半导体器件的制造方法

专利名称：半导体器件的制造方法
技术领域：
本发明涉及包括氧化物半导体的半导体器件及其制造方法。
背景技术：
如同在液晶显示器件中通常见到的那样，利用非晶硅或多晶硅制造形成在诸如玻璃基板的平板上的薄膜晶体管。利用非晶硅制造的薄膜晶体管具有低场效应迁移率，但是该晶体管可形成在面积较大的玻璃基板上。另一方面，利用晶体硅制造的薄膜晶体管具有高场效应迁移率，但是需要诸如激光退火的结晶步骤，并且该晶体管不总是适于较大的玻璃基板。
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相比之下，人们已经开始关注以下技术，通过该技术利用氧化物半导体制造薄膜晶体管，并将薄膜晶体管应用于电子器件或光学器件。例如，专利文献I和专利文献2均公开了一种技术，通过该技术利用氧化锌或基于In-Ga-Zn-O的氧化物半导体制造薄膜晶体管，氧化锌或基于In-Ga-Zn-O的氧化物半导体形成氧化物半导体膜，并且用于图像显示器件的开关元件等。参考文献专利文献I日本公开专利申请No.2007-1238专利文献2日本公开专利申请No.2007-9605
发明内容
在沟道形成区域中包括氧化物半导体的薄膜晶体管比包括非晶硅的薄膜晶体管具有更高的场效应迁移率。氧化物半导体膜可在300°C或以下通过喷溅法等形成，并且包括氧化物半导体膜的薄膜晶体管的制造工艺比包括多晶硅的薄膜晶体管的制造工艺简单。期望通过在玻璃基板、塑料基板等上形成包括氧化物半导体的薄膜晶体管，将该氧化物半导体应用于液晶显示器、电致发光显示器、电子纸等。作为制造薄膜晶体管的方法，采用以下方法，其中利用多个曝光掩模(也称为光掩模)通过光刻处理形成叠置结构。然而，光刻处理包括多个步骤并且是大大影响制造成本、产量、生产率等的一个因素。具体地说减少设计和制造成本较高的曝光掩模的数量是一个重要的目的。考虑以上问题，一个目的在于以通过减少曝光掩模数量而简化光刻处理的方式制造成本低、生产率高的半导体器件。在制造包括反向交错(inverted staggered)薄膜晶体管的半导体器件的方法中，利用掩模层进行蚀刻步骤，该掩模层利用作为曝光掩模的多色调(multi-tone)掩模形成，通过该多色调掩模光透射成具有多种光强。
由于利用多色调掩模形成的掩模层具有多种厚度，并且可通过进行蚀刻而进一步改变形状，所以该掩模层可用于多个蚀刻步骤以提供不同的图案。因此，对应于至少两种不同图案的掩模层可通过一个多色调掩模形成。从而，可减少曝光掩模的数量并且也可减少对应光刻处理的数量，由此可实现制造工艺的简化。制造反向交错薄膜晶体管的工艺包括将半导体膜和导电膜加工成岛形的蚀刻步骤(第一蚀刻步骤)和将导电膜和半导体膜蚀刻成源极电极层、漏极电极层、具有凹陷的半导体层的蚀刻步骤(第二蚀刻步骤)。第一蚀刻步骤通过使用蚀刻气体的干蚀刻进行，第二蚀刻步骤通过使用蚀刻剂的湿蚀刻进行。作为蚀刻气体，含氯的气体(诸如Cl2、BCl3或SiCl4的基于氯的气体)是优选的。可选地，可使用通过向以上气体添加氧或稀有气体(例如Ar)而获得的气体作为蚀刻气体。作为蚀刻剂，可使用磷酸、醋酸和硝酸的混合溶液、或者氨水过氧化氢混合物(ammonial hydrogen peroxide mixture)。
本说明书中使用的氧化物半导体形成为由InMO3 (ZnO) π表示的薄膜(m>0)，并且利用该薄膜作为半导体层制造薄膜晶体管。注意，M表示从镓(Ga)、铁(Fe)、镍(Ni) Ji(Mn)或钴(Co)选择的一种或多种金属元素。例如，在一些情况下，M表示Ga以及除Ga之外的任意以上金属元素，例如Ga和Ni，或者Ga和Fe。在一些情况下，以上氧化物半导体除了作为M包含的金属元素之外,还包括诸如Fe或Ni的过渡金属元素或者过渡金属的氧化物作为杂质元素。在本说明书中，该薄膜还称为基于In-Ga-Zn-O的非单晶膜(non-single-crystalfilm)。由于基于In-Ga-Zn-O的非单晶膜通过喷溅法形成然后在200°C至500°C下(通常300°C至400°C)进行热处理10分钟到100分钟，所以在XRD (X射线衍射)分析中观察到非晶结构作为其晶体结构。另外，对于薄膜晶体管的电特性，可以实现在±20V的栅极电压下IO9或以上的开/关比以及10或以上的迁移率。根据本说明书中公开的本发明的一种实施方式，栅极电极层形成在具有绝缘表面的基板上，栅极绝缘层、氧化物半导体膜和导电膜叠置在栅极电极层上，第一掩模层形成在栅极绝缘层、氧化物半导体膜和导电膜上，在第一蚀刻步骤中通过利用第一掩模层蚀刻氧化物半导体膜和导电膜而形成氧化物半导体层和导电层，通过蚀刻第一掩模层形成第二掩模层，在第二蚀刻步骤中通过利用第二掩模层蚀刻氧化物半导体层和导电层而形成具有凹陷的氧化物半导体层、源极电极层和漏极电极层，其中第一掩模层利用曝光掩模形成，通过该曝光掩模光透射成具有多种光强，其中在第一蚀刻步骤中采用使用蚀刻气体的干蚀刻，其中在第二蚀刻步骤中采用使用蚀刻剂的湿蚀刻，并且其中具有凹陷的氧化物半导体层包括厚度比与源极电极层或漏极电极层重叠的区域小的区域。根据本说明书中公开的本发明的另一种实施方式，栅极电极层形成在具有绝缘表面的基板上，栅极绝缘层、第一氧化物半导体膜、第二氧化物半导体膜和导电膜叠置在栅极电极层上，第一掩模层形成在栅极绝缘层、第一氧化物半导体膜、第二氧化物半导体膜和导电膜上，在第一蚀刻步骤中通过利用第一掩模层蚀刻第一氧化物半导体膜、第二氧化物半导体膜和导电膜而形成第一氧化物半导体层、第二氧化物半导体层和导电层，通过蚀刻第一掩模层形成第二掩模层，在第二蚀刻步骤中通过利用第二掩模层蚀刻第一氧化物半导体层、第二氧化物半导体层和导电层而形成具有凹陷的氧化物半导体层、源极区域、漏极区域、源极电极层和漏极电极层，其中第一掩模层利用曝光掩模形成，通过该曝光掩模光透射成具有多种光强，其中在第一蚀刻步骤中采用使用蚀刻气体的干蚀刻，其中在第二蚀刻步骤中采用使用蚀刻剂的湿蚀刻，并且其中具有凹陷的氧化物半导体层包括厚度比与源极区域或漏极区域重叠的区域小的区域。 本说明书中公开的半导体器件的制造方法实现了至少一个上述目的。而且，薄膜晶体管的源极区域和漏极区域所用的第二氧化物半导体膜优选比沟道形成区域所用的第一氧化物半导体膜薄，而且优选具有比第一氧化物半导体膜高的导电性(电导率)。第二氧化物半导体膜具有η型导电性，并用作源极区域和漏极区域。而且在一些情况下，第一氧化物半导体膜具有非晶结构，第二氧化物半导体膜包括非晶结构的晶粒(纳米晶体)。第二氧化物半导体膜中的晶粒(纳米晶体)的直径为Inm至IOnm,通常约为2nm至4nm。可使用基于In-Ga-Zn-O的非单晶膜，作为用于源极区域和漏极区域的第二氧化物半导体膜(n+层)。绝缘膜可形成为覆盖薄膜晶体管，并与包括沟道形成区域的氧化物半导体层接触。而且，由于薄膜晶体管容易被静电等破坏，所以优选在与栅极布线或源极布线相同的基板上设置用于保护驱动电路的保护电路。该保护电路优选利用包括氧化物半导体的非线性元件形成。注意，诸如“第一”和“第二”的序数的使用是为了方便，而不限定步骤的次序和层的叠置次序。此外，该说明书中的序数不表示指定本发明的具体名称。作为包括驱动电路的显示器件，除了液晶显示器件之外，还存在包括发光元件的发光显示器件和包括电泳显示元件的显示器件(也称为电子纸)。包括发光元件的发光显示器件包括具有多个薄膜晶体管的像素部分。像素部分包括以下区域，在该区域中一个薄膜晶体管的栅极电极连接到另一薄膜晶体管的源极或漏极布线。包括发光元件的发光显示器件的驱动电路包括以下区域，在该区域中薄膜晶体管的栅极电极连接到该薄膜晶体管的源极或漏极布线。注意，本说明书中的半导体器件指的是可利用半导体特性工作的所有器件，电光器件、半导体电路和电子电器都包括在半导体器件范畴内。另外，通过减少曝光掩模的数量，简化了光刻处理，从而能以低成本、高生产率制造可靠的半导体器件。


图IA至IE示出了半导体器件的制造方法。图2AI和2A2示出了半导体器件。图3A至3E示出了半导体器件的制造方法。图4A1和4A2示出了半导体器件。图5A至5C示出了半导体器件的制造方法。图6A至6C示出了半导体器件的制造方法。
图7示出了半导体器件的制造方法。图8示出了半导体器件的制造方法。图9示出了半导体器件的制造方法。图10示出了半导体器件。图11A1、11A2、11B1和11B2示出了半导体器件。图12示出了半导体器件。图13示出了半导体器件。
图14A和14B均示出了半导体器件的框图。图15示出了信号线驱动电路的结构。图16是示出信号线驱动电路的操作的定时图。图17是示出信号线驱动电路的操作的定时图。图18示出了移位寄存器的结构。图19示出了图18的触发器的连接结构。图20示出了半导体器件中像素的等效电路。图21A至21C均示出了半导体器件。图22A1、22A2和22B示出了半导体器件。图23示出了半导体器件。图24A和24B示出了半导体器件。图25A和25B均示出了电子纸的应用示例。图26是示出电子书的示例的外部视图。图27A和27B分别是示出电视和数字相框的示例的外部视图。图28A和28B是示出游戏机的示例的外部视图。图29A和29B是示出蜂窝式电话的示例的外部视图。图30A至30D示出了多色调掩模。
具体实施例方式参照附图详细描述实施方式。然而，本领域技术人员容易理解，本文公开的方式和细节能以多种方式改变而不脱离本发明的范围和精神。因此，本发明不应解释为限于下面给出的实施方式的描述。在下述本发明的结构中，在不同的图中用相同的附图标记表示相同的部分或具有相似功能的部分，并且不再重复对它们的描述。实施方式I参照图IA至IE和图2A1和2A2描述该实施方式的半导体器件的制造方法。图2A1是该实施方式的半导体器件的薄膜晶体管420的平面图，图2A2是沿图2A1的C1-C2截取的剖面图。薄膜晶体管420是反向交错薄膜晶体管，并且包括栅极电极层401、栅极绝缘层402、半导体层403、用作源极区域的n+层404a和用作漏极区域的n+层404b、以及源极电极层405a和漏极电极层405b。图IA至IE对应于示出薄膜晶体管420的制造步骤的剖面图。在图IA中，用作基膜的绝缘膜407设置在基板400上，栅极电极层401设置在绝缘膜407上。绝缘膜407具有防止杂质元素从基板400扩散的功能，并且能利用氮化硅膜、氧化硅膜、氧氮化硅膜和氮氧化硅膜的一种或多种形成为具有单层或叠层结构。在该实施方式中，使用氧化硅膜(厚度为lOOnm)。栅极电极层401能利用诸如钥、钛、铬、钽、鹤、招、铜、钕或钪的金属材料或包含这些材料的任一种作为主要成分的合金材料，形成为具有单层或
叠层结构。例如，作为栅极电极层401的两层结构，以下结构是优选的钥层叠置在铝层上的两层结构、钥层叠置在铜层上的两层结构、氮化钛层或氮化钽层叠置在铜层上的两层结构、以及氮化钛层和钥层相叠置的两层结构。作为三层结构，优选的是叠置钨层或氮化钨层、铝和硅的合金或铝和钛的合金、以及氮化钛层或钛层。栅极绝缘层402、第一氧化物半导体膜431、第二氧化物半导体膜432和导电膜433按照该顺序叠置在栅极电极层401上。栅极绝缘层402可利用氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层或氧氮化硅层，通过等离子CVD法、喷溅法等形成为具有单层或叠层结构。可选地，栅极绝缘层402可利用氧化硅层，·通过使用有机硅烷气体的CVD法形成。作为有机硅烷气体，可使用四乙氧基硅烷(TE0S :化学式，Si (OC2H5)4)、四甲基硅烷(TMS :化学式，Si (CH3)4)、四甲基环四硅氧烷(TMCTS)Jl^基环四硅氧烷(0MCTS)、六甲基二硅氮烷(HMDS)、三乙氧基硅烷(SiH(OC2H5)3X或者三(二甲氨基)娃烷(SiH(N(CH3)2) 3)。注意，在第一氧化物半导体膜431通过喷溅法形成之前，栅极绝缘层402的表面上的灰尘优选通过逆喷派(reverse sputtering)去除,在逆喷派中引入気气并产生等离子体。逆喷溅是这样的方法，通过该方法在氩气氛下利用RF功率向基板侧施加电压，以在基板侧上产生等离子体而不向目标侧施加电压，从而修正表面。可以使用氮、氦等代替氩气氛。可选地，可以向氩气氛添加氧、氢、N2O等。进一步可选地，可以向氩气氛添加Cl2、CF4
坐寸ο第二氧化物半导体膜432和导电膜433彼此接触的区域优选通过等离子体处理进行修正。在该实施方式中，在形成导电膜433之前，在氩气氛下在第二氧化物半导体膜432(在该实施方式中为基于In-Ga-Zn-O的非单晶膜)上进行等离子体处理。可利用氮、氦等代替氩气氛进行等离子体处理。可选地，可以向氩气氛添加氧、氢、N2O等。进一步可选地，可以向氩气氛添加Cl2、CF4等。在该实施方式中，使用基于In-Ga-Zn-O的非单晶膜作为第一氧化物半导体膜431和第二氧化物半导体膜432中的每一个。第一氧化物半导体膜431和第二氧化物半导体膜432在不同条件下形成，第二氧化物半导体膜432的导电性比第一氧化物半导体膜431高，电阻比第一氧化物半导体膜431低。例如，第二氧化物半导体膜432利用通过喷溅法获得的氧化物半导体膜形成，在喷溅法中氩气流速设定为40Sccm。第二氧化物半导体膜432具有η型导电性，并且具有从O. OleV到O. IeV的激活能(ΛΕ)。注意在该实施方式中，第二氧化物半导体膜432是基于In-Ga-Zn-O的非单晶膜，并包括至少一种非晶组成。在一些情况下，第二氧化物半导体膜432在非晶结构中具有晶粒(纳米晶体)。该第二氧化物半导体膜432中的晶粒(纳米晶体)的直径为Inm至IOnm,典型地约为2nm至4nm。通过设置用作n+层的第二氧化物半导体膜432，利用金属层形成的导电膜433和用作沟道形成区域的第一氧化物半导体膜431具有一个有利的结，其允许比Schottky结更加热稳定的操作。此外，有意设置n+层在向沟道供应载流子(源极侧上)、从沟道稳定地吸收载流子(漏极侧上)、或者防止在与布线的接口处形成电阻分量方面是有效的。另外，通过减小电阻，即使在高漏极电压下也能保持高迁移率。栅极绝缘层402、第一氧化物半导体膜431、第二氧化物半导体膜432和导电膜433可连续形成而不用暴露于空气。通过连续形成而不暴露于空气，所述膜可叠置而不会由于大气成分或者空气中漂浮的污染物杂质元素而污染膜间的界面，因此，可以减小薄膜晶体管的特性偏差。掩模434形成在栅极绝缘层402、第一氧化物半导体膜431、第二氧化物半导体膜432和导电膜433上。在该实施方式中，示出了一个示例，其中以这样的方式形成掩模434，即，利用高色调掩模进行曝光。形成抗蚀剂(resist)以形成掩模434。可使用正型抗蚀剂或者负型抗蚀剂作为抗蚀剂。这里使用正抗蚀剂。接着，利用多色调掩模59作为曝光掩模向抗蚀剂照射光，从而使抗蚀剂暴露于·光。这里，参照图30A至30D描述利用多色调掩模59的曝光。多色调掩模可实现三个水平的曝光，从而可形成曝光部分、半曝光部分和未曝光部分。换言之，多色调掩模是通过其使光透射成具有多种光强的掩模。单次曝光和显影处理可以形成具有多个厚度(通常为两种厚度)的区域的抗蚀剂掩模。从而，可通过利用多色调掩模减少曝光掩模的数量。多色调掩模的典型示例包括图30A所示的灰色调掩模59a和图30C所示的半色调掩模59b。如图30A所示，灰色调掩模59a包括透光基板63、以及形成在透光基板63上的阻光部分64和衍射光栅65。阻光部分64的透光率为0%。衍射光栅65具有呈狭缝状、点状、网状等的透光部分，其间隔小于或等于曝光所用光的分辨率限度，从而可控制透光率。衍射光栅65可以呈具有规则间隔的狭缝状、点状、网状；或者呈具有不规则间隔的狭缝状、点状、网状。可以使用诸如石英基板的透光基板作为透光基板63。阻光部分64和衍射光栅65均可由吸收光的阻光材料(例如铬或氧化铬)形成。当用光照射灰色调掩模59a以进行曝光时，阻光部分64的透光率66为0%,未设置阻光部分64和衍射光栅65的区域的透光率66为100%,如图30B所不。衍射光栅65的透光率66可控制在10%至70%的范围内。可通过控制衍射光栅的狭缝、点或网的间隔和间距来控制衍射光栅65的透光率。如图30C所示，半色调掩模59b包括透光基板63、以及形成在透光基板63上的半透射部分68和阻光部分67。半透射部分68可利用MoSiN、MoSi、MoSiO、MoSiON、CrSi等形成。阻光部分67可利用吸收光的阻光材料(例如铬或氧化铬)形成。在用光照射半色调掩模59b以进行曝光的情况下，如图30D所示，阻光部分67的透光率69为0%，未设置阻光部分67和半透射部分68的区域的透光率69为100%。另外，半透射部分68的透光率69可控制在10%至70%的范围内。可通过选择半透射部分68的材料来控制半透射部分68的透光率。利用多色调掩模进行曝光，然后进行显影，因此可形成具有厚度不同的区域的掩模434,如图IB所示。接着，利用掩模434进行第一蚀刻步骤，从而将第一氧化物半导体膜431、第二氧化物半导体膜432和导电膜433蚀刻成岛形。结果，可形成第一氧化物半导体层435、第二氧化物半导体层436和导电层437 (见图1B)。在该实施方式中，通过使用蚀刻气体的干蚀刻进行第一蚀刻步骤。优选使用含氯的气体(诸如氯气(Cl2)、氯化硼(BC13)、氯化硅(SiCl4)或四氯化碳(CCl4)的基于氯的气体)作为蚀刻气体。通过在蚀刻中使用含氯的气体，与使用不含氯的气体的情况相比，可以减少蚀刻中的面内偏差。可选地，可使用含氟的气体(诸如四氟化碳(CF4)、氟化硫(SF6)、氟化氮(NF3)、或者三氟甲烷(CHF3)的基于氟的气体)、溴化氢(HBr)、氧气(02)、添加了诸如氦或氩的稀有气体的任意这些气体等等。 作为干蚀刻方法，可使用平行板RIE (反应离子蚀刻)法或ICP (感应耦合等离子体)蚀刻法。适当地调节蚀刻条件(施加到线圈形电极的电功率大小、施加到基板侧上电极的电功率大小、基板侧上电极的温度等)，使得膜可被蚀刻为期望形状。在该实施方式中，采用ICP蚀刻法并且蚀刻条件如下使用Cl2和O2 ;施加到线圈形电极的电功率大小为1500W ;施加到基板侧上电极的电功率大小为200W ;压力为I. 5Pa ；基板温度为- ο°C。可选地，可以在以下蚀刻条件下进行ICP蚀刻法使用Cl2 (流速为lOOsccm)作为蚀刻气体；施加到线圈形电极的电功率大小为2000W ;施加到基板侧上电极的电功率大小为600W ;压力为I. 5Pa ;基板温度为_10°C。当在以上条件下蚀刻利用基于In-Ga-Zn-O的非单晶膜形成的第一氧化物半导体膜431和第二氧化物半导体膜432时，半导体层403的端部可具有5度或以下的小锥角。在该情况下，可以改进叠置在半导体层403上的膜的覆盖。此外，在蚀刻工艺中，优选通过在测量等离子体发射强度的同时监测与氧化物半导体膜中各个原子对应的波长来确定蚀刻的结束(也称为终点)。该方法使得可以控制蚀刻，从而可抑制半导体层下方的栅极绝缘层的厚度减小，并且可减少氧化物半导体膜的蚀刻残余。当利用添加了氧气(O2)的基于氯的气体(Cl2)进行蚀刻时(优选蚀刻气体中的氧含量设定为15vol%或以上)，在将氮氧化硅膜用作栅极绝缘层402的情况下，第一氧化物半导体膜431和第二氧化物半导体膜432所用的基于In-Ga-Zn-O的非单晶膜相对于栅极绝缘层402的选择比可增加。因此，第一氧化物半导体膜431和第二氧化物半导体膜432可以比栅极绝缘层402更多地蚀刻，并且可充分减小对栅极绝缘层402的损坏。通过将第一氧化物半导体膜431、第二氧化物半导体膜432和导电膜433干蚀刻的第一蚀刻步骤，第一氧化物半导体膜431、第二氧化物半导体膜432和导电膜433被各向异性地蚀刻。以这种方式，掩模434的端部与第一氧化物半导体层435、第二氧化物半导体层436和导电层437的端部对准，并且这些端部变得连续。此外，由于第一氧化物半导体层435、第二氧化物半导体层436和导电层437的端部的蚀刻速率根据蚀刻条件或氧化物半导体材料和导电材料而不同，所以锥角不同并且在一些情况下端部不连续。接着对掩模434进行灰化。结果，减小掩模的尺寸和厚度。通过灰化，去除抗蚀剂掩模的厚度小的区域(与栅极电极层401的部分重叠的区域)，从而可形成分隔掩模438 (见图 1C)。
利用掩模438进行第二蚀刻步骤，因此，将第一氧化物半导体层435、第二氧化物半导体层436和导电层437蚀刻成半导体层403、n+层404a和404b、以及源极电极层405a 和漏极电极层405b (见图ID)。注意,半导体层403被局部蚀刻而变成具有槽(凹陷)且具有被局部蚀刻并露出的端部的半导体层。
在该实施方式中，通过使用蚀刻剂的湿蚀刻进行第二蚀刻步骤。
作为蚀刻剂，可以使用磷酸、醋酸和硝酸的混合溶液、氨水过氧化氢混合物(过氧化氢氨水=5 2 2)等等。可选地，可以使用IT007N (由Kanto Chemical Co. , Inc制造)。
根据导电层437所用的材料，适当地调节蚀刻条件(蚀刻剂、蚀刻时间、温度等)，使得膜可被蚀刻为期望形状。
例如，在导电层437使用铝膜或铝合金膜的情况下，可进行利用磷酸、醋酸和硝酸的混合溶液的湿蚀刻。另外，在导电层437使用钛膜的情况下，可进行利用氨水过氧化氢混合物(过氧化氢氨水=5 2 2)作为蚀刻剂的湿蚀刻。
例如，在导电层437使用铝膜或铝合金膜的情况下，可利用磷酸、醋酸和硝酸的混合溶液作为第二蚀刻步骤的蚀刻剂，蚀刻第一氧化物半导体层435、第二氧化物半导体层 436和导电层437。
在第二蚀刻步骤中，可利用不同的蚀刻剂蚀刻导电层和氧化物半导体层。·
例如，在导电层437使用钛膜的情况下，可利用氨水过氧化氢混合物(过氧化氢 氨水=5 2 :2)作为第二蚀刻步骤的蚀刻剂蚀刻导电层437，并且可利用磷酸、醋酸和硝酸的混合溶液蚀刻第一氧化物半导体层435和第二氧化物半导体层436。
在第二蚀刻步骤中，可利用氨水过氧化氢混合物(过氧化氢氨水=5 2 :2)蚀刻第一氧化物半导体层435、第二氧化物半导体层436和导电层437，从而可形成半导体层403 的凹陷、n+层404a和404b、以及源极电极层405a和漏极电极层405b。
通过将第一氧化物半导体层435、第二氧化物半导体层436和导电层437湿蚀刻的第二蚀刻步骤，第一氧化物半导体层435、第二氧化物半导体层436和导电层437被各向同性地蚀刻。以这种方式,掩模438的端部与半导体层403的凹陷的端部、n+层404a和404b 的端部、以及源极电极层405a和漏极电极层405b的端部未对准，并且这些端部进一步后退，从而使端部的形状具有曲率。
此外，由于半导体层403、n+层404a和404b、以及源极电极层405a和漏极电极层 405b的端部的蚀刻速率根据蚀刻条件或氧化物半导体材料和导电材料而不同，所以曲率不同并且在一些情况下端部不连续。
另外，通过清洁将湿蚀刻之后的蚀刻剂与被蚀刻材料一起移除。可以净化含有被移除材料的蚀刻剂的废液，从而重复使用废液中含有的材料。从蚀刻之后的废液收集氧化物半导体层中含有的诸如铟的材料并重复使用，从而可有效利用资源并降低成本。
之后，移除掩模438。
源极电极层405a和漏极电极层405b的材料的蚀刻速率优选比半导体层403的材料的蚀刻速率高。这是因为在通过单次蚀刻蚀刻源极电极层405a和漏极电极层405b以及半导体层403的情况下，将半导体层403的蚀刻速率减小为低于源极电极层405a和漏极电极层405b的蚀刻速率可以抑制半导体层403的过度蚀刻。因此，可以抑制半导体层403的移除。
之后，优选在200°C到600°C，通常在300°C到500°C下进行热处理。这里，在氮气氛下在350°C下进行一小时的热处理。通过该热处理，半导体层403和n+层404a和404b 所用的基于In-Ga-Zn-O的氧化物半导体在原子水平上发生重新排列。该热处理(包括光退火)的重要之处在于可以减轻干扰半导体层403和n+层404a和404b中的载流子输送的变形。注意，对于何时进行热处理没有具体限制，只要在形成第一氧化物半导体膜431和第二氧化物半导体膜432之后进行即可。
此外，可以在半导体层403的露出凹陷上进行氧自由基处理。通过氧自由基处理， 利用半导体层403形成沟道形成区域的薄膜晶体管可用作常闭晶体管。而且，通过自由基处理，可以修复由于蚀刻而对半导体层403的损坏。优选在02、N20的气氛下，或者含有N2、 He.Ar等的氧气氛下进行自由基处理。可选地，可以使用通过将Cl2或CF4添加到以上气氛而获得的气氛。注意，优选在不向基板100侧施加偏压的情况下进行自由基处理。
通过以上步骤，可以完成图IE所示的反向交错薄膜晶体管420。
如本实施方式中一样，通过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，可以减少抗蚀剂掩模的数量，因此可简化工艺并降低成本。 从而，能以低成本、高生产率制造可靠的半导体器件。
实施方式2
这里，参照图3A至3E和图4A1和4A2描述包括薄膜晶体管的半导体器件的示例， 该薄膜晶体管具有这样的结构，其中源极电极层和漏极电极层与实施方式I中的半导体层接触。
图4A1是该实施方式的半导体器件的薄膜晶体管460的平面图，图4A2是沿图4A1 的D1-D2截取的剖面图。薄膜晶体管460是反向交错薄膜晶体管，并且包括栅极电极层451、 栅极绝缘层452、半导体层453、以及源极电极层455a和漏极电极层455b。
图3A至3E是示出薄膜晶体管460的制造步骤的剖面图。
在图3A中，用作基膜的绝缘膜457设置在基板450上，栅极电极层451设置在绝缘膜457上。在该实施方式中，使用氧化硅膜(厚度为IOOnm)作为绝缘膜457。栅极绝缘层 452、氧化物半导体膜481和导电膜483按照该顺序叠置在栅极电极层451上。
氧化物半导体膜481和导电膜483彼此接触的区域优选通过等离子体处理进行修正。在该实施方式中，在形成导电膜483之前，在氩气氛下在氧化物半导体膜481上(在该实施方式中为基于In-Ga-Zn-O的非单晶膜)进行等离子体处理。
可利用氮、氦等代替氩气氛进行等离子体处理。可选地，可以使用添加氧、氢、N2O 等的氩气氛。进一步可选地，可以使用添加ci2、CF4等的氩气氛。
栅极绝缘层452、氧化物半导体膜481和导电膜483可连续形成而不用暴露于空气。通过连续形成而不暴露于空气，所述膜可叠置而不会由于大气成分或者空气中漂浮的污染物杂质元素而污染膜间的界面，因此，可以减小薄膜晶体管的特性偏差。
掩模484形成在栅极绝缘层452、氧化物半导体膜481和导电膜483上。
在该实施方式中，描述了一个示例，其中利用多色调(高色调)掩模进行曝光以形成掩模484。可以以类似于实施方式I的掩模434的方式形成掩模484。
利用通过其使光透射成具有多种光强的多色调掩模进行曝光，然后进行显影，从而形成具有厚度不同的区域的掩模484，如图3B所示。通过利用多色调掩模，可减少曝光掩模的数量。
接着，利用掩模484进行第一蚀刻步骤，从而将氧化物半导体膜481和导电膜483 蚀刻成岛形。结果，可形成氧化物半导体层485和导电层487 (见图3B)。
在该实施方式中，通过使用蚀刻气体的干蚀刻进行第一蚀刻步骤。
优选使用含氯的气体(诸如氯气(Cl2)、氯化硼(BC13)、氯化硅(SiCl4)或四氯化碳 (CCl4)的基于氯的气体)作为蚀刻气体。通过在蚀刻中使用含氯的气体，与使用不含氯的气体的情况相比，可以减少蚀刻中的面内偏差。
可选地，可使用含氟的气体(诸如四氟化碳(CF4)、氟化硫(SF6)、氟化氮(NF3)、或者三氟甲烷(CHF3)的基于氟的气体)、溴化氢(HBr)、氧气(02)、添加了诸如氦(He)或氩(Ar) 的稀有气体的任意这些气体等等。
作为干蚀刻方法，可使用平行板RIE (反应离子蚀刻)法或ICP (感应耦合等离子体)蚀刻法。适当地调节蚀刻条件(施加到线圈形电极的电功率大小、施加到基板侧上电极的电功率大小、基板侧上电极的温度等)，使得膜可被蚀刻为期望形状。
在该实施方式中，采用ICP蚀刻法并且蚀刻条件如下使用Cl2和O2 ;施加到线圈形电极的电功率大小为1500W ;施加到基板侧上电极的电功率大小为200W ;压力为I. 5Pa ； 基板温度为- ο°C。
当利用添加了氧气(O2)的基于氯的气体(Cl2)进行蚀刻时(优选蚀刻气体中的氧含量设定为15vol%或以上)，在将氮氧化硅膜用作栅极绝缘层452的情况下，氧化物半导体层485所用的基于In-Ga-Zn-O的非单晶膜相对于栅极绝缘层452的选择比可增加。因此， 氧化物半导体膜481可以比栅极绝缘层452更多地蚀刻。
通过将氧化物半导体膜481和导电膜483干蚀刻的第一蚀刻步骤，氧化物半导体膜481和导电膜433被各向异性地蚀刻。以这种方式，掩模484的端部与氧化物半导体层 485和导电层487的端部对准，并且这些端部变得连续。
此外，由于氧化物半导体层485和导电层487的端部的蚀刻速率根据蚀刻条件或氧化物半导体材料和导电材料而不同，所以锥角不同并且在一些情况下端部不连续。
接着对掩模484进行灰化。结果，减小掩模的尺寸和厚度。通过灰化，去除抗蚀剂掩模的厚度小的区域(与栅极电极层451的部分重叠的区域)，从而可形成分隔掩模488 (见图 3C)。
利用掩模488进行第二蚀刻步骤，因此，将氧化物半导体层485和导电层487蚀刻成半导体层453、以及源极电极层455a和漏极电极层455b (见图3D)。注意,半导体层453 被局部蚀刻而变成具有槽(凹陷)且具有被局部蚀刻并露出的端部的半导体层。
在该实施方式中，通过使用蚀刻剂的湿蚀刻进行第二蚀刻步骤。
作为蚀刻剂，可以使用磷酸、醋酸和硝酸的混合溶液、氨水过氧化氢混合物(过氧化氢氨水=5 2 2)等等。可选地，可以使用IT007N (由Kanto Chemical Co. , Inc制造)。
根据导电层487所用的材料，适当地调节蚀刻条件(蚀刻剂、蚀刻时间、温度等)，使得膜可被蚀刻为期望形状。
例如，在导电层487使用铝膜或铝合金膜的情况下，可进行利用磷酸、醋酸和硝酸的混合溶液的湿蚀刻。另外，在导电层487使用钛膜的情况下，可进行利用氨水过氧化氢混合物(过氧化氢氨水=5 2 2)作为蚀刻剂的湿蚀刻。
例如，在导电层487使用铝膜或铝合金膜的情况下，可利用磷酸、醋酸和硝酸的混合溶液作为第一蚀刻步骤的蚀刻剂，蚀刻氧化物半导体层485和导电层487。
在第二蚀刻步骤中，可利用不同的蚀刻剂蚀刻导电层和氧化物半导体层。
例如，在导电层487使用钛膜的情况下，可利用氨水过氧化氢混合物(过氧化氢 氨水=5 2 :2)作为第二蚀刻步骤的蚀刻剂蚀刻导电层487，并且可利用磷酸、醋酸和硝酸的混合溶液蚀刻氧化物半导体层485。
在第二蚀刻步骤中，可利用氨水过氧化氢混合物(过氧化氢氨水=5 2 :2)蚀刻氧化物半导体层485和导电层487，从而可形成半导体层453的凹陷、以及源极电极层455a 和漏极电极层455b。
按照与上述类似的方式，通过将氧化物半导体层485和导电层487湿蚀刻的第二蚀刻步骤，氧化物半导体层485和导电层487被各向同性地蚀刻。以这种方式，掩模488的端部与半导体层453的凹陷的端部、以及源极电极层455a和漏极电极层455b的端部未对准，并且这些端部进一步后退，从而端部的形状具有曲率。
此外，由于半导体层453、以及源极电极层455a和漏极电极层455b的端部的蚀刻速率根据蚀刻条件或氧化物半导体材料和导电材料而不同，所以锥角不同并且在一些情况下端部不连续。
另外，通过清洁将湿蚀刻之后的蚀刻剂与被蚀刻材料一起移除。可以净化含有被移除材料的蚀刻剂的废液，从而重复使用废液中含有的材料。从蚀刻之后的废液收集氧化物半导体层中含有的诸如铟的材料并重复使用，从而可有效利用资源并降低成本。
之后，移除掩模488。
通过以上步骤，可以完成图3E所示的反向交错薄膜晶体管460。
如在本实施例中，通过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)的抗蚀剂掩模，可以减少抗蚀剂掩模的数量，因此可简化工艺并降低成本。从而，能以低成本、高生产率制造可靠的半导体器件。
实施方式3
在该实施方式中，参照图5A至5C、图6A至6C、图7、图8、图9、图10、图11A1、11A2、 IlBl和11B2、以及图12描述包括薄膜晶体管的显示器件的制造工艺。
对于图5A所示的具有透光性质的基板100，可使用以Corning, Inc.制造的#7059 玻璃、#1737玻璃等为代表的硼硅酸钡玻璃、硼硅酸铝玻璃等的玻璃基板。
接着，导电层完全形成在基板100的表面上，然后进行第一光刻处理以形成抗蚀剂掩模。然后，通过蚀刻移除多余部分，从而形成布线和电极(包括栅极电极层101、电容器布线108和第一端子121的栅极布线)。此时，进行蚀刻，使得栅极电极层101的至少一个端部呈锥形。图5A是示出该状态的剖面图。注意，图7对应于该状态的俯视图。
包括栅极电极层101、电容器布线108和位于端子部的第一端子121的各个栅极布线优选利用耐热导电材料形成，耐热导电材料例如是从钛(Ti )、钽(Ta)、钨(W)、钥(Mo)、铬(Cr)、钕(Nd)或钪(Sc)中选择的元素；包括任意这些元素的合金；包括任意这些元素的组合的合金膜；或者包括任意这些元素的氮化物。在使用诸如铝(Al)或铜(Cu)的低电阻导电材料的情况下，低电阻导电材料与以上耐热导电材料组合使用，这是因为单有Al的话存在耐热性低、容易腐蚀等问题。
接着，栅极绝缘层102完全形成在栅极电极层101的表面上。栅极绝缘层102通过喷派法等形成为50nm至250nm的厚度。
例如，氧化硅膜通过喷溅法形成IOOnm的厚度，作为栅极绝缘层102。毫无疑问，栅极绝缘层102不限于该氧化硅膜，诸如氮氧化硅膜、氮化硅膜、氧化铝膜或氧化钽膜的另一绝缘膜可形成为具有单层或叠层结构。
注意，在形成氧化物半导体膜之前优选进行逆喷溅，从而移除栅极绝缘层表面上的灰尘，在逆喷溅中引入氩气并产生等离子体。可以使用氮、氦等代替氩气氛。可选地，可以向氩气氛添加氧、氢、N2O等。进一步可选地，可以向氩气氛添加Cl2、CF4等。
接着，第一氧化物半导体膜109 (在该实施方式中为基于In-Ga-Zn-O的第一非单晶膜)形成在栅极绝缘层102上。在等离子体处理之后可有效地淀积基于In-Ga-Zn-O的第一非单晶膜而不暴露于空气，因此灰尘和湿气不会粘附至栅极绝缘层与半导体膜之间的界面。这里，基于In-Ga-Zn-O的第一非单晶膜在以下条件下形成靶是直径为8英寸的包括 In、Ga和Zn的氧化物半导体靶(In2O3 =Ga2O3 =ZnO =1:1 :1);基板与靶之间的距离为170mm ； 压力为O. 4Pa ;直流(DC)电源为O. 5kff ;气氛为氩或氧。脉冲直流(DC)电源是优选的，因为可减少灰尘并且膜厚变得均匀。基于In-Ga-Zn-O的第一非单晶膜的厚度设定在5nm至 200nm的范围内。在该实施方式中，基于In-Ga-Zn-O的第一非单晶膜的厚度为lOOnm。
接着，第二氧化物半导体膜111 (在该实施方式中为基于In-Ga-Zn-O的第二非单晶膜)通过喷溅法在不暴露于空气的情况下形成。这里，在以下条件下进行喷溅淀积靶是In2O3 =Ga2O3 =ZnO = I 1 1 ;压力为O. 4Pa ;电功率大小为500W ;淀积温度为室温；氩气流速为40sccm。虽然意图使用In2O3 Ga2O3 ZnO =1:1:1的祀，但是在一些情况下获得在淀积后包括尺寸为Inm至IOnm的晶粒的基于In-Ga-Zn-O的非单晶膜。通过适当地调节靶成分比例、淀积压力(O. IPa至2. OPa),电功率大小(250W至3000W Φ 8英寸)、温度(室温至100°C)、反应喷溅的淀积条件等，可以控制晶粒的存在与否以及晶粒的密度，并且在 Inm至IOnm的范围内调节晶粒的直径。基于In-Ga-Zn-O的第二非单晶膜的厚度为5nm至 20nm。毫无疑问，在膜包括晶粒的情况下，晶粒的尺寸不超过膜厚度。在该实施方式中，基于In-Ga-Zn-O的第二非单晶膜的厚度为5nm。
基于In-Ga-Zn-O的第一非单晶膜和基于In-Ga-Zn-O的第二非单晶膜在彼此不同的条件下形成。例如，在基于In-Ga-Zn-O的第一非单晶膜的淀积条件下氧气与氩气的流速比高于在基于In-Ga-Zn-O的第二非单晶膜的淀积条件下氧气与氩气的流速比。具体地说， 基于In-Ga-Zn-O的第二非单晶膜形成在稀有气体(例如氩或氦)气氛(或者包括10%或以下的氧气以及90%或以上的氩气的气氛)下，而基于In-Ga-Zn-O的第一非单晶膜形成在氧气氛下(或者氩气与氧气的流速比为I比I或以上)。
基于In-Ga-Zn-O的第二非单晶膜可形成在已经预先进行逆喷溅的腔室中，或者与已经预先进行逆喷溅的腔室不同的腔室中。
作为喷溅法，存在将高频电源用作喷溅电源的RF喷溅法、DC喷溅法、以及以脉冲方式施加偏压的脉冲DC喷溅法。RF喷溅法主要用在形成绝缘膜的情况，DC喷溅法主要用在形成金属膜的情况。
另外，存在可设定多个不同材料的靶的多源喷溅设备。通过该多源喷溅设备，不同材料的膜可形成为叠置在相同腔室中，或者可在相同腔室中通过放电同时形成多种材料的膜。
此外，存在在腔室内设有磁体系统并且用于磁控管喷溅法的喷溅设备，或者用于 ECR喷溅法的喷溅设备，在ECR喷溅法中使用利用微波产生的等离子体而不用辉光放电。
此外，作为通过喷溅法进行的淀积方法，还存在反应喷溅法和偏压喷溅法，在反应喷溅中在淀积期间使靶物质和喷溅气体成分相互化学反应，以形成它们的化合物的薄膜， 在偏压喷溅法中也在膜形成期间向基板施加电压。
接着，通过喷溅法或真空蒸发法在第一氧化物半导体膜109和第二氧化物半导体膜111上形成由金属材料制成的导电膜132。图5B是示出该状态的剖面图。
作为导电膜132的材料,有从Al、Cr、Ta、Ti、Mo或W选择的元素、包括任意这些元素的合金、包括任意这些元素的组合的合金膜，等等。在200°C到600°C下进行热处理的情况中，导电膜132优选形成为抵抗该热处理。在使用Al的情况下，Al与耐热导电材料组合使用，这是因为单有Al的话存在耐热性低、容易腐蚀等问题。作为与Al组合使用的耐热导电材料，可以使用从钛(Ti)、钽(Ta)、钨(W)、钥(Mo)、铬(Cr)、钕(Nd)或钪(Sc)中选择的元素；包括任意这些元素的合金；包括任意这些元素的组合的合金膜；或者包括任意这些元素的氮化物。
这里，导电膜132是单层结构的钛膜。可选地，导电膜132可具有双层结构；例如， 在铝膜上叠置钛膜。进一步可选地，导电膜132可具有三层结构；例如，形成Ti膜，在Ti膜上叠置包括Nd的铝膜(Al-Nd膜)，并在其上再形成Ti膜。导电膜132可以是包括单层结构硅的铝膜。
接着，进行第二光刻处理以形成作为抗蚀剂掩模的掩模133。在该实施方式中，描述了一个示例，其中利用多色调(高色调)掩模进行曝光以形成掩模133。以类似于实施方式I的掩模434的方式形成掩模133。
利用通过其光透射成具有多种光强的多色调掩模进行曝光，然后进行显影，从而可形成具有厚度不同的区域的掩模133，如图5C所示。从而，通过利用多色调掩模，可减少曝光掩模的数量。
接着，利用掩模133进行第一蚀刻步骤，从而将作为基于In-Ga-Zn-O的第一非单晶膜的第一氧化物半导体膜109、作为基于In-Ga-Zn-O的第二非单晶膜的第二氧化物半导体膜111和导电膜132蚀刻成岛形。因此，可形成第一氧化物半导体层134、第二氧化物半导体层135和导电层136 (见图5C)。图8是示出该状态的俯视图。
在该实施方式中，通过使用蚀刻气体的干蚀刻进行第一蚀刻步骤。
优选使用含氯的气体(诸如氯气(Cl2)、氯化硼(BC13)、氯化硅(SiCl4)或四氯化碳 (CCl4)的基于氯的气体)作为蚀刻气体。通过在蚀刻中使用含氯的气体，与使用不含氯的气体的情况相比，可以减少蚀刻中的面内偏差。
可选地，可使用含氟的气体(诸如四氟化碳(CF4)、氟化硫(SF6)、氟化氮(NF3)、或者三氟甲烷(CHF3)的基于氟的气体)、溴化氢(HBr)、氧气(02)、添加了诸如氦(He)或氩(Ar)的稀有气体的任意这些气体等等。
作为干蚀刻方法，可使用平行板RIE (反应离子蚀刻)法或ICP (感应耦合等离子体)蚀刻法。为了能够将膜蚀刻为期望形状，适当地调节蚀刻条件(施加到线圈形电极的电功率大小、施加到基板侧上电极的电功率大小、基板侧上电极的温度等)。
在该实施方式中，采用ICP蚀刻法并且蚀刻条件如下使用Cl2和O2 ;施加到线圈形电极的电功率大小为1500W ;施加到基板侧上电极的电功率大小为200W ;压力为I. 5Pa ； 基板温度为- ο°C。
当利用添加了氧气(O2)的基于氯的气体(Cl2)进行蚀刻时(优选蚀刻气体中的氧含量设定为15vol%或以上)，在将氮氧化硅膜用作栅极绝缘层102的情况下，第一氧化物半导体层134和第二氧化物半导体层135所用的基于In-Ga-Zn-O的非单晶膜相对于栅极绝缘层102的选择比可增加。因此，氧化物半导体层可以比栅极绝缘层102更多地蚀刻。
通过将第一氧化物半导体膜109、第二氧化物半导体膜111和导电膜132干蚀刻的第一蚀刻步骤，第一氧化物半导体膜109、第二氧化物半导体膜111和导电膜132被各向异性地蚀刻。以这种方式，掩模133的端部与第一氧化物半导体层134、第二氧化物半导体层 135和导电层 136的端部对准，并且这些端部变得连续。
接着对掩模133进行灰化。结果，减小掩模的尺寸和厚度。通过灰化，去除抗蚀剂掩模的厚度小的区域(与栅极电极层101的部分重叠的区域)，从而可形成分隔掩模131 (见图 3C)。
利用掩模131进行第二蚀刻步骤，因此，将第一氧化物半导体层134、第二氧化物半导体层135和导电层136蚀刻成半导体层103、作为源极区域和漏极区域的n+层104a和 104b、以及源极电极层105a和漏极电极层105b。注意,半导体层103被局部蚀刻而变成具有槽(凹陷)且具有被局部蚀刻并露出的端部的半导体层。
在该实施方式中，通过使用蚀刻剂的湿蚀刻进行第二蚀刻步骤。
作为蚀刻剂，可以使用磷酸、醋酸和硝酸的混合溶液、氨水过氧化氢混合物(过氧化氣:氣:水=5 2 2)等等。
根据导电膜132所用的材料，适当地调节蚀刻条件(蚀刻剂、蚀刻时间、温度等)，使得膜可被蚀刻为期望形状。
例如，在导电层136使用铝膜或铝合金膜的情况下，可进行利用磷酸、醋酸和硝酸的混合溶液的湿蚀刻。另外，在导电层136使用钛膜的情况下，可进行利用氨水过氧化氢混合物(过氧化氢氨水=5 2 2)作为蚀刻剂的湿蚀刻。
例如，在导电层136使用铝膜或铝合金膜的情况下，可利用磷酸、醋酸和硝酸的混合溶液作为第二蚀刻步骤的蚀刻剂，蚀刻第一氧化物半导体层134、第二氧化物半导体层 135和导电层136。
在第二蚀刻步骤中，可利用不同的蚀刻剂蚀刻导电层和氧化物半导体层。
例如，在导电层136使用钛膜的情况下，可利用氨水过氧化氢混合物(过氧化氢 氨水=5 2 :2)作为第二蚀刻步骤的蚀刻剂蚀刻导电层136，并且可利用磷酸、醋酸和硝酸的混合溶液蚀刻第一氧化物半导体层134和第二氧化物半导体层135。
在第二蚀刻步骤中，可利用氨水过氧化氢混合物(过氧化氢氨水=5 2 :2)蚀刻第一氧化物半导体层134、第二氧化物半导体层135和导电层136，从而可形成半导体层103的凹陷、n+层104a和104b、以及源极电极层105a和漏极电极层105b。
通过将第一氧化物半导体层134、第二 氧化物半导体层135和导电层136湿蚀刻的第二蚀刻步骤，第一氧化物半导体层134、第二氧化物半导体层135和导电层136被各向同性地蚀刻。以这种方式，半导体层103的凹陷的端部、n+层104a和104b的端部、以及源极电极层105a和漏极电极层105b的端部与掩模131的端部未对准，并且这些端部进一步后退，从而端部的形状具有曲率。
另外，通过清洁将湿蚀刻之后的蚀刻剂与被蚀刻材料一起移除。可以净化含有被移除材料的蚀刻剂的废液，从而重复使用废液中含有的材料。从蚀刻之后的废液收集氧化物半导体层中含有的诸如铟的材料并重复使用，从而可有效利用资源并降低成本。
之后，优选在200°C到600°C，通常在300°C到500°C下进行热处理。这里，在炉中在氮气氛下在350°C下进行一小时的热处理。通过该热处理，基于In-Ga-Zn-O的非单晶膜在原子水平上发生重新排列。该热处理(也包括光退火)的重要之处在于可以消除干扰载流子输送的变形。注意，对于何时进行热处理没有具体限制，只要在形成基于In-Ga-Zn-O的第二非单晶膜之后进行即可。例如，可以在形成像素电极之后进行热处理。
此外，可以在半导体层103的露出的沟道形成区域上进行氧自由基处理。通过氧自由基处理，薄膜晶体管可用作常闭晶体管。而且，通过自由基处理，可以修复由于蚀刻而对半导体层103的损坏。优选在02、N20的气氛下，或者含有氧的N2、He、Ar等的气氛下进行自由基处理。可选地，可以使用通过将Cl2或CF4添加到以上气氛而获得的气氛。注意，优选在不施加偏压的情况下进行自由基处理。
通过以上步骤，可以完成薄膜晶体管170，该薄膜晶体管170的沟道形成区域利用半导体层103形成。图6A是示出该状态的剖面图。注意，图9对应于该状态的俯视图。
进行第二蚀刻步骤，使得利用与半导体层103相同的材料形成的端子层124、利用与η+层104a和104b相同的材料形成的端子123、以及利用与源极电极层105a和漏极电极层105b相同的材料形成的第二端子122留在端子部中。注意，第二端子122电连接到源极布线(包括源极电极层105a和漏极电极层105b的源极布线)。
通过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)的抗蚀剂掩模， 可以减少抗蚀剂掩模的数量，因此可简化工艺并降低成本。
接着，移除掩模131，保护绝缘层107形成为覆盖薄膜晶体管170。保护绝缘层107 可利用通过喷溅法等获得的氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜、氧化铝膜、氧化钽膜等形成。
接着，进行第三光刻处理以形成抗蚀剂掩模。栅极绝缘层102和保护绝缘层107 被蚀刻而形成到达漏极电极层105b的接触孔125。另外，通过该蚀刻，还形成到达第二端子 122的接触孔127和到达第一端子121的接触孔126。图6B是示出该状态的剖面图。
接着，移除抗蚀剂掩模，然后形成透明导电膜。透明导电膜利用氧化铟(Ιη203)、氧化铟氧化锡合金(In2O3-SnO2，简写为ΙΤ0)等通过喷溅法、真空蒸发法等形成。这些材料的膜利用包含盐酸的溶液蚀刻。然而，由于ITO的蚀刻特别容易留下残留物，所以可使用氧化铟_氧化锌合金(In2O3-ZnO)以改进蚀刻的可加工性。
接着，进行第四光刻处理以形成抗蚀剂掩模。通过蚀刻移除不需要的部分，从而形成像素电极层110。
另外，通过该第四光刻处理，电容器布线108和像素电极层110通过利用电容器部分中的栅极绝缘层102和保护绝缘层107作为电介质，一起形成存储电容器。
另外，在第四光刻处理中，第一端子和第二端子被抗蚀剂掩模覆盖。从而留下形成在端子部分中的透明导电膜128和129。透明导电膜128和129均用作电极或用于连接到 FPC的布线。形成在第一端子121上的透明导电膜128用作用于连接的端子电极，该端子电极用作栅极布线的输入端子。形成在第二端子122上的透明导电膜129用作用于连接的端子电极，该端子电极用作源极布线的输入端子。
接着移除抗蚀剂掩模。图6C是示出该状态的剖面图。注意，图10对应于该状态的俯视图。
图IlAl和11A2分别是剖面图和俯视图，并且示出该状态下的栅极布线端子。图 IlAl对应于沿图11A2的E1-E2截取的剖面图。在图IlAl中，形成在保护绝缘膜154上的透明导电膜155用作用于连接的端子电极，该端子电极用作输入端子。在图IlAl的端子部分中，利用和栅极布线相同的材料形成的第一端子151与利用和源极布线相同的材料形成的连接电极层153重叠，在它们之间插设有栅极绝缘层152、半导体层157以及n+层158， 并且经由透明导电膜155使第一端子151和连接电极层153导电。注意，在图6C中透明导电膜128与第一端子121接触的部分对应于图IlAl中透明导电膜155与第一端子151接触的部分。
图IlBl和11B2分别是剖面图和俯视图，并且示出与图6C的源极布线端子部分不同的源极布线端子部分。而且 ，图IlBl对应于沿图11B2的D1-D2截取的剖面图。在图IlBl 中，形成在保护绝缘膜154上的透明导电膜155用作用于连接的端子电极，该端子电极用作输入端子。在图IlBl的端子部分中，利用和栅极布线相同的材料形成的电极层156布置在第二端子150下方，在其间插设栅极绝缘层152。电极层156未电连接到第二端子150，并且可通过将电极层156的电位设定为不同于第二端子150的电位(例如，漂浮、GND、0V等) 而形成电容器，作为对抗噪音或静电的措施。第二端子150经由保护绝缘膜154电连接到透明导电膜155。
根据像素密度设置多个栅极布线、源极布线和电容器布线。在端子部分中，设置多个端子电位与栅极布线相同的第一端子；电位与源极布线相同的第二端子；电位与电容器布线相同的第三端子；等等。可以由从业者适当确定相应端子的数量。
通过按这种方式进行的第四光刻处理，存储电容器和包括薄膜晶体管170的像素薄膜晶体管部分可利用四个光掩模完成，薄膜晶体管170是底栅η沟道薄膜晶体管。然后， 将它们对应于像素布置成矩阵，以形成像素部分；从而，获得用于制造有源矩阵显示器件的一个基板。在该说明书中，这类基板为了方便而称为有源矩阵基板。
在制造有源矩阵液晶显示器件的情况下，在有源矩阵基板与设有对置电极的对置基板之间设置液晶层，然后将有源矩阵基板和对置基板彼此固定。注意，在有源矩阵基板上设置与对置基板的对置电极电连接的公共电极，并且在端子部中设置与公共电极电连接的第四端子。第四端子用于将公共电极的电位设定为固定，例如GND、0V等。
像素结构不限于图10所示的像素结构。图12示出了与图10不同的俯视图的示例。在图12所示的示例中，未设置电容器布线，并且形成存储电容器使得像素电极与相邻像素的栅极布线重叠，在其间插设有保护绝缘膜和栅极绝缘层；在这种情况下，可以省去电容器布线和连接到电容器布线的第三端子。注意在图12中，用相同的附图标记表示与图10相同的部分。
在有源矩阵液晶显示器件中，通过驱动布置成矩阵的像素电极而在屏幕上形成显示图案。具体地说，通过在所选像素电极与对应于所选像素电极的对置电极之间施加电压， 对设置在像素电极与对置电极之间的液晶层进行光学调制，并且观察者将该光学调制识别为显示图案。
在通过液晶显示器件显示运动图像时，液晶分子自身的响应速度较低。因此，运动图像存在残像或模糊的问题。为了改进液晶显示器件关于运动图像的特性，存在一种称为插黑技术的驱动技术，通过该技术每一帧在整个屏幕上进行一次黑色显示。
而且，存在一种称为双帧速率驱动的驱动技术，通过该技术使垂直同步频率增加为通常的I. 5倍或以上，更优选地增加为2倍，从而提高响应速度，并且针对每帧中已经分隔的多个域中的每一个选择待写入灰度。
而且，为了改进液晶显示器件关于运动图像的特性，存在一种驱动技术，通过该技术利用多个LED (发光二极管)、多个EL光源等形成平面光源，并且在一个帧周期内独立地使用平面光源的各个光源以进行间歇的照明驱动。作为平面光源，可以使用三种或更多种 LED或者发射白光的LED。由于可独立控制多个LED，所以LED的发光定时可与切换液晶层的光学调制的定时同步。通过该驱动技术，LED可部分关闭；因此，特别地，在一个屏幕中显示具有大部分黑色显示区域的图像的情况下，降低了功耗。
通过使用这些驱动技术的任意组合，与传统液晶显示器件相比，可以提高液晶显示器件的显示特性，例如显示运动图像时的特性。
在该实施方式获得的η沟道晶体管中，利用基于In-Ga-Zn-O的非单晶膜形成沟道形成区域，该晶体管具有有利的操作特性。因此，可以组合使用这些驱动技术。
在制造发光显示器件的情况下，有机发光元件的一个电极(也称为阴极)的电位设定为低电源电位，例如设定为GND、0V等。因此，端子部设有第四端子，第四端子用于将阴极的电位设定为低电源电位，例如设定为GND、0V等。而且，在制造发光显示器件的情况下，除了源极布线和栅极布线之外设置电源线。因此，端子部设有电连接到电源线的第五端子。
如该实施方式中所述，对薄膜晶体管使用氧化物半导体使得制造成本降低。
如该实施方式中那样，通过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)的抗蚀剂掩模，可以减少抗蚀剂掩模的数量，因此可简化工艺并降低成本。从而，能以低成本、高生产率制造可靠的半导体器件。
该实施方式能与其它实施方式中公开的任意结构适当地组合实施。
实施方式4
在该实施方式中，下面将描述在作为半导体器件的示例的显示器件中的一个基板上制造驱动电路的至少一部分和像素部分的薄膜晶体管的示例。
根据实施方式I至3中的任一个形成像素部分中的薄膜晶体管。实施方式I至3 中的任一个所述的薄膜晶体管是η沟道TFT ;因此，可利用η沟道TFT形成的驱动电路的部分形成在与像素部分的薄膜晶体管相同的基板上。
图14Α示出了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 14Α所示的显示器件在基板5300上包括像素部分5301，其具有多个均设有显示元件的像素；选择各个像素的扫描线驱动电路5302 ;以及控制输入到所选像素的视频信号的信号线驱动电路5303。
像素部分5301连接到信号线驱动电路5303，其中多条信号线SI至Sm (未示出) 从信号线驱动电路5303沿列方向延伸并连接到扫描线驱动电路5302，多条扫描线Gl至Gn (未示出)从扫描线驱动电路5302沿行方向延伸。像素部分5301包括与信号线SI至Sm和扫描线Gl至Gn相对应、布置成矩阵的多个像素(未示出)。此外，各个像素连接到信号线Sj (信号线SI至Sm中的任一条)和扫描线Gi (扫描线Gl至Gn中的任一条)。
实施方式I至3中的任一个所述的薄膜晶体管是η沟道TFT，参照图15描述包括 η沟道TFT的信号线驱动电路。
图15所示的信号线驱动电路包括驱动IC 5601、开关组5602_1至5602_Μ、第一布线5611、第二布线5612、第三布线5613和布线5621_1至5621_Μ。开关组5602_1至5602_ M中的每一个包括第一薄膜晶体管5603a、第二薄膜晶体管5603b和第三薄膜晶体管5603c。
驱动IC 5601连接到第一布线5611、第二布线5612、第三布线5613和布线5621_1 至5621_M。开关组5602_1至5602_M中的每一个连接到第一布线5611、第二布线5612、第三布线5613和布线5621_1至5621_M中分别对应于开关组5602_1至5602_M的一个。各条布线5621_1至5621_M通过第一薄膜晶体管5603a、第二薄膜晶体管5603b和第三薄膜晶体管5603c连接到三条信号线。例如，第J列的布线5621_J (布线5621_1至5621_M中的任一条)通过开关组5602_J的第一薄膜晶体管5603a、第二薄膜晶体管5603b和第三薄膜晶体管5603c连接到信号线Sj-I、信号线Sj和信号线Sj+1。
注意，信号输入到第一布线5611、第二布线5612和第三布线5613中的每一条。
注意，驱动IC 5601优选形成在单晶体基板上。另外，开关组5602_1至5602_M 优选形成在与像素部分相同的基板上。因此，驱动IC 5601优选通过FPC等连接到开关组 5602_1 至 5602_M。
接着，参照图16的定时图描述图15所示的信号线驱动电路的操作。图16示出了选择第i行中的扫描线Gi的定时图。另外，将第i行中的扫描线Gi的选择时段分为第一子选择时段Tl、第二子选择时段T2和第三子选择时段T3。另外，即使在选择另一行扫描线时，图15的信号线驱动电路也类似于图16操作。
注意，图16的定时图示出了这样的情况，其中第J列中的布线5621_J通过第一薄膜晶体管5603a、第二薄膜晶体管5603b和第三薄膜晶体管5603c连接到信号线Sj-I、信号线Sj和信号线Sj+1。
图16的定时图示出了选择第i行中的扫描线Gi的定时、第一薄膜晶体管5603a 的开/关定时5703a、第二薄膜晶体管5603b的开/关定时5703b和第三薄膜晶体管5603c 的开/关定时5703c、以及输入到第J列中的布线5621_J的信号5721J。
在第一子选择时段Tl、第二子选择时段T2和第三子选择时段T3中，向布线 5621_1至5621_M输入不同的视频信号。例如,在第一子选择时段Tl中输入到布线5621_ J的视频信号被输入到信号线Sj-Ι，在第二子选择时段T2中输入到布线5621_J的视频信号被输入到信号线Sj,在第三子选择时段T3中输入到布线5621_J的视频信号被输入到信号线Sj+Ι。在第一子选择时段Tl、第二子选择时段T2和第三子选择时段T3中输入到布线 5621_J的视频信号分别表示为Data_j-1、DataJ和Data_j+1。
如图16所示，在第一子选择时段Tl中，接通第一薄膜晶体管5603a，关闭第二薄膜晶体管5603b和第三薄膜晶体管5603c。此时，输入到布线5621_J的DataJ-I通过第一薄膜晶体管5603a输入到信号线Sj-I。在第二子选择时段T2中，接通第二薄膜晶体管 5603b，关闭第一薄膜晶体管5603a和第三薄膜晶体管5603c。此时，输入到布线5621_J的 DataJ通过第二薄膜晶体管5603b输入到信号线Sj。在第三子选择时段T3中，接通第三薄膜晶体管5603c，关闭第一薄膜晶体管5603a和第二薄膜晶体管5603b。此时，输入到布线5621_J的Data_j+1通过第三薄膜晶体管5603c输入到信号线Sj+1。
如上所述，在图15的信号线驱动电路中，一个栅极选择时段被一分为三，从而在一个栅极选择时段中视频信号可通过一条布线5621输入到三条信号线。因此，在图15的信号线驱动电路中，设有驱动IC 5601的基板与设有像素部分的基板之间的连接数量可减小至信号线数量的约三分之一。当连接数量减小至信号线数量的约三分之一时，可以提高图15的信号线驱动电路的可靠性、产量等。
注意，对于薄膜晶体管的布置、数量、驱动方法等没有具体限制，只要将一个栅极选择时段分为多个子选择时段，并且在多个子选择时段的每一个中从一条布线向多条信号线输入视频信号即可，如图15所示。
例如，当在三个或以上的子选择时段的每一个中从一条布线向三条或以上的信号线输入视频信号时，可以增加薄膜晶体管和用于控制薄膜晶体管的布线。注意，在将一个栅极选择时段分为四个或以上的子选择时段时，一个子选择时段变得较短。因此，一个栅极选择时段优选分为两个或三个子选择时段。
作为另一不例，如图17的定时图所不,一个选择时段可分为预充电时段Tp、第一子选择时段Tl、第二子选择时段Τ2和第三子选择时段Τ3。另外，图17的定时图示出了选择第i行中的扫描线Gi的定时、第一薄膜晶体管5603a的开/关定时5803a、第二薄膜晶体管5603b的开/关定时5803b和第三薄膜晶体管5603c的开/关定时5803c、以及输入到第J列的布线5621_J的信号5821J。如图17所示，在预充电时段Tp中接通第一薄膜晶体管5603a、第二薄膜晶体管5603b和第三薄膜晶体管5603c。此时，输入到布线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和第三薄膜晶体管 5603c输入到信号线Sj-I、信号线Sj和信号线Sj+Ι。在第一子选择时段Tl中,接通第一薄膜晶体管5603a，关闭第二薄膜晶体管5603b和第三薄膜晶体管5603c。此时，输入到布线 5621_J的DataJ-I通过第一薄膜晶体管5603a输入到信号线Sj-I。在第二子选择时段T2 中，接通第二薄膜晶体管5603b，关闭第一薄膜晶体管5603a和第三薄膜晶体管5603c。此时，输入到布线5621_J的DataJ通过第二薄膜晶体管5603b输入到信号线Sj。在第三子选择时段T3中，接通第三薄膜晶体管5603c，关闭第一薄膜晶体管5603a和第二薄膜晶体管5603b。此时，输入到布线5621_J的Data_j+1通过第三薄膜晶体管5603c输入到信号线 Sj+Ι ο
如上所述，在应用图17的定时图的图15的信号线驱动电路中，可通过在子选择时段之前提供预充电选择时段而将信号线预充电。从而，可将视频信号高速写入像素。注意， 图17类似于图16的部分用相同的附图标记表示，并且省略对相同部分和具有类似功能的部分的详细描述。
此外，描述扫描线驱动电路的构造。扫描线驱动电路包括移位寄存器和缓冲器。而且，在一些情况下可包括电平位移器。在扫描线驱动电路中，当向移位寄存器输入时钟信号(CLK)和启动脉冲信号(SP)时，产生选择信号。产生的选择信号被缓冲器缓冲和放大，得到的信号供应至对应的扫描线。在对应于一条线的像素中的晶体管的栅极电极连接到该扫描线。而且，由于必须同时接通一条线的像素中的晶体管，所以所述缓冲器使用能馈送大量电流的缓冲器。
参照图18和图19描述用于扫描线驱动电路的部分的移位寄存器的一个模式。
图18示出了移位寄存器的电路构造。图18所示的移位寄存器包括多个触发器， 即，触发器5701_1至5701_n。另外，移位寄存器通过输入第一时钟信号、第二时钟信号、启动脉冲信号和重置信号而工作。
下面描述图18的移位寄存器的连接关系。在图18的移位寄存器的第i级中的触发器570l_i (触发器5701_1至570l_n中的任一个)中，图19所示的第一布线5501连接到第七布线5717」-1 ;图19所示的第二布线5502连接到第七布线5717」+1 ;图19所示的第三布线5503连接到第七布线5717」；图19所示的第六布线5506连接到第五布线5715。
另外，图19所示的第四布线5504在奇数级的触发器中连接到第二布线5712，在偶数级的触发器中连接到第三布线5713。图19所示的第五布线5505连接到第四布线5714.
注意，第一级的触发器5701_1的图19所示的第一布线5501连接到第一布线 5711，第η级的触发器5701_η的图19所示的第二布线5502连接到第六布线5716。
第一布线5711、第二布线5712、第三布线5713和第六布线5716可分别称为第一信号线、第二信号线、第三信号线和第四信号线。另外，第四布线5714和第五布线5715可分别称为第一电源线和第二电源线。
接下来，图19示出了图18所示的触发器的细节。图19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和第八薄膜晶体管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和第八薄膜晶体管5578 是η沟道晶体管，并且当栅极与源极之间的电压(Vgs)超过阈值电压(Vth)时进入接通状态。
接下来在下面描述图19所示的触发器的连接结构。
第一薄膜晶体管5571的第一电极(源极电极和漏极电极中的一个)连接到第四布线5504，第一薄膜晶体管5571的第二电极(源极电极和漏极电极中的另一个)连接到第三布线5503。
第二薄膜晶体管5572的第一电极连接到第六布线5506。第二薄膜晶体管5572的第二电极连接到第三布线5503。
第三薄膜晶体管5573的第一电极连接到第五布线5505。第三薄膜晶体管5573的第二电极连接到第二薄膜晶体管5572的栅极电极。第三薄膜晶体管5573的栅极电极连接到第五布线5505。
第四薄膜晶体管5574的第一电极连接到第六布线5506。第四薄膜晶体管5574的第二电极连接到第二薄膜晶体管5572的栅极电极。第四薄膜晶体管5574的栅极电极连接到第一薄膜晶体管5571的栅极电极。
第五薄膜晶体管5575的第一电极连接到第五布线5505。第五薄膜晶体管5575的第二电极连接到第一薄膜晶体管5571的栅极电极。第五薄膜晶体管5575的栅极电极连接到第一布线5501。
第六薄膜晶体管5576的第一电极连接到第六布线5506。第六薄膜晶体管5576的第二电极连接到第一薄膜晶体管5571的栅极电极。第六薄膜晶体管5576的栅极电极连接到第二薄膜晶体管5572的栅极电极。
第七薄膜晶体管5577的第一电极连接到第六布线5506。第七薄膜晶体管5577的第二电极连接到第一薄膜晶体管5571的栅极电极。第七薄膜晶体管5577的栅极电极连接到第二布线5502。第八薄膜晶体管5578的第一电极连接到第六布线5506。第八薄膜晶体管5578的第二电极连接到第二薄膜晶体管5572的栅极电极。第八薄膜晶体管5578的栅极电极连接到第一布线5501。
注意，第一薄膜晶体管5571的栅极电极、第四薄膜晶体管5574的栅极电极、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、第七薄膜晶体管5577的第二电极连接处的点称为节点5543。另外，第二薄膜晶体管5572的栅极电极、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的栅极电极、第八薄膜晶体管5578的第二电极连接处的点称为节点5544。
第一布线5501、第二布线5502、第三布线5503和第四布线5504可分别称为第一信号线、第二信号线、第三信号线和第四信号线。第五布线5505和第六布线5506可分别称为第一电源线和第二电源线。
可选地，可仅利用实施方式I所述的η沟道TFT来制造信号线驱动电路和扫描线驱动电路。由于实施方式I所述的η沟道TFT具有高迁移率，所以可增加驱动电路的驱动频率。此外，由于利用基于In-Ga-Zn-O的非单晶膜形成源极和漏极区域，所以实施方式I所述的η沟道TFT的寄生电容减少；因此，η沟道TFT的频率特性(称为f特性)较高。例如， 包括实施方式I所述的η沟道TFT的扫描线驱动电路能高速操作，因此可以例如增加帧频率或者实现黑屏的插入。
此外，当例如增加扫描线驱动电路中的晶体管沟道宽度或者设置多个扫描线驱动电路时，可实现高得多的帧频率。在设置多个扫描线驱动电路时，在一侧设置用于驱动偶数编号的扫描线的扫描线驱动电路，在相对侧设置用于驱动奇数编号的扫描线的扫描线驱动电路，从而可增加帧频率。此外，从多个扫描线驱动电路向相同的扫描线输出信号对于增加显示器件的尺寸是有利的。
在制造作为半导体器件示例的有源矩阵发光显示器件的情况下，优选布置多个扫描线驱动电路，这是因为多个薄膜晶体管布置在至少一个像素中。图14Β示出了有源矩阵发光显示器件的框图的示例。
图14Β所示的发光显示器件在基板5400上包括像素部分5401，其具有多个均设有显示元件的像素；选择各个像素的第一扫描线驱动电路5402和第二扫描线驱动电路 5404 ;以及控制输入到所选像素的视频信号的信号线驱动电路5403。
在将数字视频信号输入到图14Β所示的发光显示器件的像素的情况下，通过接通 /关闭晶体管使像素处于发光状态或不发光状态。从而，可利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将一个像素分为多个子像素并且基于视频信号单独驱动相应子像素从而显示灰度的驱动方法。另外，时间比灰度法指的是控制像素处于发光状态的周期从而显示灰度的驱动方法。
由于发光元件的响应时间短于液晶元件等的响应时间，所以发光元件适于时间比灰度法。具体地说，在利用时间灰度法显示的情况下，将一个帧周期分为多个子帧周期。然后，根据视频信号，在各个子帧周期中像素中的发光元件处于发光状态或不发光状态。通过将帧分为多个子帧，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14B所示的发光显示器件中，在一个像素包括两个开关TFT的情况下，从第一扫描线驱动电路5402产生输入到用作一个开关TFT的栅极布线的第一扫描线的信号， 从第二扫描线驱动电路5404产生输入到用作另一个开关TFT的栅极布线的第二扫描线的信号。然而，输入到第一扫描线的信号和输入到第二扫描线的信号可以从一个扫描线驱动电路一起产生。此外，例如可以根据一个像素中包括的开关TFT的数量，在各个像素中设置用于控制开关元件的操作的多条扫描线。在这种情况下，输入到多条扫描线的信号可以都从一个扫描线驱动电路产生，或者可以从多个扫描线驱动电路产生。
即使在该发光显示器件中，也可在与像素部分的薄膜晶体管相同的基板上设置可利用η沟道TFT形·成的驱动电路的部分。而且，可仅利用实施方式I至3中任一所述的η 沟道TFT制造信号线驱动电路和扫描线驱动电路。
上述驱动电路不仅可用于液晶显示器件或发光显示器件，而且可用于电子纸，在电子纸中通过利用电连接到开关元件的元件来驱动电子墨水。电子纸也称为电泳显示器件 (电泳显示器)，并且优点在于其具有与常规纸相同的可读水平，功耗小于其它显示器件，并且可设定为具有薄而轻的形式。
电泳显示器有多种模式。电泳显示器是这样的器件，其中各自均包括具有正电荷的第一颗粒和具有负电荷的第二颗粒的多个微胶囊散布在溶剂或溶液中，并向微胶囊施加电场，使得微胶囊中的颗粒沿彼此相反的方向运动，并且仅显示聚集在一侧上的颗粒的颜色。注意，第一颗粒或第二颗粒包括着色剂，并在没有电场时不移动。此外，第一颗粒的颜色不同于第二颗粒的颜色(颗粒也可以是无色的)。
从而，电泳显示器利用所谓的介电泳效应，该效应中具有高介电常数的物质移动至具有高电场的区域。电泳显示器不要求液晶显示器件所必需的偏光板和对置基板，从而其厚度和重量大约为一半。
微胶囊散布在溶剂中称为电子墨水，该电子墨水可印刷在玻璃、塑料、织物、纸张等的表面上。利用滤色器或包括着色物质的颗粒也可以进行彩色显示。
此外，可以在有源矩阵基板上适当设置多个微胶囊使其介于两个电极之间而完成有源矩阵显示器件，有源矩阵显示器件可通过向微胶囊施加电场而进行显示。例如，可以使用利用实施方式I至3的任一个的薄膜晶体管获得的有源矩阵基板。
注意，微胶囊中的第一颗粒和第二颗粒可由导电材料、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、磁致光泳材料或其复合材料中的一种制成。
通过以上工艺，可制造高度可靠的发光显示器件作为半导体器件。
该实施方式能与其它实施方式中描述的任意结构适当地组合实施。
实施方式5
可制造薄膜晶体管，并且该薄膜晶体管可用于像素部分并进一步用于驱动电路，从而可制造具有显示功能的半导体器件(也称为显示器件)。而且，薄膜晶体管可用作形成在与像素部分相同基板上的驱动电路的一部分或整个驱动电路，从而可形成板上系统。
显示器件包括显示元件。作为显示元件,可使用液晶元件(也称为液晶显示元件) 或发光元件(也称为发光显示元件)。发光元件在其范围内包括通过电流或电压控制其发光的元件，并具体包括无机电致发光(EL)元件、有机EL元件等。另外，可使用通过电效应改变其对比度的显示介质，例如电子墨水。
此外，显示器件包括密封有显示元件的面板，以及在该面板上安装有包括控制器的IC等的模块。关于元件基板的一个模式，在制造显示器件的工艺中完成显示元件之前， 元件基板设有可向多个像素的每一个中的显示元件供应电流的单元。具体地说，元件基板可处于仅设有显示元件的像素电极的状态、在形成要作为像素电极的导电膜之后并在将导电膜蚀刻成像素电极之前的状态、以及任意其它状态。
本说明书中的显示器件指的是图像显示器件、显示器件或光源(包括发光器件)。另外，显示器件在其类别中包括以下模块的任一种包括连接器(例如柔性印刷电路 (FPC)、带式自动结合(TAB)带、或者带载封装(TCP))的模块；具有在其端部设有印刷布线板的TAB带或TCP的模块；以及具有通过玻璃上芯片(COG)方法直接安装在显示元件上的集成电路(IC)的模块。
在该实施方式中参照图22A1和22A2、以及图22B描述作为半导体器件的一个模式的液晶显示面板的外观和剖面。图22A1和22A2是面板的俯视图，在各个该面板中在第一基板4001与第二基板4006之间用密封剂4005密封高度可靠的薄膜晶体管4010和4011，所述薄膜晶体管4010和4011包括在第一基板4001上形成的实施方式I所述的基于In-Ga-Zn-O 的非单晶膜的半导体层和液晶元件4013。图22B对应于图22A1和22A2沿着线M-N的剖面图。
密封剂4005设置成包围设置在第一基板4001上的像素部分4002和扫描线驱动电路4004。第二基板4006设置在像素部分4002和扫描线驱动电路4004上。从而，像素部分4002和扫描线驱动电路4004以及液晶层4008被密封剂4005密封在第一基板4001与第二基板4006之间。在单独制备的基板上利用单晶半导体膜或多晶半导体膜形成的信号线驱动电路4003被安装在与第一基板4001上密封剂4005包围的区域不同的区域中。
注意，对于单独形成的驱动电路的连接方法没有特别限制，可使用COG法、线接合法、TAB法等。图22A1示出了通过COG法安装信号线驱动电路4003的示例，图22A2示出了通过TAB法安装信号线驱动电路4003的示例。
设置在第一基板4001上的像素部分4002和扫描线驱动电路4004中的每一个均包括多个薄膜晶体管。图22B示出了像素部分4002中包括的薄膜晶体管4010和扫描线驱动电路4004中包括的薄膜晶体管4011。在薄膜晶体管4010和4011上设置绝缘层4020和 4021。
作为薄膜晶体管4010和4011中的每一个，可使用实施方式3所示的高度可靠的薄膜晶体管，其包括基于In-Ga-Zn-O的非单晶膜作为半导体层。可选地，可应用实施方式I 或2所述的薄膜晶体管。在该实施方式中，薄膜晶体管4010和4011均为η沟道薄膜晶体管。
液晶元件4013中包括的像素电极层4030电连接到薄膜晶体管4010。液晶元件4013的对置电极层4031形成在第二基板4006上。像素电极层4030、对置电极层4031和液晶层4008彼此重叠的部分对应于液晶元件4013。注意，像素电极层4030和对置电极层 4031分别设有用作定向膜的绝缘层4032和绝缘层4033，并且液晶层4008介于绝缘层4032 与4033之间。
注意，第一基板4001与第二基板4006可由玻璃、金属(通常为不锈钢)、陶瓷或塑料制成。作为塑料，可使用纤维玻璃加强塑料(FRP)板、聚氟乙烯(PVF)膜、聚酯膜或丙烯酸树脂膜。可选地，可使用具有以下结构的片材，在该结构中铝箔被夹持在PVF膜或聚酯膜之间。
设置选择性地通过蚀刻绝缘膜形成的柱状间隔件4035，以控制像素电极层4030 与对置电极层4031之间的距离(单元间隙)。可选地，可使用球形间隔件。此外，对置电极层4031电连接到设置在与薄膜晶体管4010相同基板上的公共电位线。对置电极层4031 和公共电位线通过利用公共连接部分布置在一对基板之间的导电颗粒彼此电连接。注意， 导电颗粒包含在密封剂4005中。
可选地，可使用没有定向膜的蓝相液晶。蓝相是一种液晶相，其仅在当胆甾液晶的温度增加时胆留相液晶变为各向同性相之前出现。蓝相仅在较窄的温度范围内出现，因此液晶层4008利用液晶合成物形成，其中混合5wt%或以上的手性剂以扩大温度范围。包括蓝相液晶和手性剂的液晶合成物具有10μ s至100 μ s的短响应时间并且光学上各向同性； 因此，定向处理不是必需的，并且视角依赖性较小。
注意，该实施方式描述了透射液晶显示器件的示例；然而，本发明可应用于反射液晶显示器件或半透射液晶显示器件。
尽管该实施方式的液晶显示器件具有设置成与基板相比靠外(观察者侧)的偏光器、以及设置成与基板相比靠内的显示元件的颜色层和电极层(它们按该顺序布置)，但是偏光器可比基板靠内。偏光器和颜色层的叠置结构不限于该实施方式所示，并且可根据偏光器和颜色层的材料以及制造工艺的条件适当设定。另外，可设置用作黑矩阵(black matrix)的阻光膜。
在该实施方式中，为了降低薄膜晶体管的表面的不均匀性并改进薄膜晶体管的可靠性，利用用作偏光绝缘膜的保护膜或绝缘层(绝缘层4020和4021)覆盖在实施方式3中获得的薄膜晶体管。注意，设置保护膜以防止诸如有机物质、金属物质或在大气中漂浮的湿气这类的污染物杂质进入，因此致密膜是优选的。保护膜可利用单层或叠层的氧化硅膜、氮化硅模、氮氧化硅膜、氧氮化硅膜、氧化铝膜、氮化铝膜、氮氧化铝膜、或氧氮化铝膜形成。尽管在该实施方式中通过喷溅法形成保护膜，但该方法不受特别限制并且可从多种方法中选择。
这里，绝缘层4020形成为具有叠置结构而作为保护膜。这里，氧化硅膜通过喷溅法形成为绝缘层4020的第一层。氧化硅膜用于保护膜提供了有利的效果，即，防止用于源极电极层和漏极电极层的铝膜产生小丘。
而且，绝缘层形成为保护膜的第二层。这里，氮化硅膜通过喷溅法形成为绝缘层 4020的第二层。当氮化硅膜用于保护膜时，可以防止诸如钠的活动离子进入半导体区域而改变TFT的电特性。
另外，在形成保护膜之后，可以将半导体层退火(在300°C至400°C)。29
另外，绝缘层4021形成为偏光绝缘膜。绝缘层4021可由具有热阻的有机材料形成，例如聚酰亚胺、丙烯酸、苯环丁烯、聚酰胺或环氧树脂。作为这些有机材料的替代，可以使用低介电常数材料(低k材料)、硅氧烷类树脂、PSG (磷硅酸盐玻璃)、BPSG (硼磷硅玻璃) 等等。注意，绝缘层4021可通过叠置多个由这些材料形成的绝缘膜形成。
注意，硅氧烷类树脂是由硅氧烷类材料作为起始材料形成的并具有Si-O-Si键的树脂。硅氧烷类树脂可包括有机基(例如，烷基或芳基)或氟基作为替代。可选地，有机基可包括氟基。
绝缘层4021的形成方法不受具体限制，可根据绝缘层4021的材料使用以下方法的任一种喷溅法、SOG法、旋涂、浸溃涂布、喷涂、液滴排放法(例如，喷墨法、丝网印刷、或胶印)、刮刀、辊涂布器、帘式涂布器、刀式涂布器等等。在利用材料溶液形成绝缘层4021的情况下，可以在半导体层上与烘烤步骤同时进行退火(300°C至400°C)。当同时进行绝缘层 4021的烘烤和半导体层的退火时，可以有效地制造半导体器件。
像素电极层4030和对置电极层4031可由透光导电材料形成，例如含有氧化钨的氧化铟、含有氧化钨的氧化铟锌、含有氧化钛的氧化铟、含有氧化钛的氧化铟锡、氧化铟锡 (下文称为ITO )、氧化铟锌、或者添加了氧化硅的氧化铟锡。
包括导电高分子(也称为导电聚合物)的导电合成物可用于像素电极层4030和对置电极层4031。利用导电合成物形成的像素电极优选具有10000欧姆/方块或以下的薄片电阻以及在550nm的波长处70%或以上的透光率。另外，导电合成物中包含的导电高分子的电阻系数优选为O. I Ω · cm以下。
作为导电高分子，可使用所谓的π电子共轭导电高分子。作为其示例，可以给出聚苯胺或其派生物、聚吡咯或其派生物、聚噻吩或其派生物、它们之中两种或以上的共聚物坐坐寸寸ο
另外，从FPC 4018向单独形成的信号线驱动电路4003、扫描线驱动电路4004和像素部分4002供应多种信号和电位。
在该实施方式中，利用与液晶元件4013中含有的像素电极层4030相同的导电膜形成连接端子电极4015。利用与薄膜晶体管4010和4011中含有的源极电极层和漏极电极层相同的导电膜形成端子电极4016。注意，在η+层4025和半导体层4026上形成连接端子电极4015和端子电极4016。
连接端子电极4015通过各向异性的导电膜4019电连接到FPC4018的端子。
尽管图22Α1、22Α2和22Β示出了其中信号线驱动电路4003单独形成并安装在第一基板4001上的示例，但该实施方式不限于该结构。扫描线驱动电路可单独形成然后安装，或者仅扫描线驱动电路的一部分或扫描线驱动电路的一部分可单独形成然后安装。
图23示出了其中利用TFT基板2600将液晶显示模块形成为半导体器件的示例， TFT基板2600根据本说明书中公开的制作方法制造。
图23示出了液晶显示模块的示例，其中TFT基板2600和对置基板2601利用密封剂2602彼此固定，在基板之间设置包括TFT等的像素部分2603、包括液晶层的显示元件 2604、以及彩色层2605，以形成显示区域。彩色层2605是进行彩色显示所必需的。在RGB 系统的情况下，为各个像素设置与红色、绿色和蓝色对应的相应的着色层。在TFT基板2600 和对置基板2601外部设置偏光板2606和2607以及漫射板2613。光源包括冷阴极管2610和反射板2611。电路板2612通过柔性布线板2609连接到TFT基板2600的布线电路部分 2608，并包括诸如控制电路和电源电路的外部电路。偏光板和液晶层可叠置，在其间插设延迟板。
对于液晶显示模块，可使用TN (扭曲向列)模式、IPS (面内切换)模式、FFS (边缘场切换)模式、MVA (多域垂直配向)模式、PVA (图案垂直配向)模式、ASM (轴对称排列微单元)模式、OCB (光学补偿双折射)模式、FLC (铁电液晶)模式、AFLC (反铁电液晶)模式等。
通过以上工艺，可制造高度可靠的液晶显示面板作为半导体器件。
该实施方式能与其它实施方式中描述的任意结构适当地组合实施。
实施方式6
在该实施方式中，示出了电子纸的示例作为半导体器件。
图13示出了有源矩阵电子纸，作为半导体器件的示例。用于半导体器件的薄膜晶体管581能以与实施方式3所述的薄膜晶体管类似的方式制造，是高度可靠的薄膜晶体管， 其包括作为半导体层的基于In-Ga-Zn-O的非单晶膜。可选地，可采用实施方式I或2所述的薄膜晶体管作为本实施方式所述的薄膜晶体管581。
图13中的电子纸是利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这样的方法，其中在作为用于显示元件的电极层的第一电极层和第二电极层之间布置均着色为黑色和白色的球形颗粒，并且在第一电极层和第二电极层之间产生电位差，以控制球形颗粒的定向，从而进行显示。
形成在基板580上的薄膜晶体管581具有底栅结构，其中源极和漏极电极层通过在绝缘层583、绝缘层584和绝缘层585中形成的开口电连接到第一电极层587。在第一电极层587与第二电极层588之间设置球形颗粒589。各个球形颗粒589包括黑色区域590a 和白色区域590b、以及在黑色区域590a和白色区域590b周围填充有液体的腔体594。球形颗粒589的周边填充有诸如树脂的填料595 (见图13)。在该实施方式中，第一电极层587 对应于像素电极，第二电极层588对应于公共电极。第二电极层588电连接到设置在与薄膜晶体管581相同的基板580上的公共电位线。第二电极层588和公共电位线通过利用公共连接部布置在一对基板之间的导电颗粒电连接。
另外，可使用电泳元件代替扭转球。使用微胶囊，微胶囊的直径约ΙΟμπι至 200 μ m，填充有透明液体、充正电荷的白色微颗粒以及充负电荷的黑色微颗粒。在设置于第一电极层与第二电极层之间的微胶囊中，当通过第一电极层与第二电极层施加电场时，白色微颗粒和黑色微颗粒移动到彼此相反的侧，从而可显示白色或黑色。利用该原理的显示元件是电泳显示元件，并且通称为电子纸。电泳显示元件的反射率高于液晶显示元件，从而不需要辅助光。而且，功耗较低且即使在昏暗的地方也能识别显示部分。另外，即使在不向显示部供应能量时也能保持曾经显示的图像。从而，即使具有显示功能的半导体器件(也简称为显示器件或设有显示器件的半导体器件)与电波源分离，也能存储显示的图像。
通过以上工艺，可制造高度可靠的电子纸作为半导体器件。
该实施方式能与其它实施方式中描述的任意结构适当地组合实施。
实施方式7
该实施方式描述了发光显示器件的示例作为半导体器件。作为显示器件的显示元件的示例，这里使用利用电致发光的发光元件。根据发光材料是有机化合物或无机化合物对利用电致发光的发光元件分类。通常，前者称为有机EL元件，后者称为无机EL元件。
在有机EL元件中，通过向发光元件施加电压，电子和空穴从一对电极单独注入到含有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)重新组合，从而激发发光有机化合物。当发光有机化合物从激发态回到基态时发光。由于该机制，这类发光元件称为电流激发发光元件。
无机EL元件根据它们的元件结构分为散布型无机EL元件和薄膜型无机EL元件。 散布型无机EL元件具有发光层，其中发光材料的颗粒散布在结合剂中，其发光机制是利用施主电平和受主电平的施主_受主重组式发光。薄膜型无机EL元件具有这样的结构，即， 在介电层之间夹持发光层，介电层被进一步夹持在电极之间，并且薄膜型无机EL元件的发光机制是利用金属离子的内壳层电子跃迁的局部式发光。注意，利用有机EL元件作为发光元件进行描述。
图20示出了可应用数字时间灰度驱动的像素结构的示例，作为半导体器件的示例。
描述可应用数字时间灰度驱动的像素的结构和操作。在该示例中，一个像素包括两个η沟道晶体管，在各个晶体管中沟道形成区域包括氧化半导体层(基于In-Ga-Zn-O的非单晶膜)。
像素6400包括开关晶体管6401、驱动晶体管6402、发光元件6404和电容器6403。 开关晶体管6401的栅极连接到扫描线6406，开关晶体管6401的第一电极(源极电极和漏极电极中的一个)连接到信号线6405，开关晶体管6401的第二电极(源极电极和漏极电极中的另一个)连接到驱动晶体管6402的栅极。驱动晶体管6402的栅极通过电容器6403连接到电源线6407，驱动晶体管6402的第一电极连接到电源线6407，驱动晶体管6402的第二电极连接到发光元件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电连接到形成在一个基板上的公共电位线。
发光元件6404的第二电极(公共电极6408)设定为低电源电位。低电源电位是在设定于电源线6407的高电源电位为基准时满足低电源电位〈高电源电位的电位。作为低电源电位，例如可使用GND、0V等。高电源电位与低电源电位之间的电位差施加于发光元件 6404，并且将电流提供到发光元件6404，使得发光元件6404发光。这里，为了使发光元件 6404发光，设定各个电位，使得高电源电位与低电源电位之间的电位差大于或等于发光元件6404的正向阈值电压。
注意，驱动晶体管6402的栅极电容器可用于替代电容器6403，从而可省去电容器 6403。驱动晶体管6402的栅极电容可形成在沟道区域与栅极电极之间。
在电压输入电压驱动方法的情况下，向驱动晶体管6402的栅极输入视频信号，使得驱动晶体管6402处于充分接通和关闭的两种状态的任一状态下。即，驱动晶体管6402 在线性区域内操作。为了使驱动晶体管6402在线性区域内操作，向驱动晶体管6402的栅极施加比电源线6407的电压高的电压。注意，向信号线6405施加高于或等于驱动晶体管 6402的电源线的电压+Vth的电压。
在进行模拟灰度驱动而不是数字时间灰度驱动的情况下，可通过改变信号输入使用与图20相同的像素结构。
在进行模拟灰度驱动的情况下，向驱动晶体管6402的栅极施加高于或等于驱动晶体管6402的发光元件6404的正向电压+Vth的电压。发光元件6404的正向电压指的是获得期望亮度的电压，并至少包括正向阈值电压。驱动晶体管6402在饱和区域内工作所用的视频信号被输入，从而可向发光元件6404供应电流。为了使驱动晶体管6402在饱和区域内工作，电源线6407的电位设定为高于驱动晶体管6402的栅极电位。在使用模拟视频信号时，可以根据视频信号向发光元件6404供应电流，并进行模拟灰度驱动。
注意，图20所示的像素结构不限于此。例如，开关、电阻器、电容器、晶体管、逻辑电路等可添加到图20所示的像素。
接着，参照图21A至21C描述发光元件的结构。这里通过以η沟道驱动TFT为例描述像素的剖面结构。图21Α、21Β和21C所示的用作半导体器件所用的驱动TFT的TFT 7001、7011和7021能以与实施方式3所述的薄膜晶体管类似的方式制造。TFT 7001,7011 和7021是高度可靠的薄膜晶体管，均包括作为半导体层的基于In-Ga-Zn-O的非单晶膜。可选地，可采用实施方式I或2所述的薄膜晶体管作为TFT 7001,7011和7021。
为了提取从发光元件发出的光，阳极和阴极的至少一个可以是透明的。薄膜晶体管和发光元件形成在基板上。发光元件可具有顶部发射结构，其中通过与基板相对的表面提取光发射；底部发射结构，其中通过基板侧上的表面提取光发射；或者双发射结构，其中通过与基板相对的表面和基板侧上的表面提取光发射。像素结构可应用到具有任意的这些发射结构的发光元件。
参照图21Α描述具有顶部发射结构的发光元件。
图21Α是在用作驱动TFT的TFT 7001是η沟道TFT，并且发光元件7002中产生的光被发射经过阳极7005的情况下，像素的剖面图。在图21Α中，发光元件7002的阴极 7003电连接到用作驱动TFT的TFT 7001，发光层7004和阳极7005按该顺序叠置在阴极 7003上。阴极7003可利用多种导电材料中的任意导电材料形成，只要其具有低功函并且反射光即可。例如，优选使用Ca、Al、CaF、MgAg、AlLi等。发光层7004可利用单层或叠置多个层而形成。当发光层7004通过叠置多个层形成时，通过将电子注入层、电子传输层、发光层、空穴传输层、和空穴注入层按该顺序叠置在阴极7003上而形成发光层7004。不必形成这些层中的全部。阳极7005利用透光导电材料形成，例如以下的透光导电膜，诸如可使用含有氧化钨的氧化铟、含有氧化钨的氧化铟锌、含有氧化钛的氧化铟、含有氧化钛的氧化铟锡、氧化铟锡(下文称为ΙΤ0)、氧化铟锌、或者添加了氧化硅的氧化铟锡的膜。
发光元件7002对应于阴极7003和阳极7005夹持发光层7004的区域。在图21A 所示的像素的情况下，从发光元件7002向阳极7005侧发光，如箭头所示。
接着，参照图2IB描述具有底部发射结构的发光元件。图2IB是在驱动TFT 7001 是η沟道TFT，并且发光元件7012中产生的光被发射到阴极7013侧的情况下，像素的剖面图。在图21Β中，发光元件7012的阴极7013形成在透光导电膜7017上，透光导电膜7017 电连接到驱动TFT 7011，发光层7014和阳极7015按该顺序叠置在阴极7013上。当阳极 7015具有透光性时，可以将用于反射光或阻挡光的阻光膜7016形成为覆盖阳极7015。如图21Α中的情况那样，阴极7013可利用多种导电材料中的任意材料形成，只要其具有低功函即可。注意，阴极7013形成为具有可透射光的厚度(优选地,约5nm至30nm)。例如,厚度为20nm的铝膜可用作阴极7013。如图21A的情况那样，发光层7014可利用单层或通过叠置多个层而形成。如图21A的情况那样，阳极7015不需要透射光，但是可利用透光导电材料形成。对于阻光膜7016，例如可使用反射光的金属等；然而，阻光膜7016不限于金属膜。 例如，可使用添加黑色颜料的树脂等。
发光元件7012对应于阴极7013和阳极7015夹持发光层7014的区域。在图21B 所示的像素的情况下，从发光元件7012向阴极7013侧发光，如箭头所示。
接着，参照图21C描述具有双发射结构的发光元件。在图21C中，发光元件7022 的阴极7023形成在透光导电膜7027上，透光导电膜7027电连接到驱动TFT 7021，发光层 7024和阳极7025按该顺序叠置在阴极7023上。如图2IA中的情况那样，阴极7023可利用多种导电材料中的任意材料形成，只要其具有低功函即可。注意，阴极7023形成为具有可透射光的厚度。例如，厚度为20nm的Al膜可用作阴极7023。如图21A的情况那样，发光层7024可利用单层或通过叠置多个层而形成。如图21A的情况那样，阳极7025可利用透光导电材料形成。
发光元件7022对应于阴极7023、发光层7024和阳极7025彼此重叠的区域。在图21C所示的像素的情况下，从发光元件7022向阳极7025侧和阴极7023侧发光，如箭头所示。
尽管有机EL元件在这里描述为发光元件，可选地，也可以将无机EL元件设置为发光元件。
注意，该实施方式描述了这样的示例，其中控制发光元件的驱动的薄膜晶体管(驱动TFT)电连接到发光元件；然而，可以利用在驱动TFT与发光元件之间连接电流控制TFT 的结构。
该实施方式所描述的半导体器件不限于图21A至21C所示的结构，并可基于本说明书中公开的技术精神以各种方式修改。
接着，参照图24A和24B描述对应于半导体器件一个实施方式的发光显示面板(也称为发光面板)的外观和剖面。图24A是面板的俯视图，其中形成在第一基板上的薄膜晶体管和发光元件用密封剂密封在第一基板与第二基板之间，图24B是沿着图24A的H-I截取的剖面图。
密封剂4505设置成包围设置在第一基板4501上的像素部分4502、信号线驱动电路4503a和4503b、以及扫描线驱动电路4504a和4504b。此外，第二基板4506设置在像素部分4502、信号线驱动电路4503a和4503b、以及扫描线驱动电路4504a和4504b上。从而， 像素部分4502、信号线驱动电路4503a和4503b、以及扫描线驱动电路4504a和4504b通过第一基板4501、密封剂4505和第二基板4506，与填料4507 —起密封。这样，优选的是像素部分4502、信号线驱动电路4503a和4503b、以及扫描线驱动电路4504a和4504b利用保护膜(例如附接膜或可紫外线固化的树脂膜)或具有高气密性且很少脱气的覆盖材料封装(密封)，使得像素部分4502、信号线驱动电路4503a和4503b、以及扫描线驱动电路4504a和 4504b不暴露于外部空气。
设置在第一基板4501上的像素部分4502、信号线驱动电路4503a和4503b、以及扫描线驱动电路4504a和4504b均包括多个薄膜晶体管,在图24B中示出了作为示例的像素部分4502中包括的薄膜晶体管4510和信号线驱动电路4503a中包括的薄膜晶体管 4509。
作为薄膜晶体管4509和4510，可使用实施方式3所述的高度可靠的薄膜晶体管，其包括基于In-Ga-Zn-O的非单晶膜作为半导体层。可选地，可使用实施方式I或2所述的薄膜晶体管作为薄膜晶体管4509和4510。在该实施方式中，薄膜晶体管4509和4510均为 η沟道薄膜晶体管。
另外，附图标记4511表示发光元件。发光元件4511中包括的作为像素电极的第一电极层4517电连接到薄膜晶体管4510的源极电极层和漏极电极层。注意，尽管发光元件4511具有第一电极层4517、电致发光层4512和第二电极层4513的叠置结构，但发光元件4511的结构不限于该实施方式中所述的结构。发光元件4511的结构可根据从发光元件 4511提取光的方向等而适当改变。
分隔件4520利用有机树脂膜、无机绝缘膜或有机聚硅氧烷形成。特别优选的是， 分隔件4520利用感光材料形成以在第一电极层4517上具有开口，从而将开口的侧壁形成为具有连续曲率的倾斜表面。
电致发光层4512可利用单层或通过叠置多个层而形成。
为了防止氧、氢、湿气、二氧化碳等进入发光元件4511，可在第二电极层4513和分隔件4520上形成保护膜。作为保护膜，可形成氮化硅膜、氧氮化硅膜、DLC膜等。
此外，从FPC 4518a和4518b向信号线驱动电路4503a和4503b、扫描线驱动电路 4504a和4504b或者像素部分4502供应多种信号和电位。
在该实施方式中，利用与发光兀件4511中含有的第一极层4517相同的导电膜形成连接端子电极4515。利用与薄膜晶体管4509和4510中含有的源极电极层和漏极电极层相同的导电膜形成端子电极4516。注意，在n+层4525和半导体层4526上形成连接端子电极4515和端子电极4516。
连接端子电极4515通过各向异性的导电膜4519电连接到FPC4518a中包括的端子。
沿着从发光元件4511提取光的方向定位的基板需要具有透光性。在该情况下，使用诸如玻璃板、塑料板、聚酯膜或丙烯酸膜的透光材料。
作为填料4507，可使用可紫外线固化的树脂或者热固树脂以及诸如氮或氩的惰性气体。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)、乙烯醋酸乙烯酯(EVA)。在该实施方式中，填料4507使用氮。
此外，在需要时，可以在发光元件的发射表面上适当设置光学膜，例如偏光板、圆形偏光板(包括椭圆偏光板)、延迟板(四分之一波片、半波片)或者滤色器。另外，偏光板或圆形偏光板可设有抗反射膜。例如，可进行抗眩光处理，通过该处理使反射光在表面的凹陷 /突起处散射，从而减少眩光。
作为信号线驱动电路4503a和4503b以及扫描线驱动电路4504a和4504b，可安装驱动电路，所述驱动电路利用单晶半导体膜或多晶半导体膜在单独制备的基板上形成。此外，仅信号线驱动电路或仅其一部分，或者仅扫描线驱动电路或仅其一部分可单独形成和安装。该实施方式不限于图24A和24B所示的结构。
通过以上工艺，可制造高度可靠的发光显示器件(显示面板)作为半导体器件。
该实施方式能与其它实施方式中描述的任意结构适当地组合实施。
实施方式8
该说明书中公开的半导体器件可应用为电子纸。电子纸可用于显示信息的各个领域的电子电器。例如，电子纸可用于电子书籍(电子书)、海报、在诸如火车的车辆中的广告、 在诸如信用卡的各种卡中的显示等等。这类电子电器的示例在图25A和25B以及图26中示出。
图25A示出了利用电子纸形成的海报2631。如果广告介质是印刷纸，则用人工替换广告；然而，当使用本说明书中公开的电子纸时，可在短时间内改变广告显示。而且，可在不劣化显示的情况下获得稳定的图像。注意，海报可无线地发送和接收信息。
图25B示出了在诸如火车的车辆中的广告2632。如果广告介质是印刷纸，则用人工替换广告；然而，当使用本说明书中公开的电子纸时，可在短时间内改变广告显示而不需要大量人力。而且，可在不劣化显示的情况下获得稳定的图像。注意，广告可无线地发送和接收信息。
图26示出了电子书2700的示例。例如，电子书2700包括两个机壳机壳2701和机壳2703。机壳2701和机壳2703通过轴部2711彼此结合，可沿着轴部2711打开和关闭电子书2700。通过该结构，实现了与纸书相同的操作。
显示部2705结合在机壳2701中，显示部2707结合在机壳2703中。显示部2705 和2707可显示一系列图像，或者显示不同的图像。通过在不同显示部中显示不同图像的结构，例如右显示部(图26中的显示部2705)可显示文本，左显示部(图26中的显示部2707)可显示图像。
图26示出了机壳2701设有操作部等的示例。例如，机壳2701设有电源2721、操作键2723、扬声器2725等。可利用操作键2723翻动页面。注意，可以在与机壳的显示部相同的平面上设置键盘、定点装置等。另外，机壳的后表面或侧表面可设有外部连接端子(耳机端子、USB端子、可以与各种线缆(例如AC转接器或USB线缆)连接的端子等)、存储介质插入部等等。而且，电子书2700可具有电子词典的功能。
另外，电子书2700可无线地发送和接收信息。可以从电子书服务器无线地购买和下载期望的书本数据等。
实施方式9
该说明书中公开的半导体器件可应用于多种电子电器(包括游戏机)。作为电子电器，例如存在电视装置(也称为TV或电视接收器)、用于计算机等的监视器、数字照相机、数字摄像机、数字相框、蜂窝式电话(也称为移动电话或便携式电话装置)、便携式游戏机、便携式信息终端、音频重放装置、诸如弹球盘机的大型游戏机、等等。
图27A示出了电视装置9600的示例。显示部9603结合在电视装置9600的机壳 9601中。显示部9603可显示图像。这里，机壳9601被支撑在支座9605上。
可通过机壳9601的操作开关或单独的远程控制器9610操作电视装置9600。可利用远程控制器9610的操作键9609控制频道和音量，并且可控制显示部9603中显示的图像。而且，远程控制器9610可具有显示部9607，在该显示部中显示从远程控制器9610输出的信息。
注意，电视装置9600设有接收器、调制解调器等。通过利用接收器，可接收通常的电视广播。而且，当显示装置经由调制解调器有线或无线地连接到通信网络时，可以进行单向(从发送器到接收器)或双向(在发送器与接收器之间、在接收器之间、等等)的信息通信。
图27B示出了数字相框9700的示例。例如，显示部9703结合在数字相框9700的机壳9701中。显示部9703可显示多种图像。例如，显示由数字照相机等获取的图像数据， 使得数字相框能以类似于普通图片框的方式起作用。
注意，数字相框9700设有操作部、外部连接端子(例如USB端子、可以与各种线缆 (包括USB线缆)连接的端子等)、存储介质插入部等等。这些结构可结合在与显示部相同的平面上，然而因设计的改进，它们优选设置在显示部的侧表面或后表面上。例如，包括由数字照相机获取的图像数据的存储器插入数字相框的存储介质插入部中，并且输入图像数据。然后，输入的图像数据可显示在显示部9703中。
数字相框9700可无线地发送和接收信息。在这种情况下，期望的图像数据能无线地输入数字相框9700中，并可在其中显示。
图28A示出了便携式游戏机，其包括利用连接器9893结合从而可打开和关闭的机壳9881和机壳9891。显示部9882结合在机壳9881中，显示部9883结合在机壳9891中。 图28A中所示的便携式游戏机还包括扬声器部9884、存储介质插入部9886、LED灯9890、输入装置(操作键9885、连接端子9887、传感器9888 (包括测量力、位移、位置、速度、加速度、 角速度、转数、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、福射、流速、湿度、倾角、振动、气味或红外线的功能)、以及麦克风9889)、等等。毫无疑问，便携式游戏机的结构不限于以上，可以是任何结构，只要设置本说明书中公开的至少一个半导体器件即可。而且，可以适当地设置另一附件。图28A所示的便携式游戏机具有读出 存储在存储介质中的程序或数据以将其显示在显示部上的功能；以及通过无线通信与另一便携式游戏机共享信息的功能。图28A所示的便携式游戏机的功能不限于此，便携式游戏机可具有多种功能。
图28B示出了作为大型游戏机的自动贩卖机(slot machine) 9900的示例。显示部9903结合在自动贩卖机9900的机壳9901中。自动贩卖机9900还包括操作装置，例如启动杆或停止开关、投币槽、扬声器等。毫无疑问，自动贩卖机9900的结构不限于上述，可以是任何结构，只要设置本说明书中公开的至少一个半导体器件即可。而且，可以适当地设置其它附件。
图29A示出了蜂窝式电话1000的示例。蜂窝式电话1000包括结合有显示部1002 的机壳1001，还包括操作按钮1003、外部连接端口 1004、扬声器1005、麦克风1006等等。
可通过用手指等触碰显示部1002而向图29A所示的蜂窝式电话1000输入信息。 而且，可通过用手指等触碰显示部1002而进行诸如打电话或编辑消息的操作。
显示部1002主要有三种屏幕模式。第一模式是主要用于显示图像的显示模式。第二模式是主要用于输入诸如文本的信息的输入模式。第三模式是混合显不模式和输入模式这两种模式的显示_输入模式。
例如，在打电话或编辑消息的情况下，显示部1002设定在主要进行文本输入的文本输入模式，并可以在屏幕上进行文本输入操作。在这种情况下，优选在显示部1002的几乎整个屏幕上显示键盘或数字按钮。
当在蜂窝式电话1000内设置包括用于检测倾斜的传感器(例如陀螺仪或加速度传感器)的检测装置时，可通过判断蜂窝式电话1000的方向(蜂窝式电话1000是水平放置还是垂直放置以用于风景模式或人像模式)自动切换显示部1002的屏幕中的显示。
另外，通过触碰显示部1002或操作机壳1001的操作按钮1003而切换屏幕模式。可选地，可根据显示部1002中显示的图像的种类而切换屏幕模式。例如，当显示部中显示的图像所用的信号是运动图像的数据时，屏幕模式切换为显示模式。当信号是文本数据时， 屏幕模式切换至输入模式。
而且，在输入模式中，当在检测到通过显示部1002中的光学传感器检测到信号的同时在指定时段内未通过触碰显示部1002而进行输入时，可控制屏幕模式从输入模式切换为显示模式。
显示部1002还可用作图像传感器。例如，通过用手掌或手指触碰显示部1002而获取掌纹、指纹等的图像，从而可进行个人认证。另外，当发射近红外线的背光或发射近红外线的感测光源设置在显示部中时，可以摄取手指血管、手掌血管等。
图29B也示出了蜂窝式电话的示例。图29B的蜂窝式电话包括显示器件9410， 其在机壳9411中具有显示部9412和操作按钮9413 ;以及通信装置9400，其在机壳9401中具有操作按钮9402、外部输入端子9403、麦克风9404、扬声器9405、以及在收到电话呼叫时发光的发光部9406。具有显示功能的显示器件9410可沿箭头所示的两个方向从具有通话功能的通信装置9400拆下或附接到通信装置9400。从而，显示器件9410和通信装置9400 可沿着相应的短轴或长轴彼此附接。可选地，在仅需要显示功能的情况下，将显示器件9410 从通信装置9400拆下，然后可仅使用显示器件9410。在各自包括可充电电池的通信装置 9400与显示器件9410之间可通过无线通信或有线通信发送和接收图像或输入信息。
该申请基于2008年10月24日提交给日本专利局的日本专利申请No. 2008-274520， 其全部内容通过引用结合于此。
权利要求
1.一种半导体器件，包括 栅极电极层； 在所述栅极电极层之上的栅极绝缘层； 在所述栅极绝缘层之上的第一氧化物半导体膜，所述第一氧化物半导体膜包括氧和金属；以及 在所述第一氧化物半导体膜之上的源极电极层和漏极电极层，所述源极电极层和所述漏极电极层中的每一个包括彼此相对的内边缘， 其中所述第一氧化物半导体膜包括与所述源极电极层的内边缘重叠的第一区域、与所述漏极电极层的内边缘重叠的第二区域、以及在所述第一区域和所述第二区域之间的第三区域， 其中所述第三区域的厚度比所述第一区域和所述第二区域的厚度薄， 其中所述第三区域包括与所述源极电极层和所述漏极电极层的内边缘中的一个相邻的倾斜表面，并且 其中所述倾斜表面的锥角小于所述源极电极层和所述漏极电极层的内边缘的锥角中的一个。
2.根据权利要求I所述的半导体器件，还包括 在所述第一氧化物半导体膜和所述源极电极层之间的第二氧化物半导体膜；以及 在所述第一氧化物半导体膜和所述漏极电极层之间的第三氧化物半导体膜。
3.根据权利要求I所述的半导体器件， 其中所述第一氧化物半导体膜与所述源极电极层和所述漏极电极层接触。
4.根据权利要求I所述的半导体器件， 其中所述倾斜表面是弯曲的。
5.一种半导体器件，包括 栅极电极层； 在所述栅极电极层之上的栅极绝缘层； 在所述栅极绝缘层之上的第一氧化物半导体膜，所述第一氧化物半导体膜包括氧和金属；以及 在所述第一氧化物半导体膜之上的源极电极层和漏极电极层，所述源极电极层和所述漏极电极层中的每一个包括彼此相对的内边缘， 其中所述第一氧化物半导体膜包括与所述源极电极层的内边缘重叠的第一区域、与所述漏极电极层的内边缘重叠的第二区域、以及在所述第一区域和所述第二区域之间的第三区域， 其中所述第三区域的厚度比所述第一区域和所述第二区域的厚度薄，并且 其中所述第三区域包括弯曲的表面。
6.根据权利要求5所述的半导体器件，还包括 在所述第一氧化物半导体膜和所述源极电极层之间的第二氧化物半导体膜；以及 在所述第一氧化物半导体膜和所述漏极电极层之间的第三氧化物半导体膜。
7.根据权利要求5所述的半导体器件， 其中所述第一氧化物半导体膜与所述源极电极层和所述漏极电极层接触。
8.一种半导体器件，包括 栅极电极层； 在所述栅极电极层之上的栅极绝缘层； 在所述栅极绝缘层之上的第一氧化物半导体膜，所述第一氧化物半导体膜包括氧和金属；以及 在所述第一氧化物半导体膜之上的源极电极层和漏极电极层，所述源极电极层和所述漏极电极层中的每一个包括彼此相对的内边缘， 其中所述第一氧化物半导体膜包括与所述源极电极层的内边缘重叠的第一区域、与所述漏极电极层的内边缘重叠的第二区域、以及在所述第一区域和所述第二区域之间的第三区域， 其中所述第三区域的厚度比所述第一区域和所述第二区域的厚度薄， 其中所述第三区域包括与所述源极电极层和所述漏极电极层的内边缘中的一个相邻的倾斜表面， 其中所述倾斜表面的锥角小于所述源极电极层和所述漏极电极层的内边缘的锥角中的一个，并且 其中所述源极电极层的外边缘、所述漏极电极层的外边缘和所述第一氧化物半导体膜的外边缘中的至少一个包括弯曲的表面。
9.根据权利要求8所述的半导体器件，还包括 在所述第一氧化物半导体膜和所述源极电极层之间的第二氧化物半导体膜；以及 在所述第一氧化物半导体膜和所述漏极电极层之间的第三氧化物半导体膜。
10.根据权利要求8所述的半导体器件， 其中所述第一氧化物半导体膜与所述源极电极层和所述漏极电极层接触。
11.根据权利要求8所述的半导体器件， 其中所述倾斜表面是弯曲的。
12.—种半导体器件，包括 栅极电极层； 在所述栅极电极层之上的栅极绝缘层； 在所述栅极绝缘层之上的第一氧化物半导体膜，所述第一氧化物半导体膜包括氧和金属； 在所述第一氧化物半导体膜之上的源极电极层和漏极电极层，所述源极电极层和所述漏极电极层中的每一个包括彼此相对的内边缘，以及 覆盖所述源极电极层、所述漏极电极层和所述第一氧化物半导体膜的绝缘膜， 其中所述第一氧化物半导体膜包括与所述源极电极层的内边缘重叠的第一区域、与所述漏极电极层的内边缘重叠的第二区域、以及在所述第一区域和所述第二区域之间的第三区域， 其中所述第三区域的厚度比所述第一区域和所述第二区域的厚度薄， 其中所述第三区域包括与所述源极电极层和所述漏极电极层的内边缘中的一个相邻的倾斜表面， 其中所述倾斜表面的锥角小于所述源极电极层和所述漏极电极层的内边缘的锥角中的一个，并且 其中所述绝缘膜与所述第三区域接触。
13.根据权利要求12所述的半导体器件，还包括 在所述第一氧化物半导体膜和所述源极电极层之间的第二氧化物半导体膜；以及 在所述第一氧化物半导体膜和所述漏极电极层之间的第三氧化物半导体膜。
14.根据权利要求12所述的半导体器件， 其中所述第一氧化物半导体膜与所述源极电极层和所述漏极电极层接触。
15.根据权利要求12所述的半导体器件， 其中所述倾斜表面是弯曲的。
16.根据权利要求12所述的半导体器件， 其中所述绝缘膜包括氧和硅。
17.根据权利要求12所述的半导体器件， 其中所述绝缘膜包括氮和硅。
18.根据权利要求12所述的半导体器件， 其中所述绝缘膜包括氧、氮和硅。
19.根据权利要求12所述的半导体器件， 其中所述第一氧化物半导体膜包括铟、镓和锌。
20.—种半导体器件，包括 栅极电极层； 在所述栅极电极层之上的栅极绝缘层； 在所述栅极绝缘层之上的第一氧化物半导体膜，所述第一氧化物半导体膜包括氧和金属； 在所述第一氧化物半导体膜之上的源极电极层和漏极电极层，所述源极电极层和所述漏极电极层中的每一个包括彼此相对的内边缘，以及 覆盖所述源极电极层、所述漏极电极层和所述第一氧化物半导体膜的绝缘膜， 其中所述第一氧化物半导体膜包括与所述源极电极层的内边缘重叠的第一区域、与所述漏极电极层的内边缘重叠的第二区域、以及在所述第一区域和所述第二区域之间的第三区域， 其中所述第三区域的厚度比所述第一区域和所述第二区域的厚度薄， 其中所述第三区域包括与所述源极电极层和所述漏极电极层的内边缘中的一个相邻的倾斜表面， 其中所述倾斜表面的锥角小于所述源极电极层和所述漏极电极层的内边缘的锥角中的一个， 其中所述源极电极层的外边缘、所述漏极电极层的外边缘和所述第一氧化物半导体膜的外边缘中的至少一个包括弯曲的表面， 其中所述绝缘膜与所述第三区域接触，并且 其中所述绝缘膜与所述源极电极层、所述漏极电极层和所述第一氧化物半导体膜的外边缘接触。
21.根据权利要求20所述的半导体器件，还包括在所述第一氧化物半导体膜和所述源极电极层之间的第二氧化物半导体膜；以及在所述第一氧化物半导体膜和所述漏极电极层之间的第三氧化物半导体膜。
22.根据权利要求20所述的半导体器件，其中所述第一氧化物半导体膜与所述源极电极层和所述漏极电极层接触。
23.根据权利要求20所述的半导体器件，其中所述倾斜表面是弯曲的。
24.根据权利要求20所述的半导体器件，其中所述绝缘膜包括氧和硅。
25.根据权利要求20所述的半导体器件，其中所述绝缘膜包括氮和硅。
26.根据权利要求20所述的半导体器件，其中所述绝缘膜包括氧、氮和硅。
27.根据权利要求20所述的半导体器件，其中所述第一氧化物半导体膜包括铟、镓和锌。
全文摘要
本发明涉及半导体器件的制造方法。本发明的一个目的在于以通过减少曝光掩模数量而简化光刻处理的方式制造成本低、生产率高的包括氧化物半导体的半导体器件。在包括沟道蚀刻反向交错薄膜晶体管的半导体器件的制造方法中，使用利用多色调掩模形成的掩模层蚀刻氧化物半导体膜和导电膜，多色调掩模是通过其光透射成具有多种光强的曝光掩模。在蚀刻步骤中，通过使用蚀刻气体的干蚀刻进行第一蚀刻步骤，通过使用蚀刻剂的湿蚀刻进行第二蚀刻步骤。
文档编号G02F1/1368GK102945862SQ20121033203
公开日2013年2月27日 申请日期2009年10月23日 优先权日2008年10月24日
发明者伊藤俊一, 细羽幸, 須沢英臣, 笹川慎也, 村冈大河 申请人:株式会社半导体能源研究所