液晶显示装置及其制造方法 技术领域 本发明涉及一种具有由薄膜晶体管 ( 以下， 称为 TFT) 构成的电路的半导体装置及 其制造方法。例如， 涉及一种将以液晶显示面板为代表的电光装置用作部件而安装的电子 设备。
另外， 本说明书中的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， 因此电光装置、 半导体电路以及电子设备都是半导体装置。
近年来， 一种利用在具有绝缘表面的衬底上形成的半导体薄膜 ( 厚度约为数纳米 到数百纳米 ) 来制造薄膜晶体管 (TFT) 的技术备受瞩目。 薄膜晶体管被广泛应用于诸如 IC 和电光装置之类的电子器件， 而且尤其被迅速开发为图像显示装置的开关元件。
作为比较有代表性的图像显示装置可以举出液晶显示装置。作为液晶显示装置， 除了比较有代表性的 TN 显示模式之外， 还提案有 IPS( 平面开关 ) 模式或 FFS( 边缘场开 关 ) 模式等的方式。
此外， 在液晶显示装置中呈现蓝相的液晶受到瞩目。Kikuchi( 菊池 ) 等人公开了 可以通过聚合物稳定化处理扩大蓝相的温度范围的方案， 从而打开了呈现蓝相的液晶的实 用化的道路 ( 参照专利文献 1)。
背景技术 [ 专利文献 1]WO2005/090520
呈现蓝相的液晶材料在无电压施加状态到电压施加状态的响应时间极短， 为 1msec 以下， 从而能实现高速响应。
当使用呈现蓝相的液晶时， 使用平行于衬底的电场来进行驱动。这是一种通过利 用形成在一个衬底上的一对电极形成与衬底平行的电场来获得液晶的光学调制的方式， 但 是由于通常呈现蓝相的液晶的粘性高， 所以有可能当对一对电极间施加电压时产生不容易 对其施加有效电压的区域。
发明内容 本发明的一个方式提供一种使用呈现蓝相的液晶的具有新颖结构的液晶显示装 置及其制造方法。
液晶显示装置包括 ： 一对衬底 ； 密封在该一对衬底之间的呈现蓝相的液晶层 ； 以 及对液晶层施加电压的一对电极。一对电极中的一个也称作像素电极。一对衬底中的至少 一个采用可透过可见光的衬底， 典型的是玻璃衬底。另外， 在显示区域中， 将互相平行地配 置的多个栅极布线以与多个源极信号线交叉的方式设置。 在由多个栅极布线及多个源极信 号线区划的区域中设置含有像素电极的一对电极。通过使像素电极倾斜， 并使对应于该像 素电极的电极 ( 固定电位的共同电极 ) 也倾斜， 可以形成对呈现蓝相的液晶层施加电场的 结构。
当采用有源矩阵型的液晶显示装置时， 将与像素电极电连接的开关元件， 典型的
是薄膜晶体管 ( 也称作 TFT) 配置在显示区域中。通过驱动配置为矩阵状的像素电极， 可以 在屏面上形成显示图案。 具体来说是通过对被选择的像素电极与对应于该像素电极的另一 个电极之间施加电压， 来进行对配置在像素电极与另一个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。
本说明书所公开的本发明的一个方式的液晶显示装置包括 ： 夹有包括呈现蓝相的 液晶材料的液晶层的第一衬底和第二衬底 ； 第一衬底上的多个结构体 ； 所述多个结构体上 的第一电极层 ； 第一电极层上的绝缘层 ； 以及绝缘层上的隔着绝缘层重叠于所述第一电极 层的第二电极层， 其中多个结构体分别以等间隔配置， 多个结构体的各个侧面与第一衬底 的平面之间所成的角小于 90°， 第二电极层隔着第一电极层和绝缘层与结构体的侧面重 叠， 第二电极层具有多个开口。
在上述结构中， 多个结构体 ( 也称作肋拱、 突起、 凹部 ) 的截面形状采用梯形、 半 椭圆形、 半圆形、 三角形， 或者截面形状是在上端部或下端部中有具有曲率半径的曲面的形 状。另外， 当多个结构体的各个侧面具有倾斜面 ( 小于 90° ) 且结构体的高度小于单元间 隙时， 可以减少形成在结构体上方的绝缘层以及第二电极层的覆盖不良。 另外， 单元间隙是 指夹在一对衬底之间的液晶层的厚度的最大值。 当结构体的侧面与第一衬底平面所成的倾 斜角度 ( 也称作锥形角 ) 较大， 即成 90℃以上的角时， 绝缘层不形成在结构体的侧面， 因而 有可能使第一电极和第二电极短路。另外， 当结构体的倾斜角度较小， 即成小于 10℃的角 时， 很难将相邻的结构体之间的间隔设定得较小， 其结果， 使形成在相对的斜面上的电极间 的距离拉开而很难得到充分的效果。另外， 优选相邻结构体的中心位置的间隔为 20μm 以 下， 更优选其为 10μm 以下。通过使相邻结构体的间隔较小， 能够对液晶层施加较强的电 场， 从而可以降低用来驱动液晶的耗电量。当结构体的倾斜角度小而使相邻结构体的间隔 过宽时， 很难对液晶层施加较强的电场。
另外， 对结构体的顶面形状没有特定的限制， 可以采用矩形、 椭圆形、 圆形、 波浪 形、 锯齿形等。结构体的高度优选根据所使用的液晶的电压 - 透过率特性来决定， 但是由于 通常通过蓝相而得到的电光效果 ( 相位差 ) 较小， 为了得到充分的电光效果需要将结构体 的高度设定在 100nm 以上单元间隙以下的范围内， 并且当考虑到蓝相的电光效果时， 需要 将结构体的高度形成在 10μm 以下的范围内， 所以作为结构体的材料优选使用能够利用涂 敷法等得到的有机树脂材料。
另外， 在上述结构中， 存储电容可以将绝缘层用作电介质并由夹着该绝缘层的一 对电极形成。夹着绝缘层的一对电极 ( 第一电极层以及第二电极层 ) 不电连接。存储电容 需要具有根据保持时间和配置在像素部中的薄膜晶体管的泄漏电流等而决定的适当的大 小。另外， 还需要适当地小于信号线容量。
在上述结构中， 一对电极中的一个是像素电极， 并且当是有源矩阵型液晶显示装 置时该像素电极与薄膜晶体管电连接， 而另一个为固定电位 ( 例如， 接地电位 ) 的共同电 极。将共同电极和像素电极中的一个的顶面形状设定为具有多个开口 ( 也称作槽缝 )。
另外， 通过上述结构， 形成在像素电极和共同电极之间的存储电容变大， 所以可以 获得更为稳定的驱动特性。 另外， 存储电容由像素电极、 共同电极以及用作电介质的绝缘层 的重叠部分形成。 当要将存储电容形成得较大时， 优选绝缘层的厚度为较薄， 优选使用利用 PCVD 法或溅射法而得到的无机绝缘材料作为绝缘层。 绝缘层的厚度优选为 10nm 以上 600nm以下， 更优选为 50nm 以上 300nm 以下。
另外， 上述液晶显示装置在至少排列三个结构体的配置以及第一电极层与第二电 极层的位置关系上具有特点， 所述液晶显示装置包括 ： 夹有包含呈现蓝相的液晶材料的液 晶层的第一衬底和第二衬底 ； 第一衬底上的第一结构体、 第二结构体以及第三结构体 ； 第 一结构体、 第二结构体以及第三结构体上的第一电极层 ； 第一电极层上的绝缘层 ； 以及隔 着绝缘层与第一结构体的侧面以及第三结构体的侧面重叠的第二电极层， 其中第二电极层 具有开口， 第一结构体、 第二结构体、 第三结构体分别以等间隔配置， 第一结构体与第三结 构体之间配置有第二结构体， 并且第二电极层的开口与第二结构体重叠。
通过至少在一个结构体的侧面上设置由第一电极层、 绝缘层以及第二电极层构成 的叠层， 来使设置在一个结构体的侧面上的第二电极层和设置在与该结构体相邻的结构体 的侧面上的第一电极层之间产生包括与第一衬底面 ( 第一衬底平面 ) 平行的方向的电场， 以使液晶分子在平行于第一衬底面的平面中移动， 来控制灰度。
上述各结构可以产生包括大致与第一衬底平行 ( 即水平方向 ) 的方向的电场， 并 实现广视角。
另外， 在上述各结构中， 当将第一电极层设定为用作固定电位的共同电极时， 将第 二电极层用作与薄膜晶体管电连接的像素电极。 另外， 在此情况下， 液晶显示装置在制造工 序上也具有特点， 其包括如下步骤 ： 在第一衬底上形成栅电极和多个结构体 ； 在结构体上 形成第一电极层 ； 形成覆盖栅电极及所述第一电极层的绝缘层 ； 在绝缘层上形成与栅电极 重叠的半导体层 ； 在半导体层上形成导电层 ； 在导电层上形成与半导体层电连接的第二电 极层 ； 将液晶层夹在第二衬底与第一衬底之间并进行固定， 其中第二电极层与结构体、 第一 电极层以及绝缘层的一部分重叠。 并且， 在第二衬底上设置第三电极层， 第三电极层与第一电极层的电位 ( 固定电 位 ) 相同， 并且第三电极层隔着液晶层与第一电极层重叠。通过设置第三电极层， 可以扩大 对液晶层施加电场的区域。并且， 通过设置第三电极层， 可以对液晶层施加较强的电场， 从 而可以降低用来驱动液晶的耗电量。此外， 第三电极层配置在隔着液晶层不与第二电极层 重叠的位置上。
或者， 在上述各结构中， 当将第一电极层用作与薄膜晶体管电连接的像素电极时， 将第二电极层设定为用作固定电位的共同电极。 当将第二电极层设定为固定电位时， 并且， 在第二衬底上设置有第三电极层的结构中， 使第三电极层与第二电极层的电位 ( 固定点 位 ) 相同。另外， 通过设置第三电极层， 可以对液晶层施加较强的电场， 从而可以降低用来 驱动液晶的耗电量。此外， 将第三电极层配置在隔着液晶层与第二电极层重叠的位置上。
在上述各结构中， 由于将呈现蓝相的液晶材料用于液晶层， 所以可以在 1/180 秒 以下， 即约 5.6ms 以下执行色彩切换， 该色彩切换使一个场显示一种颜色。呈现蓝相的液晶 材料的响应时间极短， 为 1msec 以下， 从而能实现高速响应， 藉此能使液晶显示装置实现高 性能化。呈现蓝相的液晶材料包括液晶和手性剂。采用手性剂以使液晶以螺旋结构取向， 从而使液晶呈现蓝相。 例如， 可将其中混合了 5％重量百分比以上的手性剂的液晶材料用于 该液晶层。 作为液晶， 使用热致液晶、 低分子液晶、 高分子液晶、 铁电液晶、 反铁电液晶等。 这 些液晶材料根据条件呈现出胆甾相、 胆甾蓝相、 近晶相、 近晶蓝相、 立方相、 手向列相、 各向 同性相等。作为手性剂， 使用对液晶有高相容性和强扭转力的材料。另外， 优选使用 R 体和
S 体中的任一方的材料， 而不使用 R 体和 S 体的比例为 50 ∶ 50 的外消旋混合物 (racemic mixture)。
蓝相的胆甾蓝相及近晶蓝相呈现于具有螺距 (helical pitch) 为 500nm 以下的相 对较短的胆甾相或近晶相的液晶材料中。液晶材料的取向具有双扭转结构。由于具有可 见光的波长以下的序列， 因此液晶材料是透明的， 通过施加电压而使取向序列 (alignment order) 变化而产生光学调制作用。 因为蓝相在光学上具有各向同性， 所以没有视角依赖性， 不需要形成取向膜， 因此可以实现显示图像质量的提高及成本的缩减。
另外， 由于蓝相仅呈现于较窄的温度范围内， 为了改善并扩大温度范围， 优选对液 晶材料添加光固化树脂及光聚合引发剂并进行聚合物稳定化处理。 聚合物稳定化处理通过 对包含液晶、 手性试剂、 光固化树脂、 以及光聚合引发剂的液晶材料照射能使光固化树脂及 光聚合引发剂发生反应的波长的光来进行。 可在通过进行温度控制而使液晶材料呈现出各 向同性相的状态下照射光， 或者可在液晶材料呈现蓝相的状态下照射光来执行该聚合物稳 定化处理。 例如， 通过控制液晶层的温度， 在呈现有蓝相的状态下对液晶层照射光来进行聚 合物稳定化处理。 但不局限于此， 还可以通过在蓝相与各向同性相间的相转变温度的 +10℃ 以内， 优选为 +5℃以内的呈现各向同性相的状态下， 通过对液晶层照射光来进行聚合物稳 定化处理。 蓝相与各向同性相间的相转变温度是指当升温时从蓝相相转变到各向同性相的 温度， 或者当降温时从各向同性相相转变到蓝相的温度。作为聚合物稳定化处理的一个例 子， 可以对液晶层进行加热直至其呈现各向同性相， 然后逐渐降温直至其转变为蓝相， 在保 持呈现蓝相的温度的状态下对其照射光。此外， 还可以逐渐对液晶层进行加热使其相转变 为各向同性相， 然后在蓝相与各向同性相间的相转变温度的 +10℃以内， 优选为 +5℃以内 的状态 ( 呈现各向同性相的状态 ) 下对其照射光。另外， 当将紫外线固化树脂 (UV 固化树 脂 ) 用作液晶材料所包含的光固化树脂时， 对液晶层照射紫外线即可。另外， 即使在不呈现 蓝相的情况下， 通过在蓝相与各向同性相间的相转变温度的 +10℃以内， 优选为 +5℃以内 的状态 ( 呈现各向同性相的状态 ) 下对液晶层照射光来进行聚合物稳定化处理， 可以缩短 响应速度而实现高速响应， 即， 响应速度为 1msec 以下。
另外， 在本说明书中， 栅电极层是指与半导体层隔着栅极绝缘膜重叠并与形成薄 膜晶体管的沟道的部分重叠的部分， 而栅极布线层是指上述以外的部分。 另外， 由相同导电 材料构成的一个图案的一部分为栅电极层， 其他的部分为栅极布线层。
另外， 在本说明书中， 作为薄膜晶体管的半导体层， 可以使用以硅为主要成分的半 导体膜或以金属氧化物为主要成分的半导体膜。 作为以硅为主要成分的半导体膜可以使用 非晶半导体膜、 具有晶体结构的半导体膜或具有非晶结构的化合物半导体膜等， 具体而言 可以使用非晶硅、 微晶硅、 多晶硅或单晶硅等。另外， 作为以金属氧化物为主要成分的半导 体膜， 可以使用氧化锌 (ZnO) 或锌和镓和铟的氧化物 (In-Ga-Zn-O) 等。
另外， 在本说明书中， 薄膜晶体管可以使用各种各样的 TFT 结构， 例如， 顶栅型 TFT、 底栅型 TFT、 底接触型 TFT 或正交错型 TFT。另外， 不局限于单栅结构的晶体管， 还可以 使用具有多个沟道形成区的多栅型晶体管， 例如双栅型 (double gate) 晶体管。另外， 还可 以采用在半导体层的上下设置有栅电极的双栅极型 (dual gate) 晶体管。
在本说明书中， 如 “上” 、 “下” 、 “侧” 、 “水平” 、 “垂直” 等的表示方向的词是指以在第 一衬底表面上配置有装置的情况为标准的方向。通过使像素电极倾斜， 并使对应于该像素电极的电极 ( 固定电位的共同电极 ) 也 倾斜而可以实现响应速度快、 透过率高或具有广视角的液晶显示装置。 附图说明
图 1A 至 1C 是示出本发明的一个方式的截面图 ； 图 2A 和 2B 是示出本发明的一个方式的俯视图和截面图 ； 图 3 是示出本发明的一个方式的俯视图 ； 图 4 是示出本发明的一个方式的截面图 ； 图 5A 和 5B 是示出本发明的一个方式的截面图 ； 图 6A 和 6B 是说明液晶显示装置的电场模式的计算结果的图 ； 图 7A 和 7B 是说明液晶显示装置的电场模式的计算结果的图 ； 图 8A 和 8B 是说明液晶显示装置的电场模式的计算结果的图 ； 图 9A 和 9B 是说明液晶显示装置的电场模式的计算结果的图 ； 图 10A 和 10B 是说明液晶显示装置的电场模式的计算结果的图 ； 图 11A 和 11B 是说明液晶显示装置的电场模式的计算结果的图 ； 图 12A 和 12B 是示出显示装置的框图的结构的图 ； 图 13 是示出时序的图 ； 图 14 是薄膜晶体管的截面图 ； 图 15A 和 15B 是示出半导体层的截面图 ； 图 16A1、 16A2 和 16B 示出液晶模块的俯视图和截面图 ； 图 17 是液晶显示装置的截面图 ； 图 18A 和 18B 是示出电子设备的透视图 ； 图 19A 和 19B 是示出电子设备的透视图 ； 图 20A 和 20B 是说明液晶显示装置的电场模式的计算结果的图。具体实施方式
以下使用附图对本发明的实施方式进行详细说明。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， 就是其方式和详细内容 可以被变换为各种各样的形式。另外， 本发明不应该被解释为仅限于以下所示的实施方式 的记载内容。
实施方式 1
在本实施方式中， 使用图 1A 示出液晶显示装置中的第一电极层和第二电极层的 位置关系的一个例子。
图 1A 是液晶元件的截面模式图的一个例子。
图 1A 是第一衬底 200 与第二衬底 201 以夹着使用呈现蓝相的液晶材料的液晶层 208 的方式彼此相对地配置的液晶显示装置。第一衬底 200 与液晶层 208 之间设置有结构 体 233a、 233b、 233c、 作为共同电极的第一电极层 232、 绝缘层 234 以及作为像素电极的第二 电极层 230a、 230b、 230c。 另外， 作为像素电极的第二电极 230a、 230b 及 230c 彼此电连接并 具有设置有与结构体 233a、 233c 重合的开口 ( 槽缝 ) 的顶面形状。结构体 233a、 233b、 233c被设置为从第一衬底 200 的液晶层 208 一侧的面向液晶层 208 中突出的形状。
作为共同电极的第一电极层 232 形成在设置在第一衬底 200 上的结构体 233a、 233b、 233c 上。另外， 绝缘层 234 以覆盖作为共同电极的第一电极层 232 的方式形成。另 外， 作为像素电极的第二电极层 230b 与结构体 233b 重叠并形成在绝缘层 234 上。
在图 1 所示的液晶显示装置中， 通过对具有开口图案并以夹着液晶的方式设置的 作为像素电极的第二电极层 230a、 230b、 230c 和作为共同电极的第一电极层 232 之间施加 电场， 可以对液晶层 208 施加水平方向 ( 相对于第一衬底的水平方向 ) 的电场， 从而可以使 用该电场来控制液晶分子。
例如， 当以使像素电极与共同电极之间产生电位差的方式施加电压时， 在图 1A 中 作为像素电极的第二电极层 230a 与作为共同电极的第一电极层 232 之间施加有箭头 202a 所示的水平方向的电场。另外， 第二电极层 230b 与第一电极层 232 之间施加有箭头 202b 所示的水平方向的电场。另外， 与结构体 233b 重叠地设置的第一电极层 232 的区域与第二 电极层 230b 隔着绝缘层 234 重叠而形成存储电容。箭头 202b 所示的水平方向的电场产生 在设置在结构体 233a 的一方的斜面上的第一电极层 232 的一部分与设置在与结构体 233a 相邻的结构体 233b 的一方的斜面上的第二电极层 230b 的一部分之间。
可以采用使用绝缘材料 ( 有机绝缘材料和无机绝缘材料 ) 的绝缘体以及使用导电 材料 ( 有机材料和无机材料 ) 的导电体来形成结构体 233a、 233b、 233c。 典型地优选使用可 见光固化树脂、 紫外线固化树脂、 或热固化树脂。例如， 可以使用丙烯酸树脂、 环氧树脂、 氨 基树脂等。另外， 还可以使用导电树脂或金属材料形成。另外， 结构体也可以采用多个薄膜 的叠层结构。 作为结构体的形状， 可以采用锥形的尖端为平面的其截面为梯形的形状、 锥形 的尖端为圆形的圆顶形状等。另外， 结构体 233a、 233b、 233c 还可以在截面形状的侧面上具 有斜面。另外， 结构体 233a、 233b、 233c 还可以将截面形状形成为一方的侧面上具有 2 个以 上的阶梯的阶梯状。
在图 1A 中， 将结构体 233a、 233b、 233c 的截面形状形成为梯形。通过将截面形状 形成为梯形而不是长方形， 可以在结构体 233b 的侧面上形成倾斜的第二电极层 230b。 通过 使像素电极倾斜并使对应于该像素电极的第一电极层 232( 共同电极 ) 也倾斜， 可以实现响 应速度快、 透过率高或具有广视角的液晶显示装置。
另外， 图 1B 示出与图 1A 不同的作为像素电极的第二电极层的配置的一个例子。 作 为像素电极的第二电极层 230d、 230e、 230f、 230g 至少不设置在与结构体 233b 的上平面重 叠的绝缘层 234 上。在图 1B 中作为像素电极的第二电极层 230d 与作为共同电极的第一电 极层 232 之间施加有箭头 202c 所示的水平方向的电场， 而在第二电极层 230e 与第一电极 层 232 之间施加有箭头 202d 所示的水平方向的电场。由此， 也可以在图 1B 的结构中获得 与图 1A 同样的效果。但是， 与图 1A 相比， 图 1B 中的第一电极层 232 与像素电极隔着绝缘 层 234 重叠的面积小， 所以当想要将存储容量形成得较大时， 优选采用图 1A 的结构。
另外， 图 1C 示出像素电极面积比图 1B 的像素电极面积还要小的一个例子。 作为像 素电极的第二电极层 230h、 230i、 230j、 230k 只设置在结构体 233b 的斜面上。在图 1C 中， 作为像素电极的第二电极层 230h 与作为共同电极的第一电极层 232 之间施加有箭头 202e 所示的水平方向的电场， 而在第二电极层 230i 与第一电极层 232 之间施加有箭头 202f 所 示的水平方向的电场。由此， 也可以在图 1C 的结构中获得与图 1B 相同的效果。但是， 与图1B 相比， 图 1C 的第一电极层 232 与像素电极隔着绝缘层 234 重叠的面积小， 所以当想要将 存储电容形成得较大时， 优选采用图 1B 的结构。
通过至少在结构体的侧面上设置像素电极和共同电极并使其分别倾斜， 可以对液 晶层施加较强的电场， 从而可以降低用来驱动液晶的耗电量。
另外， 在像素电极的构图中， 即使在产生位置偏差的情况下， 只要将像素电极以至 少与结构体的侧面重叠的方式设置， 就也可以对液晶层施加基本相同的电场。即便位置有 偏差， 由于像素电极和共同电极互相重叠的面积基本相同， 所以也可以使存储容量基本相 同。所以， 在像素电极的构图中边余地较大从而可以实现高成品率。
图 6B、 图 7B、 图 8B 以及图 20B 示出液晶显示装置中的电场施加状态的计算结果。 图 6A、 图 7A、 图 8A 以及图 20A 示出计算出的液晶显示装置的结构图。
使用日本 Shintec 公司制造的 LCD Master、 2s Bench 进行计算， 并且作为结构体 233a、 233b、 233c 使用介电常数为 4 的绝缘体。另外， 结构体 233a、 233b、 233c 的厚度 ( 高 度 ) 为 5μm。另外， 在截面中， 作为像素电极的第二电极层 230a、 802、 作为共同电极的第一 电极层 232、 803a、 803b 以及绝缘层 234 的厚度为 0.25μm， 802、 803a、 803b 的宽度为 4μm。 另外， 图 6A 和 6B 中的第二电极层呈高度为 5μm、 宽度为 8μm 的碗状， 图 7A 和 7B 中的第二 电极层呈高度为 4.75μm、 宽度为 3.4μm 的一对 V 字形状， 图 8A 和 8B 中的第二电极层呈高 度为 4.75μm、 宽度为 2μm 的一对斜坡形状。在图 20A 和 20B 中， 与衬底平行方向上的第二 电极层 802 与第一电极层 803a 和 803b 之间的距离分别为 6μm， 液晶层的厚度为 10μm。 另 外， 将作为共同电极的第一电极层设定为 0V， 并将作为像素电极的第二电极层设定为 10V。 图 6A 和 6B、 图 7A 和 7B、 图 8A 和 8B 是分别对应于图 1A、 图 1B、 图 1C 的计算结果。
另外， 图 20A 和 20B 是比较例， 其示出在第一衬底 800 和液晶层 808 之间交错地设 置作为共同电极的第一电极层 803a、 803b 和作为像素电极的第二电极层 802， 并使用第二 衬底 801 对其进行密封的例子。
在图 6B、 图 7B、 图 8B 以及图 20B 中， 实线表示 0.5V 间隔的等势线， 像素电极以及 共同电极的配置分别与图 6A、 图 7A、 图 8A、 图 20A 的位置一致。
由于电场以垂直于等势线的方式出现， 所以如图 6B、 图 7B 以及图 8B 所示那样可以 确认到在像素电极和共同电极之间分别施加有水平方向的电场。另外， 如图 8A 所示， 即使 采用仅将像素电极设置在斜面上的结构， 等势线在图 8B 中以基本垂直的方式出现， 所以在 液晶层的广泛范围内形成有水平方向的电场。
另一方面， 在作为比较例的图 20B 中， 虽然在交错地形成有作为像素电极的第二 电极层 802、 作为共同电极的第一电极层 803a、 803b 的第一衬底 800 附近的液晶层中能够看 到等势线且形成有电场， 但是随着接近第二衬底 801， 观察不到电位线的分布并且也不产生 电位差。因此， 可以确认到在第二衬底 801 附近的液晶层 808 中没有形成电场， 并且当采用 图 20A 和 20B 的结构时难以使液晶层中的所有的液晶分子响应。
实施方式 2
在本说明书中公开的发明的一个方式可以用于无源矩阵型的液晶显示装置和有 源矩阵型的液晶显示装置的双方。参照图 2A 和图 2B 说明有源矩阵型的液晶显示装置的例 子。
图 2A 是液晶显示装置的俯视图， 其表示一个像素。图 2B 是沿着图 2A 的线 X1-X2
的截面图。
在图 2A 中， 多个源极布线层 ( 包括布线层 405a) 以互相平行 ( 在图中， 在上下方 向上延伸 ) 且互相分离的状态配置。多个栅极布线层 ( 包括栅电极层 401) 配置为在与源 极布线层大致正交的方向 ( 图中， 左右方向 ) 上延伸且彼此分离。共同布线层配置在与多 个栅极布线层的每一个相邻的位置， 并在大致平行于栅极布线层的方向， 即， 与源极布线层 大致正交的方向 ( 图中， 左右方向 ) 上延伸。由源极布线层、 共同布线层 ( 共同电极层 ) 及 栅极布线层围绕为大致矩形的空间， 并且在该空间中配置有液晶显示装置的像素电极层以 及共同电极层。驱动像素电极层的薄膜晶体管 420 配置在图中的左上角。多个像素电极层 及薄膜晶体管配置为矩阵状。
在图 2A 和 2B 的液晶显示装置中， 电连接到薄膜晶体管 420 的第二电极层 446 用作 像素电极层， 与共同布线层电连接的第一电极层 447 用作共同电极层。另外， 由像素电极层 和共同电极层形成存储电容器。共同电极层虽然可以以浮动状态 ( 电独立的状态 ) 工作， 但也可以设定为固定电位， 优选为共同电位 ( 作为数据发送的图像信号的中间电位 ) 附近 的不发生闪烁 (flicker) 的电平。
第一电极层 447 和第二电极层 446 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。 另外， 第一电极层 447 和第二电极层 446 还可以使用包含导电高分子 ( 也称为 导电聚合物 ) 的导电组成物来形成。优选使用导电组成物形成的像素电极的薄膜电阻为 10000Ω/ 口以下， 并且优选其波长 550nm 中的透光率为 70％以上。另外， 优选导电组成物 所包含的导电高分子的电阻率为 0.1Ω·cm 以下。
作为导电高分子， 可以使用所谓的 π 电子共轭系统导电高分子。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。
如图 2B 所示， 在液晶层 444 的下方设置有平板形状的第一电极层 447 和具有开口 图案的第二电极层 446。 另外， 至少平板形状的第一电极层 447 与具有多个开口图案的第二 电极层 446 的一部分隔着绝缘层 402 重叠。另外， 在第一电极层 447 的下方以基本相同的 间隔设置多个结构体。在图 2A 中， 将结构体的顶面形状形成为两端划弧的棒状， 并将结构 体的顶面形状的长轴方向相对于栅极布线层倾斜地配置。另外， 设置于第二电极层 446 的 开口 ( 也称为槽缝 ) 也与结构体的方向相同， 即开口的顶面形状的长轴方向相对于栅极布 线层倾斜地配置。
下面对多个结构体的各个截面形状进行描述， 结构体的下端部具有椭圆或圆形的 侧面， 该椭圆或圆形在结构体的侧面的外侧具有中心， 结构体的上端部具有椭圆或圆形的 侧面， 该椭圆或圆形在结构体的侧面的内侧具有中心。 另外， 结构体的下端部具有根据下端 部的切线的上方的曲率中心以及第一曲率半径而决定的曲面状的侧面， 结构体的上端部具 有根据上端部的切线的下方的曲率中心以及第二曲率半径而决定的曲面状的侧面。 上述多 个结构体的各个截面形状可以通过使用光敏性的树脂来形成， 这种形状可以降低设置在结 构体上的第一电极层 447、 绝缘层 402 以及第二电极层 446 的覆盖不良。
在图 2A 和 2B 中， 第一结构 433a、 第二结构体 433b、 第三结构体 433c、 第四结构体
433d 以及第五结构体 433e 以基本相等的间隔设置在第一衬底 441 上， 并在其上设置第一 电极层 447( 例如， 向所有像素提供共同电压的共同电极 )。另外， 还可以将第一电极层 447 设置在各个结构体之间。
在第一结构体 433a 的侧面以及顶面上层叠有第一电极层 447 和绝缘层 402 和第 二电极层 446。第一结构体 433a 以与第四结构体 433d 相邻的方式设置， 并且第四结构体 433d 的顶面形状小于第一结构体 433a 的顶面形状。另外， 第四结构体 433d 以与第五结构 体 433e 相邻的方式设置， 并且第四结构体 433d 的顶面形状大于第五结构体 433e 的顶面形 状。
另外， 在与第一结构体 433a 相邻的第二结构体 433b 的侧面以及顶面上层叠有第 一电极层 447 和绝缘层 402。另外， 第二结构体 433b 的顶面形状与第一结构体 433a 的顶 面形状基本相同。此外， 如图 2A 所示第二结构体 433b 与第二电极层 446 的开口重叠。另 外， 在图 2A 中使用虚线表示各个结构体的轮廓。第二电极层 446 的开口面积比第二结构体 433b 的顶面的面积宽， 并且第二结构体 433b 不与第二电极层 446 重叠。
另外， 在与第二结构体 433b 相邻的第三结构体 433c 的侧面以及顶面上层叠第一 电极层 447、 绝缘层 402 以及第二电极层 446。另外， 第三结构体 433c 的顶面形状与第一结 构体 433a 的顶面形状基本相同。 第一电极层 447 不与第二电极层 446 电连接， 通过对第一电极层 447 与第二电极 层 446 之间施加电压， 可以在设置在第一结构体的一个斜面上的第二电极层 446 的一部分 与设置在与第一个结构的一个斜面相对的第二结构体 433b 的一个斜面上的第一电极层 447 的一部分之间形成如下电场， 该电场至少包括平行于第一衬底 441 的平面的方向的电 场。与其同时， 还可以在设置在第二结构体 433b 的另一个斜面上的第一电极层 447 的一部 分与设置在与第二结构体 433b 的另一个斜面相对的第三结构体 433c 的一个斜面上的第二 电极层 446 的一部分之间形成如下电场， 该电场至少包括平行于第一衬底 441 的平面的方 向的电场。
另外， 第二电极层 446 与薄膜晶体管电连接。薄膜晶体管 420 是底栅型薄膜晶体 管， 并且在具有绝缘表面的第一衬底 441 上具有栅电极层 401、 用作栅极绝缘层的绝缘层 + 402、 半导体层 403、 用作源区或漏区的 n 层 404a、 404b、 用作源电极层或漏电极层的布线层 405a、 405b。第一电极层 447 在第一衬底 441 上与栅电极层 401 形成在同一层中， 并且其在 像素中为平板形状的电极层。
在本实施方式中， 绝缘层 402 的一部分用作栅极绝缘层， 绝缘层 402 的其它部分用 作防止第一电极层和第二电极层之间的短路的绝缘层， 以谋求减少工序数。
作为绝缘层 402， 可以通过利用等离子体 CVD 法或溅射法等并使用氧化硅层、 氮化 硅层、 氧氮化硅层或氮氧化硅层的单层或叠层来形成。 另外， 还可以通过使用有机硅烷气体 的 CVD 法形成氧化硅层来作为用作栅极绝缘层的绝缘层 402。作为有机硅烷气体， 可以使 用如四乙氧基硅烷 (TEOS ： 化学式 Si(OC2H5)4)、 四甲基硅烷 (TMS ： 化学式 Si(CH3)4)、 四甲基 环四硅氧烷 (TMCTS)、 八甲基环四硅氧烷 (OMCTS)、 六甲基二硅氮烷 (HMDS)、 三乙氧基硅烷 (SiH(OC2H5)3)、 三 ( 二甲基氨基 ) 硅烷 (SiH(N(CH3)2)3) 等的含有硅的化合物。
另外， 覆盖薄膜晶体管 420 并以接触半导体层 403 的方式设置用作保护膜的绝缘 膜 407。 覆盖薄膜晶体管 420 的绝缘膜 407 可以使用利用干法或湿法形成的无机绝缘膜、 有
机绝缘膜。例如， 可以使用利用 CVD 法或溅射法得到的氮化硅膜、 氧化硅膜、 氧氮化硅膜等 的无机绝缘材料。
另外， 液晶层 444 使用呈现蓝相的液晶材料。另外， 液晶层 444 被作为对置衬底的 第二衬底 442 密封。另外， 适当地设置如偏振片、 相位差板、 抗反射膜、 颜色滤光片、 遮光膜 ( 也称作黑矩阵 ) 等的光学薄膜。例如， 可以使用利用偏振片及相位差板的圆偏振。在图 2B 中示出以下例子 ： 由于是通过透过光源的光来进行显示的透过型液晶显示装置， 所以第 一衬底 441 以及第二衬底 442 是透光衬底， 其外侧 ( 与液晶层 444 相反的一侧 ) 分别设置 有偏振片 443a、 443b。另外， 还可以使用背光灯或侧光灯等用作光源。作为背光灯或侧光 灯， 除了冷阴极管之外还可以使用多个发光二极管 ( 以下称为 LED)。作为 LED 具有以下方 式： 使用白色 LED 的方式和使用红色的 LED、 绿色的 LED 以及蓝色的 LED 等而不使用颜色滤 光片的场序制方式。当采用场序制方式时， 要求至少以三倍以上的速度进行高速驱动。但 是， 在本实施方式中， 由于使用场序制方式并使用呈现蓝相的液晶材料， 所以能在 1/180 秒 以下， 即约 5.6ms 以下执行色彩切换， 该色彩切换使一个场显示一种颜色。
另外， 还可以将成为基底膜的绝缘膜设置在第一衬底 441 和栅电极层 401 及第一 电极层 447 之间。 基底膜具有防止杂质元素从第一衬底 441 扩散的作用， 可以由选自氮化硅 膜、 氧化硅膜、 氮氧化硅膜、 或氧氮化硅膜中的一种或多种膜的叠层结构来形成。栅电极层 401 可以通过使用钼、 钛、 铬、 钽、 钨、 铝、 铜、 钕、 钪等的金属材料或以这些金属材料为主要成 分的合金材料的单层或叠层来形成。 通过将具有遮光性的导电膜用于栅电极层 401， 可以防 止来自背光灯的光 ( 从第一衬底 441 入射的光 ) 入射到半导体层 403。
例如， 作为栅电极层 401 的两层叠层结构， 优选采用 ： 在铝层上层叠钼层的两层叠 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 ； 或者层叠氮化钛层和钼层的两层结构。 作为三层叠层结构， 优选采用层叠钨层或氮化钨层、 铝和硅的合金或铝和钛的合金层以及氮化钛层或钛层的叠层结构。
另外， 在本实施方式中， 使用氧化物半导体膜作为半导体层 403。
在本说明书中作为氧化物半导体优选使用以 InMO3(ZnO)m(m ＞ 0) 表示的薄膜。在 薄膜晶体管 420 中， 形成由 InMO3(ZnO)m(m ＞ 0) 表示的薄膜， 并且该薄膜用作半导体层 403。 另外， M 表示选自镓 (Ga)、 铁 (Fe)、 镍 (Ni)、 锰 (Mn) 和钴 (Co) 中的一种金属元素或多种金 属元素。除了只包括 Ga 作为 M 的情况外， 还有作为 M 包含 Ga 和除 Ga 外的上述金属元素的 情况， 例如， Ga 和 Ni 或 Ga 和 Fe。另外， 在上述氧化物半导体中， 除了包含作为 M 的金属元 素之外， 有时还包含作为杂质元素的 Fe、 Ni 以及其他过渡金属或该过渡金属的氧化物。例 如， 可以使用 In-Ga-Zn-O 类非单晶膜作为氧化物半导体层。
在 InMO3(ZnO)m(m ＞ 0) 膜 ( 层 ) 中， 当 M 为镓 (Ga) 时， 在本说明书中将该薄膜也 称为 In-Ga-Zn-O 类非单晶膜。作为 In-Ga-Zn-O 类非单晶膜的结晶结构， 即使在利用溅射 法进行成膜后， 以 200 度至 500 度， 典型的是 300 度至 400 度进行 10 分至 100 分的加热处 理， 在 XRD(X 线衍射 ) 的分析中也观察到非晶结构。此外， 可以制造具有如下电特性的薄膜 晶体管 ： 当栅极电压为 -20V 至 +20V 时， 导通截止比为 109 以上且迁移率为 10 以上。此外， 使用 In2O3 ∶ Ga2O3 ∶ ZnO ＝ 1 ∶ 1 ∶ 1 的靶通过溅射法形成的 In-Ga-Zn-O 类非单晶膜对 波长为 450nm 以下的光具有光敏性。
作为用作半导体层 403 以及源区或漏区的 n+ 层 404a、 404b， 可以使用 In-Ga-Zn-O类非单晶膜。n+ 层 404a、 404b 是电阻比半导体层 403 低的氧化物半导体层。例如， n+ 层 404a、 404b 具有 n 型导电型， 且活化能 (ΔE) 为 0.01eV 以上且 0.1eV 以下。 n+ 层 404a、 404b + 为 In-Ga-Zn-O 类非单晶膜， 其至少含有非晶成分。n 层 404a、 404b 有时在非晶结构中含有 + 晶粒 ( 纳米晶体 )。该 n 层 404a、 404b 中的晶粒 ( 纳米晶体 ) 的直径为 1nm 至 10nm， 典型 的为 2nm 至 4nm 左右。
通过设置 n+ 层 404a、 404b， 使金属层的布线层 405a、 405b 与氧化物半导体层的半 导体层 403 之间良好地接合， 与肖特基接合相比在热方面上也可以具有稳定工作。另外， 为 了供给沟道的载流子 ( 源极一侧 ) ； 稳定地吸收沟道的载流子 ( 漏极一侧 ) ； 或者不在与布 + 线层之间的界面产生电阻成分， 积极地设置 n 层是有效的。另外， 通过低电阻化， 即使在高 漏极电压下也可以保持良好的迁移率。
用 作 半 导 体 层 403 的 第 一 In-Ga-Zn-O 类 非 单 晶 膜 的 成 膜 条 件 与 用 作 n+ 层 404a、 404b 的 第 二 In-Ga-Zn-O 类 非 单 晶 膜 的 成 膜 条 件 不 同。 例 如， 采用以下条件 ： 与 第二 In-Ga-Zn-O 类非单晶膜的成膜条件中的氧气体流量和氩气体流量的比相比， 第一 In-Ga-Zn-O 类非单晶膜的成膜条件中的氧气体流量所占的比率更多。具体地， 将第二 In-Ga-Zn-O 类非单晶膜的成膜条件设定为稀有气体 ( 氩或氦等 ) 气氛下 ( 或氧气体为 10％ 以下、 氩气体为 90％以上 )， 并且将第一 In-Ga-Zn-O 类非单晶膜的成膜条件设定为氧混合 气氛下 ( 氧气体流量大于氩气体流量 )。
例如， 用作半导体层 403 的第一 In-Ga-Zn-O 类非单晶膜通过在氩或氧气氛下使用 直径为 8 英尺的包含 In、 Ga 及 Zn 的氧化物半导体靶 (In2O3 ∶ Ga2O3 ∶ ZnO ＝ 1 ∶ 1 ∶ 1)， 并 将衬底与靶之间的距离设定为 170mm、 将压力设定为 0.4Pa、 将直流 (DC) 电源设定为 0.5kW 而形成。另外， 通过使用脉冲直流 (DC) 电源可以减少尘屑而使膜的厚度分布均匀， 所以是 优选的。将第一 In-Ga-Zn-O 类非单晶膜的厚度设定为 5nm 至 200nm。
另 一 方 面，用 作 n+ 层 404a、 404b 的 第 二 氧 化 物 半 导 体 膜 通 过 使 用 In2O3 ∶ Ga2O3 ∶ ZnO ＝ 1 ∶ 1 ∶ 1 的靶， 并在如下成膜条件下利用溅射法形成 ： 压力为 0.4Pa ； 电力为 500W ； 成膜温度为室温 ； 所引入的氩气体流量为 40sccm。有时在刚成膜后形 成有包含尺寸为 1nm 至 10nm 的晶粒的 In-Ga-Zn-O 类非单晶膜。另外， 可以通过适当地调 整靶的成分比、 成膜压力 (0.1Pa 至 2.0Pa)、 电力 (250W 至 3000W ： 8 英寸 φ)、 温度 ( 室温至 100 度 )、 反应性溅射的成膜条件等， 调整晶粒的有无及晶粒的密度， 并且还可以将晶粒的 直径尺寸调整为 1nm 至 10nm 的范围内。 第二 In-Ga-Zn-O 类非单晶膜的厚度为 5nm 至 20nm。 当然， 当在膜中包括晶粒时， 所包括的晶粒的尺寸不超过膜的厚度。将第二 In-Ga-Zn-O 类 非单晶膜的厚度设定为 5nm。
溅射法包括使用高频电源作为溅射电源的 RF 溅射法、 DC 溅射法以及以脉冲方式 施加偏压的脉冲 DC 溅射法。RF 溅射法主要用于形成绝缘膜， 而 DC 溅射法主要用于形成金 属膜。
另外， 也有可以设置材料不同的多个靶的多元溅射装置。多元溅射装置既可以在 同一反应室中层叠形成不同的材料膜， 又可以在同一反应室中同时对多种材料进行放电而 进行成膜。
另外， 也有使用磁控溅射法 (magnetron sputtering) 的溅射装置和使用 ECR 溅射 法的溅射装置。在使用磁控溅射法的溅射装置中， 在反应室内部具备磁铁机构， 而在使用ECR 溅射法的溅射装置中， 不使用辉光放电而利用使用微波产生的等离子体。
另外， 作为使用溅射法的成膜方法， 还有反应溅射法、 偏压溅射法。在反应溅射法 中， 当进行成膜时使靶物质和溅射气体成分起化学反应而形成它们的化合物薄膜， 而在偏 压溅射法中， 当进行成膜时也对衬底施加电压。
在半导体层、 n+ 层、 布线层的制造工序中， 采用蚀刻工序将薄膜加工成所希望的形 状。作为蚀刻工序， 可以使用干蚀刻或湿蚀刻。
作为干蚀刻所使用的蚀刻气体， 优选采用含有氯的气体 ( 氯类气体， 例如氯 (Cl2)、 氯化硼 (BCl3)、 氯化硅 (SiCl4)、 四氯化碳 (CCl4) 等 )。
另外， 还可以使用含有氟的气体 ( 氟类气体， 例如四氟化碳 (CF4)、 六氟化硫 (SF6)、 三氟化氮 (NF3)、 三氟甲烷 (CHF3) 等 )、 溴化氢 (HBr)、 氧 (O2)、 或对上述气体添加了氦 (He) 或氩 (Ar) 等的稀有气体的气体等。
作为用于干蚀刻的蚀刻装置， 可以采用使用反应离子刻蚀法 (RIE 法 ) 的蚀刻装 置、 使用 ECR( 电子回旋共振 ) 或 ICP( 感应耦合等离子体 ) 等高密度等离子体源的干蚀刻 装置。另外， 作为与 ICP 装置相比， 容易获得在较广的面积上的均匀的放电的干蚀刻装置， 可以举出 ECCP( 增大电容耦合等离子体 ) 模式的蚀刻装置， 在该蚀刻装置中， 使上部电极接 地， 将 13.56MHz 的高频电源连接到下部电极， 并将 3.2MHz 的低频电源连接到下部电极。若 是采用该 ECCP 模式的蚀刻装置， 就可以对应例如使用第十代的超过 3m 的尺寸的衬底作为 衬底的情况。 适当地调节蚀刻条件 ( 施加到线圈型电极的电力量、 施加到衬底一侧的电极的电 力量、 衬底一侧的电极温度等 )， 以蚀刻成所希望的加工形状。
作为湿蚀刻所使用的蚀刻液， 可以使用混合有磷酸、 醋酸以及硝酸的溶液、 过氧化 氢氨水 ( 过氧化氢∶氨∶水＝ 5 ∶ 2 ∶ 2) 等。另外， 还可以使用 ITO-07N( 日本关东化学 公司制造 )。
另外， 进行完湿蚀刻后的蚀刻液与被蚀刻的材料一起通过清洗被去除。还可以对 包含有被去除的材料的蚀刻液的废液进行纯化而对所包含的材料进行再利用。 通过从该蚀 刻后的废液中回收氧化物半导体层所包含的铟等的材料而进行再利用， 可以对资源进行有 效活用而实现低成本化。
根据材料而适当地调节蚀刻条件 ( 蚀刻液、 蚀刻时间、 温度等 )， 以蚀刻成所希望 的加工形状。
作为布线层 405a、 405b 的材料， 可以举出选自 Al、 Cr、 Ta、 Ti、 Mo、 W 中的元素、 以上 述元素为成分的合金、 组合上述元素的合金膜等。另外， 在进行 200 度至 600 度的热处理的 情况下， 优选使导电膜具有经得起该热处理的耐热性。当仅采用 Al 单质时耐热性很低并有 容易腐蚀等问题， 所以将 Al 与耐热导电材料组合来形成用作布线层 405a、 405b 的材料。作 为与 Al 组合的耐热导电材料， 使用选自钛 (Ti)、 钽 (Ta)、 钨 (W)、 钼 (Mo)、 铬 (Cr)、 钕 (Nd)、 钪 (Sc) 中的元素、 以上述元素为成分的合金、 组合上述元素的合金膜或者以上述元素为成 分的氮化物。
可以在不接触大气的情况下连续地形成绝缘层 402、 半导体层 403、 n+ 层 404a、 404b 以及布线层 405a、 405b。通过不接触于大气地连续进行成膜， 可以不被大气成分或浮 游在大气中的污染杂质元素污染地形成各叠层界面。因此， 可以降低薄膜晶体管的特性的
不均匀性。
另外， 半导体层 403 仅被部分性地蚀刻， 并具有槽部 ( 凹部 )。 +
对半导体层 403、 n 层 404a、 404b， 在 200 度至 600 度， 典型的是 300 度至 500 度的 温度下进行热处理， 即可。例如， 在氮气氛下以 350 度进行一个小时的热处理。通过该热处 理， 进行构成半导体层 403 以及 n+ 层 404a、 404b 的 In-Ga-Zn-O 类氧化物半导体的原子级的 重新排列。该热处理 ( 也包括光退火等 ) 从可以将阻碍半导体层 403、 n+ 层 404a、 404b 中 的载流子的迁移的应变释放的意义上讲， 十分重要。此外， 至于进行上述热处理的时序， 只 + 要是在形成半导体层 403 以及 n 层 404a、 404b 之后， 就没有特别的限定。
另外， 还可以对露出的半导体层 403 的凹部进行氧自由基处理。自由基处理优选 在 O2、 N2O、 包含氧的 N2、 包含氧的 He、 包含氧的 Ar 等的气氛下进行。另外， 还可以在上述气 氛中添加了 Cl2、 CF4 的气氛下进行。另外， 优选在不对第一衬底 441 一侧施加偏压的情况下 进行自由基处理。
另外， 对于形成在液晶显示装置中的薄膜晶体管的结构没有特别的限制。薄膜晶 体管可以使用形成有一个沟道形成区域的单栅型结构、 形成有两个沟道形成区域的双栅型 (double gate) 结构或形成有三个沟道形成区域的三栅型结构。 另外， 外围驱动电路区域中 的晶体管也可为单栅极结构、 双栅极结构或三栅极结构。 薄膜晶体管可以应用于顶栅型 ( 例如正交错型、 共面型 )、 底栅型 ( 例如， 反交错 型、 反共面型 )、 具有夹着栅极绝缘膜配置在沟道区域上下的两个栅电极层的双栅极 (dual gate) 型或其他结构。
在 本 实 施 方 式 中， 通过使用响应时间充分短的呈现蓝相的液晶层并使用 In-Ga-Zn-O 类氧化物半导体的薄膜晶体管作为开关元件， 可以实现能够以高图像质量显示 运动图像的场序制方式的液晶显示装置。
另外， 形成在结构体上的像素电极层、 共同电极层的形状反映该结构体的形状并 受蚀刻加工方法影响。 结构体以及形成在该结构体上的像素电极的顶面形状可以使用各种 形状， 而不局限于图 2A 所示的形状。
使用图 3 示出液晶显示装置的俯视图的另外一个例子。另外， 对与图 2A 相同的部 分使用相同的符号进行说明。
在图 3 中， 第一结构体 433a、 第二结构体 433b、 第四结构体 433d、 第五结构体 433e 的形状以及配置与图 2A 相同。与第二结构体 433b 相邻的第六结构体 433f 的顶面形状为 以 V 字状折曲的形状。另外， 与第六结构体 433f 相邻的第七结构体 433g 具有与第一结构 体 433a 相同的顶面形状， 但是具有与第一结构体 433a 不同的相对于栅极布线层的长轴方 向。另外， 第八结构体 433h 与第七结构体 433g 的顶面形状的长轴方向相同， 但是长轴方向 的长度短。另外， 对应于这些结构体， 使第二电极层 456 的开口形状与图 2A 的第二电极层 446 的开口形状不同。
如上所述， 在图 3 中， 通过第六结构体 433f、 第七结构体 433g、 第八结构体 433h 以 及第二电极层 456， 与图 2A 相比， 可以更进一步地提高视角。
另外， 在图 3 中， 第一电极层 457 的顶面形状也不同于图 2A 的第一电极层 447 的 顶面形状。第一电极层 457 具有不与布线层 405a 重叠的顶面形状， 并与相邻像素的第一电 极层隔着电容布线 410 电连接。在具有大面积的显示区域的液晶显示装置中， 由于使用比
第一电极层电阻低的金属布线作为电容布线 410 可以降低布线电阻， 所以是优选的。
另外， 在图 3 中， 薄膜晶体管 420 与第二电极层 456 通过接触孔 455 电连接。虽然 在这里没有图示， 接触孔设置在绝缘膜 407 中， 并且绝缘膜 407 设置在结构体以及第一电极 层 457 上。此时， 第一电极层 457 与第二电极层 456 通过绝缘层 402 和绝缘膜 407 的叠层 被绝缘。
如图 3 所示， 结构体、 第一电极层、 以及第二电极层等的形状可以应用各种各样的 形状。
实施方式 3
在实施方式 1 中， 在图 6A 中假设第一电极层为 0V， 第二电极层为 10V 而进行计算， 但是在本实施方式中， 在图 9A 中， 假设第一电极层为 10V， 第二电极层为 0V 来进行计算， 并 在图 9B 中示出液晶显示装置中的电场的施加状态的计算结果。
在图 9B 中， 实线表示 0.5V 间隔的等势线， 并且像素电极或共同电极的配置与图 9A 的位置一致。
由于电场以垂直于等势线的方式出现， 所以如图 9B 所示， 可以确认到第一电极层 和第二电极层之间分别施加有水平方向的电场。
另外， 由于图 9A 与图 6A 相同， 所以这里省略说明。
另外， 在有源矩阵型液晶显示装置中， 当其处于图 9B 所示的电场的施加状态时， 第二电极层与薄膜晶体管电连接。
图 4 示出该种情况下的截面结构的一个例子。另外， 在图 4 中， 对与图 2B 相同的 部分使用相同的符号进行说明。
薄膜晶体管 420 使用与图 2B 相同的结构。 在与薄膜晶体管 420 的半导体层 403 接 触的第二绝缘层 465 上形成第一结构体 433a、 第二结构体 433b 以及第三结构体 433c。另 外， 在形成这些结构体的同一工序中形成与薄膜晶体管 420 重叠的层间绝缘膜 413。
形成覆盖第一结构体 433a、 第二结构体 433b 以及第三结构体 433c 的第二电极层 466。第二电极层 466 通过设置在第二绝缘层 465 中的接触孔与薄膜晶体管 420 的布线层 405b 电连接。
形成覆盖第二电极层 466 的第三绝缘层 468。该第三绝缘层 468 相当于图 2B 的绝 缘膜 407。
另外， 以与第三绝缘层 468 上的第一结构体 433a 以及第三结构体 433c 重叠的方 式配置第一电极层 467。另外， 第一电极层 467 为固定电位并具有多个开口 ( 槽缝 )。
在本实施方式中， 设置在层间绝缘膜 413 的斜面上的像素电极的一部分也可以在 液晶层 444 中形成与第一衬底 441 的平面呈水平方向的电场。电场形成在设置在层间绝缘 膜 413 的斜面上的像素电极的一部分与设置在第一结构体 433a 的斜面上的第一电极层 467 的一部分之间。
在本实施方式中， 为了缩减工序数， 虽然示出在同一工序中形成层间绝缘膜 413 和多个结构体的例子， 但是不局限于此， 也可以在形成层间绝缘膜之后进行形成多个结构 体的工序。
本实施方式可以与实施方式 1 或实施方式 2 自由组合。
实施方式 4在本实施方式中， 对在实施方式 1 的结构的基础上进一步在第二衬底上设置第三 电极层并对液晶层施加较强的电场的结构进行说明。
图 5A 示出液晶显示装置中的第一电极层和第二电极层和第三电极层的位置关系 的一个例子。另外， 对与图 1A 相同的部分使用相同的符号进行说明。
在图 5A 中， 形成在第一衬底 200 上的结构体、 第一电极层、 第二电极层的位置与图 1A 相同。
设置在第二衬底 201 上的第三电极 235a 设置在与结构体 233a 重叠的位置上。另 外， 第三电极 235b 设置在与结构体 233 重叠的位置上。
例如， 当以使像素电极与共同电极之间产生电位差的方式施加电压时， 在图 5A 中 作为像素电极的第二电极层 230a 与作为共同电极的第一电极层 232 之间施加有箭头 202g 所示的水平方向的电场。另外， 第二电极层 230a 与作为共同电极的第三电极层 235a 之间 施加有箭头 202i 所示的倾斜方向的电场。另外， 通过箭头 202i 所示的倾斜方向的电场可 以使包括厚度方向上的整个液晶层中的液晶分子响应。
另外， 第二电极层 230b 和第一电极层 232 之间施加有箭头 202h 所示的水平方向 的电场。另外， 第二电极层 230b 与作为共同电极的第三电极层 235a 之间施加有箭头 202j 所示的倾斜方向的电场。另外， 通过箭头 202j 所示的倾斜方向的电场可以使包括厚度方向 上的整个液晶层中的液晶分子响应。
图 10B 示出设置有第三电极层 235a 的液晶显示装置中的电场的施加状态的计算 结果。图 10A 示出算出的液晶显示装置的结构。
另 外， 截 面 中 的 作 为 共 同 电 极 的 第 三 电 极 层 235a 的 宽 度 为 1.60μm， 厚度为 0.25μm。 另外， 将作为共同电极的第一电极层 232 以及第三电极层 235a 设定为 0V， 并将作 为像素电极的第二电极层设定为 10V。
另外， 在图 5A 中示出作为像素电极的第二电极层 230a 和作为共同电极的第一电 极层 232 的例子， 但是， 在图 5B 中， 示出作为共同电极的第二电极层 230a 和作为像素电极 的第一电极层 232 的例子。
在图 5B 所示的情况下， 将设置在第二衬底 201 上的第三电极层 235c 设置在与作 为共同电极的第二电极层 230a 重叠的位置上。另外， 将第三电极层 235d 设置在与作为共 同电极的第二电极层 230b 重叠的位置上。另外， 将第三电极层 235e 设置在与作为共同电 极的第二电极层 230c 重叠的位置上。
例如， 当以使像素电极与共同电极之间产生电位差的方式施加电压时， 在图 5B 中 作为共同电极的第二电极层 230a 与作为像素电极的第一电极层 232 之间施加有箭头 202w 所示的水平方向的电场。另外， 第一电极层 232 与作为共同电极的第三电极层 235c 之间施 加有箭头 202y 所示的倾斜方向的电场。另外， 通过箭头 202y 所示的倾斜方向的电场可以 使包括厚度方向上的整个液晶层中的液晶分子响应。
另外， 第二电极层 230b 和第一电极层 232 之间施加有箭头 202x 所示的水平方向 的电场。另外， 第一电极层 232 与作为共同电极的第三电极层 235b 之间施加有箭头 202z 所示的倾斜方向的电场。另外， 通过箭头 202z 所示的倾斜方向的电场可以使包括厚度方向 上的整个液晶层中的液晶分子响应。
图 11B 示出设置有第三电极层 235c、 235d 的液晶显示装置中的电场的施加状态的计算结果。图 11A 示出算出的液晶显示装置的结构。另外， 将作为共同电极的第二电极层 230a、 230b 以及第三电极层 235c、 235d 设定为 0V， 并将作为像素电极的第一电极层 232 设 定为 10V。
另外， 截面中的作为像素电极的第三电极层 235c、 235d 的宽度为 2.40μm， 厚度为 0.25μm。
本实施方式可以与实施方式 1、 实施方式 2 或实施方式 3 自由组合。
实施方式 5
这里， 图 12A 和 12B 示出液晶显示装置的框图结构。图 12A 示出显示部 1301 以及 驱动部 1302 的结构。驱动部 1302 由信号线驱动电路 1303、 扫描线驱动电路 1304 等构成。 在显示部 1301 中， 多个像素 1305 被配置为矩阵状。
在图 12A 中， 扫描线驱动电路 1304 对扫描线 1306 提供扫描信号。另外， 信号线驱 动电路 1303 对信号线 1308 提供数据。通过由扫描线 1306 提供的扫描信号， 像素 1305 按 从扫描线 1306 的第一行的顺序被选择。
另外， 在图 12A 中， 扫描线驱动电路 1304 连接有 G1 至 Gn 的 n 个扫描线 1306。另 外， 作为信号线驱动电路 1303， 当图像的最小单位由 RGB(R ： 红、 G： 绿、 B： 蓝 ) 三个像素构成 时， 其与对应于 R 的信号线 SR1 至 SRm 的 m 个信号线、 对应于 G 的信号线 SG1 至 SGm 的 m 个信号 线以及对应于 B 的 SB1 至 SBm 的 m 个信号线合计 3m 个信号线连接。即， 如图 12B 所示， 像素 1305 通过在每个色彩单元中配置信号线， 并利用信号线向对应于各色彩单元的像素提供数 据可以对所希望的颜色进行再现。
另外， 图 13 所示的时序图示出在对应于 1 帧期间、 行选择期间 ( 显示装置扫描一 行像素的时间 ) 的期间中的用来选择扫描线 1306( 以 G1、 Gn 为代表 ) 的扫描信号以及信号 线 1309( 以 SR1 为代表 ) 的数据信号。
另外， 在图 12A 和 12B 所示的电路图中， 假定各像素所具有的晶体管为 n 沟道型晶 体管。并且， 图 13 中的说明也是对当控制 n 沟道型晶体管的导通或截止时的像素的驱动的 说明。另外， 当使用 p 沟道型晶体管制造图 12A 和 12B 中的电路图时， 可以适当地改变扫描 信号的电位， 以与使用 n 沟道型晶体管时相同的方式控制晶体管的导通或截止。
在图 13 的时序图中， 至少将 1 帧期间设定为 1/120 秒 ()( 更优选为1/240 秒 )， 以使观看图像的人感觉不到显示运动图像时的残影感， 其中 1 帧期间相当于 显示一个屏面图像的期间， 当扫描线的个数为 n 个时， 行选择期间相当于 1/(120×n) 秒。 这里， 假定显示装置是具有 2000 个扫描线的显示装置 (4096×2160 像素、 3840×2160 像 素等的所谓的 4k2k 影像 )， 当不考虑起因于布线的信号的迟延等时， 行选择期间相当于 1/230000 秒 (
)。对应于蓝相的液晶元件的电压施加的响应时间 ( 改变液晶分子的取向所需的时 间 ) 为 1ms 以下。相对于此， 作为对应于 VA 方式的液晶元件的电压施加的响应时间， 即便 使用过驱动也需几 ms 左右。所以， 当进行 VA 方式的液晶元件的工作时， 为了维持良好的显 示， 需要使 1 帧期间的长度不短于响应时间。另一方面， 在通过使用蓝相的液晶元件并使用 Cu 布线等由低电阻材料形成的布线而可以减轻起因于布线的信号的迟延的本实施方式的 显示装置中， 可以使液晶元件的响应时间更充裕并且可以在行选择期间中高效率地获得对 应于施加到液晶元件的电压的所希望的液晶元件的取向。本实施方式可以与实施方式 1、 实施方式 2、 实施方式 3、 实施方式 4 自由地组合。
实施方式 6
示出实施方式 1 至 4 中的可以应用于液晶显示装置的薄膜晶体管的其他的例子。 尤其示出薄膜晶体管的结构以及用于半导体层的半导体材料的例子， 至于其他的与实施方 式 1 至 4 相同的部分， 由于可以使用同样的材料以及同样的制造方法， 所以省略对相同部分 或具有同样作用的部分的详细说明。
在图 14 中示出本实施方式所示的薄膜晶体管的一个方式的截面图。图 14 所示的 薄膜晶体管在衬底 501 上包括 ： 栅电极层 503 ； 栅极绝缘层 505 上的半导体层 515 ； 用作接 触于半导体层 515 上的源区及漏区的杂质半导体层 527 ； 以及接触于杂质半导体层 527 的 布线 525。 另外， 作为半导体层 515， 从栅极绝缘层 505 一侧依次层叠微晶半导体层 515a、 混 合区域 515c 以及包含非晶半导体的层 529c。
接着， 对半导体层 515 的结构进行说明。这里， 使用图 15A 和 15B 示出图 14 的栅 极绝缘层 505 与用作源区及漏区的杂质半导体层 527 之间的放大图。
图 15A 和 15B 示出半导体层 515 的一个方式。如图 15A 所示， 作为半导体层 515， 层叠有微晶半导体层 515a、 混合区域 515b 以及含有非晶半导体的层 529c。
构成微晶半导体层 515a 的微晶半导体是具有结晶结构 ( 包括单晶、 多晶 ) 的半导 体。微晶半导体是具有自由能稳定的第三状态的半导体， 并且是具有短程有序和晶格畸变 的结晶性的半导体， 其中晶粒径是 2nm 以上且 200nm 以下， 优选是 10nm 以上且 80nm 以下， 更优选是 20nm 以上且 50nm 以下的柱状晶体或针状晶体在相对于衬底表面的法线方向上成 长。因此， 在柱状晶体或针状晶体的界面中有时形成有晶粒界面。
作为微晶半导体的典型例子的微晶硅， 其拉曼光谱峰值比表示单晶硅的 520cm-1 更向低波数一侧移动。 即， 微晶硅的拉曼光谱峰值位于表示单晶硅的 520cm-1 和表示非晶硅 的 480cm-1 之间。另外， 使其包含至少 1 原子％或 1 原子％以上的氢或卤族元素， 以终止不 饱和键 ( 悬空键， dangling bond)。再者， 可以添加稀有气体元素比如氦、 氩、 氪或氖等， 由 此进一步促进晶格畸变， 而使微晶结构的稳定性增高， 得到优良微晶半导体。例如， 在美国 专利 4,409,134 号中公开了关于这种微晶半导体的记载。
另外， 通过将利用二次离子质谱分析法测量的包含在微晶半导体层 515a 中的氧 及氮的浓度设定为低于 1×1018atoms/cm3， 可以提高微晶半导体层 515a 的结晶性， 所以是 优选的。
微晶半导体层 515a 的厚度优选为 3nm 至 100nm 或 5nm 至 50nm。
另外， 在图 14 以及图 15A 和 15B 中， 将微晶半导体层 515a 示为层状， 但是也可以 将微晶半导体粒子分散在栅极绝缘层 505 上以代替层状。在这种情况下， 混合区域 515b 接 触微晶半导体粒子以及栅极绝缘层 505。
当将微晶半导体粒子的大小设定为 1nm 至 30nm， 密度设定为 1×1013/cm2， 优选为 10 2 低于 1×10 /cm 时， 可以形成被分散的微晶半导体粒子。
混合区域 515b 以及含有非晶半导体的层 529c 含有氮。混合区域 515b 所含有 的氮浓度为 1×1020atoms/cm3 以上 1×1021atoms/cm3 以下， 优选为 2×1020atoms/cm3 以上 1×1021atoms/cm3 以下。
如图 15A 所示， 混合区域 515b 包括微晶半导体区域 508a 以及充填在该微晶半导体区域 508a 之间的非晶半导体区域 508b。具体地， 混合区域 515b 由以凸状从微晶半导体 层 515a 的表面伸出的微晶半导体区域 508a 以及由与含有非晶半导体的层 529c 相同的半 导体形成的非晶半导体区域 508b 形成。
微晶半导体区域 508a 是从栅极绝缘层 505 在朝向含有非晶半导体的层 529c 的方 向上前端变窄的凸形、 针形或锥形的微晶半导体。另外， 还可以是从栅极绝缘层 505 在朝向 含有非晶半导体的层 529c 的方向上宽度变宽的凸形或锥形的微晶半导体。
另外， 在包含于混合区域 515b 中的非晶半导体区域 508b 中， 作为微晶半导体区 域， 有时包含粒径 1nm 以下 10nm 以上， 优选是 1nm 以上 5nm 以下的半导体晶粒。
另外， 如图 15B 所示， 作为混合区域 515b， 有时在微晶半导体层 515a 上连续地形成 以一定厚度堆积的微晶半导体区域 508c 和从栅极绝缘层 505 在朝向含有非晶半导体的层 529c 的方向上前端变窄的凸形、 针形或锥形的微晶半导体区域 508a。
另外， 图 15A 和 15B 所示的包含于混合区域 515b 中的非晶半导体区域 508b 是与 含有非晶半导体的层 529c 大致同质的半导体。
由上所述可知由微晶半导体形成的区域与由非晶半导体形成的区域的界面也可 以看作是在混合区域中的微晶半导体区域 508a 与非晶半导体区域 508b 的界面， 所以可以 说微晶半导体区域和非晶半导体区域的截面中的边界为凹凸形状或锯齿形状。
在混合区域 515b 中， 当微晶半导体区域 508a 为从栅极绝缘层 505 在朝向含有非 晶半导体的层 529c 的方向上前端变窄的凸形的半导体晶粒时， 微晶半导体层 515a 一侧的 微晶半导体区域的比例比含有非晶半导体的层 529c 一侧的微晶半导体区域的比例高。这 是由于以下缘故 ： 虽然微晶半导体区域 508a 从微晶半导体层 515a 的表面沿膜厚度方向成 长， 但是当对原料气体中加入含有氮的气体， 或者边对原料气体加入含有氮的气体边根据 微晶半导体区域 508a 的堆积条件降低相对于硅烷的氢的流量时， 微晶半导体区域 508a 的 半导体晶粒的成长被抑制， 而形成锥形的微晶半导体区域， 并在其上逐渐堆积非晶半导体。 这是由于微晶半导体区域中的氮的固溶度与非晶半导体区域相比要低的缘故。
通过将微晶半导体层 515a 及混合区域 515b 的厚度的和， 即， 将从栅极绝缘层 505 的界面到混合区域 515b 的突起 ( 凸部 ) 的前端的距离设定为 3nm 以上 410nm 以下， 优选为 20nm 以上 100nm 以下， 可以减少薄膜晶体管的截止电流。
含有非晶半导体的层 529c 是与混合区域 515b 所含有的非晶半导体区域 508b 大 致同质的半导体并含有氮。并且， 有时含有粒径为 1nm 以上 10nm 以下， 优选为 1nm 以上 5nm 以下的半导体晶粒。这里， 将与现有的非晶半导体相比利用 CPM(Constant photocurrent method)、 光致发光光谱而测定出的乌尔巴赫端 (Urbach edge) 的能量小且缺陷吸收光谱量 少的半导体层称作含有非晶半导体的层 529c。即， 将与现有的非晶半导体相比缺陷少且在 价电子带的带端中的能级的尾部 ( 下摆部 ) 的倾斜率陡峭的秩序性高的半导体称作含有非 晶半导体的层 529c。作为非晶半导体层 529c， 由于在价电子带的带端中的能级的尾部 ( 下 摆部 ) 的倾斜率陡峭， 所以带隙变宽， 而使隧道电流不容易流过。为此， 通过将含有非晶半 导体的层 529c 设置在背沟道一侧， 可以减少薄膜晶体管的截止电流。另外， 通过设置含有 非晶半导体的层 529c， 可以提高导通电流以及场效应迁移率。
再者， 含有非晶半导体的层 529c 的通过低温光致发光谱测量的光谱峰值区域为 1.31eV 以上且 1.39eV 以下。另外， 微晶半导体层， 典型的是微晶硅层的通过低温光致发光谱测量的峰值区域为 0.98eV 以上且 1.02eV 以下， 并且含有非晶半导体的层 529c 与微晶半 导体层不同。
另外， 作为含有非晶半导体的层 529c 的非晶半导体， 典型的有非晶硅。
另外， 混合区域 515b 以及含有非晶半导体的层 529c 的厚度为 50nm 至 350nm， 或优 选为 120nm 至 250nm。
在混合区域 515b 中， 由于具有锥形的微晶半导体区域 508a， 所以可以降低当对源 电极或漏电极上施加电压时的纵方向 ( 膜厚度方向 ) 上的电阻， 即， 微晶半导体层 515a、 混 合区域 515b 以及含有非晶半导体的层 529c 的电阻。
另外， 混合区域 515b 有时包括 NH 基或 NH2 基。由于 NH 基或 NH2 基在微晶半导体 区域 508a 所包含的不同的微晶半导体区域的界面或微晶半导体区域 508a 与非晶半导体区 域 508b 的界面、 微晶半导体层 515a 及混合区域 515b 的界面中与硅原子的悬空键结合， 而 可以减少缺陷， 所以是优选的。
另外， 通过使混合区域 515b 的氧浓度低于氮浓度， 可以减少微晶半导体区域 508a 与非晶半导体区域 508b 的界面中以及半导体晶粒之间的界面中的阻碍载流子移动的结合 的缺陷。 为此， 通过使用微晶半导体层 515a 形成沟道形成区域， 并在沟道形成区域与用作 源区及漏区的杂质半导体层 527 之间设置由缺陷少且在价电子带的带端中的能级的尾部 ( 下摆部 ) 的倾斜率陡峭的秩序性高的半导体层形成的含有非晶半导体的层 529c， 可以降 低薄膜晶体管的截止电流。另外， 通过在沟道形成区域与用作源区及漏区的杂质半导体层 527 之间设置具有锥形的微晶半导体区域 508a 的混合区域 515b 以及由缺陷少且在价电子 带的带端中的能级的尾部 ( 下摆部 ) 的倾斜率陡峭的秩序性高的半导体层形成的含有非晶 半导体的层 529c， 可以提高导通电流以及场效应迁移率并降低截止电流。
图 14 所示的杂质半导体层 527 由添加有磷的非晶硅、 添加有磷的微晶硅等形成。 另外， 作为薄膜晶体管， 当形成 p 沟道型的薄膜晶体管时， 杂质半导体层 527 由添加有硼的 微晶硅、 添加有硼的非晶硅等形成。另外， 当混合区域 515b 或含有非晶半导体的层 529c 与 布线 525 欧姆连接时， 也可以不形成杂质半导体层 527。
图 14 以及图 15A 和 15B 所示的薄膜晶体管通过将微晶半导体层用作沟道形成区 域并将含有非晶半导体的层用作背沟道侧， 可以降低截止电流并提高导通电流及场效应迁 移率。另外， 由于使用微晶半导体层形成沟道形成区域， 所以劣化少且电特性的可靠性高。
本实施方式可以与其他实施方式所记载的结构适当地组合而实施。
实施方式 7
实施方式 1 至 6 中任一实施方式所示的液晶显示装置包括薄膜晶体管， 并通过将 该薄膜晶体管用于像素部及驱动电路而具有显示功能。此外， 可以通过将由薄膜晶体管 形成的驱动电路的一部分或整体与像素部一体地形成在同一衬底上， 来形成系统型面板 (system-on-panel)。
液晶显示装置包括用作显示元件的液晶元件 ( 也称为液晶显示元件 )。
另外， 液晶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， 本发明涉及一种元件衬底， 该元件衬底相当于制造该液晶显示装置 的过程中的显示元件完成之前的一种状态， 并且它在多个像素的每一个中分别具备用来将
电流供给到显示元件的手段。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， 可以采用所有状态。
另外， 本说明书中的液晶显示装置是指图像显示器件、 显示器件、 或光源 ( 包括照 明装置 )。另外， 液晶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(TapeAutomated Bonding ； 载带自动键合 ) 带或 TCP(Tape Carrier Package ； 载带封装 ) 的模块 ； 将印刷线路板设置于 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。
参照图 16A1、 16A2 和 16B 说明相当于液晶显示装置的一个方式的液晶显示面板的 外观及截面。图 16A1 和 16A2 是使用密封剂 4005 将形成在第一衬底 4001 上的薄膜晶体管 4010、 4011、 以及液晶元件 4013 密封在第二衬底 4006 与第一衬底 4001 之间的面板的俯视 图， 图 16B 相当于沿着图 16A1、 16A2 的线 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 置有密封剂 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， 在图 16A1 中， 在第一衬底 4001 上的与由密封材料 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 导体膜形成在另外准备的衬底上。另外， 图 16A2 是在第一衬底 4001 上由薄膜晶体管形成 信号线驱动电路的一部分的例子， 其中在第一衬底 4001 上形成有信号线驱动电路 4003b， 并且在另外准备的衬底上安装有由单晶半导体膜或多晶半导体膜形成的信号线驱动电路 4003a。
另外， 对于另外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 16A1 是通过 COG 方法安装信号线驱动电路 4003 的例 子， 而图 16A2 是通过 TAB 方法安装信号线驱动电路 4003 的例子。
在图 16A1、 16A2 和 16B 中， 连接端子电极 4015 与像素电极层 4030 由相同的导电 膜形成， 端子电极 4016 与薄膜晶体管 4010、 4011 的源电极层及漏电极层由相同的导电膜形 成。连接端子电极 4015 与 FPC4018 所具有的端子通过各向异性导电膜 4019 电连接。
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 16B 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。
薄膜晶体管 4010、 4011 使用实施方式 3 所示的薄膜晶体管。 另外， 还可以使用将实 施方式 6 所示的微晶半导体层作为半导体层而包括的薄膜晶体管。薄膜晶体管 4010、 4011 为 n 沟道型薄膜晶体管。
另外， 第一衬底 4001 上设置有像素电极层 4030 以及共同电极层 4031。
另外， 与实施方式 3 同样， 在与绝缘层 4021 相同的工序中形成多个结构体。在第 一结构体 4022 的斜面上形成有像素电极层 4030， 并且在其上层叠有绝缘层 4023 和共同电 极层 4031。另外， 在与第一结构体 4022 相邻的第二结构体 4024 上层叠有像素电极层 4030 和绝缘层 4023。像素电极层 4030 通过设置在绝缘层 4020 中的接触孔电连接到薄膜晶体管 4010。 液晶元件 4013 包括设置在第一结构体 4022 的斜面上的共同电极层 4031、 设置在第二结构 体 4024 的斜面上的像素电极层 4030 以及夹在它们之间的液晶层 4008。
另外， 第一衬底 4001、 第二衬底 4006 的外侧分别设置有偏振片 4032、 4033。
另外， 可以使用具有透光性的玻璃、 塑料等作为第一衬底 4001、 第二衬底 4006。作 为塑料， 可以使用 FRP(Fiberglass-Reinforced Plastics ； 纤维增强塑料 ) 板、 PVF( 聚氟乙 烯 ) 薄膜、 聚酯薄膜或丙烯酸树脂薄膜。另外， 也可以采用由 PVF 薄膜或聚酯薄膜夹有铝箔 的薄片。
另外， 附图标记 4035 是通过选择性地对绝缘膜进行蚀刻而得到的柱状间隔物， 其 是为控制液晶层 4008 的厚度 ( 单元间隙 ) 而设置的。另外， 还可以使用球状的间隔物。此 外， 使用液晶层 4008 的液晶显示装置优选将液晶层 4008 的厚度 ( 单元间隔 ) 设定为 5μm 以上至 20μm 左右。
另外， 虽然图 16A1、 16A2 和 16B 示出透过型液晶显示装置的例子， 但也可以使用半 透过型液晶显示装置。
另外， 在图 16A1、 16A2 和 16B 的液晶显示装置中， 虽然示出在衬底的外侧 ( 可视 侧 ) 设置偏振片的例子， 但也可以将偏振片设置在衬底的内侧。根据偏振片的材料及制造 工序的条件适当地进行设定即可。另外， 还可以设置用作黑矩阵的遮光层。
绝缘层 4021 为树脂层。在图 16A1、 16A2 和 16B 中， 遮光层 4034 以覆盖薄膜晶体 管 4010、 4011 上方的方式设置在第二衬底 4006 一侧。通过设置遮光层 4034 可以进一步地 提高对比度并提高薄膜晶体管的稳定性。
图 17 是液晶显示装置的截面结构的一例， 利用密封材料 2602 固定元件衬底 2600 和对置衬底 2601， 并在其间设置包括 TFT 等的元件层 2603、 液晶层 2604。
当进行彩色显示时， 在背光部配置发射多种发光颜色的发光二极管。当采用 RGB 方式时， 将红色的发光二极管 2910R、 绿色的发光二极管 2910G、 蓝色的发光二极管 2910B 分 别配置在将液晶显示装置的显示区分割为多个区的分割区。
在对置衬底 2601 的外侧设置有偏振片 2606， 在元件衬底 2600 的外侧设置有偏振 片 2607、 光学片 2613。光源由红色的发光二极管 2910R、 绿色的发光二极管 2910G、 蓝色的 发光二极管 2910B 以及反射板 2611 构成， 设置在电路衬底 2612 上的 LED 控制电路 2912 通 过柔性布线衬底 2609 与元件衬底 2600 的布线电路部 2608 连接， 还在其中组装有控制电路 及电源电路等的外部电路。
在本实施方式中示出由该 LED 控制电路 2912 分别使 LED 发光的场序制方式的液 晶显示装置的例子， 但是不局限于此， 也可以作为背光灯的光源使用冷阴极管或白色 LED， 并设置彩色滤光片。
本实施方式可以与其他的实施方式所记载的结构适当地组合而实施。
实施方式 8
通过实施方式 1 至 6 中任一实施方式所示的工序制造的液晶显示装置可以应用于 各种电子设备 ( 包括游戏机 )。 作为电子设备， 例如可以举出电视装置 ( 也称为电视或电视 接收机 )、 用于计算机等的监视器、 数码相机、 数码摄像机、 数码相框、 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 18A 示出电视装置 9600 的一个例子。在电视装置 9600 中， 框体 9601 组装有显 示部 9603。利用显示部 9603 可以显示映像。此外， 在此示出通过将电视装置 9600 固定在 墙上来支撑框体 9601 的内侧的结构。
可以通过利用框体 9601 所具备的操作开关、 另外提供的遥控操作机 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 上显示的映像进行操作。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。
另外， 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， 从而也 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之间等 ) 的信息通信。
图 18B 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 18B 所示的便携式游戏机还具备扬声器部 9884、 记录介质插入部 9886、 LED 灯 9890、 输入单元 ( 操作键 9885、 连接端子 9887、 传感器 9888( 包括测定如下因素的功 能： 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、 辐射线、 流量、 湿度、 倾斜度、 振动、 气味或红外线 ) 以及 麦克风 9889) 等。当然， 便携式游戏机的结构不局限于上述结构， 只要至少具备半导体装置 即可， 且可以适当地设置有其它附属设备。 图 18B 所示的便携式游戏机具有如下功能 ： 读出 储存在记录介质中的程序或数据并将其显示在显示部上 ； 以及通过与其他便携式游戏机进 行无线通信而实现信息共享。另外， 图 18B 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 19A 示出移动电话机 1000 的一个例子。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、 麦克风 1006 等。
图 19A 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 来进行打电话或制作电子邮件等的操作。
显示部 1002 的屏面主要有三种模式。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种模式混合的 显示 + 输入模式。
例如， 在打电话或制作电子邮件的情况下， 将显示部 1002 设定为以文字输入为主 的文字输入模式， 来进行在屏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 的屏面的大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、 加速度传感器等检测倾斜 度的传感器的检测装置， 来判断移动电话机 1000 的方向 ( 竖向还是横向 )， 从而可以对显示 部 1002 的屏面显示进行自动切换。
通过触摸显示部 1002 或利用框体 1001 的操作按钮 1003 进行操作， 来切换屏面模 式。还可以根据显示在显示部 1002 上的图像种类切换屏面模式。例如， 当显示在显示部上的图像信号为动态图像的数据时， 将屏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， 将屏面模式切换成输入模式。
另外， 在输入模式中， 当通过检测出显示部 1002 的光传感器所检测的信号而得知 在一定期间中没有显示部 1002 的触摸操作输入时， 也可以将屏面模式控制为从输入模式 切换成显示模式。
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光源， 也可以拍摄手指静脉、 手掌静脉等。
图 19B 是示出电子书的一个例子的透视图。图 19B 所示的电子书具有多个显示面 板。第一显示面板 4311 与第二显示面板 4312 之间安装有两面显示型的第三显示面板， 并 且电子书处于打开的状态。
图 19B 所示的电子书包括 ： 具有第一显示部 4301 的第一显示面板 4311 ； 具有操作 部 4304 以及第二显示部 4307 的第二显示面板 4312 ； 具有第三显示部 4302 以及第四显示 部 4310 的第三显示面板 4313 ； 设置在第一显示面板 4311、 第二显示面板 4312、 第三显示面 板 4313 的一个端部的装订部。第三显示面板 4313 插入在第一显示面板 4311 与第二显示 面板 4312 之间。图 19B 的电子书具有第一显示部 4301、 第二显示部 4307、 第三显示部 4302 以及第四显示部 4310 四个显示画面。
第一显示面板 4311、 第二显示面板 4312 以及第三显示面板 4313 具有挠性且易弯 曲。另外， 当使用塑料衬底作为第一显示面板 4311、 第二显示面板 4312 并使用薄膜作为第 三显示面板 4313 时， 可以制造薄型的电子书。
第三显示面板 4313 是具有第三显示部 4302 以及第四显示部 4310 的两面显示型 面板。第三显示面板 4313 使用中间夹有背光灯 ( 优选使用薄型的 EL 发光面板 ) 的两个液 晶显示面板。 另外， 第一显示面板 4311、 第二显示面板 4312 以及第三显示面板 4313 不局限 于其全部为液晶显示面板， 还可以使用 EL 发光显示面板或电子纸等， 三个显示面板中只要 至少有一个显示面板使用实施方式 1 至 7 的液晶显示装置即可。通过在一个电子书中使用 多个种类的显示面板， 在明亮的房间中通过使用电子纸的显示面板而将其他的面板设定为 OFF 的状态来可以节制耗电量， 而在光线暗的地方可以使用液晶的显示面板进行显示。 电子 纸虽然具有只要进行过显示即使变为 OFF 状态也能够维持显示的优点， 但是由于其为反射 型显示装置， 所以在没有光的地方很难进行显示。 由此， 通过在一个电子书中使用多个种类 的显示面板， 可以在任何地方使用电子书。 另外， 还可以将三个显示面板中的至少一个显示 面板设定为全彩色而将其他的显示面板设定为单色显示的显示面板。
另外， 在图 19B 所示电子书中， 第二显示面板 4312 具有操作部 4304， 如电源输入开 关或显示切换开关等而可以对应各种功能。
另外， 至于图 19B 所示的电子书的输入操作， 可以通过利用手指或输入笔等触摸 第一显示部 4301 或第二显示部 4307， 或者通过操作部 4304 的操作来进行。另外， 在图 19B 中示出显示在第二显示部 4307 上的显示按钮 4309， 可以通过用手指等触摸显示按钮 4309 来进行输入。
本 说 明 书 根 据 2009 年 5 月 29 日 在 日 本 专 利 局 受 理 的 日 本 专 利 申 请 编 号 2009-131384 而制作， 所述申请内容包括在本说明书中。