造成本。
(實施例2)
在本實施例中,以下將描述使用兩個n溝道薄膜晶體管形成的反相器電路的示例。本反相器電路被用作驅動器電路的一部分。注意實施例1中的第一薄膜晶體管430與圖2A中的第一薄膜晶體管430相同;因此省略了詳細描述。
在本實施例中,提供了包括在具有絕緣表面的襯底上的能高速工作的驅動器電路的新穎結構。此外,還提供了該結構的新穎制造方法。此外,還提供了用于在一個襯底上制造其中將氧化物半導體層的疊層用作溝道形成區的第一薄膜晶體管和其中將氧化物半導體層的單層用作溝道形成區的第二薄膜晶體管的新穎方法。
圖2A示出驅動器電路的反相器電路的截面結構。在圖2A中,在襯底400上設置了第一柵電極401和第二柵電極402。
此外,形成了覆蓋第一柵電極401的柵絕緣層403和第二柵電極402。在柵絕緣層403上與第一柵電極401交迭的位置處設置第一氧化物半導體層471和第二氧化物半導體405的疊層。在柵絕緣層403上與第二柵電極402交迭的位置處設置第三氧化物半導體層451和第四氧化物半導體407的疊層。
此外,在第二氧化物半導體層405和第四氧化物半導體層407上,設置第一引線409、第二引線410以及第三引線411。第二引線410通過形成在柵絕緣層403中的接觸孔404直接連接至第二柵電極402。注意,對接觸孔404的形成的定時并無特定限制,只要在形成柵絕緣層403之后進行即可。例如,可在稍后進行的氧化物半導體膜的蝕刻之后、或甚至在蝕刻之后進行的熱處理之后形成接觸孔404。注意,在第二氧化物半導體層405與第一引線409之間設置n+型層406a,而在第二氧化物半導體層405與第二引線410之間設置n+型層406b。此外,在第四氧化物半導體層407與第二引線410之間設置n+型層408a,而在第四氧化物半導體層407與第三引線411之間設置n+型層408b。
第一薄膜晶體管430包括:第一柵電極401;與第一柵電極401交迭的第一氧化物半導體層471和第二氧化物半導體層405的疊層,該疊層與第一柵電極401之間插入有柵絕緣層403;以及第一引線409,它是地電位的電源線(接地電源線)。此地電位的電源線可以是施加了負電壓VDL的電源線(負電源線)。
此外,第二薄膜晶體管431包括:第二柵電極402;與第二柵電極402交迭的第三氧化物半導體層451和第四氧化物半導體層407的疊層,該疊層與第二柵電極402之間插入有柵絕緣層403;以及第三引線411,它是被施加正電壓VDD的電源線(正電源線)。
如圖2A所示,電連接至第二氧化物半導體層405和第四氧化物半導體層407的第二引線410通過形成在柵絕緣層403中的接觸孔404直接連接至第二薄膜晶體管431的第二柵電極402。通過第二引線410與第二柵電極402的直接連接,能獲得良好的接觸,這能導致接觸電阻減小。與第二柵電極402和第二引線410利用另一導電膜——例如透明導電膜——相互連接的情況相比,可實現接觸孔數量的減少和由于接觸孔數量減少而驅動器電路占據的面積的減小。
進一步,圖2C是驅動器電路的反相器電路的俯視圖。在圖2C中,沿點劃線Z1-Z2所取的截面對應于圖2A。
此外,圖2B示出EDMOS電路的等效電路。圖2B示出了圖2A和2C中所示的電路連接。示出了其中第一薄膜晶體管430是n溝道增強型晶體管、而第二薄膜晶體管431是n溝道耗盡型晶體管的示例。
雖然在圖2A到2C中描述了EDMOS電路的示例,但可替代地使用EEMOS電路。圖3中示出了EEMOS電路的等效電路。在圖3中所示的等效電路中,在以下任一種情況下可形成驅動器電路:第一薄膜晶體管460和第二薄膜晶體管461都是n溝道增強型晶體管的情況,或第一薄膜晶體管460是n溝道增強型晶體管、而第二薄膜晶體管461即另一晶體管是n溝道耗盡型晶體管的情況。
可以認為,優選使用圖3中所示的電路構造,其中將同一類型的n溝道增強型晶體管組合用于驅動器電路。這是因為,在這樣的情況下,用于像素部分的晶體管也由與用于驅動器電路的相同類型的n溝道增強型晶體管形成,因而沒有增加制造步驟的數量。
此外,在實施例1中,在無特定限制的情況下給出了其中在層疊金屬薄膜和氧化物半導體層之后,將金屬薄膜氧化以形成第一氧化物半導體層和第二氧化物半導體層的疊層的示例。例如,還可采用以下制造工藝:在整個表面上形成第一氧化物半導體層之后,用抗蝕劑覆蓋第一氧化物半導體層,并將像素部分中的第一氧化物半導體層蝕刻掉;然后去除抗蝕劑;然后,在整個表面上形成第二氧化物半導體層。利用這樣的制造工藝,有可能在同一襯底上形成其中設置了包括氧化物半導體層的單層的薄膜晶體管的像素部分、和其中設置了包括氧化物半導體層的疊層的薄膜晶體管的驅動器電路。
注意可將本實施方式與實施例1任意地組合。
(實施例3)
以下描述作為半導體器件的示例的顯示器件。在該顯示器件中,在一個襯底上形成驅動器電路的至少一部分和像素部分中的薄膜晶體管。
根據實施例1形成像素部分中的薄膜晶體管。該薄膜晶體管是n溝道TFT;因此,在同一襯底上形成可使用n溝道TFT形成的驅動器電路的一部分作為像素部分中的薄膜晶體管。
圖4A示出作為半導體器件的示例的有源矩陣液晶顯示器件的框圖的示例。圖4A中所示的顯示器件在襯底5300上包括:像素部分5301,其包括分別設置有顯示元件的多個像素;選擇像素的掃描線驅動器電路5302;以及控制輸入選定像素的視頻信號的信號線驅動器電路5303。
實施方式1中描述的薄膜晶體管是n溝道TFT。參照圖5描述包括n溝道TFT的信號線驅動器電路。
圖5的信號線驅動器電路包括驅動器IC 5601、開關組5602_1到5602_M、第一引線5611、第二引線5612、第三引線5613以及引線5621_1到5621_M。開關組5602_1到5602_M的每一個包括第一薄膜晶體管5603a、第二薄膜晶體管5603b以及第三薄膜晶體管5603c。
像素部分5301利用從信號線驅動器電路5303沿列向延伸的多條信號線S1到Sm(未示出)連接至信號線驅動器電路5303,且利用從掃描線驅動器電路5302沿行向延伸的多條掃描線G1到Gn(未示出)連接至掃描線驅動器電路5302。像素部分5301包括排列成矩陣以便對應于信號線S1到Sm和掃描線G1到Gn的多個像素(未示出)。此外,各個像素連接至信號線Sj(信號線S1到Sm中的任一條)和掃描線Gi(掃描線G1到Gn中的任一條)。
驅動器IC 5601連接至第一引線5611、第二引線5612、第三引線5613以及引線5621_1到5621_M。開關組5602_1到5602_M中的每一個連接至第一引線5611、第二引線5612以及第三引線5613。此外,開關組5602_1到5602_M分別連接至引線5621_1到5621_M。引線5621_1到5621_M中的每一條通過第一薄膜晶體管5603a、第二薄膜晶體管5603b以及第三薄膜晶體管5603c連接至三條信號線。例如,第J列的引線5621_J(引線5621_1到5621_M中的一條)分別通過開關組5602_J中的第一薄膜晶體管5603a、第二薄膜晶體管5603b以及第三薄膜晶體管5603c連接至信號線Sj-1、信號線Sj以及信號線Sj+1。
注意信號被輸入第一引線5611、第二引線5612以及第三引線5613中的每一條引線。
注意,優選地在單晶半導體襯底上形成驅動器IC 5601。此外,優選地在與像素部分相同的襯底上形成開關組5602_1到5602_M。因此,優選通過FPC等將驅動器IC 5601連接至開關組5602_1到5602_M。
接著,參照圖6中的時序圖描述圖5的信號線驅動器電路的操作。圖6示出其中選擇了第i行中的掃描線Gi的時序圖。第i行中的掃描線Gi的選擇周期被分成第一子選擇周期T1、第二子選擇周期T2以及第三子選擇周期T3。此外,當選擇了另一行中的掃描線時,圖5的掃描線驅動器電路如圖6所示地工作。
注意,圖6的時序圖示出第J列中的引線5621_J分別通過第一薄膜晶體管5603a、第二薄膜晶體管5603b以及第三薄膜晶體管5603c連接至信號線Sj-1、信號線Sj以及信號線Sj+1的情況。
圖6的時序圖示出選擇了第i行中的掃描線Gi的時序、第一薄膜晶體管5603a導通/截止的時序5703a、第二薄膜晶體管5603b導通/截止的時序5703b、第三薄膜晶體管5603c導通/截止的時序5703c以及輸入第J列中的引線5621_J的信號5721_J。
在第一子選擇周期T1、第二子選擇周期T2以及第三子選擇周期T3中,將不同的視頻信號輸入引線5621_1到5621_M。例如,在第一子選擇周期T1中將輸入引線5621_J的視頻信號輸入信號線Sj-1,在第二子選擇周期T2中將輸入引線5621_J的視頻信號輸入信號線Sj,以及在第三子選擇周期T3中將輸入引線5621_J的視頻信號輸入信號線Sj+1。通過數據_j-1、數據_j以及數據_j+1分別表示在第一子選擇周期T1中、第二子選擇周期T2中以及第三子選擇周期T3中輸入引線5621_J的視頻信號。
如圖6所示,在第一子選擇周期T1中,第一薄膜晶體管5603a導通,而第二薄膜晶體管5603b和第三薄膜晶體管5603c截止。此時,輸入引線5621_J的數據_j-1經由第一薄膜晶體管5603a輸入信號線Sj-1。在第二子選擇周期T2中,第二薄膜晶體管5603b導通,而第一薄膜晶體管5603a和第三薄膜晶體管5603c截止。此時,將輸入引線5621_J的數據_j經由第二薄膜晶體管5603b輸入信號線Sj。在第三子選擇周期T3中,第三薄膜晶體管5603c導通,而第一薄膜晶體管5603a和第二薄膜晶體管5603b截止。此時,將輸入引線5621_J的數據_j+1經由第三薄膜晶體管5603c輸入信號線Sj+1。
如上所述,在圖5的信號線驅動器電路中,將一個門選周期分成三個;因此,可在一個門選周期中將視頻信號從一條引線5621輸入到三條信號線中。因此,在圖5中的信號線驅動器電路中,在設置有驅動器IC 5601的襯底與設置有像素部分的襯底之間的連接的數量可以是信號線數量的約1/3。當將連接數量減少到信號線數量的約1/3時,能提高圖5中的信號線驅動器電路的可靠性、生產率等。
要注意的是,對薄膜晶體管的排列、數量、驅動方法等并無特定限制,只要將一個門選周期分成多個子選擇周期,并如圖5所示地在相應的子選擇周期將視頻信號從一條引線輸入多條信號線即可。
例如,當在相應的子選擇周期中將視頻信號從一條引線輸入到三條或更多條信號線時,只需要添加一個薄膜晶體管和用于控制該薄膜晶體管的一條引線。要注意的是,當將一個門選擇周期分成四個或多個子選擇周期時,每個子選擇周期變短。因此,優選地將一個門選擇周期分成兩個或三個子選擇周期。
作為另一示例,如圖7的時序圖所示,可將一個選擇周期分成預充電周期Tp、第一子選擇周期T1、第二子選擇周期T2以及第三子選擇周期T3。圖7的時序圖示出選擇了第i行中的掃描線Gi的時序、使第一薄膜晶體管5603a導通/截止的時序5803a、使第二薄膜晶體管5603b導通/截止的時序5803b、使第三薄膜晶體管5603c導通/截止的時序5803c以及輸入第J列中的引線5621_J的信號5821_J。如圖7所示,第一薄膜晶體管5603a、第二薄膜晶體管5603b以及第三薄膜晶體管5603c在預充電周期Tp中導通。此時,將輸入引線5621_J的預充電電壓Vp分別通過第一薄膜晶體管5603a、第二薄膜晶體管5603b以及第三薄膜晶體管5603c輸入信號線Sj-1、信號線Sj以及信號線Sj+1。在第一子選擇周期T1中,第一薄膜晶體管5603a導通,而第二薄膜晶體管5603b和第三薄膜晶體管5603c截止。此時,將輸入引線5621_J的數據_j-1通過第一薄膜晶體管5603a輸入信號線Sj-1。在第二子選擇周期T2中,第二薄膜晶體管5603b導通,而第一薄膜晶體管5603a和第三薄膜晶體管5603c截止。此時,將輸入引線5621_J的數據_j通過第二薄膜晶體管5603b輸入信號線Sj。在第三子選擇周期T3中,第三薄膜晶體管5603c導通,而第一薄膜晶體管5603a和第二薄膜晶體管5603b截止。此時,將輸入引線5621_J的數據_j+1通過第三薄膜晶體管5603c輸入信號線Sj+1。
如上所述,在應用了圖7的時序圖的圖5的信號線驅動器電路中,可通過在子選擇周期之前提供預充電周期對信號線預充電。因此,可將視頻信號高速地寫入像素。注意,通過相同的附圖標記表示圖7中類似于圖6的部分,而且省略相同部分或具有相似功能的部分的詳細描述。
接著,描述掃描線驅動器電路的構成。該掃描線驅動器電路包括移位寄存器和緩沖器。在某些情況下,該掃描線驅動器電路還可包括電平移動器。在該掃描線驅動器電路中,當將時鐘信號(CLK)和起動脈沖信號(SP)輸入移位寄存器時,產生選擇信號。所產生的選擇信號被緩沖器緩存和放大,而所得的信號被提供給相應的掃描線。一條線中的像素中的晶體管的柵電極連接至掃描線。此外,因為必須使一條線的像素中的晶體管同時立即導通,所以使用了能饋送大電流的緩沖器。
參照圖8和圖9描述用作掃描線驅動器電路的一部分的移位寄存器的示例。
圖8示出該移位寄存器的電路構造。圖8中所示的移位寄存器包括多個觸發器:觸發器5701_1到5701_n。通過輸入第一時鐘信號、第二時鐘信號、起動脈沖信號以及復位信號操作該移位寄存器。
描述了圖8的移位寄存器的連接關系。在圖8的移位寄存器中的第i級的觸發器5701_i(觸發器5701_1到5701_n中的一個)中,圖9中所示的第一引線5501連接至第七引線5717_i-1,圖9中所示的第二引線5502連接至第七引線5717_i+1,圖9中所示的第三引線5503連接至第七引線5717_i,以及圖9中所示的第六引線5506連接至第五引線5715。
此外,圖9中所示的第四引線5504連接至奇數級的觸發器中的第二引線5712,且連接至偶數級的觸發器中的第三引線5713。圖9中所示的第五引線5505連接至第四引線5714。
注意,圖9中所示的第一級的觸發器5701_1的第一引線5501連接至第一引線5711,而圖9中所示的第n級觸發器5701_n的第二引線5502連接至第六引線5716。
注意,第一引線5711、第二引線5712、第三引線5713以及第六引線5716可分別稱為第一信號線、第二信號線、第三信號線以及第四信號線。第四引線5714和第五引線5715可分別稱為第一電源線和第二電源線。
圖9示出圖8中所示觸發器的細節。圖9中所示的觸發器包括第一薄膜晶體管5571、第二薄膜晶體管5572、第三薄膜晶體管5573、第四薄膜晶體管5574、第五薄膜晶體管5575、第六薄膜晶體管5576、第七薄膜晶體管5577以及第八薄膜晶體管5578。注意第一薄膜晶體管5571、第二薄膜晶體管5572、第三薄膜晶體管5573、第四薄膜晶體管5574、第五薄膜晶體管5575、第六薄膜晶體管5576、第七薄膜晶體管5577以及第八薄膜晶體管5578中的每一個均為n溝道晶體管,而且在柵一源電壓(Vgs)超過閾值電壓(Vth)時導通。
在圖9中,第三薄膜晶體管5573的柵電極電連接至電源線。此外,可以認為其中第三薄膜晶體管5573連接至第四薄膜晶體管5574的電路(被圖9中的點劃線包圍的電路)對應于具有圖2A中所示結構的電路。雖然這里描述了其中所有薄膜晶體管都是n溝道增強型晶體管的示例,但并不特定限于此示例。例如,甚至可將n溝道耗盡型晶體管用作第三薄膜晶體管5573來驅動驅動器電路。
現在,以下描述圖9中所示的觸發器的連接結構。
第一薄膜晶體管5571的第一電極(源電極或漏電極之一)連接至第四引線5504,而第一薄膜晶體管5571的第二電極(源電極或漏電極中的另一個)連接至第三引線5503。
第二薄膜晶體管5572的第一電極連接至第六引線5506。第二薄膜晶體管5572的第二電極連接至第三引線5503。
第三薄膜晶體管5573的第一電極連接至第五引線5505。第三薄膜晶體管5573的第二電極連接至第二薄膜晶體管5572的柵電極。第三薄膜晶體管5573的柵電極連接至第五引線5505。
第四薄膜晶體管5574的第一電極連接至第布引線5506。第四薄膜晶體管5574的第二電極連接至第二薄膜晶體管5572的柵電極。第四薄膜晶體管5574的柵電極連接至第一薄膜晶體管5571的柵電極。
第五薄膜晶體管5575的第一電極連接至第五引線5505。第五薄膜晶體管5575的第二電極連接至第一薄膜晶體管5571的柵電極。第五薄膜晶體管5575的柵電極連接至第一引線5501。
第六薄膜晶體管5576的第一電極連接至第六引線5506。第六薄膜晶體管5576的第二電極連接至第一薄膜晶體管5571的柵電極。第六薄膜晶體管5576的柵電極連接至第二薄膜晶體管5572的柵電極。
第七薄膜晶體管5577的第一電極連接至第六引線5506。第七薄膜晶體管5577的第二電極連接至第一薄膜晶體管5571的柵電極。第七薄膜晶體管5577的柵電極連接至第二引線5502。第八薄膜晶體管5578的第一電極連接至第六引線5506。第八薄膜晶體管5578的第二電極連接至第二薄膜晶體管5572的柵電極。第八薄膜晶體管5578的柵電極連接至第一引線5501。
注意,第一薄膜晶體管5571的柵電極、第四薄膜晶體管5574的柵電極、第五薄膜晶體管5575的第二電極、第六薄膜晶體管5576的第二電極以及第七薄膜晶體管5577的第二電極所連接的點被稱為節點5543。第二薄膜晶體管5572的柵電極、第三薄膜晶體管5573的第二電極、第四薄膜晶體管5574的第二電極、第六薄膜晶體管5576的柵電極以及第八薄膜晶體管5578的第二電極所連接的點被稱為節點5544。
第一引線5501、第二引線5502、第三引線5503以及第四引線5504可分別稱為第一信號線、第二信號線、第三信號線以及第四信號線。第五引線5505和第六引線5506可分別稱為第一電源線和第二電源線。
此外,可僅使用實施例2中描述的n溝道TFT形成信號線驅動器電路和掃描線驅動器電路。實施例2中所描述的n溝道TFT具有高遷移率,從而可提高驅動器電路的驅動頻率。例如,使用實施例2中所描述的n溝道TFT的掃描線驅動器電路可高速地工作,從而可提高幀頻率并實現黑色插入(black insertion)。
此外,例如,當提高了掃描線驅動器電路中的晶體管溝道寬度或設置了多個掃描線驅動器電路時,可實現更高的幀頻率。當設置了多個掃描線驅動器電路時,將用于驅動偶數掃描線的掃描線驅動器電路設置在一側,而將用于驅動奇數行掃描線的掃描線驅動器電路設置在另一側;因此,可實現幀頻率的提高。此外,使用多個掃描線驅動器電路用于向同一掃描線輸出信號對于增大顯示器件的大小是有利的。
在制造作為半導體器件的示例的有源矩陣發光顯示器件的情況下,因為在至少一個像素中設置多個薄膜晶體管,所以優選設置多個掃描線驅動器電路。圖4B中示出了有源矩陣發光顯示器件的框圖的示例。
圖4B中所示的發光顯示器件在襯底5400上包括:包括分別設置有顯示元件的多個像素的像素部分5401;選擇像素的第一掃描線驅動器電路5402和第二掃描線驅動器電路5404;以及控制輸入選定像素的視頻信號的信號線驅動器電路5403。
在向圖4B的發光顯示器件的像素輸入數字視頻信號的情況下,通過開/關晶體管將像素置于發光狀態或不發光狀態。因此,可使用面積比灰度法或時間比灰度法顯示灰度。面積比灰度法指的是通過將一個像素分成多個子像素并基于視頻信號獨立地驅動各個子像素從而顯示灰度的驅動方法。此外,時間比灰度法指的是通過控制像素發射光的周期從而顯示灰度的驅動方法。
因為發光元件的響應時間比液晶元件等的響應時間快,所以發光元件適合于時間比灰度法。具體而言,在通過時間灰度方法顯示的情況下,將一個幀周期分成多個子幀周期。接著,根據視頻信號,在各個子幀周期中將像素中的發光元件置為發光狀態或不發光狀態。通過將一個幀周期分成多個子幀周期,可利用視頻信號控制像素在一個幀周期中實際發光的總時間長度,從而顯示灰度。
注意在圖4B的發光顯示器件的示例中,在一個像素包括兩個開關TFT的情況下,輸入第一掃描線即開關TFT之一的柵極引線的信號在第一掃描線驅動器電路5402中產生,而輸入第二掃描線即另一開關TFT的柵極引線的信號在第二掃描線驅動器電路5404中產生。不過,輸入第一掃描線和第二掃描線的信號都可在一個掃描線驅動器電路中產生。此外,例如,根據一個像素中所包括的開關TFT的數量,有可能在每個像素中設置用于控制開關元件的操作的多條掃描線。在此情況下,輸入掃描線的信號均可在一個掃描線驅動器電路中產生,或在多個掃描線驅動器電路中產生。
同樣,在發光顯示器件中,可將可利用n溝道TFT形成的驅動器電路的一部分與像素部分的薄膜晶體管一起設置在一個襯底上。此外,可僅使用實施例2中描述的n溝道TFT制造信號線驅動器電路和掃描線驅動器電路。
上述驅動器電路不僅可用于液晶顯示器件或發光顯示器件,還可用于其中通過使用電連接至開關元件的元件驅動電子墨水的電子紙。電子紙也被稱為電泳顯示器件(電泳顯示器),而且其優點在于,它具有與普通紙張一樣的可閱讀性,它具有比其它顯示器件更低的功耗,而且它可被制造得薄和輕。
存在多種模式的電泳顯示器。在電泳顯示器中,分別包括具有正電荷的第一粒子和具有負電荷的第二粒子的多個微膠囊散布在溶劑或溶液中,而且將電場施加給這些微膠囊,從而微膠囊中的粒子以彼此相反的方向移動,從而僅顯示聚集在一側的粒子的顏色。注意第一粒子或第二粒子包括染色劑,而且當沒有電場時它們不移動。此外,第一粒子的顏色不同于第二粒子的顏色(這些粒子也可以是無色的)。
因此,電泳顯示器利用了所謂的介電電泳效應,其中具有高介電常數的物質向具有高電場的區域運動。電泳顯示器不需要液晶顯示器所必需的極化板和對襯底,因此它的厚度和重量約為液晶顯示器的一半。
在溶劑中散布的上述微膠囊所處于的溶液被稱為電子墨水。可將此電子墨水印刷在玻璃、塑料、布料、紙張等的表面上。利用濾色器或包括著色行為的粒子有可能實現彩色顯示。
此外,通過在有源矩陣襯底上適當地設置多個微膠囊以插入兩個電極之間,可完成有源矩陣顯示器件,而且通過對微膠囊施加電場能實現顯示。例如,可使用利用實施例1到2中所描述的薄膜晶體管獲得的有源矩陣襯底。
注意,微膠囊中的第一粒子和第二粒子可分別由導電材料、絕緣材料、半導體材料、磁性材料、液晶材料、鐵電材料、電致發光材料、電致變色材料、以及磁泳材料中的任一種材料組成,或由這些材料的復合材料組成。
通過上述工藝,可將高可靠的顯示器件制造為半導體器件。
可與其它實施例中描述的任一結構以適當的組合實現本實施例。
(實施例4)
本實施例描述作為半導體器件的發光顯示器件的示例。作為顯示器件的顯示元件,這里描述了利用電致發光的發光元件。利用電致發光的發光元件是根據發光材料是有機化合物還是無機化合物來分類的。前者稱為有機EL元件,而后者被稱為無機EL元件。
在有機EL元件中,通過對發光元件施加電壓,電子和空穴分別從一對電極注入包含發光有機化合物的層中,從而電流流動。然后那些載流子(電子和空穴)復合,從而激發發光有機化合物。當發光有機化合物從激發態返回基態時,光發射。由于這種機制,這種發光元件被稱為電流激發發光元件。
根據無機EL元件的元件結構將它們分類為散射型無機EL元件和薄膜型無機EL元件。散射型無機EL元件具有發光材料的粒子散布在粘合劑中的發光層,而且其發光機制是利用施主能級和受主能級的施主-受主復合型發光。薄膜型無機EL元件具有發光層被夾在介電層之間、而介電層又進一步夾在電極之間的結構,其發光機制是利用金屬離子的內層電子躍遷的局部型發光。注意,這里使用有機EL元件作為發光元件作出該描述。
圖10示出可應用數字時間灰度驅動的作為半導體器件的示例的像素結構的示例。
以下描述可應用數字時間灰度驅動的像素的結構和操作。在本示例中,一個像素包括溝道形成區中有氧化物半導體層(通常為In-Ga-Zn-O基非單晶膜)的兩個n溝道晶體管。
像素6400包括開關晶體管6401、驅動晶體管6402、發光元件6404以及電容器6403。開關晶體管6401的柵極連接至掃描線6406,開關晶體管6401的第一電極(源電極和漏電極中的一個)連接至信號線6405,而開關晶體管6401的第二電極(源電極和漏電極中的另一個)連接至驅動晶體管6402的柵極。驅動晶體管6402的柵極通過電容器6403連接至電源線6407,驅動晶體管6402的第一電極連接至電源線6407,以及驅動晶體管6402的第二電極連接至發光元件6404的第一電極(像素電極)。發光元件6404的第二電極對應于公共電極6408。公共電極6408電連接至設置在同一襯底上的公共電位線,而且可將連接部分用作公共連接部分。
注意,發光元件6404的第二電極(公共電極6408)被設置為低電源電位。當設置給電源線6407的高電源電位是基準時,低電源電位是低于該高電源電位的電位。例如可采用GND、0V等作為低電源電位。為了通過向發光元件6404施加高電源電位與低電源電位之間的電位差,從而電流流過發光元件6404以使發光元件6404發光,要將各個電位設置成使高電源電位與低電源電位之間的電位差高于或等于發光元件6404的正向閾值電壓。
驅動晶體管6402的柵極電容可用作電容器6403的替代物,因此可省去電容器6403。可在溝道區與柵電極之間形成驅動晶體管6402的柵電容。
在電壓-輸入電壓驅動方法的情況下,將視頻信號輸入驅動晶體管6402的柵極,以使驅動晶體管6402完全導通或完全截止。即,驅動晶體管6402在線性區中工作。因為驅動晶體管6402在線性區中工作,所以高于電源線6407電壓的電壓被施加給驅動晶體管6402的柵極。注意,大于或等于驅動晶體管6402的電源線電壓與電壓Vth之和的電壓被施加給信號線6405。
在執行模擬灰度驅動法代替數字時間灰度法的情況下,通過改變信號輸入可使用如圖10中一樣的像素結構。
在執行模擬灰度驅動的情況下,將高于或等于發光元件6404的正向電壓與驅動晶體管6402的Vth之和的電壓施加給驅動晶體管6402的柵極。發光元件6404的正向電壓指的是獲得期望照度的電壓,且包括至少正向閾值電壓。通過輸入視頻信號以使驅動晶體管6402能在飽和區中工作,電流可流過發光元件6404。為了使驅動晶體管6402能工作于飽和區,將電源線6407的電位設置成高于驅動晶體管6402的柵極電位。當使用了模擬視頻信號時,可根據視頻信號將電流饋送至發光元件6404,而且能執行模擬灰度驅動。
注意,圖10中所示的像素結構不限于此。例如,可向圖10中的像素添加開關、電阻器、電容器、晶體管、邏輯電路等。
接著,參照圖11A到11C描述發光元件的結構。這里將以n溝道驅動TFT為例描述像素的截面結構。通過類似于用于形成實施例1中所描述的第二薄膜晶體管170的方法可形成用于圖11A到11C所示的半導體器件的驅動TFT的TFT7001、7011以及7021。TFT 7001、7011以及7021分別包括氧化物半導體膜作為半導體層。
為提取從發光元件發出的光,需要陽極或陰極中的至少一個為透明。在襯底上形成薄膜晶體管和發光元件。發光元件可具有通過與襯底相對的表面提取光的頂發光結構、通過襯底的表面提取光的底發光結構、或通過與襯底相對的表面和襯底的表面提取光的雙發光結構。可將該像素結構應用于具有這些發光結構中的任一種的發光元件。
參照圖11A描述具有頂發光結構的發光元件。
圖11A是作為驅動TFT的驅動TFT 7001是n溝道TFT而且發光元件7002中產生的光通過陽極7005發射的情況下的像素的截面圖。TFT 7001包括其中添加了氧化硅的In-Sn-Zn-O基氧化物半導體作為其半導體層。如果In-Sn-Zn-O基氧化物半導體包含諸如氧化硅之類的雜質,所以即使該In-Sn-Zn-O基氧化物半導體在300℃到600℃下經受熱處理,也能防止該In-Sn-Zn-O基氧化物半導體的結晶或微晶粒的產生。在圖11A中,發光元件7002的陰極7003電連接至自作為驅動TFT的TFT 7001,而發光層7004和陽極7005以此順序層疊在陰極7003上。可使用具有低功函數的任一種導電材料和反射光的膜形成陰極7003。例如,優選使用Ca、Al、CaF、MgAg、AlLi等。可使用單個層或層疊多個層形成發光層7004。當使用多層形成發光層7004時,通過按照以下順序在陰極7003上層疊電子注入層、電子輸運層、發光層、空穴輸運層以及空穴注入層而形成發光層7004。不一定要形成所有這些層。陽極7005由諸如包含氧化鎢的氧化銦、包含氧化鎢的氧化銦鋅、包含氧化鈦的氧化銦、包含氧化鈦的氧化銦錫、氧化錫銦(下文稱為ITO)、氧化鋅銦或添加了氧化硅的氧化錫銦之類的透光導電材料制成。
發光元件7002對應于陰極7003與陽極7005夾著發光層7004的區域。在圖11A中所示的像素中,如箭頭所示,光從發光元件7002發射至陽極7005。
接著,參照圖11B描述具有底發光結構的發光元件。圖11B是驅動TFT 7011是n型TFT、而且發光元件7012中產生的光通過陰極7013發射的情況下的像素的截面圖。TFT 7001包括其中添加了氧化硅的In-Al-Zn-O基氧化物半導體作為其半導體層。如果In-Al-Zn-O基氧化物半導體包含諸如氧化硅之類的雜質,則即使該In-Al-Zn-O基氧化物半導體在300℃到600℃下經受熱處理,也能防止該In-Al-Zn-O基氧化物半導體的結晶或微晶粒的產生。在圖11B中,在電連接至驅動TFT 7011的具有透光性質的導電膜7017上形成發光元件7012的陰極7013,并按順序將發光層7014和陽極7015層疊在陰極7013上。注意,當陽極7015具有透光性質時,可形成用于反射和阻擋光的擋光膜7016來覆蓋陽極7015。對于陰極7013,與圖11A的情況一樣,可使用具有低功函數的任一種導電材料。注意,陰極7013被形成為具有能透光的厚度(優選約5nm到30nm)。例如,可將具有20nm厚度的鋁膜用作陰極7013。發光層7014可由單層組成,或如圖11A的情況一樣通過層疊多個層形成發光層7014。不需要陽極7015透光,但可使用如圖11A的情況一樣的透光導電材料形成陽極7015。作為擋光膜7016,可使用反射光的金屬等;不過它不限于金屬膜。例如,可使用添加了黑色素的樹脂等。
發光元件7012對應于陰極7013與陽極7015夾著發光層7014的區域。在圖11B中所示的像素中,如箭頭所示,光從發光元件7012發射至陽極7013。
接著,參考圖11C描述具有雙發光結構的發光元件。在圖11C中,在電連接至驅動TFT 7021的具有透光性質的導電膜7027上形成發光元件7022的陰極7023,并按順序將發光層7024和陽極7025層疊在陰極7023上。TFT 7001包括其中添加了氧化硅的Sn-Al-Zn-O基氧化物半導體作為其半導體層。如果Sn-Al-Zn-O基氧化物半導體包含諸如氧化硅之類的雜質,則即使該Sn-Al-Zn-O基氧化物半導體在300℃到600℃下經受熱處理,也能防止該Sn-Al-Zn-O基氧化物半導體的結晶或微晶粒的產生。像圖11A的情況一樣,可使用具有低功函數的任一種導電材料形成陰極7023。注意,將陰極7023形成為具有能透射光的厚度。例如,可將具有20nm厚度的Al膜可用作陰極7023。可使用單層或如圖11A的情況一樣通過層疊多個層來形成發光層7024。以與圖11A相似的方式,可使用透光導電材料形成陽極7025。
發光元件7022對應于陰極7023、發光層7024以及陽極7025彼此交迭的區域。在圖11C中所示的像素中,如箭頭所示,光從發光元件7022發射通過陽極7025和陰極7023。
雖然這里描述了有機EL元件作為發光元件,但還可提供無機EL元件作為發光元件。
注意,本實施例描述了控制發光元件的驅動的薄膜晶體管(驅動TFT)電連接至發光元件的示例;不過,可采用電流控制TFT連接在驅動TFT與發光元件之間的結構。
接著,將參照圖12A和12B描述作為半導體器件的一個模式的發光顯示面板(也稱為發光面板)的外觀和截面。圖12A是其中使用密封劑將第一襯底上的發光元件和薄膜晶體管密封在第一襯底與第二襯底之間的面板的俯視圖。圖12B是沿圖12A的H-I的截面圖。
密封劑4505被設置成包圍設置在第一襯底4501上的像素部分4502、信號線驅動器電路4503a和4503b以及掃描線驅動器電路4504a和4504b。此外,將第二襯底4506設置在像素部分4502、信號線驅動器電路4503a和4503b以及掃描線驅動器電路4504a和4504b上。因此,將像素部分4502、信號線驅動器電路4503a和4503b以及掃描線驅動器電路4504a和4504b連同填充物4507通過第一襯底4501、密封劑4505以及第二襯底4506密封到一起。以此方式,優選用保護膜(諸如粘接膜或紫外可固化樹脂膜)或具有高氣密性和幾乎無除氣的覆蓋材料封裝(密封)該發光顯示面板,從而使至少像素部分4502不暴露給外部空氣。
在第一襯底4501上形成的像素部分4502、信號線驅動器電路4503a和4503b以及掃描線驅動器電路4504a和4504b分別包括多個薄膜晶體管。在圖12B中示出像素部分4502中包括的薄膜晶體管4510和信號線驅動器電路4503a中包括的薄膜晶體管4509作為示例。
作為薄膜晶體管4509,采用了實施例1中所描述的包括氧化物半導體層的疊層作為其半導體層的第一薄膜晶體管。作為薄膜晶體管4510,采用了實施例1中所描述的包括In-Ga-Zn-O基非單晶膜的單層的第二薄膜晶體管。在本實施例中,薄膜晶體管4509和4510是n溝道薄膜晶體管。
此外,附圖標記4511表示發光元件。包括在發光元件4511中的作為像素電極的第一電極層4517電連接至薄膜晶體管4510的源電極層或漏電極層。注意,雖然發光元件4511在本實施例中具有第一電極層4517、電致發光層4512以及第二電極層4513的層疊結構,但發光元件4511的結構不限于此。可根據從發光元件4511提取光的方向等適當地改變發光元件4511的結構。
使用有機樹脂膜、無機絕緣膜或有機聚硅氧烷形成隔離壁4520。尤其優選使用光敏材料制成隔離壁4520,且使其在第一電極層4517上具有開口部分,以將開口部分的側壁形成為具有連續彎曲的斜面。
可使用單層或層疊的多個層形成電致發光層4512。
為阻止氧氣、氫氣、水汽、二氧化碳等進入發光元件4511,可在第二電極層4513和隔離壁4520上形成保護膜。作為保護膜,可形成氮化硅膜、氮氧化硅膜、DLC膜等。
此外,從FPC 4518a和4518b將多個信號和電壓提供給信號線驅動器電路4503a和4503b、掃描線驅動器電路4504a和4504b或像素部分4502。
在本實施例中,使用與發光元件4511中所包括的第一電極層4517相同的導電膜形成連接端子電極4515。使用與薄膜晶體管4509和4510中所包括的源電極層和漏電極層相同的導電膜形成端子電極4516。
連接端子電極4515通過各向異性導電膜4519電連接至FPC 4518a中所包括的端子。
位于從發光元件4511提取光的方向的第二襯底需要具有透光性質。在該情況下,使用諸如玻璃板、塑料板、聚酯膜或丙烯酸膜之類的透光材料。
作為填充物4507,可使用紫外可固化樹脂或熱固性樹脂以及諸如氮氣或氬氣之類的惰性氣體。例如,可使用聚氯乙烯(PVC)、丙烯酸、聚酰亞胺、環氧樹脂、硅酮樹脂、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)或乙烯乙酸乙烯酯(EVA)。在本實施例中,使用氮氣作為填充物。
此外,在需要時,可在發光元件的發光表面上酌情設置諸如極化板、圓形極化板(包括橢圓極化板)、阻滯板(四分之一波板或半波板)以及濾色器之類的光學膜。此外,極化板或圓形極化板可設置有抗反射膜。例如,可執行抗眩光處理,通過該處理能通過表面上的凸起和凹陷漫射反射光以減少眩光。
作為信號線驅動器電路4503a和4503b和掃描線驅動器電路4504a和4504b,可在單獨制備的襯底上安裝利用單晶半導體膜或多晶半導體膜形成的驅動器電路。此外,可單獨形成然后安裝信號線驅動器電路及其部分或掃描線驅動器電路及其部分。本實施例不限于圖12A和12B中所示的結構。
通過上述工藝,可將高可靠的發光顯示器件(顯示面板)制造為半導體器件。
可與其它實施例中描述的任一結構以適當的組合實現本實施例。
(實施例5)
在本實施例中,參照圖13A到13C描述了其中金屬薄膜的上表面的面積不同于實施例1中的面積的示例;換言之,金屬薄膜的端部遠離第二氧化物半導體層的端部。注意,除金屬薄膜的形狀之外,本示例與圖1A到1C中的示例相同,而且相同的附圖標記表示相同的部分。
首先,與實施例1中一樣,在具有絕緣表面的襯底400上設置第一柵電極401和第二柵電極101。注意,在形成第一柵電極401和第二柵電極101時,也形成像素部分中的電容器引線108和端子部分中的第一端子121。
然后,形成覆蓋第一柵電極401和第二柵電極101的柵絕緣層403。
然后,在柵絕緣層403上形成銦、鋅、錫、鉬、鎢等的金屬薄膜。替代地,可形成那些元素的任一種的合金薄膜或疊層膜。通過濺射法、真空汽相沉積法或涂覆法形成該金屬薄膜。這里,通過濺射法形成厚度為大于0nm且小于或等于10nm——優選為3nm到5nm(含3nm和5nm)——的鋅膜。
然后,通過光刻技術按選擇地去除金屬膜。在此蝕刻步驟中,形成金屬薄膜490,使其面積小于稍后將形成的氧化物半導體層的圖案化形狀的面積。注意,在與第一柵電極401部分交迭的位置形成金屬薄膜490,在該金屬薄膜490與柵絕緣層403之間插入有柵絕緣層403。當按照這種方式形成金屬薄膜490時,金屬薄膜490的側表面被氧化物半導體層覆蓋。因此,即使后續的熱處理未將金屬薄膜充分氧化,也能防止第一引線409與第二引線410之間通過金屬薄膜短路。
然后,形成氧化物半導體層以覆蓋金屬薄膜490的上表面和側表面。在本實施例中,通過濺射法形成第一In-Ga-Zn-O基非單晶膜作為該氧化物半導體層。
在通過濺射法形成In-Ga-Zn-O基氧化物半導體層的情況下,含In、Ga以及Zn的氧化物半導體靶可包含絕緣雜質。該雜質是以氧化硅、氧化鍺、氧化鋁等為代表的絕緣氧化物等、以氮化硅、氮化鋁等為代表的絕緣氮化物等、或諸如氧氮化硅或氧氮化鋁之類的絕緣氧氮化物等。例如,優選以0.1%到10%重量百分比(含0.1%和10%)、更優選以1%到6%(含1%和6%)重量百分比將SiO2混入該氧化物半導體靶中。
接著,在不暴露給空氣的情況下通過濺射法形成電阻率低于第一In-Ga-Zn-O基非單晶膜的氧化物半導體膜(在此實施例中為第二In-Ga-Zn-O基非單晶膜)。
接著,執行光刻步驟以形成抗蝕劑掩模,并蝕刻第一In-Ga-Zn-O基非單晶膜和第二In-Ga-Zn-O基非單晶膜。通過蝕刻去除不必要的部分,從而形成作為第一In-Ga-Zn-O基非單晶膜的氧化物半導體膜485a和485b、以及作為第二In-Ga-Zn-O基非單晶膜的氧化物半導體膜486a和486b。圖13A是此階段的截面圖。如圖13A所示,作為第一In-Ga-Zn-O基非單晶膜的氧化物半導體膜485a覆蓋金屬薄膜490的上表面和側表面,從而不暴露金屬薄膜490。
注意,在本實施例中無限制地描述了其中設置了第二In-Ga-Zn-O基非單晶膜的示例。不一定要設置第二In-Ga-Zn-O基非單晶膜。
接著,執行光刻步驟以形成抗蝕劑掩模,并通過蝕刻去除不必要部分以形成接觸孔,該接觸孔到達由與柵電極層相同材料組成的引線或電極層。該接觸孔被設置成與稍后形成的導電膜直接接觸。例如,當形成柵電極層與驅動器電路部分中的源或漏電極層直接接觸的薄膜晶體管時,或當形成電連接至端子部分的柵極引線的端子時,形成接觸孔。
然后,通過濺射法用金屬材料在作為第二In-Ga-Zn-O基非單晶膜的氧化物半導體膜486a和486b上以及柵絕緣層403上形成導電膜。
然后,通過光刻步驟形成抗蝕劑掩模,并通過蝕刻去除不必要部分。因此,在像素部分中形成源和漏電極層105a和105b以及作為源區和漏區的n+型層104a和104b,而在驅動器電路部分中形成作為源和漏電極層的第一和第二引線409和410以及作為源區和漏區的n+型層406a和406b。在此蝕刻步驟中,將氧化物半導體膜的暴露區域部分蝕刻為氧化物半導體層103。因此,n+型層104a和104b之間的氧化物半導體層103的溝道區具有小厚度。通過上述步驟,能在像素部分中形成包括氧化物半導體層103作為溝道形成區的第二薄膜晶體管170。在該光刻步驟中,由與源或漏電極層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電連接至源引線(包括源電極層或漏電極層105a和105b的源引線)。
此外,在端子部分中,連接電極120通過柵絕緣膜中形成的接觸孔直接連接至端子部分的第一端子121(參見圖15)。注意,雖然此處未示出,但通過與上述步驟相同的步驟將驅動器電路的薄膜晶體管的源引線或漏引線直接連接至柵電極。
接著,優選在200℃到600℃下、通常在300℃到500℃下執行熱處理(該熱處理可以是利用光的退火)。這里,在爐中在350℃下在空氣中執行熱處理1小時。該熱處理也可稱為將金屬薄膜490部分或全部氧化的氧化處理。在本實施例中,金屬薄膜490成為具有導電性的氧化鋅膜、第一氧化物半導體層491。通過上述步驟,可在驅動器電路中制造包括第一氧化物半導體層491和第二氧化物半導體層405的疊層的第一薄膜晶體管420。圖13B是此階段的截面圖。此外,通過此熱處理,在In-Ga-Zn-O基非單晶膜中發生原子級的重排。要注意的是,對熱處理的定時不存在特殊限制,只要在第二In-Ga-Zn-O基非單晶膜形成之后任何時候進行即可,而且例如,可在像素電極形成之后執行熱處理。
接著,去除抗蝕劑掩模,并形成保護絕緣層412以覆蓋第一薄膜晶體管420和第二薄膜晶體管170。
接著,執行光刻步驟以形成抗蝕劑掩模,并蝕刻保護絕緣層412以形成到達源電極層或漏電極層105b的接觸孔。此外,通過這里的蝕刻,形成到達第二端子122的接觸孔和到達連接電極120的接觸孔。
然后,在去除抗蝕劑掩模之后,形成透明導電膜。使用氧化銦(In2O3)、氧化銦錫(In2O3-SnO2,簡稱為ITO)等通過濺射方法、真空蒸發方法等形成透明導電膜。使用鹽酸基溶液對這樣的材料執行蝕刻處理。然而,因為在蝕刻ITO時尤其傾向于產生殘留物,所以可使用氧化銦和氧化鋅合金(In2O3-ZnO)以提高蝕刻可加工性。
接著,執行光刻步驟以形成抗蝕劑掩模,并通過蝕刻去除不必要的部分,從而形成像素電極層110。此外,在這個光刻步驟中,利用電容器引線108和像素電極層110形成儲存電容器。該儲存電容器包括柵絕緣層403和電容器部分中的保護絕緣層412作為電介質。此外,在這個光刻步驟中,第一端子和第二端子被抗蝕劑掩模覆蓋,從而透明導電膜128和129被保留在端子部分中。透明導電膜128和129用作用于與FPC連接的電極或引線。在連接電極120上形成的直接連接至第一端子121的透明導電膜128用作柵引線的輸入端子的連接端子電極。在第二端子122上形成的透明導電膜129用作起源引線的輸入端子作用的連接端子電極(參見圖15)。
注意,這里描述了其中通過使用柵絕緣層403和保護絕緣層412作為電介質用電容器引線108和像素電極層110形成儲存電容器的示例。然而,不存在特殊限制,而且可采用其中在電容器引線上設置由與源電極或漏電極相同的材料組成的電極、并且儲存電容器由該電極、電容器引線以及它們之間的作為電介質的柵絕緣層403組成、以及該電極和像素電極電連接的一種結構。
然后去除抗蝕劑掩模,而圖13C示出了此階段的截面圖。注意此階段的像素部分中的第二薄膜晶體管170的俯視圖對應于圖14。
圖15是沿圖14中的線A1-A2和B1-B2取得的截面圖。圖15示出了像素部分中的第二薄膜晶體管170的截面結構、像素部分中的電容器部分的截面結構以及端子部分的截面結構。
此外,圖16A和16B分別是源引線端子部分的截面圖和俯視圖。圖16A是沿圖16B中的線D1-D2所取的截面圖。在圖16A中,在保護絕緣膜154上形成的透明導電膜155是起輸入端子作用的連接端子電極。此外,在圖16A中,在端子部分中,由與柵引線相同材料組成的電極156位于電連接至源引線的第二端子150以下且與之交迭,電極156與第二端子150之間插入有柵絕緣層152。電極156未電連接至第二端子150。當電極156被設置成,例如,浮置、GND或0V,以使電極156的電位不同于第二端子150的電位時,可形成用于防止噪聲或靜電的電容器。此外,第二端子150電連接至透明導電膜155,其中保護絕緣膜154插入第二端子150與透明導電膜155之間。注意保護絕緣膜154等同于保護絕緣層412。
根據像素密度設置多條柵引線、源引線以及電容器引線。在端子部分中,還分別安排了多個與柵引線相同電位的第一端子、與源引線相同電位的第二端子、與電容器引線相同電位的第三端子等。對各種端子的數量并無特定限制,而且可由本領域技術人員酌情確定端子的數量。
以上述方式,能完成包括其中層疊了氧化物半導體層的第一薄膜晶體管420的驅動器電路、包括作為底柵型n溝道薄膜晶體管的第二薄膜晶體管170和儲存電容器的像素部分、以及端子部分。
當制造有源矩陣液晶顯示器件時,將有源矩陣襯底和設置有對電極的對襯底相互固定,并在它們之間插入液晶層。注意,在有源矩陣襯底上設置有電連接至對襯底上的對電極的公共電極,而且在端子部分中設置有電連接至公共電極的端子。此端子被設置成將公共電極固定至諸如GND或0V之類的預定電位。
此外,本實施例不限于圖14中的像素結構,而且在圖17中示出了與圖14不同的俯視圖的示例。圖17示出一示例,其中未設置電容器引線,且像素電極與毗鄰像素的柵引線交迭,而且保護絕緣膜和柵絕緣膜插入在像素電極與毗鄰像素電極之間以形成存儲電容器。在該情況下,可忽略電容器引線和連接至該電容器引線的第三端子。注意,在圖17中,由相同的附圖標記標注與圖14中相同的部分。
在有源矩陣液晶顯示器件中,驅動排列成矩陣的像素電極以在屏幕上形成顯示圖案。具體而言,當在選定的像素電極與對應于該像素電極的對電極之間施加電壓時,設置在該像素電極與該對電極之間的液晶層受光調制,而此光調制被觀看者識別為顯示圖案。
在顯示運動圖像時,液晶顯示器件具有的問題在于,液晶分子的長響應時間引起運動圖像的拖影或模糊。為改善液晶顯示器件的運動圖像特性,采用了稱為黑色插入的驅動方法,其中每隔一個幀周期在整個屏幕上顯示黑色。
替代地,可采用稱為雙幀率驅動的驅動方法,其中垂直同步頻率是通常垂直同步頻率的1.5或更多倍、優選為2倍或更多倍,藉此改善運動圖像特性。
進一步替代地,為改善液晶顯示器件的運動圖像特性,可采用一種啟動方法,其中使用多個LED(發光二極管)或多個EL光源來形成作為背光的表面光源、而且在一個幀周期中以脈沖方式獨立地驅動該表面光源的各個光源。作為該表面光源,可使用三種或更多種類型的LED,或可使用發射白光的LED。因為能獨立地控制多個LED,所以可使LED的發光時序與對液晶層進行光調制的時序同步。根據此驅動方法,可使LED部分截止;從而,可獲得降低功耗的效果,尤其是顯示具有大部分為黑色的圖像的情況下。
通過組合這些驅動技術,相比于常規液晶顯示器件的顯示特性,可改善液晶顯示器件的諸如運動圖像特性之類的顯示特性。
本實施例中獲得的第一薄膜晶體管420包括具有不同導電性和具有良好動態特性的氧化物半導體層的疊層。因此,能組合采用那些驅動技術。
此外,根據本實施例,能以低成本提供具有高電性質和高可靠性的顯示器件。
(實施例6)
通過不僅在驅動器電路中而且在像素部分中使用薄膜晶體管,能制造包括具有不同導電性的氧化物半導體層的疊層的薄膜晶體管,且能制造具有顯示功能的液晶顯示器件。此外,在與像素部分相同的襯底上形成使用薄膜晶體管的驅動器電路的一部分或全部,藉此可獲得板上系統。
該液晶顯示器件包括作為顯示元件的液晶元件(也稱為液晶顯示元件)。
此外,該液晶顯示器件包括封裝有顯示元件的面板和其中包括控制器之類的IC等安裝在面板上的模塊。本實施例還涉及在用于制造液晶顯示器件的工藝中完成顯示元件之前的元件襯底的一種模式,而且該元件襯底設置有分別具有用于向顯示元件提供電流的器件的多個像素。具體而言,該元件襯底可以處于僅形成顯示元件的一個像素電極之后的狀態、在形成作為像素電極的導電膜之后但在蝕刻該導電膜以形成像素電極之前的狀態或任何其它狀態。
注意,此說明書中的液晶顯示器件表示圖像顯示器件、顯示器件或光源(包括發光器件)。此外,該液晶顯示器件在其種類中還可包括以下模塊中的任一種:附連有諸如FPC(柔性印刷電路)、TAB(帶式自動接合)帶或TCP(帶式載體封裝)之類的連接器的模塊;具有在其端部設置有印刷線路板的TAB帶或TCP的模塊;以及IC(集成電路)通過COG(玻璃上芯片)方法直接安裝在顯示元件上的模塊。
將參照圖18A1、18A2以及18B描述作為液晶顯示器件的一個實施例的液晶顯示面板的外觀和截面。圖18A1和18A2是其中用密封劑4005將液晶元件4013封裝在第一襯底4001與第二襯底4006之間的面板的俯視圖。圖18B是沿圖18A1和圖18A2的M-N所取的截面圖。
密封劑4005被設置成包圍設置在第一襯底4001上的像素部分4002和掃描線驅動器電路4004。在像素部分4002和掃描線驅動器電路4004之上設置第二襯底4006。因此,利用密封劑4005將像素部分4002和掃描線驅動器電路4004以及液晶層4008密封在第一襯底4001與第二襯底4006之間。在實施例中,無特定限制地將藍相液晶材料用于液晶層4008。呈現出藍相的液晶材料具有從未施加電壓的狀態到施加電壓的狀態的1毫秒或更短的響應時間,藉此短時間響應成為可能。藍相液晶材料包括液晶和手性劑。采用手性劑以使液晶以螺旋結構取向,從而使液晶呈現藍相。例如,可將其中混合了5%重量百分比或更多手性劑的液晶材料用于該液晶層。作為液晶,使用了熱致液晶、低分子液晶、高分子液晶、鐵電液晶、反鐵電液晶等。
在圖18A1中,將使用單晶半導體膜或多晶半導體膜在單獨制備的襯底上形成的信號線驅動器電路4003安裝在第一襯底4001上與被密封劑4005包圍的區域不同的區域中。相比之下,圖18A2示出利用薄膜晶體管在第一襯底4001上形成信號線驅動器電路的一部分的示例,該薄膜晶體管包括具有不同導電性的氧化物半導體層的疊層。在圖18A2中,在第一襯底4001上形成了信號線驅動器電路4003b,且在第一襯底4001上安裝了使用單晶半導體膜或多晶半導體膜在單獨制備的該襯底上形成的信號線驅動器電路4003a。
注意,對于單獨形成的驅動器電路的連接方法無特定限制,而可使用COG法、引線接合法、TAB法等。圖18A1示出通過COG法安裝信號線驅動器電路4003的示例,而圖18A2示出通過TAB法安裝信號線驅動器電路4003的示例。
在第一襯底4001上設置的像素部分4002和掃描線驅動器電路4004各包括多個薄膜晶體管。圖18B示出像素部分4002中包括的薄膜晶體管4010和掃描線驅動器電路4004中包括的薄膜晶體管4011。絕緣層4020和層間膜4021設置在薄膜晶體管4010和4011上。作為薄膜晶體管4010,采用了實施例1中所描述的包括具有不同導電性的氧化物半導體層的疊層作為其半導體層的第一薄膜晶體管。作為薄膜晶體管4011,采用了實施例1中所描述的包括In-Ga-Zn-O基非單晶膜的單層的第二薄膜晶體管。在本實施例中,薄膜晶體管4010和4011是n溝道薄膜晶體管。
此外,在第一襯底4001上設置了像素電極層4030和公共電極層4031。像素電極層4030電連接至薄膜晶體管4010。液晶元件4013包括像素電極層4030、公共電極層4031以及液晶層4008。在本實施例中,使用了通過產生與襯底基本平行(即橫向)的電場以使液晶分子在平行于襯底的平面中移動來控制灰度的方法。在這樣的方法中,能使用用于共面切換(IPS)模式或邊緣場切換(FFS)模式的電極結構。注意,分別在第一襯底4001和第二襯底4006的外側上設置了極化板4032和4033。
作為第一襯底4001和第二襯底4006,能使用具有透光性質的玻璃、塑料等。作為塑料,能使用玻璃纖維增強塑料(FRP)板、聚氟乙烯(PVF)膜、聚酯膜、或丙烯酸樹脂膜。或者,可使用PVF膜或聚酯膜之間夾有鋁箔的薄板。
附圖標記4035表示通過對絕緣膜選擇性蝕刻而獲得的柱狀隔離件,而且設置該柱狀隔離件用于控制液晶層4008的厚度(單元間隙)。注意,可使用球狀隔離件。
圖18A1、18A2以及18B示出了在襯底的外側(觀看側)上設置極化板的液晶顯示器件的示例;然而,也可在襯底的內側上設置該極化板。可根據極化板的材料和制造工藝的條件確定極化板的位置。此外,可設置用作黑色基質的擋光層。
層間膜4021是透光樹脂層。層間膜4021的一部分是擋光層4012。擋光層4012覆蓋薄膜晶體管4010和4011。在圖18B中,在第二襯底4006上設置了擋光層4034以與薄膜晶體管4010和4011交迭。通過擋光層4012和擋光層4034,能實現對比度的進一步提高和薄膜晶體管的穩定。
當設置了擋光層4034時,能使入射薄膜晶體管的半導體層的光強衰減。因此,能使薄膜晶體管的電特性穩定,并防止電特性因為氧化物半導體的光敏性而變化。
可用作為薄膜晶體管的保護膜的絕緣層4020覆蓋薄膜晶體管;然而,對這樣的結構沒有特殊限制。
注意,設置該保護膜用于防止漂浮在空氣中的諸如有機物質、金屬物質或水汽之類的雜質進入,而且優選地該保護膜是致密膜。可通過濺射法使用氧化硅膜、氮化硅膜、氧氮化硅膜、氮氧化硅膜、氧化鋁膜、氮化鋁膜、氧氮化鋁膜和/或氮氧化鋁膜的單層或疊層來形成該保護膜。
此外,在形成另一透光絕緣層作為平坦化絕緣膜的情況下,可使用諸如聚酰亞胺、丙烯酸、苯并環丁烯、聚酰胺或環氧樹脂之類的具有耐熱性的有機材料形成該透光絕緣層。作為這些有機材料的替代物,還有可能使用低介電常數材料(低k材料)、硅氧烷基樹脂、磷硅玻璃(PSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)等。注意,可通過層疊由這些材料中的任一種形成的多層絕緣膜形成該絕緣層。
用于形成層疊絕緣層的方法不限于特定方法,而且根據材料可使用以下方法:濺射法、SOG法、旋涂法、浸涂法、噴涂法、液滴排出法(例如噴墨法、絲網印刷法或膠版印刷法)、刮片法、輥涂法、幕涂法、刀涂法等。在使用材料解決方案形成絕緣層的情況下,可在烘焙步驟同時對該半導體層退火(在200℃到400℃下)。當組合絕緣層的烘焙步驟和半導體層的退火時,能高效地制造液晶顯示器件。
可由諸如包含氧化鎢的氧化銦、包含氧化鎢的氧化鋅銦、包含氧化鈦的氧化銦、包含氧化鈦的氧化錫銦、氧化錫銦(下文稱為ITO)、氧化鋅銦或添加了氧化硅的氧化錫銦之類的透光導電材料制成像素電極層4030和公共電極層4031。
還可將包含導電高分子(也稱為導電聚合物)的導電組合物用于像素電極層4030和公共電極層4031。
此外,從FPC 4018對單獨形成的信號線驅動器電路4003、掃描線驅動器電路4004或像素部分4002提供多個信號和電壓。
因為薄膜晶體管容易被靜電等損壞,所以優選在與柵線或源線相同的襯底上設置用于保護驅動器電路的保護電路。優選使用其中使用了氧化物半導體的非線性元件形成保護電路。
在圖18A1、18A2以及18B中,使用與像素電極層4030相同的導電膜形成連接端子電極4015,且使用與薄膜晶體管4010和4011的源電極層和漏電極層相同的導電膜形成端子電極4016。
連接端子電極4015通過各向異性導電膜4019電連接至FPC 4018中包括的端子。
圖18A1、18A2以及18B無限制地示出其中單獨形成信號線驅動器電路4003并將其安裝在第一襯底4001上的示例。可單獨形成然后安裝掃描線驅動器電路,或僅單獨形成信號線驅動器電路的一部分或掃描線驅動器電路的一部分然后安裝。
圖19示出液晶顯示器件的截面結構的示例,在該液晶顯示器件中,利用密封劑2602將元件襯底2600和對襯底2601附連到一起,而且在這些襯底之間設置了包括TFT等的元件層2603和液晶層2604。
在實現彩色顯示的情況下,將發射多色光的發光二極管設置在背光部分中。在RGB模式的情況下,將紅光二極管2910R、綠光二極管2910G以及藍光二極管2910B設置在液晶顯示器件的顯示區所分成的各個區域中。
在對襯底2601的外側上設置了極化板2606,而在元件襯底2600的外側上設置了極化板2607和光薄板2613。使用紅光二極管2910R、綠光二極管2910G和藍光二極管2910B以及反射板2611形成光源。為電路襯底2612而設置的LED控制電路2912通過柔性引線板2609連接至元件襯底2600的引線電路部分2608,且進一步包括諸如控制電路或電源電路之類的外部電路。
本實施例無特殊限制地描述了場序制液晶顯示器件,其中該LED控制電路2912使LED單獨地發光。還有可能使用冷陰極熒光燈或白光LED作為背光的光源,或提供濾色器。
此外,本實施例無特定限制地采用了用于共面切換(IPS)模式的電極結構。可使用扭曲向列(TN)模式、多疇垂直取向(MVA)模式、圖像垂直調整(PVA)模式、軸對稱排列微單元(ASM)模式、光學補償雙折射(OCB)模式、鐵電液晶(FLC)模式、反鐵電液晶(AFLC)模式等。
可與其它實施例中描述的任一結構以適當的組合實現本實施例。
(實施例7)
在本實施例中,描述了使用多色調掩模進行曝光以減少掩模數量的示例。注意,多色調掩模能執行三種程度的曝光,以獲得曝光部分、半曝光部分以及未曝光部分。在通過多色調掩模之后,光具有多種強度。利用多色調掩模的一次性曝光和顯影工藝能形成具有多種厚度(通常為兩種厚度)的區域的抗蝕劑掩模。因此,通過使用多色調掩模,能減少光掩模的數量。
作為多色調掩模的示例,有灰色調掩模、半色調掩模等。
灰色調掩模包括具有透光性質的襯底、以及在該襯底上形成的擋光部分和衍射光柵。擋光部分的透光率是0%。另一方面,衍射光柵具有狹縫狀、點狀、網狀等有間距的透光部分,該間距小于或等于用于曝光的光的分辨率極限;因此,能控制透光率。衍射光柵可具有規則設置的狹縫、點或網、或不規則設置的狹縫、點或網。
半色調掩模包括具有透光性質的襯底、以及在該襯底上形成的半透光部分和擋光部分。可使用MoSiN、MoSi、MoSiO、MoSiON、CrSi等形成半透光部分。可使用諸如鉻或氧化鉻之類吸收光的擋光材料形成擋光部分。當利用光照射半色調掩模以曝光時,擋光部分的透光率為0%,而未設置擋光部分和半透光部分的區域的透光率為100%。可將半透光部分的透光率控制在10%到70%的范圍內。可通過控制用于半透光部分的材料來控制半透光部分的透光率。
圖20A到20E是示出薄膜晶體管360的制造工藝的截面圖。
在圖20A中,在其上形成了絕緣膜357的襯底350上形成柵電極層351。在本實施例中,將氧化硅膜(具有100nm厚度)用作絕緣膜357。將柵絕緣層352、金屬薄膜380、氧化物半導體膜381以及導電膜383按此順序層疊在柵電極層351上。在本實施例中,作為金屬薄膜380,采用了通過濺射法形成的3nm厚的銦膜和通過濺射法形成的3nm厚的鋅膜。
在柵絕緣層352、金屬薄膜380、氧化物半導體膜381以及導電膜383上形成了掩模384。
在本實施例中,描述了其中使用多色調(高色調)掩模進行曝光以形成掩模384的示例。
使用透光的多色調掩模進行曝光以獲得多種強度,然后進行顯影,藉此能形成具有不同厚度的掩模384,如圖20B所示。通過使用多色調掩模,能減少曝光掩模的數量。
接著,使用掩模384執行第一蝕刻步驟,以將金屬薄膜380、氧化物半導體膜381以及導電膜383蝕刻成島狀。因此,能形成圖案化的金屬薄膜390、氧化物半導體層385以及導電層387(參見圖20B)。
然后,使抗蝕劑掩模384經受灰化。因此,減小了掩模的面積和厚度。此時,去除了具有較小厚度的掩模的區域(與柵電極層351的一部分交迭的區域),從而能形成彼此分離的掩模388(參見圖20C)。
使用掩模388執行第二蝕刻步驟;藉此將氧化物半導體層385和導電層387蝕刻成半導體層353與源和漏電極層355a和355b(參見圖20D)。注意,半導體層353是具有凹槽(凹陷)和端部的部分蝕刻的半導體層,該端部也被部分地蝕刻和暴露。
當使用添加了氧氣(O2)(優選為15%或更高)的氯基氣體(Cl2)進行蝕刻時,在使用氧氮化硅膜作為柵絕緣層352的情況下,能提高氧化物半導體層385的In-Ga-Zn-O基非單晶膜相對于柵絕緣層352的選擇性。因此,僅氧化物半導體膜381被選擇性地蝕刻。
當在第一蝕刻步驟中對氧化物半導體膜381和導電膜383進行干法蝕刻時,氧化物半導體膜381和導電膜383被各向異性地蝕刻。以此方式,使掩模384的端部與氧化物半導體層385和導電層387的端部對齊,而且這些端部變得連續。
以類似于上述的方式,當在第二蝕刻步驟中對氧化物半導體層385和導電層387進行干法蝕刻時,氧化物半導體層385和導電層387被各向異性地蝕刻。以此方式,使掩模388的端部與半導體層353的凹陷的端部和側表面以及源和漏電極層355a和355b的端部對齊以變得連續。
在本實施方式中,半導體層353與源和漏電極層355a和355b在相應的端部處具有相同的斜角,并被層疊以使端部連續。然而,因為這些層的蝕刻速率根據氧化物半導體層和導電層的蝕刻條件或材料而變化,所以在某些情況下這些斜角不同,而且這些端部不連續。
然后去除掩模388。
然后,在含氧氣的氣氛中在200℃到600℃下執行熱處理以氧化金屬薄膜390;從而形成第一氧化物半導體層391(參見圖20E)。在本實施例中,第一氧化物半導體層391是氧化銦和氧化鋅的混合層。
通過上述步驟,能制造包括第一氧化物半導體層391和其上作為第二氧化物半導體層的半導體層353的倒交錯薄膜晶體管360。
本實施例中使用利用多色調掩模形成的具有多種厚度(通常為兩種厚度)的區域的抗蝕劑掩模能實現抗蝕劑掩模數量的減少;因此,能使工藝簡化、成本降低。因此,能以低成本和高生產率制造高可靠的半導體器件。
在本實施例中,描述了驅動器電路中的薄膜晶體管和像素部分中的薄膜晶體管都是包括第一氧化物半導體層391和其上作為第二氧化物半導體層的半導體層353的倒交錯薄膜晶體管360的示例。換言之,本實施例描述了其中為驅動器電路中和像素部分中的薄膜晶體管采用了基本相同結構、而且這些電路的制造方法沒有不同的示例。
可與其它實施例中描述的任一結構以適當的組合實現本實施例。
(實施例8)
與實施例1或實施例2中描述的底柵結構的示例不同,以下在本實施例中將參照圖21A到21C描述底接觸結構(也稱為倒共面結構)的示例。
在圖21A到21C中示出了反相器電路的制造工藝的示例。
通過濺射法在襯底740上形成了第一導電膜,并使用第一光掩模按照選擇蝕刻第一導電膜以形成第一柵電極741和第二柵電極742。接著,通過等離子體CVD法或濺射法形成覆蓋第一柵電極741和第二柵電極742的柵絕緣層743。可通過等離子體CVD方法、濺射方法等使用氧化硅層、氮化硅層、氧氮化硅層、或氮氧化硅層來形成具有單層或疊層的柵絕緣層743。或者,可通過CVD法使用有機硅烷氣體用氧化硅形成柵絕緣層743。
接著,使用第二光掩模按照選擇蝕刻柵絕緣層743,以形成達到第二柵電極742的接觸孔744。到此步驟的截面圖對應于圖21A。
然后,通過濺射法形成第二導電膜,并使用第三光掩模按照選擇蝕刻第二導電膜,以形成第一引線746、第二引線750以及第三引線751。第三引線751通過接觸孔744與第二柵電極742直接接觸。
接著,通過濺射法形成金屬膜和氧化物半導體膜的疊層。注意,優選在引入氬氣之后執行產生等離子體的反濺射,以在通過濺射法形成金屬薄膜之前去除附連至柵絕緣層743的表面和接觸孔744的底面的灰塵。反濺射指的是在不對靶側施加電壓的情況下,使用RF電源在氬氣氣氛下對襯底側施加電壓以使表面改性的一種方法。注意可使用氮氣、氦氣等代替氬氣氣氛。或者,可在添加了氧氣、氫氣、N2O等的氬氣氣氛中執行反濺射。再或者,可在添加了Cl2、CF4等的氬氣氣氛中執行反濺射。
接著,使用第三光掩模按照選擇蝕刻金屬薄膜和氧化物半導體膜。
接著,在200℃到600℃下在空氣或氮氣氣氛下執行熱處理。通過該熱處理,將金屬薄膜氧化成第一氧化物半導體層748和第三氧化物半導體層749。在熱處理之后,在第一氧化物半導體層748上形成第二氧化物半導體層745,藉此形成第一薄膜晶體管760。注意,第一氧化物半導體層748的電導率不同于第二氧化物半導體層745的電導率。第一氧化物半導體層748的電導率更高,這對第一薄膜晶體管760的電場遷移率的提高有貢獻。同樣,在第三氧化物半導體層749上形成第四氧化物半導體層747,藉此形成第二薄膜晶體管761。注意,該熱處理的時序不受特殊限制,而且可在形成第二氧化物半導體膜之后任何時候執行該熱處理。例如,如果在使用第四光掩模蝕刻之前執行該熱處理以氧化金屬薄膜并形成第一氧化物半導體膜,則使用第四光掩模在隨后的蝕刻步驟中蝕刻氧化物半導體膜的疊層;因此,能實現蝕刻殘留物減少的蝕刻。
接著,形成保護層752,并使用第五光掩模按照選擇蝕刻保護層752以形成接觸孔。在那之后,形成第三導電膜。最后,使用第六光掩模按照選擇蝕刻第三導電膜,以形成電連接至第二引線750的連接引線753。到此步驟的截面圖對應于圖21C。
注意,上述步驟的次序僅僅是示例,而不存在限制。例如,雖然光掩模的數量增加了一個,但可使用不同的光掩模分別執行對金屬薄膜的蝕刻和對氧化物半導體膜的一部分的蝕刻。
此外,還有可能通過濺射法在第二導電膜上形成In-Ga-Zn-O-N基非單晶膜,然后將該In-Ga-Zn-O-N基非單晶膜形成圖案,以使該In-Ga-Zn-O-N基非單晶膜作為第二氧化物半導體層745與第一引線746和第二引線750之間的n+型層,且作為第四氧化物半導體層747與第二引線750和第三引線751之間的n+型層。在那種情況下,In-Ga-Zn-O-N基非單晶膜被設置在與第一引線746和第二氧化物半導體層745交迭的區域中、與第二引線750和第二氧化物半導體層745交迭的區域中、與第二引線750和第四氧化物半導體層747交迭的區域中以及與第三引線751和第四氧化物半導體層747交迭的區域中。
可與其它實施例中描述的任一結構以適當的組合實現本實施例。
(實施例9)
在此實施例中,將描述作為半導體器件的電子紙的示例。
圖22A是示出有源矩陣電子紙的截面圖。可按照類似于實施例1所描述的第二薄膜晶體管的制造方式的方式來制造用于本半導體器件的顯示部分的薄膜晶體管581。該薄膜晶體管581包括作為其半導體層的氧化物半導體膜,且具有高電特性。在本實施例中,使用了包括Zn-O-Si基氧化物半導體作為其半導體層且具有高電特性的薄膜晶體管。此外,可任選地在同一襯底上設置包括薄膜晶體管的驅動器電路,該薄膜晶體管包括Zn-O-Si基氧化物半導體作為其半導體層,而且具有高電特性。此外,還有可能使用實施例1中具有氧化物半導體層的疊層的第一薄膜晶體管作為本實施例中的薄膜晶體管581。
圖22A的電子紙是采用扭轉球顯示系統的顯示器件的示例。扭轉球顯示系統指的是一種方法,其中各個著色為黑色和白色的球狀粒子被安排在作為用于顯示元件的電極層的第一電極層與第二電極層之間、而且在第一電極層與第二電極層之間產生電位差以控制球狀粒子取向從而實現顯示。
密封在襯底580與襯底596之間的薄膜晶體管581是具有底柵結構的薄膜晶體管,而其源或漏電極層通過絕緣層583、584以及585中形成的開口與第一電極層587接觸,藉此薄膜晶體管581電連接至第一電極層587。在第一電極層587與第二電極層588之間設置了各具有黑區590a、白區590b以及被液體填充的圍繞這些區的腔594的球狀粒子589。球狀粒子589周圍的空間被諸如樹脂之類的填充物595填充(參見圖22A)。在本實施例中,第一電極層587對應于像素電極,而第二電極層588對應于公共電極。第二電極層588電連接至設置在與薄膜晶體管581相同的襯底上的公共電位線。通過使用公共連接部分,第二電極層588可通過設置在該對襯底之間的導電粒子電連接至公共電位線。
可使用電泳元件代替扭轉球。使用了具有約10μm到200μm直徑、且其中密封了透明液體和帶正電的白色微粒以及帶負電的黑色微粒的微膠囊。在設置在第一電極層與第二電極層之間的微膠囊中,當通過第一電極層和第二電極層施加電場時,白微粒和黑微粒移動到彼此相反側,從而可顯示白色或黑色。使用此原理的顯示元件是電泳顯示元件,且被稱為電子紙。電泳顯示元件比液晶顯示元件具有更高反射率,因此不需要輔助光、功耗低、而且可在暗處識別顯示部分。此外,即使未+對顯示部分提供電能,也能保持已經顯示過一次的圖像。因此,即使具有顯示功能的半導體器件(可簡單稱為顯示器件或設置有顯示器件的半導體器件)遠離電波源,也能保存已顯示的圖像。
通過按照實施例1所描述的工藝制造薄膜晶體管,可以低成本將電子紙制造為半導體器件。可將電子紙用于多個領域的電子器件以顯示信息。例如,可將電子紙應用于電子書閱讀器(電子書)、海報、諸如火車之類的車輛中的廣告、或諸如信用卡之類的多種卡的顯示器。圖22B示出了此類電子器件的示例。
圖22B示出電子書閱讀器2700的示例。例如,電子書閱讀器2700包括兩個外殼2701和2703。外殼2701和外殼2703與鉸鏈2711組合,從而該電子書閱讀器2700可沿該鉸鏈2711打開和關閉。利用這樣的結構,可類似于紙書一樣地對待電子書閱讀器2700。
顯示部分2705被包含在外殼2701中,而顯示部分2707被包含在外殼2703中。顯示部分2705和顯示部分2707可顯示一幅圖像或顯示不同的圖像。例如,在顯示部分2705和顯示部分2707上顯示不同圖像的結構中,右邊的顯示部分(圖22B中的顯示部分2705)可顯示文字,而左邊的顯示部分(圖22B中的顯示部分2707)可顯示圖像。
圖22B示出外殼2701設置有操作部分等的示例。例如,外殼2701設置有電源開關2721、操作鍵2723、揚聲器2725等。利用操作鍵2723可翻頁。注意,可在與外殼的顯示部分相同的平面上設置鍵盤、指向器件等。此外,外殼的后面或側面可設置有外部連接端子(耳機端子、USB端子、可與諸如AC適配器或USB電纜之類的多種電纜連接的端子等)、存儲介質插入部等。而且,電子書閱讀器2700可具有電子詞典功能。
此外,電子書閱讀器2700可無線地發送和接收信息。可從電子書服務器無線地購買和下載想要的圖書數據等。
可與其它實施例中描述的任一結構以適當的組合實現本實施例。
(實施例10)
可將具有包括氧化物半導體層的薄膜晶體管的半導體器件應用于多種電子器件(包括游戲機)。電子器件的示例有:電視機(也稱為電視或電視接收機)、計算機的監視器等、諸如數碼相機或數碼攝像機之類的照相機、數碼相框、蜂窩電話(也稱為移動電話或移動電話機)、便攜式游戲控制臺、便攜式信息終端、音頻回放設備、諸如彈球盤機之類的大尺寸游戲機等。
圖23A示出電視設備9600的示例。電視設備9600的外殼9601中包括顯示部分9603。顯示部分9603可顯示圖像。這里,外殼9601的背部受到支承,從而電視設備9600被固定至墻壁。
可利用外殼9601的操作開關或獨立的遙控器9610操作電視設備9600。可利用遙控器9610的操作鍵9609控制頻道和音量,并可控制顯示部分9603上顯示的圖像。而且,遙控器9610可具有顯示部分9607,可在該顯示部分上顯示從遙控器9610發出的信息。
注意,電視設備9600設置有接收器、調制解調器等。利用該接收器,可接收一般的電視廣播。而且,當顯示設備經由調制解調器連接至通信網絡時,可實現單向(從發射器到接收器)或雙向(發射器與接收器之間或接收器之間等)信息通信。
圖23B示出包括外殼9881和外殼9891的便攜式游戲控制臺,其中外殼9881和外殼9891通過連接器9893接合到一起以便打開和閉合。顯示部分9882和顯示部分9883分別被包括在外殼9881和外殼9891中。此外,圖23B中所示的便攜式游戲控制臺還包括揚聲器部分9884、存儲介質插入部分9886、LED燈9890、輸入器件(操作鍵9885、連接端子9887、傳感器9888(具有測量力、位移、位置、速度、加速度、角速度、旋轉頻率、距離、光、液體、磁性、溫度、化學物質、聲音、時間、硬度、電場、電流、電壓、電功率、射線、流速、濕度、梯度、振動、氣味或紅外線功能))以及話筒9889)等。不言而喻,便攜式游戲控制臺的結構不限于上述,而且可以是設置有至少一個半導體器件的任何結構。該便攜式游戲控制臺可適當地包括其它附加設備。圖23B中所示的便攜式游戲控制臺具有讀取存儲在記錄介質中的程序或數據以將其顯示在顯示部分上的功能,以及通過無線通信與另一便攜式游戲控制臺共享信息的功能。圖23B的便攜式游戲控制臺可具有除上述功能之外的多種功能。
圖24A示出蜂窩電話1000的示例。蜂窩電話1000包括含有顯示部分1002的外殼1001、操作按鈕1003、外部連接端口1004、揚聲器1005、話筒1006等。
通過用手指等觸摸顯示部分1002可將信息輸入圖24A中所示的蜂窩電話1000。而且,用戶可通過用他們的手指等觸摸顯示部分1002來打帶電話或寫電子郵件。
顯示部分1002主要有三種屏幕模式。第一種模式是主要用于顯示圖像的顯示模式。第二種模式是主要用于輸入諸如文字之類的信息的輸入模式。第三種模式是其中組合了顯示模式和輸入模式這兩種模式的顯示-輸入模式。
例如,在打電話或寫電子郵件的情況下,顯示部分1002被設置成主要用于輸入文字的文字輸入模式,而且可輸入在屏幕上顯示的字符。在該情況下,優選地在顯示部分1002的幾乎整個屏幕上顯示鍵盤或數字按鈕。
當在蜂窩電話1000內部設置諸如陀螺儀或加速度傳感器之類的包括用于檢測傾斜的傳感器的檢測設備時,可通過檢測蜂窩電話1000的方向(無論蜂窩電話1000被放置成水平還是垂直以用于景色模式或肖像模式)來自動切換顯示部分1002的屏幕上的顯示內容。
此外,通過觸摸顯示部分1002或操作外殼1001的操作按鈕1003可切換屏幕模式。替代地,可根據顯示部分1002上顯示的圖像類型切換屏幕模式。例如,當顯示在顯示部分上的圖像信號是移動圖像數據時,將屏幕模式切換成顯示模式。當該信號是文字數據時,將屏幕模式切換成輸入模式。
此外,在輸入模式中,信號由顯示部分1002中的光傳感器檢測,而且如果未進行通過觸摸顯示部分1002的輸入達一定時間,則可控制屏幕模式從輸入模式切換至顯示模式。
顯示部分1002還能起圖像傳感器的作用。例如,通過用手掌或手指觸摸顯示部分1002采集掌紋、指紋等圖像,藉此執行個人認證。此外,當在顯示部分中設置發射近紅外光的背光或感測光源時,可拍攝指紋、掌紋等的圖像。
圖24B示出蜂窩電話1000的另一示例。圖24B中的蜂窩電話具有:設置有外殼9411的顯示器件9410,外殼9411包括顯示部分9412和操作按鈕9413;設置有外殼9401的通信器件9400,外殼9401包括操作按鈕9402、外部輸入端子9403、話筒9404、揚聲器9405以及在接收到電話時發光的發光部分9406。具有顯示功能的顯示器件9410按照箭頭表示的兩個方向可脫離地附連至具有電話功能的通信器件9400。因此,顯示器件9410和通信器件9400可沿它們的短邊或長邊彼此附連。此外,當僅需要顯示功能時,顯示器件9410可從通信器件9400脫離并單獨使用。可通過無線或有線通信在分別具有充電電池的通信器件9400和顯示器件9410之間發送或接收圖像或輸入信息。
可與其它實施例中描述的任一結構以適當的組合實現本實施例。
本申請基于2008年12月26日向日本專利局提交的日本專利申請S/N.2008-333788,該申請的全部內容通過引用結合于此。

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