半导体装置及其制造方法.pdf

本发明提供一种半导体装置及其制造方法，其中，在将氧化物半导体用作激活层的薄膜晶体管中，防止用作激活层的氧化物半导体区的组成、膜质或界面等的变化，且使薄膜晶体管的电特性稳定。在将第一氧化物半导体区用作激活层的薄膜晶体管中，在第一氧化物半导体区和薄膜晶体管的保护绝缘层之间形成其电导率低于第一氧化物半导体的电导率的第二氧化物半导体区，该第二氧化物半导体区用作第一氧化物半导体区的保护层，而可以防止第一氧化物半导体区的组成的变化和膜质的劣化，且使薄膜晶体管的电特性稳定。

1.  一种半导体装置，包括：
衬底上的栅电极；
在所述栅电极上的栅极绝缘层；
所述栅极绝缘层上的源电极及漏电极；
所述源电极及所述漏电极上的第一氧化物半导体区；以及
所述第一氧化物半导体区上的第二氧化物半导体区，
其中所述第一氧化物半导体区的一部分接触于所述栅极绝缘层且接触于所述源电极及所述漏电极的侧面部，
所述第二氧化物半导体区的电导率低于所述第一氧化物半导体区的电导率，
并且所述第一氧化物半导体区和所述源电极及所述漏电极电连接。

2.  根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述第一氧化物半导体区及所述第二氧化物半导体区分别包含铟、镓、锌和锡中的至少一种。

3.  根据权利要求1所述的半导体装置，其中将所述第一氧化物半导体区和所述第二氧化物半导体区形成为不同的氧化物半导体层。

4.  根据权利要求1所述的半导体装置，其中将所述第一氧化物半导体区和所述第二氧化物半导体区形成在同一氧化物半导体层中。

5.  根据权利要求1所述的半导体装置，还包括被夹在所述第一氧化物半导体区的所述一部分与所述源电极及所述漏电极的侧面部之间的氧化膜。

6.  根据权利要求5所述的半导体装置，其中所述氧化膜通过热氧化、氧等离子体处理或臭氧水处理形成。

7.  根据权利要求1所述的半导体装置，还包括被夹在所述第一氧化物半导体区的所述一部分与所述源电极及所述漏电极的侧面部之间的侧壁绝缘层。

8.  根据权利要求7所述的半导体装置，其中所述侧壁绝缘层使用硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜或氧氮化硅膜形成。

9.  根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述第二氧化物半导体区的电导率为1.0×10^-8S/cm以下。

10.  根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述第二氧化物半导体区的氧空位缺陷浓度低于所述第一氧化物半导体区的氧空位缺陷浓度。

11.  根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述半导体装置是选自海报、广告、电子书籍、电视装置、数字相框、游戏机及电话机中的一种。

12.  一种半导体装置，包括：
衬底上的栅电极；
所述栅电极上的栅极绝缘层；
所述栅极绝缘层上的源电极及漏电极；
所述源电极及所述漏电极上的具有n型导电型的缓冲层；
所述缓冲层上的第一氧化物半导体区；以及
所述第一氧化物半导体区上的第二氧化物半导体区，
其中在所述第一氧化物半导体区的一部分接触于所述栅极绝缘层且接触于所述源电极及所述漏电极的侧面部，
所述缓冲层的载流子浓度高于所述第一氧化物半导体区的载流子浓度，
所述第二氧化物半导体区的电导率低于所述第一氧化物半导体区的电导率，
所述缓冲层的电导率高于所述第一氧化物半导体区的电导率及所述第二氧化物半导体区的电导率，
并且所述第一氧化物半导体区与所述源电极及所述漏电极的上面通过所述缓冲层电连接。

13.  根据权利要求12所述的半导体装置，其中所述第一氧化物半导体区、所述第二氧化物半导体区及所述缓冲层分别包含铟、镓、锌和锡中的至少一种。

14.  根据权利要求12所述的半导体装置，其中所述缓冲层的载流子浓度为1×10¹⁸/cm³以上。

15.  根据权利要求12所述的半导体装置，其中将所述第一氧化物半导体区和所述第二氧化物半导体区形成为不同的氧化物半导体层。

16.  根据权利要求12所述的半导体装置，其中将所述第一氧化物半导体区和所述第二氧化物半导体区形成在同一氧化物半导体层中。

17.  根据权利要求12所述的半导体装置，还包括被夹在所述第一氧化物半导体区的所述一部分与所述源电极及所述漏电极的侧面部之间的氧化膜。

18.  根据权利要求17所述的半导体装置，其中所述氧化膜通过热氧化、氧等离子体处理或臭氧水处理形成。

19.  根据权利要求12所述的半导体装置，还包括被夹在所述第一氧化物半导体区的所述一部分与所述源电极及所述漏电极的侧面部之间的侧壁绝缘层。

20.  根据权利要求19所述的半导体装置，其中所述侧壁绝缘层使用硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜或氧氮化硅膜形成。

21.  根据权利要求12所述的半导体装置，其中所述第二氧化物半导体区的电导率为1.0×10^-8S/cm以下。

22.  根据权利要求12所述的半导体装置，其中所述第二氧化物半导体区的氧空位缺陷浓度低于所述第一氧化物半导体区的氧空位缺陷浓度。

23.  根据权利要求12所述的半导体装置，其中所述半导体装置是选自海报、广告、电子书籍、电视装置、数字相框、游戏机及电话机中的一种。

24.  一种半导体装置，包括：
衬底上的栅电极；
所述栅电极上的栅极绝缘层；
所述栅极绝缘层上的源电极及漏电极；
所述源电极及所述漏电极上的氧化物半导体层；以及
在所述氧化物半导体层的一部分与所述源电极及所述漏电极的侧面部之间的绝缘层，
其中所述氧化物半导体层包含铟、镓、锌和锡中的至少一种，
并且所述氧化物半导体层与所述源电极及所述漏电极电连接。

25.  根据权利要求24所述的半导体装置，其中所述半导体装置是选自海报、广告、电子书籍、电视装置、数字相框、游戏机及电话机中的一种。

26.  一种半导体装置的制造方法，包括如下步骤：
在衬底上形成栅电极；
在所述栅电极上形成栅极绝缘层；
在所述栅极绝缘层上形成导电膜；
对所述导电膜进行蚀刻形成源电极及漏电极；
在所述栅极绝缘层、所述源电极及所述漏电极上通过溅射法形成第一氧化物半导体膜；
在所述第一氧化物半导体膜上通过溅射法形成第二氧化物半导体膜；以及
对所述第一氧化物半导体膜及所述第二氧化物半导体膜进行蚀刻形成第一氧化物半导体区及第二氧化物半导体区，
其中所述第一氧化物半导体区设置为，该第一氧化物半导体区的一部分接触于所述栅极绝缘层且接触于所述源电极及所述漏电极的侧面部，
并且用来形成所述第二氧化物半导体膜的成膜气体中的氧气流量的比率高于用来形成所述第一氧化物半导体膜的成膜气体中的氧气流量的比率。

27.  根据权利要求26所述的半导体装置的制造方法，其中所述第一氧化物半导体膜及所述第二氧化物半导体膜分别包含铟、镓、锌和锡中的至少一种。

28.  根据权利要求26所述的半导体装置的制造方法，其中通过增大所述氧气流量一步形成所述第一氧化物半导体膜和所述第二氧化物半导体膜。

29.  根据权利要求26所述的半导体装置的制造方法，其中用来形成所述第一氧化物半导体膜的成膜气体中的氧气流量的比率低于70体积％，并且用来形成所述第二氧化物半导体膜的成膜气体中的氧气流量的比率为70体积％以上。

半导体装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及使用氧化物半导体的半导体装置、以及使用该半导体装置的显示装置及其制造方法。
近年来，以液晶显示器为代表的液晶显示装置逐渐普遍。作为液晶显示器，通常使用在每个像素中设置有薄膜晶体管(TFT)的有源矩阵型的显示器。在有源矩阵型液晶显示器的薄膜晶体管中使用非晶硅或多晶硅作为激活层。虽然使用非晶硅的薄膜晶体管的场效应迁移率低，但是也可以容易地形成在如大型玻璃衬底的大面积衬底上。另一方面，虽然使用多晶硅的薄膜晶体管的场效应迁移率高，但是因为需要激光退火等晶化工序，所以当在如大型玻璃衬底的大面积衬底上形成时，需要极长的时间。
针对于此，使用氧化物半导体代替上述的硅材料来制造薄膜晶体管，并将其应用于电子器件及光器件的技术受到瞩目。例如，专利文献1及专利文献2公开了使用氧化锌、In-Ga-Zn-O类氧化物半导体作为氧化物半导体层来制造薄膜晶体管，并将它用作图像显示装置的开关元件等的技术。
[专利文献1]日本专利申请公开2007-123861号公报
[专利文献2]日本专利申请公开2007-96055号公报
上述氧化物半导体层的电特性受氧化物半导体层的组成、膜质或界面等的很大影响。而且氧化物半导体层的组成、膜质或界面等由于暴露在大气中或与包含杂质的膜的接触而容易发生变化。
在氧化物半导体层上设置有由以硅为主要成分的氧化物(氧化硅)或氮化物(氮化硅)等构成的保护绝缘层，以防止大气中的氧或水分进入到薄膜晶体管的氧化物半导体层。
但是，仅形成以硅为主要成分的保护绝缘层还不能充分地使氧化物半导体层的组成、膜质或界面等稳定。
另外，由于当对氧化物半导体层进行构图时形成的抗蚀剂掩模或抗蚀剂剥离液与氧化物半导体层的接触，也有氧化物半导体层的膜质或组成发生变化的可能。
如上所述存在如下问题，即：随着氧化物半导体层的组成、膜质或界面等的变化，使用氧化物半导体层的薄膜晶体管的电特性也发生变化。
发明内容
本发明的一个方式的目的在于当形成薄膜晶体管时，将第一氧化物半导体区用作激活层，并在第一氧化物半导体区和薄膜晶体管的保护绝缘层之间形成第二氧化物半导体区，该第二氧化物半导体区的电导率低于第一氧化物半导体区的电导率且用作第一氧化物半导体区的保护层。
本发明的一个方式是一种半导体装置，包括：栅电极层；栅电极层上的栅极绝缘层；栅极绝缘层上的源电极层及漏电极层；源电极层及漏电极层上的第一氧化物半导体区；以及第一氧化物半导体区上的第二氧化物半导体区，其中在源电极层和漏电极层之间第一氧化物半导体区部分地接触于栅极绝缘层和源电极层及漏电极层的侧面部，并且第二氧化物半导体区的电导率低于第一氧化物半导体区的电导率，并且第一氧化物半导体区和源电极层及漏电极层电连接。
本发明的另一个方式是一种半导体装置，包括：栅电极层；栅电极层上的栅极绝缘层；栅极绝缘层上的源电极层及漏电极层；源电极层及漏电极层上的具有n型导电型的缓冲层；具有n型导电型的缓冲层上的第一氧化物半导体区；以及第一氧化物半导体区上的第二氧化物半导体区，其中在源电极层和漏电极层之间第一氧化物半导体区部分地接触于栅极绝缘层和源电极层及漏电极层的侧面部，并且缓冲层的载流子浓度高于第一氧化物半导体区的载流子浓度，并且第二氧化物半导体区的电导率低于第一氧化物半导体区的电导率，并且缓冲层的电导率高于第一氧化物半导体区及第二氧化物半导体区的电导率，并且第一氧化物半导体区和源电极层及漏电极层的上面通过缓冲层电连接。
本发明的另一个方式是一种半导体装置，包括：栅电极层；栅电极层上的栅极绝缘层；栅极绝缘层上的源电极层及漏电极层；以及源电极层及漏电极层上的氧化物半导体层，其中在源电极层和漏电极层之间氧化物半导体层部分地接触于栅极绝缘层和源电极层及漏电极层的侧面部，并且氧化物半导体层是包含铟、镓、锌或锡中的至少一种的氧化物半导体层，并且氧化物半导体层通过绝缘层部分地接触于源电极层和漏电极层的侧面部，并且氧化物半导体层和源电极层及漏电极层电连接。
注意，第一氧化物半导体区、第二氧化物半导体区及缓冲层优选分别包含铟、镓、锌或锡中的至少一种。另外，第二氧化物半导体区的氧空位缺陷浓度(density of oxygen-hole defects)优选低于第一氧化物半导体区的氧空位缺陷浓度。另外，第一氧化物半导体区和第二氧化物半导体区既可以形成为不同氧化物半导体层，又可以形成为同一氧化物半导体层。
注意，第二氧化物半导体区的电导率优选为1.0×10^-8S/cm以下。另外，缓冲层的载流子浓度优选为1×10¹⁸/cm³以上。
另外，优选第一氧化物半导体区通过氧化膜部分地接触于源电极层及漏电极层的侧面部。另外，氧化膜优选通过热氧化、氧等离子体处理或臭氧水处理形成。
另外，优选第一氧化物半导体区通过侧壁绝缘层部分地接触于源电极层及漏电极层的侧面部。另外，侧壁绝缘层优选使用硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜或氧氮化硅膜形成。
本发明的另一个方式是一种半导体装置的制造方法，包括如下步骤：在衬底上形成栅电极层；在栅电极层上形成栅极绝缘层；在栅极绝缘层上形成导电膜；对导电膜进行蚀刻形成源电极层及漏电极层；在栅极绝缘层、源电极层及漏电极层上通过溅射法形成第一氧化物半导体膜；在第一氧化物半导体膜上通过溅射法形成第二氧化物半导体膜；以及对第一氧化物半导体膜及第二氧化物半导体膜进行蚀刻形成第一氧化物半导体区及第二氧化物半导体区，其中将第一氧化物半导体区设置为在源电极层和漏电极层之间该第一氧化物半导体区部分地接触于栅极绝缘层和源电极层及漏电极层的侧面部，并且使用来形成第二氧化物半导体膜的成膜气体中的氧气流量的比率高于用来形成第一氧化物半导体膜的成膜气体中的氧气流量的比率。
注意，第一氧化物半导体膜及第二氧化物半导体膜优选包含铟、镓、锌或锡中的至少一种。另外，也可以通过在增大氧气流量的同时一步形成第一氧化物半导体膜和第二氧化物半导体膜。另外，用来形成第一氧化物半导体膜的成膜气体中的氧气流量的比率优选为低于70体积％，并且用来形成第二氧化物半导体膜的成膜气体中的氧气流量的比率优选为70体积％以上。
注意，为了方便起见附加了第一、第二等序数词，其并不表示工序顺序或层叠顺序。另外，在本说明书中不表示用来特定发明的事项的固有名词。
注意，在本说明书中半导体装置是指能够通过利用半导体特性而工作的所有装置，电光学装置、半导体电路及电子设备都是半导体装置。
根据本发明的一个方式，在将第一氧化物半导体区用作激活层的薄膜晶体管中，通过在第一氧化物半导体区和薄膜晶体管的保护绝缘层之间形成其电导率低于第一氧化物半导体区的电导率并用作保护层的第二氧化物半导体区，该第二氧化物半导体区可以防止第一氧化物半导体区的组成的变化和膜质的劣化并使薄膜晶体管的电特性稳定。
通过将该薄膜晶体管用于显示装置的像素部及驱动电路部，可以提供电特性高且可靠性良好的显示装置。
附图说明
图1A和1B是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的图；
图2A至2D是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的制造方法的图；
图3A至3C是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的制造方法的图；
图4是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的制造方法的图；
图5是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的制造方法的图；
图6是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的制造方法的图；
图7是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的制造方法的图；
图8A-1和8A-2、8B-1和8B-2是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的图；
图9是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的图；
图10是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的图；
图11A至11C是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的制造方法的图；
图12是表示氧化物半导体层的电导率的测量结果的图表；
图13是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的图；
图14A和14B是说明半导体装置的框图的图；
图15是说明信号线驱动电路的结构的图；
图16是说明信号线驱动电路的工作的时序图；
图17是说明信号线驱动电路的工作的时序图；
图18是说明移位寄存器的结构的图；
图19是说明图18所示的触发器的连接结构的图；
图20是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的像素等效电路的图；
图21A至21C是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的图；
图22A-1和22A-2、22B是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的图；
图23是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的图；
图24A和24B是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的图；
图25A和25B是说明电子纸的使用方式的例子的图；
图26是示出电子书籍的一例的外观图；
图27A和27B是示出电视装置及数字相框的例子的外观图；
图28A和28B是示出游戏机的例子的外观图；
图29A和29B是示出移动电话机的一例的外观图；
图30A和30B是说明根据本发明的一个方式的半导体装置的图。
具体实施方式
参照附图对本发明的实施方式及实施例进行详细说明。但是，本发明不局限于以下的说明，所属技术领域的普通技术人员可以很容易地理解一个事实就是，其方式及详细内容在不脱离本发明的宗旨及其范围内的情况下可以被变化为各种各样的形式。因此，本发明不应当被解释为仅限定在以下所示的实施方式所记载的内容中。注意，在以下说明的实施方式及实施例的结构中，在不同附图中的使用相同的附图标记表示相同部分或具有相同功能的部分，并且省略重复说明。
(实施方式1)
在本实施方式中，使用图1A和1B说明薄膜晶体管的结构。
图1A和1B示出本实施方式的底栅结构的薄膜晶体管。图1A是截面图，图1B是平面图。图1A是沿着图1B中的线A1-A2的截面图。
在图1A和1B所示的薄膜晶体管中，在衬底100上设置有栅电极层101，在栅电极层101上设置有栅极绝缘层102，在栅极绝缘层102上设置有源电极层或漏电极层105a、105b，在栅极绝缘层102和源电极层或漏电极层105a、105b上设置有第一氧化物半导体区103，在第一氧化物半导体区103上设置有其电导率低于第一氧化物半导体区103的第二氧化物半导体区104。注意，第一氧化物半导体区103和第二氧化物半导体区104既可以一起形成在同一氧化物半导体层中，又可以作为不同氧化物半导体层分别形成。另外，在第一氧化物半导体区103和第二氧化物半导体区104之间也可以存在其电导率逐渐地或连续地变化的氧化物半导体的中间区。另外，氧化物半导体中间区既可以与第一氧化物半导体区103及第二氧化物半导体区104一起形成在同一氧化物半导体层中，又可以形成与第一氧化物半导体区103及第二氧化物半导体区104不同的氧化物半导体层。
栅电极层101通过使用铝、铜、钼、钛、铬、钽、钨、钕、钪等金属材料、或以这些金属材料为主要成分的合金材料、或以这些金属材料为成分的氮化物的单层或叠层形成。优选由铝或铜等低电阻导电材料形成，但是存在耐热性低或容易腐蚀的问题，因此优选与耐热性导电材料组合使用。作为耐热性导电材料，使用钼、钛、铬、钽、钨、钕、钪等。
例如，作为栅电极层101的叠层结构，优选采用在铝层上层叠钼层的两层结构、在铜层上层叠钼层的两层结构、在铜层上层叠氮化钛层或氮化钽层的两层结构、层叠氮化钛层和钼层的两层结构。作为三层的叠层结构，优选采用钨层或氮化钨层、铝和硅的合金层或铝和钛的合金层、氮化钛层或钛层的叠层结构。
作为形成第一氧化物半导体区103及第二氧化物半导体区104的氧化物半导体层，优选使用表示为InMO₃(ZnO)_m(m＞0)的结构的氧化物半导体，特别优选使用In-Ga-Zn-O类氧化物半导体。另外，M表示选自镓(Ga)、铁(Fe)、镍(Ni)、锰(Mn)及钴(Co)中的一种金属元素或多种金属元素。例如，作为M，有时采用Ga，有时包含Ga以外的上述金属元素诸如Ga和Ni或Ga和Fe等。此外，在上述氧化物半导体中，有不仅包含作为M的金属元素，而且还包含作为杂质元素的Fe、Ni等其他过渡金属元素或该过渡金属的氧化物的氧化物半导体。在本说明书中，在表示为InMO₃(ZnO)_m(m＞0)的结构的氧化物半导体中，将作为M至少包含Ga的结构的氧化物半导体称为In-Ga-Zn-O类氧化物半导体，也将该薄膜称为In-Ga-Zn-O类非单晶膜。
当进行XRD(X射线衍射)分析时在In-Ga-Zn-O类非单晶膜中观察到非晶结构。在通过溅射法形成In-Ga-Zn-O类非单晶膜之后，以200℃至500℃，典型地以300℃至400℃进行10分钟至100分钟的热处理。
通过将In-Ga-Zn-O类非单晶膜用作薄膜晶体管的激活层，可以制造具有如下电特性的薄膜晶体管：当栅极电压为±20V时，导通.截止比为10⁹以上，迁移率为10以上。
但是，形成第一氧化物半导体区103及第二氧化物半导体区104的氧化物半导体层不局限于以InMO₃(ZnO)_m(m＞0)表示的结构的氧化物半导体层，只要是包含铟、镓、锌或锡中的至少一种的氧化物半导导体层即可。也可以采用由如氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO)、氧化铟锌(IZO)、氧化铟锡(ITO)、包含氧化硅的氧化铟锡(ITSO)、添加有镓的氧化锌(GZO)等构成的氧化物半导体层。
另外，将第一氧化物半导体区103设置为该第一氧化物半导体区103部分地在源电极层或漏电极层105a、105b之间与栅极绝缘层102和源电极层或漏电极层105a、105b的侧面部接触。将第一氧化物半导体区103的厚度设定为10nm至300nm，优选设定为20nm至100nm。
第一氧化物半导体区103的电导率优选为1.0×10^-8S/cm以上。另外，第一氧化物半导体区103的电导率优选低于1.0×10^-3S/cm。第一氧化物半导体区103的载流子浓度范围优选低于1×10¹⁷/cm³(更优选为1×10¹¹/cm³以上)。当第一氧化物半导体区103的载流子浓度范围超过上述范围时，有薄膜晶体管成为常开启型的可能。
另外，将第一氧化物半导体区103中的钠浓度设定为5×10¹⁹/cm³以下，优选为1×10¹⁸/cm³以下。
将第二氧化物半导体区104的电导率设定为小于第一氧化物半导体区103的电导率，第二氧化物半导体区104的电导率优选小于1.0×10^-8S/cm。另外，第二氧化物半导体区104的氧空位缺陷浓度优选小于第一氧化物半导体区103的氧空位缺陷浓度。这是因为氧化物半导体的电导率受氧化物半导体中的氧空位缺陷的影响。另外，第二氧化物半导体区104的厚度优选为5nm以上且1000nm以下，更优选为10nm以上且100nm以下。
通过使当溅射形成第二氧化物半导体区104时的成膜气体整体中的氧气流量的比率高于当溅射形成第一氧化物半导体区103时的成膜气体整体中的氧气流量的比率，使第二氧化物半导体区104的氧空位缺陷浓度低于第一氧化物半导体区103的氧空位缺陷浓度，从而可以降低第二氧化物半导体区104的电导率。优选将第二半导体区104的成膜条件设定为成膜气体整体中的氧气流量的比率为70体积％以上。另外，优选将第一氧化物半导体区103的成膜条件设定为成膜气体整体中的氧气流量的比率低于70体积％。
由于可以连续形成第一氧化物半导体区103和第二氧化物半导体区104，因此可以实现显示装置制造的高效化并提高生产率。另外，通过连续形成第一氧化物半导体区103和第二氧化物半导体区104，可以将第一氧化物半导体区103的上面不暴露于大气地进行第一氧化物半导体区103的构图。
另外，通过在增大氧气流量的同时一步进行第一氧化物半导体区103和第二氧化物半导体区104的成膜，可以使第一氧化物半导体区103和第二氧化物半导体区104的电导率连续地变化。
第一氧化物半导体区103用作薄膜晶体管的激活层。另一方面，其电导率低于第一氧化物半导体区103的电导率的第二氧化物半导体区104用作保护层，该保护层防止第一氧化物半导体区103暴露于大气中，且防止第一氧化物半导体区103接触于包含使氧化物半导体的组成或膜质变化的杂质的膜。因此，具有沟道形成区且决定薄膜晶体管的电特性的第一氧化物半导体区103与组成、膜质与其类似的第二氧化物半导体区104接触，所以可以防止由于杂质导致的组成、膜质或界面等的变化。另外，虽然用作保护层的第二氧化物半导体区104接触于包含使氧化物半导体的组成或膜质变化的杂质的膜，但是因为其电导率低于第一氧化物半导体区103的电导率，所以不会影响到薄膜晶体管的电特性。
如上所述，在将第一氧化物半导体区用作激活层的薄膜晶体管中，通过在第一氧化物半导体区和薄膜晶体管的保护绝缘层之间形成其电导率低于第一氧化物半导体区的电导率并用作保护层的第二氧化物半导体区，可以防止第一氧化物半导体区的组成的变化或膜质的劣化，且可以使薄膜晶体管的电特性稳定。
源电极层或漏电极层105a、105b采用由第一导电膜112a、112b、第二导电膜113a、113b、第三导电膜114a、114b构成的三层结构。作为第一导电膜112a、112b、第二导电膜113a、113b、第三导电膜114a、114b的材料，分别可以使用铝、铜、钼、钛、铬、钽、钨、钕、钪等金属材料、以这些金属材料为主要成分的合金材料、或以这些金属材料为成分的氮化物。第一导电膜112a、112b、第二导电膜113a、113b、第三导电膜114a、114b，优选分别由铝或铜等低电阻导电材料形成，但是存在耐热性低或容易腐蚀的问题，因此优选与耐热性导电材料组合使用。作为耐热性导电材料，使用钼、钛、铬、钽、钨、钕、钪等。
例如，优选对第一导电膜112a、112b及第三导电膜114a、114b使用耐热性导电材料的钛，并且对第二导电膜113a、113b使用低电阻的包含钕的铝合金。通过采用这种结构，可以发挥铝的低电阻性并减少小丘的发生。注意，在本实施方式中，源电极层或漏电极层105a、105b采用由第一导电膜112a、112b、第二导电膜113a、113b、第三导电膜114a、114b构成的三层结构，但是不局限于此，还可以采用单层结构、两层结构或四层以上的结构。
通过采用上述结构，在将第一氧化物半导体区用作激活层的薄膜晶体管中，通过在第一氧化物半导体区和薄膜晶体管的保护绝缘层之间形成其电导率低于第一氧化物半导体区的电导率并用作保护层的第二氧化物半导体区，可以防止第一氧化物半导体区的组成的变化或膜质的劣化，且可以使薄膜晶体管的电特性稳定。
注意，本实施方式所示的结构可以与其他实施方式所示的结构适当地组合而使用。
(实施方式2)
在本实施方式中，使用图2A至图9说明包括实施方式1所示的薄膜晶体管的显示装置的制造工序。图2A至2D和图3A至3C是截面图，图4至图7是平面图，并且图4至图7中的线A1-A2及线B1-B2对应于图2A至2D和图3A至3C的截面图所示的线A1-A2及线B1-B2。
首先准备衬底100。衬底100除了可以使用通过熔化方法或浮法(float method)制造的无碱玻璃衬底(如钡硼硅酸盐玻璃、铝硼硅酸盐玻璃、或铝硅酸盐玻璃等)、及陶瓷衬底之外，还可以使用具有可承受本制造工序的处理温度的耐热性的塑料衬底等。此外，还可以使用在不锈钢合金等金属衬底的表面上设置有绝缘膜的衬底。衬底100的尺寸可以采用320mm×400mm、370mm×470mm、550mm×650mm、600mm×720mm、680mm×880mm、730mm×920mm、1000mm×1200mm、1100mm×1250mm、1150mm×1300mm、1500mm×1800mm、1900mm×2200mm、2160mm×2460mm、2400mm×2800mm、或2850mm×3050mm等。
另外，还可以在衬底100上形成绝缘膜作为基底膜。至于基底膜，可以利用CVD法或溅射法等由氧化硅膜、氮化硅膜、氧氮化硅膜、或氮氧化硅膜的单层或叠层来形成即可。在作为衬底100使用如玻璃衬底等的含有可动离子的衬底的情况下，通过作为基底膜使用含有氮化硅膜、氮氧化硅膜等的含有氮的膜，可以防止可动离子进入到氧化物半导体层。
接着，通过溅射法或真空蒸镀法在衬底100的整个面上形成用来形成包括栅电极层101的栅极布线、电容布线108、以及第一端子121的导电膜。接着，进行第一光刻工序，形成抗蚀剂掩模，通过蚀刻去除不需要的部分来形成布线及电极(包括栅电极层101的栅极布线、电容布线108以及第一端子121)。此时，优选进行蚀刻以至少使栅电极层101的端部形成为锥形形状，以便防止断开。图2A示出这个阶段的截面图。另外，这个阶段的平面图相当于图4。
包括栅电极层101的栅极布线、电容布线108及端子部中的第一端子121可以使用由实施方式1所示的导电材料的单层或叠层形成。
接着，在栅电极层101的整个面上形成栅极绝缘层102。通过CVD法或溅射法等，以50nm至250nm的厚度形成栅极绝缘层102。
例如，通过CVD法或溅射法并使用氧化硅膜来形成100nm厚的栅极绝缘层102。当然，栅极绝缘层102不局限于这种氧化硅膜，也可以使用氧氮化硅膜、氮氧化硅膜、氮化硅膜、氧化铝膜、氧化钽膜等的其他绝缘膜来形成由这些材料构成的单层或叠层结构。
此外，作为栅极绝缘层102，也可以采用使用有机硅烷气体的CVD法形成氧化硅层。作为有机硅烷气体，可以使用含硅化合物诸如正硅酸乙酯(TEOS：化学式Si(OC₂H₅)₄)、四甲基硅烷(TMS：化学式Si(CH₃)₄)、四甲基环四硅氧烷(TMCTS)、八甲基环四硅氧烷(OMCTS)、六甲基二硅氮烷(HMDS)、三乙氧基硅烷(SiH(OC₂H₅)₃)、三(二甲氨基)硅烷(SiH(N(CH₃)₂)₃)等。
此外，作为栅极绝缘层102，也可以使用铝、钇或铪的氧化物、氮化物、氧氮化物、氮氧化物中的一种或者包含至少其中两种以上的化合物的化合物。
注意，在本说明书中，氧氮化物是作为其组成氧原子的数量多于氮原子的数量的物质，而氮氧化物是作为其组成氮原子的数量多于氧原子的数量的物质。例如，氧氮化硅膜是指如下膜：在组成方面氧原子的数量比氮原子的数量多，当使用卢瑟福背散射光谱学法(RBS：Rutherford Backscattering Spectrometry)以及氢前方散射法(HFS：Hydrogen Forward Scattering)测量时，作为浓度范围，其包含50原子％至70原子％的氧、0.5原子％至15原子％的氮、25原子％至35原子％的硅、0.1原子％至10原子％的氢。此外，氮氧化硅膜是指在组成方面包含的氮原子的数量比氧原子的数量多的膜，在使用RBS和HFS执行测量的情况下，包括浓度范围分别为5原子％至30原子％的氧、20原子％至55原子％的氮、25原子％至35原子％的硅、以及10原子％至30原子％的氢。此外，当将构成氧氮化硅或氮氧化硅的原子总量设定为100原子％时，氮、氧、硅及氢的含量比率在上述范围内。
接着，进行第二光刻工序，在栅极绝缘层102上形成抗蚀剂掩模，通过蚀刻去除不需要的部分且在栅极绝缘层102中形成到达与栅电极层101相同材料的布线或电极层的接触孔。该接触孔是为用来与后面形成的导电膜直接连接而设置的。例如，在形成与端子部的第一端子121电连接的端子的情况下形成接触孔。
接着，在栅极绝缘层102上利用溅射法或真空蒸镀法形成由金属材料构成的第一导电膜112、第二导电膜113及第三导电膜114。图2B示出这个阶段的截面图。
作为第一导电膜112、第二导电膜113及第三导电膜114，可以使用实施方式1所示的导电材料以单层或叠层形成。在本实施方式中，作为第一导电膜112及第三导电膜114使用耐热性导电材料的钛，并且作为第二导电膜113使用包含钕的铝合金。通过采用这种结构，可以发挥铝的低电阻性并减少小丘的发生。
接着，进行第三光刻工序形成抗蚀剂掩模131，通过蚀刻去除不需要的部分形成源电极层或漏电极层105a、105b及连接电极120。作为此时的蚀刻方法使用湿蚀刻或干蚀刻。例如，在对第一导电膜112及第三导电膜114使用钛，并且对第二导电膜113使用包含钕的铝合金的情况下，可以将过氧化氢溶液、加热盐酸或包含氟化氨的硝酸水溶液用作蚀刻剂进行湿蚀刻。例如，可以通过使用KSMF-240(日本关东化学株式会社制造)，一步对第一导电膜112至第三导电膜114进行蚀刻。
另外，因为可以使用过氧化氢溶液、加热盐酸或包含氟化铵的硝酸溶液作为蚀刻剂一次性地对第一导电膜112至第三导电膜114进行蚀刻，所以源电极层或漏电极层105a、105b的每个导电膜的端部一致，可以成为连续结构。另外，通过将源电极层或漏电极层105a、105b的端部蚀刻为锥形，来提高第一氧化物半导体区103的覆盖性，可以防止因台阶差形状导致的第一氧化物半导体区103的断开。此外，图2C示出这个阶段的截面图。另外，图5相当于这个阶段的平面图。
此外，在该第三光刻工序中，将与源电极层或漏电极层105a、105b相同材料的第二端子122残留在端子部。另外，第二端子122与源极布线(包括源电极层或漏电极层105a、105b的源极布线)电连接。
此外，在端子部中连接电极120通过形成在栅极绝缘层102中的接触孔与端子部的第一端子121直接连接。
接着，对栅极绝缘层102、源电极层或漏电极层105a、105b进行表面处理。作为表面处理可以进行利用惰性气体或反应性气体的等离子体处理等。
在去除抗蚀剂掩模131之后，通过在设置有衬底100的处理室中进行引入氩气来产生等离子体的反溅射，去除附着于栅极绝缘层102表面的杂质。另外，通过进行反溅射，可以提高栅极绝缘层102表面的平坦性。图2D示出这个阶段的截面图。反溅射是指一种方法，该方法不对靶材一侧施加电压，而在氩气氛下使用RF电源对衬底一侧施加电压并在衬底上形成等离子体来对表面进行改性。注意也可以使用氮、氦等代替氩气氛。另外，也可以在对氩气氛中加入氧、氢及N₂O等的气氛下进行。另外，也可以在对氩气氛中加入Cl₂、CF₄等的气氛下进行。在反溅射处理之后，通过不暴露于大气地形成第一氧化物半导体膜，可以防止在栅极绝缘层102和第一氧化物半导体区103的界面上附着尘屑或水分。
接着，形成氧化物半导体膜，该氧化物半导体膜形成第一氧化物半导体区103及第二氧化物半导体区104。在本实施方式中，使用不同的氧化物半导体层形成第一氧化物半导体区103和第二氧化物半导体区104。首先，在栅极绝缘层102上通过溅射法在氩等稀有气体和氧气的气氛下形成用来形成第一氧化物半导体区103的第一氧化物半导体膜。作为第一氧化物半导体膜，可以使用实施方式1所示的氧化物半导体，优选使用In-Ga-Zn-O类氧化物半导体。作为第一氧化物半导体膜的具体的成膜条件的例子，使用直径为8英寸的包含In、Ga以及Zn的氧化物半导体靶材(In₂O₃∶Ga₂O₃∶ZnO＝1∶1∶1)，衬底和靶材之间的距离为170mm，压力为0.4Pa，直流(DC)电源为0.5kW，成膜气体Ar∶O₂＝50∶5(sccm)，将成膜温度设定为室温来进行溅射成膜。另外，作为靶材可以在包含In₂O₃的直径为8英寸的圆盘上布置颗粒状态的Ga₂O₃和ZnO。此外，通过使用脉冲直流(DC)电源，可以减少尘屑，膜厚度分布也变得均匀，所以这是优选的。将第一氧化物半导体膜的厚度设定为10nm至300nm，优选为20nm至100nm。
接着，在不暴露于大气的情况下，通过溅射法在氩等稀有气体和氧气的气氛下形成用来形成第二氧化物半导体区104的第二氧化物半导体膜。作为第二氧化物半导体膜，可以使用实施方式1所示的氧化物半导体，优选使用In-Ga-Zn-O类氧化物半导体。在形成第一氧化物半导体膜之后，通过不暴露于大气地形成第二氧化物半导体膜，可以防止在第一氧化物半导体区103和第二氧化物半导体区104的界面吸附尘屑或水分，并防止第一氧化物半导体区103的膜质或组成发生变化。作为第二氧化物半导体膜的具体的成膜条件的例子，使用直径为8英寸的包含In、Ga以及Zn的氧化物半导体靶材(In₂O₃∶Ga₂O₃∶ZnO＝1∶1∶1)，衬底和靶材之间的距离为170mm，压力为0.4Pa，直流(DC)电源为0.5kW，成膜气体Ar∶O₂＝50∶1(sccm)，将成膜温度设定为室温来进行溅射成膜。另外，作为靶材可以在包含In₂O₃的直径为8英寸的圆盘上布置颗粒状的Ga₂O₃和ZnO。此外，通过使用脉冲直流(DC)电源，可以减少尘屑，膜厚度分布也变得均匀，所以这是优选的。将第二氧化物半导体膜的厚度设定为5nm至1000nm，优选为10nm至100nm。
使当溅射形成第二氧化物半导体膜时的成膜气体整体中的氧气流量的比率高于当溅射形成第一氧化物半导体膜时的成膜气体整体中的氧气流量的比率。由此，可以使第二氧化物半导体膜的电导率低于第一氧化物半导体膜的电导率。另外，优选将第二氧化物半导体膜的成膜条件设定为成膜气体整体中的氧气流量的比率为70体积％以上。优选将第一氧化物半导体膜的成膜条件设定为成膜气体整体中的氧气流量的比率低于70体积％。
注意，在本实施方式中，作为形成第一氧化物半导体区103及第二氧化物半导体区104的氧化物半导体膜，使用不同的氧化物半导体膜来形成，但是本发明不局限于此。通过在连续增大氧气流量的同时一步形成第一氧化物半导体膜和第二氧化物半导体膜，该第一氧化物半导体膜形成第一氧化物半导体区103，并且该第二氧化物半导体膜形成第二氧化物半导体区104，可以将第一氧化物半导体膜和第二氧化物半导体膜形成为电导率连续地变化的同一氧化物半导体膜。另外，通过当逐渐增大氧气流量的同时分多次形成氧化物半导体膜，可以在形成第一氧化物半导体区103的第一氧化物半导体膜和形成第二氧化物半导体区104的第二氧化物半导体膜之间形成其电导率逐渐变化的多个氧化物半导体膜。
另外，由于可以连续形成第一氧化物半导体膜和第二氧化物半导体膜，所以可以实现显示装置制造的高效化并提高生产率。
第一氧化物半导体膜或第二氧化物半导体膜的形成既可以使用与先进行了反溅射的处理室相同的处理室，又可以使用与先进行了反溅射的处理室不同的处理室。
溅射法具有作为溅射用电源使用高频电源的RF溅射法、DC溅射法，还具有以脉冲方法施加偏压的脉冲DC溅射法。RF溅射法主要用于绝缘膜的形成，而DC溅射法主要用于金属膜的形成。
此外，还具有可以设置多个材料不同的靶材的多元溅射装置。多元溅射装置既可以在同一处理室中层叠形成不同材料的膜，又可以在同一处理室中同时对多种材料进行放电而进行成膜。
此外，具有：利用在处理室内具备磁石机构的磁控管溅射法的溅射装置；利用不使用辉光放电而使用微波产生等离子体的ECR溅射法的溅射装置。
此外，作为使用溅射法的成膜方法，还具有在成膜时使靶材物质和溅射气体成分发生化学反应而形成它们的化合物薄膜的反应溅射法，以及在成膜时对衬底也施加电压的偏压溅射法。
接着，进行第四光刻工序，形成抗蚀剂掩模，而对第一氧化物半导体膜及第二氧化物半导体膜进行蚀刻。在此，通过在第二氧化物半导体膜上形成抗蚀剂掩模，可以防止抗蚀剂掩模与第一氧化物半导体膜直接接触，而防止来自抗蚀剂的杂质进入到第一氧化物半导体膜。另外，在使用O₂灰化处理或抗蚀剂剥离液去除抗蚀剂的情况下，在第一氧化物半导体膜上形成第二氧化物半导体膜，可以防止第一氧化物半导体膜被污染。
通过蚀刻去除不需要的部分将第一氧化物半导体膜及第二氧化物半导体膜形成为岛状，来形成由第一氧化物半导体膜构成的第一氧化物半导体区103以及由第二氧化物半导体膜构成的第二氧化物半导体区104。作为第一氧化物半导体膜和第二氧化物半导体膜的蚀刻可以进行将柠檬酸或草酸等的有机酸用作蚀刻剂的湿蚀刻。例如，在将In-Ga-Zn-O类非单晶膜用作第一氧化物半导体膜及第二氧化物半导体膜的情况下，优选使用ITO-07N(日本关东化学株式会社制造)。
此外，此时的蚀刻不局限于湿蚀刻，而也可以利用干蚀刻。作为用于干蚀刻的蚀刻装置，可以使用如下装置：利用反应性离子蚀刻法(Reactive Ion Etching；RIE法)的蚀刻装置；利用ECR(ElectronCyclotron Resonance；电子回旋加速器谐振)或ICP(InductivelyCoupled Plasma；感应耦合等离子体)等的高密度等离子体源的干蚀刻装置。另外，作为与ICP蚀刻装置相比容易在较大面积上获得均匀放电的干蚀刻装置，有ECCP(Enhanced Capacitively CoupledPlasma：增大电容耦合等离子体)模式的蚀刻装置，在该ECCP模式的蚀刻装置中，上部电极接地，下部电极连接13.56MHz的高频电源，并且下部电极还连接3.2MHz的低频电源。通过采用该ECCP模式的蚀刻装置，即使在例如作为衬底使用尺寸超过第10代(即，3m)的尺寸的衬底的情况下也可以对其进行处理。通过上述工序，可以制造将第一氧化物半导体区103用作沟道形成区的薄膜晶体管170。图3A示出这个阶段的截面图。注意，这个阶段的平面图相当于图6。
在薄膜晶体管170中，第一氧化物半导体区103用作激活层。另一方面，其电导率低于第一氧化物半导体区103的电导率的第二氧化物半导体区104用作保护层，该保护层防止第一氧化物半导体区103暴露于大气中，且防止第一氧化物半导体区103接触于包含使氧化物半导体的组成或膜质变化的杂质的膜。此时，由于具有沟道形成区且决定薄膜晶体管的电特性的第一氧化物半导体区103与组成、膜质与其类似的第二氧化物半导体区104接触，所以可以防止由于杂质导致的组成、膜质或界面等的变化。另外，虽然用作保护层的第二氧化物半导体区104接触于包含使氧化物半导体的组成或膜质变化的杂质的膜，但是因为其电导率低于第一氧化物半导体区103，所以不影响到薄膜晶体管的电特性。
在去除抗蚀剂掩模之后，优选以200℃至600℃，典型的是以250℃至500℃进行热处理。在此将其放置在炉中，在氮气氛下以350℃进行一个小时的热处理。通过该热处理，进行In-Ga-Zn-O类非单晶膜的原子级的重新排列。由于借助于该热处理而释放阻碍载流子迁移的应变，所以此处的热处理(还包括光退火)是重要的。另外，进行热处理的定时只要是在形成第二In-Ga-Zn-O类非单晶膜之后，就没有特别的限制，例如也可以在形成像素电极之后进行。
接着，形成覆盖薄膜晶体管170的保护绝缘层107。作为保护绝缘层107，可以使用利用溅射法等而得到的氮化硅膜、氧化硅膜、氧氮化硅膜、氧化铝膜、氧化钽膜等。
接着，进行第五光刻工序，形成抗蚀剂掩模，并通过对保护绝缘层107的蚀刻来形成到达源电极层或漏电极层105b的接触孔125。此外，通过此处的蚀刻，还形成到达第二端子122的接触孔127、到达连接电极120的接触孔126。图3B表示这个阶段的截面图。
接着，在去除抗蚀剂掩模之后，形成透明导电膜。作为透明导电膜的材料，通过溅射法及或真空蒸镀法等形成氧化铟(In₂O₃)、氧化铟氧化锡合金(In₂O₃-SnO₂、缩写为ITO)等。使用盐酸类的溶液对这些材料进行蚀刻处理。然而，由于特别是对ITO的蚀刻容易产生残渣，因此也可以使用氧化铟氧化锌合金(In₂O₃-ZnO)，以便改善蚀刻加工性。
接着，进行第六光刻工序，形成抗蚀剂掩模，并通过蚀刻去除不需要的部分，来形成像素电极层110。像素电极层110通过接触孔125与源电极层或漏电极层105b直接连接。
此外，在该第六光刻工序中，以电容部中的栅极绝缘层102及保护绝缘层107为电介质并使用电容布线108和像素电极层110形成存储电容(storage capacitor)。
另外，在该第六光刻工序中，使用抗蚀剂掩模覆盖第一端子及第二端子并使形成在端子部的透明导电膜128、129残留。透明导电膜128、129成为用来与FPC连接的电极或布线。形成在与第一端子121直接连接的连接电极120上的透明导电膜128是用作栅极布线的输入端子的连接用端子电极。形成在第二端子122上的透明导电膜129是用作源极布线的输入端子的连接用端子电极。
接着，去除抗蚀剂掩模。图3C示出这个阶段的截面图。另外，图7相当于这个阶段的平面图。
此外，图8A-1和图8A-2分别示出这个阶段的栅极布线端子部的截面图及平面图。图8A-1相当于沿着图8A-2中的C1-C2线的截面图。在图8A-1中，形成在保护绝缘膜154上的透明导电膜155是用作输入端子的连接用端子电极。另外，在图8A-1中，在端子部中，使用与栅极布线相同的材料形成的第一端子151和使用与源极布线相同的材料形成的连接电极153隔着栅极绝缘层152互相重叠，直接连接并导通。另外，连接电极153与透明导电膜155通过设置在保护绝缘膜154中的接触孔直接连接并导通。
另外，图8B-1及图8B-2分别示出源极布线端子部的截面图及平面图。此外，图8B-1相当于沿着图8B-2中的D1-D2线的截面图。在图8B-1中，形成在保护绝缘膜154上的透明导电膜155是用作输入端子的连接用端子电极。另外，在图8B-1中，在端子部中，使用与栅极布线相同的材料形成的电极156隔着栅极绝缘层152重叠于与源极布线电连接的第二端子150的下方。电极156不与第二端子150电连接，通过将电极156设定为与第二端子150不同的电位，例如浮置电位、GND、0V等，可以形成作为对杂波的措施的电容或作为对静电的措施的电容。此外，第二端子150隔着保护绝缘膜154与透明导电膜155电连接。
根据像素密度设置多个栅极布线、源极布线及电容布线。此外，在端子部中，排列地配置多个具有与栅极布线相同的电位的第一端子、多个具有与源极布线相同的电位的第二端子、多个具有与电容布线相同的电位的第三端子等。各端子的数量分别可以是任意的，实施者适当地决定各端子的数量即可。
像这样，可以通过六次的光刻工序，使用六个光掩模完成包括底栅型的n沟道型薄膜晶体管的薄膜晶体管170的像素薄膜晶体管部、存储电容。而且，可以通过对应于每一个像素将该像素薄膜晶体管部、存储电容配置为矩阵状来构成像素部，将其用作用来制造有源矩阵型显示装置的一个衬底。在本说明书中，为方便起见将这种衬底称为有源矩阵衬底。
当制造有源矩阵型液晶显示装置时，在有源矩阵衬底和设置有对置电极的对置衬底之间设置液晶层，固定有源矩阵衬底和对置衬底。另外，在有源矩阵衬底上设置与设置在对置衬底上的对置电极电连接的共同电极，在端子部设置与共同电极电连接的第四端子。该第四端子是用来将共同电极设定为固定电位例如GND、0V等的端子。
此外，本实施方式不局限于图7的像素结构。图9示出与图7不同的像素结构的例子。图9示出一例，其中不设置电容布线，并隔着保护绝缘膜及栅极绝缘层重叠像素电极与相邻的像素的栅极布线来形成存储电容。在此情况下，可以省略电容布线及与电容布线连接的第三端子。另外，在图9中，使用相同的附图标记说明与图7相同的部分。
在有源矩阵型液晶显示装置中，通过驱动配置为矩阵状的像素电极，在屏幕上形成显示图案。详细地说，通过在被选择的像素电极和对应于该像素电极的对置电极之间施加电压，进行配置在像素电极和对置电极之间的液晶层的光学调制，该光学调制被观察者识别为显示图案。
当液晶显示装置显示动态图像时，由于液晶分子本身的响应慢，所以有产生余象或动态图像的模糊的问题。有一种被称为黑插入的驱动技术，该驱动技术为了改善液晶显示装置的动态图像特性，而每隔一帧进行整个表面的黑显示。
此外，还有一种被称为倍速驱动的驱动技术，该倍速驱动是指通过将垂直同步频率设定为通常的1.5倍以上，优选为2倍以上来改善动态图像特性。
另外，还有如下驱动技术：为了改善液晶显示装置的动态图像特性，而作为背光灯使用多个LED(发光二极管)光源或多个EL光源等构成面光源，并使构成面光源的各光源独立地在一个帧期间内进行间歇点亮驱动。作为面光源，可以使用三种以上的LED或白色发光的LED。由于可以独立地控制多个LED，因此也可以按照液晶层的光学调制的切换定时使LED的发光定时同步。因为在这种驱动技术中可以部分地关断LED，所以尤其是在进行一个屏幕中的黑色显示区所占的比率高的图像显示的情况下，可以得到耗电量减少的效果。
通过组合这些驱动技术，与现有的液晶显示装置相比，可以进一步改善液晶显示装置的动态图像特性等的显示特性。
由于根据本实施方式而得到的n沟道型薄膜晶体管将氧化物半导体用于沟道形成区并具有良好的动态特性，因此可以组合这些驱动技术。更优选将In-Ga-Zn-O类非单晶膜用于沟道形成区。
此外，在制造发光显示装置的情况下，因为将有机发光元件的一方电极(也称为阴极)设定为低电源电位，例如GND、0V等，所以在端子部设置用来将阴极设定为低电源电位，例如GND、0V等的第四端子。此外，在制造发光显示装置的情况下，除了源极布线及栅极布线之外还设置电源供给线。由此，在端子部设置与电源供给线电连接的第五端子。
如上所述，通过在用作激活层的第一氧化物半导体区和薄膜晶体管的保护绝缘层之间形成其电导率低于第一氧化物半导体区的电导率并用作保护层的第二氧化物半导体区，可以防止第一氧化物半导体区的组成的变化或膜质的劣化，并且可以使薄膜晶体管的电特性稳定。
通过将该薄膜晶体管用于显示装置的像素部及驱动电路部，可以提供电特性高且可靠性优越的显示装置。
注意，本实施方式所示的结构可以与其他实施方式所示的结构适当地组合而使用。
(实施方式3)
在本实施方式中，参照图10说明与实施方式1所示的薄膜晶体管不同形状的薄膜晶体管。
图10示出本实施方式的底栅结构的薄膜晶体管。在图10所示的薄膜晶体管中，在衬底100上设置有栅电极层101，在栅电极层101上设置有栅极绝缘层102，在栅极绝缘层102上设置有源电极层或漏电极层105a、105b，源电极层或漏电极层105a、105b上设置有缓冲层301a、301b，在栅极绝缘层102、缓冲层301a、301b上设置有第一氧化物半导体区103，在第一氧化物半导体区103上设置有其电导率低于第一氧化物半导体区103的电导率的第二氧化物半导体区104。注意，第一氧化物半导体区103和第二氧化物半导体区104既可以一起形成在同一氧化物半导体层中，又可以作为不同氧化物半导体层分别形成。另外，在第一氧化物半导体区103和第二氧化物半导体区104之间也可以存在其电导率逐渐或连续地变化的氧化物半导体的中间区。另外，氧化物半导体中间区既可以与第一氧化物半导体区103及第二氧化物半导体区104一起形成在同一氧化物半导体层中，又可以形成为与第一氧化物半导体区103及第二氧化物半导体区104不同的氧化物半导体层。
另外，源电极层或漏电极层105a、105b具有由第一导电膜112a、112b、第二导电膜113a、113b、第三导电膜114a、114b构成的三层结构。也就是说，图10所示的薄膜晶体管具有如下结构，即：在实施方式1中的图1A和1B所示的薄膜晶体管的第一氧化物半导体区103和源电极层或漏电极层105a、105b之间设置有缓冲层301a、301b。
作为用作源区或漏区的缓冲层301a、301b，可以使用实施方式1所示的形成第一氧化物半导体区103及第二氧化物半导体区104的氧化物半导体。并且，缓冲层优选与第一氧化物半导体区103及第二氧化物半导体区104同样地使用包含In、Ga及Zn的氧化物半导体膜的In-Ga-Zn-O类非单晶膜来形成。但是，缓冲层301a、301b具有n型导电型，并且其电导率高于第一氧化物半导体区103及第二氧化物半导体区104的电导率。例如，优选缓冲层301a、301b的电导率大于1.0×10^-3S/cm。另外，当作为缓冲层301a、301b使用In-Ga-Zn-O类非单晶膜时，使用至少包含非晶成分的In-Ga-Zn-O类非单晶膜，有时在非晶结构中包含晶粒(纳米晶体)。晶粒(纳米晶体)的直径为1nm至10nm，典型的为2nm至4nm左右。
通过溅射法形成用于缓冲层301a、301b的氧化物半导体膜。作为氧化物半导体膜的具体的成膜条件的例子，使用直径为8英寸的包含In、Ga以及Zn的氧化物半导体靶材(In₂O₃∶Ga₂O₃∶ZnO＝1∶1∶1)，衬底和靶材之间的距离为170mm，压力为0.4Pa，直流(DC)电源为0.5kW，成膜气体Ar∶O₂＝50∶1(sccm)，将成膜温度设定为室温来进行溅射成膜。注意，上述晶粒(纳米晶体)通过适当地调节靶材的成分比、成膜压力(0.1Pa至2.0Pa)、电力(250W至3000W：8英寸φ)、温度(室温至100℃)、反应性溅射的成膜条件等，可以调节晶粒的有无，晶粒的密度、直径尺寸。
但是，用作缓冲层301a、301b的氧化物半导体膜与用作第一氧化物半导体区103及第二氧化物半导体区104的氧化物半导体膜的成膜条件不同。与用作第一氧化物半导体区103及第二氧化物半导体区104的氧化物半导体膜的成膜条件中的氧气流量的比率相比，用作缓冲层301a、301b的氧化物半导体膜的成膜条件中的氧气流量的比率更小。例如，优选将用作缓冲层301a、301b的氧化物半导体膜的成膜条件设定为成膜气体整体中的氧气流量的比率低于10体积％。另外，也可以将用作缓冲层301a、301b的氧化物半导体膜的成膜条件设定为在成膜气体中不包含氧气的氩等稀有气体的气氛下。
用作缓冲层301a、301b的氧化物半导体膜的厚度为5nm至20nm。当然，当在膜中包含晶粒时，所包含的晶粒的尺寸不超过膜厚度。在本实施方式中，用作缓冲层301a、301b的氧化物半导体膜的厚度为5nm。
另外，也可以使缓冲层301a、301b包含赋予n型的杂质元素。作为杂质元素可以使用如镁、铝、钛、铁、锡、钙、锗、钪、钇、锆、铪、硼、铊、铅等。当使缓冲层包含镁、铝、钛等时，具有对氧的阻挡效果等，且通过成膜之后的加热处理等可以将氧化物半导体层的氧浓度保持于最合适的范围内。
另外，缓冲层的载流子浓度范围优选为1×10¹⁸/cm³以上(1×10²²/cm³以下)。
如上所述，通过设置缓冲层301a、301b，可以在第一氧化物半导体区103和源电极层或漏电极层105a、105b之间，与肖特基结的形成相比提高热稳定性，并且可以使薄膜晶体管的工作特性稳定。另外，因为导电性优越，所以即使施加有高漏极电压也可以保持良好的迁移率。
注意，关于本实施方式的薄膜晶体管的缓冲层301a、301b之外的结构和材料参照实施方式1。
本实施方式的薄膜晶体管的制造工序与实施方式2所示的薄膜晶体管的制造工序大致相同。首先，通过实施方式2所示的方法形成第一导电膜112至第三导电膜114，并通过上述方法连续地利用溅射来形成用来形成缓冲层301a、301b的氧化物半导体膜302(参照图11A)。接着，通过第三光刻工序，与第一导电膜112至第三导电膜114同时将氧化物半导体膜302蚀刻为岛状，来形成源电极层或漏电极层105a、105b及氧化物半导体膜302a、302b，并且以与实施方式2同样的方法进行反溅射(参照图11B)。然后，在通过实施方式2所示的方法形成第一氧化物半导体区103及第二氧化物半导体区104时，与此同时蚀刻氧化物半导体膜302a、302b，来形成缓冲层301a、301b(参照图11C)。以后的工序与实施方式2同样。
注意，本实施方式所示的结构可以与其他实施方式所示的结构适当地组合而使用。
(实施方式4)
在本实施方式中，使用图30说明与实施方式1及实施方式3所示的薄膜晶体管不同的形状的薄膜晶体管。
在图30A和30B中示出本实施方式的底栅结构的薄膜晶体管。在图30A和30B所示的薄膜晶体管中，在衬底100上设置有栅电极层101，在栅电极层101上设置有栅极绝缘层102，在栅极绝缘层102上设置有源电极层或漏电极层105a、105b，在栅极绝缘层102和源电极层或漏电极层105a、105b上设置有第一氧化物半导体区103，在第一氧化物半导体区103上设置有其电导率低于第一氧化物半导体区103的电导率的第二氧化物半导体区104。注意，第一氧化物半导体区103和第二氧化物半导体区104既可以一起形成在同一氧化物半导体层中，又可以作为不同氧化物半导体层分别形成。另外，在第一氧化物半导体区103和第二氧化物半导体区104之间也可以存在其电导率逐渐或连续地变化的氧化物半导体的中间区。另外，氧化物半导体中间区既可以与第一氧化物半导体区103及第二氧化物半导体区104一起形成在同一氧化物半导体层中，又可以形成为与第一氧化物半导体区103及第二氧化物半导体区104不同的氧化物半导体层。
源电极层或漏电极层105a、105b具有由第一导电膜112a、112b、第二导电膜113a、113b、第三导电膜114a、114b构成的三层结构。另外，源电极层或漏电极层105a、105b的侧面设置有绝缘层。在图30A中，在源电极层或漏电极层105a、105b的侧面形成有氧化膜403a、403b，并且在图30B中，在源电极层或漏电极层105a、105b的侧面形成有侧壁绝缘层404a、404b。
也就是说，图30A所示的薄膜晶体管具有如下结构，即：在实施方式1中的图1A和1B所示的薄膜晶体管的第一氧化物半导体区103通过氧化膜403a、403b部分地接触于源电极层或漏电极层105a、105b的侧面部。图30B所示的薄膜晶体管具有如下结构，即：在实施方式1中的图1A和1B所示的薄膜晶体管的第一氧化物半导体区103通过侧壁绝缘层404a、404b部分地接触于源电极层或漏电极层105a、105b的侧面部。
图30A所示的氧化膜403a、403b是通过对源电极层或漏电极层105a、105b的侧面进行氧化而形成的。作为氧化方法优选进行热氧化、氧等离子体处理或臭氧水清洗等。具体地，优选在形成实施方式2的图2C所示的源电极层或漏电极层105a、105b且残留抗蚀剂掩模131的状态下，通过进行热氧化、等离子体氧化或臭氧水处理使源电极层或漏电极层105a、105b的侧面氧化来形成氧化膜403a、403b。但是，当源电极层或漏电极层105a、105b具有不同导电膜的叠层结构时，氧化膜403a、403b也具有不同氧化膜的叠层结构。例如，当作为第一导电膜112a、112b、第三导电膜114a、114b使用钛，而作为第二导电膜113a、113b使用包含钕的铝合金时，氧化膜403a、403b具有从上层按氧化钛膜、包含钕的氧化铝合金膜、氧化钛膜的顺序层叠的三层叠层结构。注意，氧化膜403a、403b的电导率低于第一氧化物半导体区103的电导率。
图30B所示的侧壁绝缘层404a、404b由硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜或氧氮化硅膜形成。具体地，在形成实施方式2的图2C所示的源电极层或漏电极层105a、105b且去除抗蚀剂掩模131之后，通过等离子体CVD法或溅射法等，覆盖源电极层或漏电极层105a、105b地形成硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜或氧氮化硅膜。接着，通过进行以垂直方向为主的各向异性蚀刻来对新形成的硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜或氧氮化硅膜进行部分性地蚀刻，以形成接触于源电极层或漏电极层105a、105b的侧面地侧壁绝缘层404a、404b。此时，作为各向异性蚀刻优选采用干蚀刻，作为蚀刻气体可以使用CHF3和氦的混和气体。但是，由于在作为侧壁绝缘层使用与栅极绝缘层相同种类的硅膜时，不能获得蚀刻的选择比，因此有时栅极绝缘层102也通过上述各向异性蚀刻被蚀刻。
如图30A和30B所示，通过在源电极层或漏电极层105a、105b的侧面上形成氧化膜403a、403b或侧壁绝缘层404a、404b，可以将漏极电流的路径形成为围绕氧化膜403a、403b或侧壁绝缘层404a、404b的路径，而不是连接源电极层或漏电极层105a、105b的直线状的路径。由此，可以减少当薄膜晶体管处于截止状态时流过的截止电流。另外，该效果不局限于设置有第二氧化物半导体区104的结构的薄膜晶体管，即使是没有设置第二氧化物半导体区104的激活层为单层氧化物半导体层的结构的薄膜晶体管，通过在源电极层或漏电极层105a、105b的侧面上设置氧化膜403a、403b或侧壁绝缘层404a、404b，也可以获得同样的效果。
另外，通过在源电极层或漏电极层105a、105b的侧面上设置氧化膜403a、403b或侧壁绝缘层404a、404b，来提高第一氧化物半导体区103的覆盖性，可以防止因台阶形状导致的第一氧化物半导体区103的断开。
另外，在本实施方式中，如实施方式3所示那样，也可以采用在第一氧化物半导体区103和源电极层或漏电极层105a、105b之间设置缓冲层的结构。
注意，关于本实施方式的氧化膜403a、403b及侧壁绝缘层404a、404b之外的结构和材料参照实施方式1。
注意，本实施方式所示的结构可以与其他实施方式所示的结构适当地组合而使用。
(实施方式5)
在本实施方式中，在半导体装置的一例的显示装置中，以下说明在同一衬底上至少制造驱动电路的一部分和配置在像素部中的薄膜晶体管的例子。
根据实施方式1至实施方式4中的任一个形成配置在像素部中的薄膜晶体管。此外，实施方式1至实施方式4中的任一个所示的薄膜晶体管是n沟道型TFT，所以可以将由n沟道型TFT构成的驱动电路的一部分与像素部的薄膜晶体管形成在同一衬底上。
图14A示出半导体装置的一例的有源矩阵型液晶显示装置的框图的一例。图14A所示的显示装置在衬底5300上包括：具有多个具备显示元件的像素的像素部5301；选择各像素的扫描线驱动电路5302；以及对被选择了的像素的视频信号输入进行控制的信号线驱动电路5303。
像素部5301通过从信号线驱动电路5303在列方向上延伸地配置的多个信号线S1-Sm(未图示)与信号线驱动电路5303连接，并且通过从扫描线驱动电路5302在行方向上延伸地配置的多个扫描线G1-Gn(未图示)与扫描线驱动电路5302连接，并具有对应于信号线S1-Sm以及扫描线G1-Gn配置为矩阵形的多个像素(未图示)。并且，各像素与信号线Sj(信号线S1-Sm中的某一个)、扫描线Gi(扫描线G1-Gn中的某一个)连接。
此外，可以与实施方式1至实施方式4中的任一个所示的薄膜晶体管是n沟道型TFT，参照图15说明由n沟道型TFT构成的信号线驱动电路。
图15所示的信号线驱动电路包括：驱动器IC5601；开关组5602_1至5602_M；第一布线5611；第二布线5612；第三布线5613；以及布线5621_1至5621_M。开关组5602_1至5602_M分别包括第一薄膜晶体管5603a、第二薄膜晶体管5603b以及第三薄膜晶体管5603c。
驱动器IC5601连接到第一布线5611、第二布线5612、第三布线5613及布线5621_1至5621_M。而且，开关组5602_1至5602_M分别连接到第一布线5611、第二布线5612、第三布线5613及分别对应于开关组5602_1至5602_M的布线5621_1至5621_M。而且，布线5621_1至5621_M分别通过第一薄膜晶体管5603a、第二薄膜晶体管5603b及第三薄膜晶体管5603c连接到三个信号线(信号线Sm-2、信号线Sm-1、信号线Sm(m＝3M))。例如，第J列的布线5621_J(布线5621_1至布线5621_M中的某一个)分别通过开关组5602_J所具有的第一薄膜晶体管5603a、第二薄膜晶体管5603b及第三薄膜晶体管5603c连接到信号线Sj-2、信号线Sj-1、信号线Sj(j＝3J)。
注意，对第一布线5611、第二布线5612、第三布线5613分别输入信号。
注意，驱动器IC5601优选使用单晶半导体形成。再者，开关组5602_1至5602_M优选形成在与像素部同一衬底上。因此，优选通过FPC等连接驱动器IC5601和开关组5602_1至5602_M。或者，也可以通过与像素部贴合在同一衬底上等而设置单晶半导体层，来形成驱动器IC5601。
接着，参照图16的时序图说明图15所示的信号线驱动电路的工作。注意，图16的时序图示出选择第i行扫描线Gi时的时序图。再者，第i行扫描线Gi的选择期间被分割为第一子选择期间T1、第二子选择期间T2及第三子选择期间T3。而且，图15的信号线驱动电路在其他行的扫描线被选择的情况下也进行与图16相同的工作。
注意，图16的时序图示出第J列的布线5621_J分别通过第一薄膜晶体管5603a、第二薄膜晶体管5603b及第三薄膜晶体管5603c连接到信号线Sj-2、信号线Sj-1、信号线Sj的情况。
注意，图16的时序图示出第i行扫描线Gi被选择的定时、第一薄膜晶体管5603a的导通/截止的定时5703a、第二薄膜晶体管5603b的导通/截止的定时5703b、第三薄膜晶体管5603c的导通/截止的定时5703c及输入到第J列布线5621_J的信号5721_J。
注意，在第一子选择期间T1、第二子选择期间T2及第三子选择期间T3中，分别对布线5621_1至布线5621_M输入不同的视频信号。例如，在第一子选择期间T1输入到布线5621_J的视频信号输入到信号线Sj-2，在第二子选择期间T2输入到布线5621_J的视频信号输入到信号线Sj-1，在第三子选择期间T3输入到布线5621_J的视频信号输入到信号线Sj。再者，在第一子选择期间T1、第二子选择期间T2及第三子选择期间T3中输入到布线5621_J的视频信号分别为Data_j-2、Data_j-1、Data_j。
如图16所示，在第一子选择期间T1中，第一薄膜晶体管5603a导通，第二薄膜晶体管5603b及第三薄膜晶体管5603c截止。此时，输入到布线5621_J的Data_j-2通过第一薄膜晶体管5603a输入到信号线Sj-2。在第二子选择期间T2中，第二薄膜晶体管5603b导通，第一薄膜晶体管5603a及第三薄膜晶体管5603c截止。此时，输入到布线5621_J的Data_j-1通过第二薄膜晶体管5603b输入到信号线Sj-1。在第三子选择期间T3中，第三薄膜晶体管5603c导通，第一薄膜晶体管5603a及第二薄膜晶体管5603b截止。此时，输入到布线5621_J的Data_j通过第三薄膜晶体管5603c输入到信号线Sj。
据此，图15的信号线驱动电路通过将一个栅极选择期间分割为三个从而可以在一个栅极选择期间中从一个布线5621将视频信号输入到三个信号线。因此，图15的信号线驱动电路可以将形成有驱动器IC5601的衬底和形成有像素部的衬底的连接数设定为信号线数的大约1/3。通过将连接数设定为大约1/3，可以提高图15的信号线驱动电路的可靠性、成品率等。
注意，只要能够如图15所示，将一个栅极选择期间分割为多个子选择期间，并在各子选择期间中从某一个布线向多个信号线分别输入视频信号，就对于薄膜晶体管的配置、数量及驱动方法等没有限制。
例如，当在三个以上的子选择期间的每个中从一个布线将视频信号分别输入到三个以上的信号线时，追加薄膜晶体管及用来控制薄膜晶体管的布线即可。但是，当将一个栅极选择期间分割为四个以上的子选择期间时，一个子选择期间变短。因此，优选将一个栅极选择期间分割为两个或三个子选择期间。
作为另一例，也可以如图17的时序图所示，将一个选择期间分割为预充电期间Tp、第一子选择期间T1、第二子选择期间T2、第三子选择期间T3。再者，图17的时序图示出选择第i行扫描线Gi的定时、第一薄膜晶体管5603a的导通/截止的定时5803a、第二薄膜晶体管5603b的导通/截止的定时5803b、第三薄膜晶体管5603c的导通/截止的定时5803c以及输入到第J列布线5621_J的信号5821_J。如图17所示，在预充电期间Tp中，第一薄膜晶体管5603a、第二薄膜晶体管5603b及第三薄膜晶体管5603c导通。此时，输入到布线5621_J的预充电电压Vp通过第一薄膜晶体管5603a、第二薄膜晶体管5603b及第三薄膜晶体管5603c分别输入到信号线Sj-2、信号线Sj-1、信号线Sj。在第一子选择期间T1中，第一薄膜晶体管5603a导通，第二薄膜晶体管5603b及第三薄膜晶体管5603c截止。此时，输入到布线5621_J的Data_j-2通过第一薄膜晶体管5603a输入到信号线Sj-2。在第二子选择期间T2中，第二薄膜晶体管5603b导通，第一薄膜晶体管5603a及第三薄膜晶体管5603c截止。此时，输入到布线5621_J的Data_j-1通过第二薄膜晶体管5603b输入到信号线Sj-1。在第三子选择期间T3中，第三薄膜晶体管5603c导通，第一薄膜晶体管5603a及第二薄膜晶体管5603b截止。此时，输入到布线5621_J的Data_j通过第三薄膜晶体管5603c输入到信号线Sj。
据此，因为应用了图17的时序图的图15的信号线驱动电路可以通过在子选择期间之前提供预充电选择期间来对信号线进行预充电，所以可以高速地进行对像素的视频信号的写入。注意，在图17中，使用相同的附图标记来表示与图16相同的部分，而省略对于同一部分或具有相同的功能的部分的详细说明。
此外，说明扫描线驱动电路的结构。扫描线驱动电路包括移位寄存器、缓冲器。此外，根据情况，还可以包括电平转移器。在扫描线驱动电路中，通过对移位寄存器输入时钟信号(CLK)及起始脉冲信号(SP)，生成选择信号。所生成的选择信号在缓冲器中被缓冲放大，并供给到对应的扫描线。扫描线连接到一行的像素的晶体管的栅电极。而且，由于需要将一行的像素的晶体管同时导通，因此使用能够流过大电流的缓冲器。
参照图18和图19说明用于扫描线驱动电路的一部分的移位寄存器的一个方式。
图18示出移位寄存器的电路结构。图18所示的移位寄存器由触发器5701_1至5701_n的多个触发器构成。此外，输入第一时钟信号、第二时钟信号、起始脉冲信号、复位信号来进行工作。
说明图18的移位寄存器的连接关系。第一级触发器5701_1连接到第一布线5711、第二布线5712、第四布线5714、第五布线5715、第七布线5717_1及第七布线5717_2。另外，第二级触发器5701_2连接到第三布线5713、第四布线5714、第五布线5715、第七布线5717_1、第七布线5717_2及第七布线5717_3。
与此同样，第i级触发器5701_i(触发器5701_1至5701_n中的任一个)连接到第二布线5712或第三布线5713的一方、第四布线5714、第五布线5715、第七布线5717_i-1、第七布线5717_i及第七布线5717_i+1。在此，在i为奇数的情况下，第i级触发器5701_i连接到第二布线5712，在i为偶数的情况下，第i级触发器5701_i连接到第三布线5713。
另外，第n级触发器5701_n连接到第二布线5712或第三布线5713的一方、第四布线5714、第五布线5715、第七布线5717_n-1、第七布线5717_n及第六布线5716。
注意，第一布线5711、第二布线5712、第三布线5713、第六布线5716也可以分别称为第一信号线、第二信号线、第三信号线、第四信号线。再者，第四布线5714、第五布线5715也可以分别称为第一电源线、第二电源线。
接着，使用图19说明图18所示的触发器的详细结构。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以及第八薄膜晶体管5578。注意，第一薄膜晶体管5571、第二薄膜晶体管5572、第三薄膜晶体管5573、第四薄膜晶体管5574、第五薄膜晶体管5575、第六薄膜晶体管5576、第七薄膜晶体管5577以及第八薄膜晶体管5578是n沟道型晶体管，并且当栅-源间电压(Vgs)超过阈值电压(Vth)时它们成为导通状态。
另外，图19所示的触发器具有第一布线5501、第二布线5502、第三布线5503、第四布线5504、第五布线5505及第六布线5506。
在此示出将所有薄膜晶体管设定有增强型n沟道型晶体管的例子，但是没有特别的限制，例如即使使用耗尽型n沟道型晶体管也可以驱动驱动电路。
接着，下面示出图18所示的触发器的连接结构。
第一薄膜晶体管5571的第一电极(源电极及漏电极中的一方)连接到第四布线5504，并且第一薄膜晶体管5571的第二电极(源电极及漏电极中的另一方)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，并且第二薄膜晶体管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的栅电极，第三薄膜晶体管5573的栅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的栅电极，并且第四薄膜晶体管5574的栅电极连接到第一薄膜晶体管5571的栅电极。
第五薄膜晶体管5575的第一电极连接到第五布线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的栅电极，并且第五薄膜晶体管5575的栅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的栅电极，并且第六薄膜晶体管5576的栅电极连接到第二薄膜晶体管5572的栅电极。
第七薄膜晶体管5577的第一电极连接到第六布线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的栅电极，并且第七薄膜晶体管5577的栅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的栅电极，并且第八薄膜晶体管5578的栅电极连接到第一布线5501。
注意，以第一薄膜晶体管5571的栅电极、第四薄膜晶体管5574的栅电极、第五薄膜晶体管5575的第二电极、第六薄膜晶体管5576的第二电极以及第七薄膜晶体管5577的第二电极的连接部为节点5543。再者，以第二薄膜晶体管5572的栅电极、第三薄膜晶体管5573的第二电极、第四薄膜晶体管5574的第二电极、第六薄膜晶体管5576的栅电极以及第八薄膜晶体管5578的第二电极的连接部为节点5544。
注意，第一布线5501、第二布线5502、第三布线5503以及第四布线5504也可以分别称为第一信号线、第二信号线、第三信号线、第四信号线。再者，第五布线5505、第六布线5506也可以分别称为第一电源线、第二电源线。
在第i级触发器5701_i中，图19中的第一布线5501和图18中的第七布线5717_i-1连接。另外，图19中的第二布线5502和图18中的第七布线5717_i+1连接。另外，图19中的第三布线5503和第七布线5717_i连接。而且，图19中的第六布线5506和第五布线5715连接。
在i为奇数的情况下，图19中的第四布线5504连接到图18中的第二布线5712，在i为偶数的情况下，图19中的第四布线5504连接到图18中的第三布线5713。另外，图19中的第五布线5505和图18中的第四布线5714连接。
在第一级触发器5701_1中，图19中的第一布线5501连接到图18中的第一布线5711。另外，在第n级触发器5701_n中，图19中的第二布线5502连接到图18中的第六布线5716。
此外，也可以仅使用与实施方式1至实施方式4中的任一个所示的n沟道型TFT制造信号线驱动电路及扫描线驱动电路。因为与实施方式1至实施方式4中的任一个所示的n沟道型TFT的晶体管迁移率大，所以可以提高驱动电路的驱动频率。另外，由于与实施方式1至实施方式4中的任一所示的n沟道型TFT利用In-Ga-Zn-O类非单晶膜的源区或漏区减少寄生电容，因此频率特性(称为f特性)高。例如，由于可以使用与实施方式1至实施方式4中的任一个所示的n沟道型TFT的扫描线驱动电路进行高速工作，因此可以提高帧频率或实现黑屏插入等。
再者，通过增大扫描线驱动电路的晶体管的沟道宽度，或配置多个扫描线驱动电路等，可以实现更高的帧频率。在配置多个扫描线驱动电路的情况下，通过将用来驱动偶数行的扫描线的扫描线驱动电路配置在一侧，并将用来驱动奇数行的扫描线的扫描线驱动电路配置在其相反一侧，可以实现帧频率的提高。此外，通过使用多个扫描线驱动电路对同一扫描线输出信号，有利于显示装置的大型化。
此外，在制造半导体装置的一例的有源矩阵型发光显示装置的情况下，因为至少在一个像素中配置多个薄膜晶体管，因此优选配置多个扫描线驱动电路。图14B示出有源矩阵型发光显示装置的框图的一例。
图14B所示的发光显示装置在衬底5400上包括：具有多个具备显示元件的像素的像素部5401；选择各像素的第一扫描线驱动电路5402及第二扫描线驱动电路5404；以及控制对被选择的像素的视频信号的输入的信号线驱动电路5403。
在输入到图14B所示的发光显示装置的像素的视频信号为数字形式的情况下，通过切换晶体管的导通和截止，使像素处于发光或非发光状态。因此，可以采用面积灰度法或时间灰度法进行灰度显示。面积灰度法是通过将一个像素分割为多个子像素并根据视频信号分别驱动各子像素来进行灰度显示的驱动法。此外，时间灰度法是通过控制像素发光的期间来进行灰度显示的驱动法。
因为发光元件的响应速度比液晶元件等的响应速度高，所以与液晶元件相比适合于时间灰度法。在具体地采用时间灰度法进行显示的情况下，将一个帧期间分割为多个子帧期间。然后，根据视频信号，在各子帧期间中使像素的发光元件处于发光或非发光状态。通过将一个帧期间分割为多个子帧期间，可以利用视频信号控制在一个帧期间中像素实际上发光的期间的总长度，可以进行灰度显示。
注意，在图14B所示的发光显示装置中示出如下例子，其中当在一个像素中配置两个开关TFT时，使用第一扫描线驱动电路5402生成输入到一方的开关TFT的栅极布线的第一扫描线的信号，而使用第二扫描线驱动电路5404生成输入到另一方的开关TFT的栅极布线的第二扫描线的信号。但是，也可以共同使用一个扫描线驱动电路生成输入到第一扫描线的信号和输入到第二扫描线的信号。此外，例如根据一个像素所具有的开关TFT的数量，可能会在各像素中设置多个用来控制开关元件的工作的扫描线。在此情况下，既可以使用一个扫描线驱动电路生成输入到多个扫描线的所有信号，又可以使用多个扫描线驱动电路生成输入到多个扫描线的所有信号。
此外，在发光显示装置中也可以将能够由n沟道型TFT构成的驱动电路的一部分与像素部的薄膜晶体管形成在同一衬底上。另外，也可以仅使用与实施方式1至实施方式4所示的n沟道型TFT制造信号线驱动电路及扫描线驱动电路。
此外，上述驱动电路除了液晶显示装置及发光显示装置以外还可以用于利用与开关元件电连接的元件来驱动电子墨水的电子纸。电子纸也称为电泳显示装置(电泳显示器)，并具有如下优点：与纸相同的易读性、耗电量比其他的显示装置小、可形成为薄且轻的形状。
作为电泳显示器可考虑各种方式。电泳显示器是如下器件，即在溶剂或溶质中分散有包含具有正电荷的第一粒子和具有负电荷的第二粒子的多个微囊，并且通过对微囊施加电场使微囊中的粒子向彼此相反的方向移动，以仅显示集中在一方的粒子的颜色。注意，第一粒子或第二粒子包含染料，且在没有电场时不移动。此外，第一粒子和第二粒子的颜色不同(包含无色)。
像这样，电泳显示器是利用所谓的介电电泳效应的显示器。在该介电电泳效应中，介电常数高的物质移动到高电场区。
将在溶剂中分散有上述微囊的材料称作电子墨水，该电子墨水可以印刷到玻璃、塑料、布、纸等的表面上。另外，还可以通过使用滤色片或具有色素的粒子来进行彩色显示。
此外，通过在有源矩阵衬底上适当地设置多个上述微囊，使得微囊夹在两个电极之间，就完成了有源矩阵型显示装置，只要对微囊施加电场，就可以进行显示。例如，可以使用利用与实施方式1至实施方式4的薄膜晶体管来得到的有源矩阵衬底。
此外，作为微囊中的第一粒子及第二粒子，采用选自导电体材料、绝缘体材料、半导体材料、磁性材料、液晶材料、铁电性材料、电致发光材料、电致变色材料、磁泳材料中的一种或这些材料的组合材料即可。
通过上述工序，可以制造作为半导体装置可靠性高的显示装置。
注意，本实施方式所示的结构可以与其他实施方式所示的结构适当地组合而使用。
(实施方式6)
通过制造实施方式1至实施方式4所示的薄膜晶体管并将该薄膜晶体管用于像素部及驱动电路，从而可以制造具有显示功能的半导体装置(也称为显示装置)。此外，可以将使用了实施方式1至实施方式4所示的薄膜晶体管的驱动电路的一部分或全部与像素部一体地形成在同一衬底上，从而形成系统型面板(system-on-panel)。
显示装置包括显示元件。作为显示元件，可以使用液晶元件(也称为液晶显示元件)、发光元件(也称为发光显示元件)。在发光元件的范畴内包括利用电流或电压控制亮度的元件，具体而言，包括无机EL(Electro Luminescence；电致发光)元件、有机EL元件等。此外，也可以应用电子墨水等的对比度因电作用而变化的显示媒体。
此外，显示装置包括密封有显示元件的面板和在该面板中安装有包括控制器的IC等的模块。再者，涉及一种元件衬底，该元件衬底相当于制造该显示装置的过程中的显示元件完成之前的一个方式，并且它在多个各像素中分别具备用于将电流供给到显示元件的单元。具体而言，元件衬底既可以是只形成有显示元件的像素电极的状态，又可以是形成成为像素电极的导电膜之后且通过蚀刻形成像素电极之前的状态，而可以采用各种方式。
注意，本说明书中的显示装置是指图像显示装置、显示装置、或光源(包括照明装置)。另外，显示装置还包括安装有连接器，诸如FPC(Flexible Printed Circuit；柔性印刷电路)、TAB(Tape AutomatedBonding；载带自动键合)带或TCP(Tape Carrier Package；载带封装)的模块；将印刷线路板固定到TAB带或TCP端部的模块；通过COG(Chip On Glass；玻璃上芯片)方式将IC(集成电路)直接安装到显示元件上的模块。
在本实施方式中，参照图22A-1、22A-2以及22B说明相当于半导体装置的一个方式的液晶显示面板的外观及截面。图22A-1、22A-2是如下面板的俯视图，其中利用密封材料4005将包括用作氧化物半导体层的形成在第一衬底4001上的实施方式1至实施方式4所示的In-Ga-Zn-O类非单晶膜、且可靠性高的薄膜晶体管4010、4011及液晶元件4013密封在第一衬底4001和第二衬底4006之间。图22B相当于沿着图22A-1、22A-2的M-N的截面图。
以围绕设置在第一衬底4001上的像素部4002和扫描线驱动电路4004的方式设置有密封材料4005。此外，在像素部4002和扫描线驱动电路4004上设置有第二衬底4006。因此，像素部4002和扫描线驱动电路4004与液晶层4008一起由第一衬底4001、密封材料4005和第二衬底4006密封。此外，在与第一衬底4001上的由密封材料4005围绕的区域不同的区域中安装有信号线驱动电路4003，该信号线驱动电路4003使用单晶半导体膜或多晶半导体膜形成在另行准备的衬底上。
注意，对于另行形成的驱动电路的连接方法没有特别的限制，而可以采用COG方法、引线键合方法或TAB方法等。图22A-1是通过COG方法安装信号线驱动电路4003的例子，而图22A-2是通过TAB方法安装信号线驱动电路4003的例子。
此外，设置在第一衬底4001上的像素部4002和扫描线驱动电路4004包括多个薄膜晶体管。在图22B中例示像素部4002所包括的薄膜晶体管4010和扫描线驱动电路4004所包括的薄膜晶体管4011。在薄膜晶体管4010、4011上设置有绝缘层4020、4021。
对薄膜晶体管4010、4011可以应用实施方式1至实施方式4所示的包括用作氧化物半导体层的In-Ga-Zn-O类非单晶膜的可靠性高的薄膜晶体管。在本实施方式中，薄膜晶体管4010、4011是n沟道型薄膜晶体管。
此外，液晶元件4013所具有的像素电极层4030与薄膜晶体管4010电连接。而且，液晶元件4013的对置电极层4031形成在第二衬底4006上。像素电极层4030、对置电极层4031和液晶层4008重叠的部分相当于液晶元件4013。注意，像素电极层4030、对置电极层4031分别设置有用作取向膜的绝缘层4032、4033，且隔着绝缘层4032、4033夹有液晶层4008。
注意，作为第一衬底4001、第二衬底4006，可以使用玻璃、金属(典型的是不锈钢)、陶瓷、塑料。作为塑料，可以使用FRP(Fiberglass-Reinforced Plastics；玻璃纤维增强塑料)板、PVF(聚氟乙烯)膜、聚酯膜或丙烯酸树脂膜。此外，还可以使用具有将铝箔夹在PVF膜之间或聚酯膜之间的结构的薄片。
此外，附图标记4035表示通过对绝缘膜选择性地进行蚀刻而得到的柱状间隔件，并且它是为控制像素电极层4030和对置电极层4031之间的距离(液晶盒间隙)而设置的。注意，还可以使用球状间隔件。另外，对置电极层4031与设置在与薄膜晶体管4010同一衬底上的共同电位线电连接。使用共同连接部，可以通过配置在一对衬底之间的导电性粒子电连接对置电极层4031和共同电位线。此外，将导电性粒子包含在密封材料4005中。
另外，还可以使用不使用取向膜的显示蓝相的液晶。蓝相是液晶相的一种，是指当使胆甾相液晶的温度上升时即将从胆甾相转变到均质相之前出现的相。由于蓝相只出现在较窄的温度范围内，所以为了改善温度范围而将使用混合有5重量％以上的手性试剂的液晶组成物而使用于液晶层4008。包含显示蓝相的液晶和手性试剂的液晶组成物的响应速度短，即为10μs至100μs，并且由于其具有光学各向同性而不需要取向处理从而视角依赖性小。
另外，虽然本实施方式示出透射型液晶显示装置的例子，但是也可以应用于反射型液晶显示装置或半透射型液晶显示装置。
另外，虽然在本实施方式的液晶显示装置中示出在衬底的外侧(可见的一侧)设置偏振片，并在内侧依次设置着色层、用于显示元件的电极层的例子，但是也可以在衬底的内侧设置偏振片。另外，偏振片和着色层的叠层结构也不局限于本实施方式的结构，只要根据偏振片和着色层的材料或制造工序条件适当地设定即可。另外，还可以设置用作黑底的遮光膜。
另外，在本实施方式中，使用用作保护膜或平坦化绝缘膜的绝缘层(绝缘层4020、绝缘层4021)覆盖在实施方式1至实施方式4中得到的薄膜晶体管，以降低薄膜晶体管的表面凹凸并提高薄膜晶体管的可靠性。另外，因为保护膜用来防止悬浮在大气中的有机物、金属物、水蒸气等的污染杂质的进入，所以优选采用致密的膜。利用溅射法并利用氧化硅膜、氮化硅膜、氧氮化硅膜、氮氧化硅膜、氧化铝膜、氮化铝膜、氧氮化铝膜或氮氧化铝膜的单层或叠层形成保护膜即可。虽然在本实施方式中示出利用溅射法形成保护膜的例子，但是并不局限于此，可以使用各种方法形成保护膜。
在此，作为保护膜形成叠层结构的绝缘层4020。在此，作为绝缘层4020的第一层利用溅射法形成氧化硅膜。当作为保护膜使用氧化硅膜时，可以有效防止用作源电极层及漏电极层的铝膜的小丘。
另外，作为保护膜的第二层形成绝缘层。在此，利用溅射法形成氮化硅膜作为绝缘层4020的第二层。当使用氮化硅膜作为保护膜时，可以抑制钠等的可动离子进入到半导体区域中而使TFT的电特性变化。
另外，也可以在形成保护膜之后进行对氧化物半导体层的退火(300℃至400℃)。
另外，形成绝缘层4021作为平坦化绝缘膜。作为绝缘层4021，可以使用具有耐热性的有机材料如聚酰亚胺、丙烯酸树脂、苯并环丁烯、聚酰胺、环氧树脂等。另外，除了上述有机材料之外，还可以使用低介电常数材料(low-k材料)、硅氧烷类树脂、PSG(磷硅玻璃)、BPSG(硼磷硅玻璃)等。另外，也可以通过层叠多层由这些材料形成的绝缘膜来形成绝缘层4021。
另外，硅氧烷类树脂相当于以硅氧烷类材料为起始材料而形成的包含Si-O-Si键的树脂。作为硅氧烷类树脂的取代基可以使用有机基(例如烷基、芳基)、氟基团。另外，有机基可以具有氟基团。
对绝缘层4021的形成方法没有特别的限制，可以根据其材料利用溅射法、SOG法、旋涂、浸渍、喷涂、液滴喷射法(喷墨法、丝网印刷、胶版印刷等)、刮片、辊涂机、幕涂机、刮刀涂布机等。在使用材料液形成绝缘层4021的情况下，也可以在进行焙烧的工序中同时进行对氧化物半导体层的退火(300℃至400℃)。通过兼作绝缘层4021的焙烧工序和对氧化物半导体层的退火，可以有效地制造半导体装置。
作为像素电极层4030、对置电极层4031，可以使用具有透光性的导电材料诸如包含氧化钨的氧化铟、包含氧化钨的氧化铟锌、包含氧化钛的氧化铟、包含氧化钛的氧化铟锡、氧化铟锡(下面表示为ITO)、氧化铟锌、添加有氧化硅的氧化铟锡等。
此外，可以使用包含导电高分子(也称为导电聚合物)的导电组成物形成像素电极层4030、对置电极层4031。使用导电组成物形成的像素电极的薄层电阻优选为10000Ω/□以下，并且其波长为550nm时的透光率优选为70％以上。另外，导电组成物所包含的导电高分子的电阻率优选为0.1Ω·em以下。
作为导电高分子，可以使用所谓的π电子共轭类导电高分子。例如，可以举出聚苯胺或其衍生物、聚吡咯或其衍生物、聚噻吩或其衍生物、或者上述材料中的两种以上的共聚物等。
另外，供给到另行形成的信号线驱动电路4003、扫描线驱动电路4004或像素部4002的各种信号及电位是从FPC4018供给的。
在本实施方式中，连接端子电极4015由与液晶元件4013所具有的像素电极层4030相同的导电膜形成，并且端子电极4016由与薄膜晶体管4010、4011的源电极层及漏电极层相同的导电膜形成。
连接端子电极4015通过各向异性导电膜4019电连接到FPC4018所具有的端子。
此外，虽然在图22A-1、22A-2以及22B中示出另行形成信号线驱动电路4003并将它安装在第一衬底4001上的例子，但是本实施方式不局限于该结构。既可以另行形成扫描线驱动电路而安装，又可以另行仅形成信号线驱动电路的一部分或扫描线驱动电路的一部分而安装。
图23示出使用应用实施方式1至实施方式4所示的TFT制造的TFT衬底2600来构成液晶显示模块作为半导体装置的一例。
图23是液晶显示模块的一例，利用密封材料2602固定TFT衬底2600和对置衬底2601，并在其间设置包括TFT等的像素部2603、包括液晶层的显示元件2604、着色层2605来形成显示区。在进行彩色显示时需要着色层2605，并且当采用RGB方式时，对应于各像素设置有分别对应于红色、绿色、蓝色的着色层。在TFT衬底2600和对置衬底2601的外侧配置有偏振片2606、偏振片2607、扩散板2613。光源由冷阴极管2610和反射板2611构成，电路衬底2612利用柔性线路板2609与TFT衬底2600的布线电路部2608连接，且其中组装有控制电路及电源电路等的外部电路。此外，也可以以在偏振片和液晶层之间具有相位差板的状态下层叠。
作为液晶显示模块可以采用TN(扭曲向列；Twisted Nematic)模式、IPS(平面内转换；In-Plane-Switching)模式、FFS(边缘电场转换；Fringe Field Switching)模式、MVA(多畴垂直取向；Multi-domain Vertical Alignment)模式、PVA(构型垂直取向；Patterned Vertical Alignment)模式、ASM(轴对称排列微胞；AxiallySymmetric aligned Micro-cell)模式、OCB(光学补偿双折射；OpticallyCompensated Birefringence)模式、FLC(铁电性液晶；FerroelectricLiquid Crystal)模式、AFLC(反铁电性液晶；AntiFerroelectric LiquidCrystal)模式等。
通过上述工序，可以制造作为半导体装置可靠性高的液晶显示屏。
注意，本实施方式所示的结构可以与其他实施方式所示的结构适当地组合而使用。
(实施方式7)
在本实施方式中，作为应用了实施方式1至实施方式4所示的薄膜晶体管的半导体装置示出电子纸的例子。
在图13中，作为半导体装置的例子示出有源矩阵型电子纸。作为用于半导体装置的薄膜晶体管581，可以应用实施方式1至实施方式4所示的薄膜晶体管。
图13的电子纸是采用扭转球显示方式(twist ball type)的显示装置的例子。扭转球显示方式是指这样的一种方法，其中通过将分别涂成白色和黑色的球形粒子配置在用于显示元件的电极层的第一电极层及第二电极层之间，并在第一电极层及第二电极层之间产生电位差来控制球形粒子的方向，以进行显示。
密封在衬底580和衬底596之间的薄膜晶体管581是底栅结构的薄膜晶体管，并且源电极层或漏电极层在形成于绝缘层583、584、585中的开口中接触于第一电极层587并与它电连接。在第一电极层587和第二电极层588之间设置有球形粒子589，该球形粒子589具有黑色区590a、白色区590b，且其周围包括充满了液体的空洞594，并且球形粒子589的周围充满有树脂等的填料595(参照图13)。在本实施方式中，第一电极层587相当于像素电极，第二电极层588相当于共同电极。第二电极层588与设置在与薄膜晶体管581同一衬底上的共同电位线电连接。可以使用共同连接部、通过配置在一对衬底之间的导电性粒子电连接第二电极层588和共同电位线。
此外，还可以使用电泳元件代替扭转球。使用直径为10μm至20μm左右的微囊，该微囊中封入有透明液体、带正电的白色微粒和带负电的黑色微粒。在设置在第一电极层和第二电极层之间的微囊中，当由第一电极层和第二电极层施加电场时，白色微粒和黑色微粒向相反方向移动，从而可以显示白色或黑色。应用这种原理的显示元件就是电泳显示元件，一般地称为电子纸。电泳显示元件具有比液晶显示元件高的反射率，因而不需要辅助光源。此外，耗电量低，并且在昏暗的地方也能够辨认显示部。另外，即使不向显示部供应电源，也能够保持显示过一次的图像。从而，即使使具有显示功能的半导体装置(简单地称为显示装置，或称为具备显示装置的半导体装置)远离电波发送源，也能够保存显示过的图像。
通过上述工序，可以制造作为半导体装置的可靠性高的电子纸。
注意，本实施方式所示的结构可以与其他实施方式所示的结构适当地组合而使用。
(实施方式8)
在本实施方式中，作为应用实施方式1至实施方式4所示的薄膜晶体管的半导体装置示出发光显示装置的例子。在此，示出了将利用了电致发光的发光元件作为显示装置所具有的显示元件。利用电致发光的发光元件根据其发光材料是有机化合物还是无机化合物来进行区分，一般来说，前者称为有机EL元件，而后者称为无机EL元件。
在有机EL元件中，通过对发光元件施加电压，电子和空穴从一对电极分别注入到包含发光有机化合物的层，以产生电流。然后，由于这些载流子(电子和空穴)的复合，发光有机化合物形成激发态，并且当该激发态恢复到基态时，进行发光。根据这种机制，该发光元件称为电流激励型发光元件。
根据其元件的结构，将无机EL元件分类为分散型无机EL元件和薄膜型无机EL元件。分散型无机EL元件包括在粘合剂中分散有发光材料的粒子的发光层，且其发光机制是利用施主能级和受主能级的施主-受主复合型发光。薄膜型无机EL元件具有利用电介质层夹住发光层再被电极夹住的结构，并且其发光机制是利用金属离子的内壳电子跃迁的局部型发光。注意，在此使用有机EL元件作为发光元件而进行说明。
图20示出作为应用本发明的一个方式的半导体装置的例子能够应用数字时间灰度驱动(digital time grayscale driving)的像素结构的一例的图。
以下对能够应用数字时间灰度驱动的像素的结构及像素的工作进行说明。在此示出一个像素中使用两个实施方式1至实施方式4所示的将氧化物半导体层(In-Ga-Zn-O类非单晶膜)用作沟道形成区的n沟道型晶体管的例子。
像素6400包括：开关晶体管6401、驱动晶体管6402、发光元件6404以及电容元件6403。在开关晶体管6401中，栅极连接于扫描线6406，第一电极(源电极及漏电极中的一方)连接于信号线6405，第二电极(源电极及漏电极中的另一方)连接于驱动晶体管6402的栅极。在驱动晶体管6402中，栅极通过电容元件6403连接于电源线6407，第一电极连接于电源线6407，第二电极连接于发光元件6404的第一电极(像素电极)。发光元件6404的第二电极相当于共同电极6408。共同电极6408采用与形成在同一衬底上的共同电位线电连接、且将该连接部分用作共同连接部的、图1A、图2A或图3A所示的结构，即可。
此外，将发光元件6404的第二电极(共同电极6408)设置为低电源电位。另外，低电源电位是指，以在电源线6407上所设定的高电源电位为基准满足：低电源电位＜高电源电位的电位，作为低电源电位例如可以设定为GND、0V等。将该高电源电位与低电源电位的电位差施加到发光元件6404上，为了在发光元件6404中流过电流而使发光元件6404发光，以高电源电位与低电源电位的电位差为发光元件6404的正向阈值电压以上的方式设定各自的电位。
另外，还可以使用驱动用晶体管6402的栅极电容代替电容元件6403而省略电容元件6403。至于驱动用晶体管6402的栅极电容，可以在沟道形成区与栅电极之间形成电容。
这里，在采用电压输入电压驱动方式的情况下，对驱动用晶体管6402的栅极输入能够使驱动用晶体管6402成为充分导通或截止的两个状态的视频信号。即，驱动用晶体管6402在线形区域进行工作。由于驱动用晶体管6402在线形区域进行工作，将比电源线6407的电压高的电压施加到驱动用晶体管6402的栅极上。另外，对信号线6405施加(电源线电压+驱动用晶体管6402的Vth)以上的电压。
另外，当进行模拟灰度驱动而代替数字时间灰度驱动时，通过使信号的输入不同，可以使用与图20相同的像素结构。
当进行模拟灰度驱动时，对驱动晶体管6402的栅极施加(发光元件6404的正向电压+驱动晶体管6402的Vth)以上的电压。发光元件6404的正向电压是指得到所希望的亮度时的电压，至少包括正向阈值电压。此外，通过输入使驱动晶体管6402在饱和区域工作的视频信号，可以将电流供给到发光元件6404。为了使驱动晶体管6402在饱和区域工作，电源线6407的电位高于驱动晶体管6402的栅极电位。通过将视频信号设为模拟信号，对应于该视频信号的电流可以供给到发光元件6404，可以进行模拟灰度驱动。
此外，图20所示的像素结构不局限于此。例如，也可以对图20所示的像素另外添加开关、电阻元件、电容元件、晶体管、或逻辑电路等。
接着，参照图21A至21C说明发光元件的结构。在此，以驱动TFT是n型的情况为例子来说明像素的截面结构。作为用于图21A、21B和21C的半导体装置的驱动TFT7001、7011、7021可以与实施方式1至实施方式4所示的薄膜晶体管同样地制造，其是包括用作氧化物半导体层的In-Ga-Zn-O类非单晶膜的可靠性高的薄膜晶体管。
为了从发光元件中取出发光，阳极及阴极中之至少一方是透明的，即可。而且，有如下结构的发光元件，即在衬底上形成薄膜晶体管及发光元件，并从与衬底相反的面发光的顶部发射、从衬底一侧的面发光的底部发射、以及从衬底一侧及与衬底相反的一侧的面发光的双面发射。根据本发明的一个方式的像素结构可以应用于任何发射结构的发光元件。
参照图21A说明顶部发射结构的发光元件。
在图21A中示出当驱动TFT7001是n型，并且从发光元件7002发射的光穿过阳极7005一侧时的像素的截面图。在图21A中，发光元件7002的阴极7003和驱动TFT7001电连接，在阴极7003上按顺序层叠有发光层7004、阳极7005。作为阴极7003，只要是功函数小且反射光的导电膜，就可以使用各种材料。例如，优选采用Ca、Al、MgAg、AlLi等。而且，发光层7004可以由单层或多个层的叠层构成。在由多个层构成时，在阴极7003上按顺序层叠电子注入层、电子传输层、发光层、空穴传输层、空穴注入层。注意，不需要设置上述的所有层。使用具有透过光的透光性的导电材料形成阳极7005，也可以使用具有透光性的导电膜例如包含氧化钨的氧化铟、包含氧化钨的氧化铟锌、包含氧化钛的氧化铟、包含氧化钛的氧化铟锡、氧化铟锡(下面，表示为ITO)、氧化铟锌、添加有氧化硅的氧化铟锡等。
使用阴极7003及阳极7005夹住发光层7004的区域相当于发光元件7002。在图21A所示的像素中，从发光元件7002发射的光如箭头所示那样发射到阳极7005一侧。
接着，参照图21B说明底部发射结构的发光元件。图21B示出在驱动TFT7011是n型，并且从发光元件7012发射的光发射到阴极7013一侧的情况下的像素的截面图。在图21B中，在与驱动TFT7011电连接的具有透光性的导电膜7017上形成有发光元件7012的阴极7013，在阴极7013上按顺序层叠有发光层7014、阳极7015。注意，在阳极7015具有透光性的情况下，也可以覆盖阳极上地形成有用于反射光或遮光的遮蔽膜7016。与图21A的情况同样地，阴极7013只要是功函数小的导电材料，就可以使用各种材料。但是，将其厚度设定为透过光的程度(优选为5nm至30nm左右)。例如，也可以将膜厚度为20nm的铝膜用作阴极7013。而且，与图21A同样地，发光层7014可以由单层或多个层的叠层构成。阳极7015不需要透过光，但是可以与图21A同样地使用具有透光性的导电材料形成。并且，虽然遮蔽膜7016例如可以使用反射光的金属等，但是不局限于金属膜。例如，也可以使用添加有黑色的颜料的树脂等。
由阴极7013及阳极7015夹住发光层7014的区域相当于发光元件7012。在图21B所示的像素中，从发光元件7012发射的光如箭头所示那样发射到阴极7013一侧。
接着，参照图21C说明双面发射结构的发光元件。在图21C中，在与驱动TFT7021电连接的具有透光性的导电膜7027上形成有发光元件7022的阴极7023，而在阴极7023上按顺序层叠有发光层7024、阳极7025。与图21A的情况同样地，作为阴极7023，只要是功函数小的导电材料，就可以使用各种材料。但是，将其厚度设定为透过光的程度。例如，可以将膜厚度为20nm的Al用作阴极7023。而且，与图21A同样地，发光层7024可以由单层或多个层的叠层构成。阳极7025可以与图21A同样地使用具有透过光的透光性的导电材料形成。
阴极7023、发光层7024和阳极7025重叠的部分相当于发光元件7022。在图21C所示的像素中，从发光元件7022发射的光如箭头所示那样发射到阳极7025一侧和阴极7023一侧双方。
注意，虽然在此描述了有机EL元件作为发光元件，但是也可以设置无机EL元件作为发光元件。
注意，虽然在本实施方式中示出了控制发光元件的驱动的薄膜晶体管(驱动TFT)和发光元件电连接的例子，但是也可以采用在驱动TFT和发光元件之间连接有电流控制TFT的结构。
注意，本实施方式所示的半导体装置不局限于图21A至21C所示的结构而可以根据本发明的技术思想进行各种变形。
接着，参照图24A和24B说明相当于应用了实施方式1至实施方式4中的任一个所示的薄膜晶体管的半导体装置的一个方式的发光显示面板(也称为发光面板)的外观及截面。图24A是一种面板的俯视图，其中利用密封材料在第一衬底与第二衬底之间密封形成在第一衬底上的薄膜晶体管及发光元件。图24B相当于沿着图24A的H-I的截面图。
以围绕设置在第一衬底4501上的像素部4502、信号线驱动电路4503a、4503b及扫描线驱动电路4504a、4504b的方式设置有密封材料4505。此外，在像素部4502、信号线驱动电路4503a、4503b及扫描线驱动电路4504a、4504b上设置有第二衬底4506。因此，像素部4502、信号线驱动电路4503a、4503b、以及扫描线驱动电路4504a、4504b与填料4507一起由第一衬底4501、密封材料4505和第二衬底4506密封。像这样，为了不暴露于空气中，优选使用气密性高且漏气少的保护膜(贴合膜、紫外线固化树脂膜等)及覆盖材料进行封装(密封)。
此外，设置在第一衬底4501上的像素部4502、信号线驱动电路4503a、4503b及扫描线驱动电路4504a、4504b包括多个薄膜晶体管。在图24B中，例示包括在像素部4502中的薄膜晶体管4510和包括在信号线驱动电路4503a中的薄膜晶体管4509。
薄膜晶体管4509、4510可以应用实施方式1至实施方式4所示的、包括用作氧化物半导体层的In-Ga-Zn-O类非单晶膜的可靠性高的薄膜晶体管。在本实施方式中，薄膜晶体管4509、4510是n沟道型薄膜晶体管。
此外，附图标记4511相当于发光元件，发光元件4511所具有的作为像素电极的第一电极层4517与薄膜晶体管4510的源电极层或漏电极层电连接。注意，虽然发光元件4511的结构是第一电极层4517、电场发光层4512、第二电极层4513的叠层结构，但是不局限于本实施方式所示的结构。可以根据从发光元件4511取出光的方向等适当地改变发光元件4511的结构。
使用有机树脂膜、无机绝缘膜或有机聚硅氧烷形成分隔壁4520。特别优选的是，使用感光材料，在第一电极层4517上形成开口部，并将其开口部的侧壁形成为具有连续的曲率的倾斜面。
电场发光层4512既可以由单层构成，又可以由多个层的叠层构成。
也可以在第二电极层4513及分隔壁4520上形成保护膜，以防止氧、氢、水分、二氧化碳等进入到发光元件4511中。作为保护膜，可以形成氮化硅膜、氮氧化硅膜、DLC膜等。
另外，供给到信号线驱动电路4503a、4503b、扫描线驱动电路4504a、4504b、或像素部4502的各种信号及电位是从FPC4518a、4518b供给的。
在本实施方式中，连接端子电极4515由与发光元件4511所具有的第一电极层4517相同的导电膜形成，并且端子电极4516由与薄膜晶体管4509、4510所具有的源电极层及漏电极层相同的导电膜形成。
连接端子电极4515通过各向异性导电膜4519与FPC4518a所具有的端子电连接。
位于从发光元件4511取出光的方向上的第二衬底4506需要具有透光性。在此情况下，使用如玻璃板、塑料板、聚酯膜或丙烯酸膜等的具有透光性的材料。
此外，作为填料4507，除了氮及氩等的惰性气体之外，还可以使用紫外线固化树脂或热固化树脂。可以使用PVC(聚氯乙烯)、丙烯酸、聚酰亚胺、环氧树脂、硅酮树脂、PVB(聚乙烯醇缩丁醛)、或EVA(乙烯-醋酸乙烯酯)。在本实施方式中，作为填料4507使用氮。
另外，若有需要，也可以在发光元件的射出面上适当地设置诸如偏振片、圆偏振片(包括椭圆偏振片)、相位差板(λ/4片、λ/2片)、滤色片等的光学膜。另外，也可以在偏振片或圆偏振片上设置抗反射膜。例如，可以进行抗眩光处理，该处理是利用表面的凹凸来扩散反射光并降低眩光的处理。
信号线驱动电路4503a、4503b及扫描线驱动电路4504a、4504b也可以作为在另行准备的衬底上用单晶半导体膜或多晶半导体膜形成的驱动电路安装。此外，也可以另行仅形成信号线驱动电路或其一部分、或者扫描线驱动电路或其一部分而安装。本实施方式不局限于图24A和24B的结构。
通过上述工序，可以制造作为半导体装置可靠性高的发光显示装置(显示面板)。
注意，本实施方式所示的结构可以与其他实施方式所示的结构适当地组合而使用。
(实施方式9)
应用实施方式1至实施方式4所示的薄膜晶体管的半导体装置可以用作电子纸。电子纸可以用于显示信息的所有领域的电子设备。例如，可以将电子纸应用于电子书籍(电子书)、海报、电车等的交通工具的车厢广告、信用卡等的各种卡片中的显示等。图25A和25B以及图26示出电子设备的一例。
图25A示出使用电子纸制造的海报2631。在广告媒体是纸印刷物的情况下用手进行广告的更换，但是如果使用电子纸，则可以在短时间内能够改变广告的显示内容。此外，显示不会变形而可以获得稳定的图像。注意，海报也可以采用以无线的方式收发信息的结构。
此外，图25B示出电车等的交通工具的车厢广告2632。在广告媒体是纸印刷物的情况下用手进行广告的更换，但是如果使用电子纸，则可以不需要花费许多人工而在短时间内改变广告的显示内容。此外，显示不会变形而可以得到稳定的图像。注意，车厢广告也可以采用以无线的方式收发信息的结构。
另外，图26示出电子书籍2700的一例。例如，电子书籍2700由两个框体，即框体2701及框体2703构成。框体2701及框体2703由轴部2711形成为一体，且可以以该轴部2711为轴进行开闭工作。通过这种结构，可以进行如纸的书籍那样的动作。
框体2701组装有显示部2705，而框体2703组装有显示部2707。显示部2705及显示部2707的结构既可以是显示连续画面的结构，又可以是显示不同的画面的结构。通过采用显示不同的画面的结构，例如在右边的显示部(图26中的显示部2705)中可以显示文章，而在左边的显示部(图26中的显示部2707)中可以显示图像。
此外，在图26中示出框体2701具备操作部等的例子。例如，在框体2701中，具备电源2721、操作键2723、扬声器2725等。利用操作键2723可以翻页。注意，也可以采用在与框体的显示部同一个面具备键盘及定位装置等的结构。另外，也可以采用在框体的背面或侧面具备外部连接用端子(耳机端子、USB端子或可与AC适配器及USB电缆等的各种电缆连接的端子等)、记录媒体插入部等的结构。再者，电子书籍2700也可以采用具有电子词典的功能的结构。
此外，电子书籍2700也可以采用以无线的方式收发信息的结构。还可以采用以无线的方式从电子书籍服务器购买所希望的书籍数据等而下载的结构。
注意，本实施方式所示的结构可以与其他实施方式所示的结构适当地组合而使用。
(实施方式10)
使用实施方式1至实施方式4所示的薄膜晶体管的半导体装置可以应用于各种电子设备(包括游戏机)。作为电子设备，可以举出电视装置(也称为电视或电视接收机)、用于计算机等的监视器、数字相机、数字摄像机、数字相框、移动电话机(也称为移动电话、移动电话装置)、便携式游戏机、便携式信息终端、声音再现装置、弹珠机等的大型游戏机等。
图27A示出电视装置9600的一例。在电视装置9600中，框体9601组装有显示部9603。利用显示部9603可以显示图像。此外，在此示出利用支架9605支撑框体9601的结构。
可以通过利用框体9601所具备的操作开关、另行提供的遥控操作机9610进行电视装置9600的操作。通过利用遥控操作机9610所具备的操作键9609，可以进行频道及音量的操作，并可以对在显示部9603上显示的图像进行操作。此外，也可以采用在遥控操作机9610中设置显示从该遥控操作机9610输出的信息的显示部9607的结构。
注意，电视装置9600采用具备接收机及调制解调器等的结构。可以通过利用接收机接收一般的电视广播。再者，通过调制解调器连接到有线或无线方式的通信网络，从而可以进行单向(从发送者到接收者)或双向(在发送者和接收者之间或在接收者彼此之间等)的信息通信。
图27B示出数字相框9700的一例。例如，在数字相框9700中，框体9701组装有显示部9703。显示部9703可以显示各种图像，例如通过显示使用数字相机等拍摄的图像数据，可以发挥与一般的相框同样的功能。
注意，数字相框9700采用具备操作部、外部连接用端子(USB端子、可以与USB电缆等的各种电缆连接的端子等)、记录媒体插入部等的结构。这种结构也可以组装到与显示部同一个面上，但是通过将它设置在侧面或背面上来提高设计性，所以是优选的。例如，可以对数字相框的记录媒体插入部插入储存有由数字相机拍摄的图像数据的存储器并提取图像数据，然后可以将所提取的图像数据显示于显示部9703。
此外，数字相框9700既可以采用以无线的方式收发信息的结构，又可以以无线的方式提取所希望的图像数据并进行显示的结构。
图28A示出一种便携式游戏机，其由框体9881和框体9891的两个框体构成，并且通过连接部9893可以开闭地连接。框体9881安装有显示部9882，并且框体9891安装有显示部9883。另外，图28A所示的便携式游戏机还具备扬声器部9884、记录媒体插入部9886、LED灯9890、输入单元(操作键9885、连接端子9887、传感器9888(即，具有测定如下因素的功能的器件：力量、位移、位置、速度、加速度、角速度、转动数、距离、光、液、磁、温度、化学物质、声音、时间、硬度、电场、电流、电压、电力、射线、流量、湿度、倾斜度、振动、气味或红外线)、以及送话器9889)等。当然，便携式游戏机的结构不局限于上述结构，只要采用如下结构即可：至少具备根据本发明的一个方式的半导体装置。因此，可以采用适当地设置有其它附属设备的结构。图28A所示的便携式游戏机具有如下功能：读出储存在记录媒体中的程序或数据并将它显示在显示部上；以及通过与其他便携式游戏机进行无线通信而共享信息。注意，图28A所示的便携式游戏机所具有的功能不局限于此，而可以具有各种各样的功能。
图28B示出大型游戏机的一种的自动游戏机9900的一例。在自动游戏机9900的框体9901中安装有显示部9903。另外，自动游戏机9900还具备如起动手柄或停止开关等的操作单元、投币口、扬声器等。当然，自动游戏机9900的结构不局限于此，只要采用如下结构即可：至少具备根据本发明的一个方式的半导体装置。因此，可以采用适当地设置有其它附属设备的结构。
图29A示出移动电话机1000的一例。移动电话机1000除了安装在框体1001的显示部1002之外还具备操作按钮1003、外部连接端口1004、扬声器1005、送话器1006等。
图29A所示的移动电话机1000可以用手指等触摸显示部1002来输入信息。此外，可以用手指等触摸显示部1002来进行打电话或输入电子邮件等的操作。
显示部1002的画面主要有三个模式。第一是以图像的显示为主的显示模式，第二是以文字等的信息的输入为主的输入模式，第三是显示模式和输入模式的两个模式混合的显示与输入模式。
例如，在打电话或输入电子邮件的情况下，将显示部1002设定为以文字输入为主的文字输入模式，并进行在画面上显示的文字的输入操作，即可。在此情况下，优选的是，在显示部1002的画面的大多部分中显示键盘或号码按钮。
此外，通过在移动电话机1000的内部设置具有陀螺仪和加速度传感器等检测倾斜度的传感器的检测装置，判断移动电话机1000的方向(竖向或横向)，而可以对显示部1002的画面显示进行自动切换。
通过触摸显示部1002或对框体1001的操作按钮1003进行操作，切换画面模式。此外，还可以根据显示在显示部1002上的图像种类切换画面模式。例如，当显示在显示部上的图像信号为动态图像的数据时，将画面模式切换成显示模式，而当显示在显示部上的图像信号为文字数据时，将画面模式切换成输入模式。
另外，当在输入模式中通过检测出显示部1002的光传感器所检测的信号得知在一定期间中没有显示部1002的触摸操作输入时，也可以以将画面模式从输入模式切换成显示模式的方式进行控制。
还可以将显示部1002用作图像传感器。例如，通过用手掌或手指触摸显示部1002，来拍摄掌纹、指纹等，而可以进行个人识别。此外，通过在显示部中使用发射近红外光的背光灯或发射近红外光的感测用光源，也可以拍摄手指静脉、手掌静脉等。
图29B也示出移动电话机的一例。图29B的移动电话机包括：在框体9411中具有包括显示部9412以及操作按钮9413的显示装置9410；在框体9401中具有包括操作按钮9402、外部输入端子9403、送话器9404、扬声器9405以及接电话时发光的发光部9406的通信装置9400，具有显示功能的显示装置9410与具有电话功能的通信装置9400可以向箭头的两个方向装卸。因此，可以将显示装置9410和通信装置的9400的短轴彼此安装或将显示装置的9410和通信装置9400的长轴彼此安装。此外，当只需要显示功能时，可以从通信装置9400卸下显示装置9410，而单独使用显示装置9410。通信装置9400和显示装置9410可以以无线通信或有线通信收发图像或输入信息，它们分别具有能够充电的电池。
注意，本实施方式所示的结构可以与其他实施方式所示的结构适当地组合而使用。
【实施例1】
在本实施例中，说明氧化物半导体膜的电导率的成膜时的氧气流量的比率依赖性的调查结果。
在本实施例中，通过溅射法形成In-Ga-Zn-O类非单晶膜，并且测量所形成的In-Ga-Zn-O类非单晶膜的电导率。在成膜时的氧气流量的比率为0体积％至100体积％的条件下制造样品，测量每个氧气流量的比率的In-Ga-Zn-O类非单晶膜的电导率。注意，电导率的测量使用安捷伦科技有限公司制造的半导体参数分析仪HP4155C。
当溅射形成In-Ga-Zn-O类非单晶膜时，作为靶材使用以In₂O₃∶Ga₂O₃∶ZnO＝1∶1∶1(In∶Ga∶Zn＝1∶1∶0.5)的比率混合的直径为8英寸的圆盘状的氧化物半导体靶材。作为其他成膜条件，设定为如下：衬底和靶材之间的距离为170mm、成膜气体压力为0.4Pa、直流(DC)电源0.5kW、成膜温度为室温。
作为成膜气体使用氩气和氧气。在对于氩气和氧气的氧气的流量比率为0体积％至100体积％的条件下成膜，并进行In-Ga-Zn-O类非单晶膜的电导率的测量。注意，因为进行In-Ga-Zn-O类非单晶膜的原子级的重新排列，所以在形成In-Ga-Zn-O类非单晶膜之后，在氮气分下，以350℃进行一个小时的热处理。
对应于每个氧气流量的比率的In-Ga-Zn-O类非单晶膜的电导率如图12所示。在图12中，横轴表示对于氩气流量和氧气流量的氧气流量的比率(体积％)，纵轴表示In-Ga-Zn-O类非单晶膜的电导率(S/cm)。另外，表1示出对应于图12的氩气的流量(sccm)、氧气的流量(sccm)、氧气的流量比率(体积％)及In-Ga-Zn-O类非单晶膜的电导率(S/cm)。
表1