JP2010097204A

JP2010097204A - 表示装置

Info

Publication number: JP2010097204A
Application number: JP2009209031A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎; Kengo Akimoto; 健吾秋元; Shigeki Komori; 茂樹小森; Hideki Uoji; 秀貴魚地; Tomoya Futamura; 智哉二村; Takahiro Kasahara; 崇廣笠原
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2010-04-30
Anticipated expiration: 2029-09-10
Also published as: TWI641118B; TW202403881A; JP7495538B2; JP2022068248A; CN102881696A; JP2016042589A; JP7024005B2; KR101273913B1; US11646321B2; JP5091209B2; US20150236054A1; JP2019176166A; US20230290789A1; TW202209486A; KR20140094655A; JP2023062042A; US20120300150A1; TWI467698B; TW201244009A; US9196633B2

Abstract

【課題】動作特性に優れ低温で製造可能な酸化物半導体を用いた表示装置の特性を活かすには、適切な構成を備えた保護回路等が必要となる。
【解決手段】ゲート電極１０１を被覆するゲート絶縁層１０２と、ゲート絶縁層１０２上においてゲート電極１０１と重畳する第１酸化物半導体層１０３と、第１酸化物半導体層１０３上においてゲート電極と端部が重畳し、導電層１０５ａと第２酸化物半導体層１０４ａが積層された一対の第１配線層３８及び第２配線層３９とを有する非線形素子１７０ａを用いて保護回路を構成する。ゲート絶縁層１０２上において物性の異なる酸化物半導体層同士の接合を形成することで、ショットキー接合に比べて安定動作をさせることが可能となり、接合リークが低減し、非線形素子１７０ａの特性を向上させることができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、酸化物半導体を用いる表示装置に関する。

液晶表示装置に代表されるように、ガラス基板等の平板に形成される薄膜トランジスタは、アモルファスシリコン、多結晶シリコンによって作製されている。アモルファスシリコンを用いた薄膜トランジスタは、電界効果移動度が低いもののガラス基板の大面積化に対応することができ、一方、結晶シリコンを用いた薄膜トランジスタは電界効果移動度は高いものの、レーザアニール等の結晶化工程が必要であり、ガラス基板の大面積化には必ずしも適応しないといった特性を有している。

これに対し、酸化物半導体を用いて薄膜トランジスタを作製し、電子デバイスや光デバイスに応用する技術が注目されている。例えば、酸化物半導体膜として酸化亜鉛（ＺｎＯ）や、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体を用いて薄膜トランジスタを作製し、画像表示装置のスイッチング素子などに用いる技術が特許文献１及び特許文献２で開示されている。

特開２００７−１２３８６１号公報特開２００７−９６０５５号公報

酸化物半導体をチャネル形成領域とする薄膜トランジスタは、アモルファスシリコンを用いた薄膜トランジスタよりも動作速度が速く、多結晶シリコンを用いた薄膜トランジスタよりも製造工程が簡単であるといった特性を有している。すなわち、酸化物半導体を用いることによって、３００℃以下の低温であっても、電界効果移動度が高い薄膜トランジスタを作製することが可能である。

動作特性に優れ低温で製造可能な酸化物半導体を用いた表示装置の特性を活かすには、適切な構成を備えた保護回路等が必要となる。また、酸化物半導体を用いた表示装置の信頼性を保証することが重要となってくる。

本発明の一態様は、保護回路として適した構造を提供することを目的の一とする。

本発明の一態様は、酸化物半導体の他、絶縁膜及び導電膜を積層して作製される各種用途の表示装置において、保護回路の機能を高め動作の安定化を図ることを目的の一とする。

本発明の一態様は、酸化物半導体を用いて構成される非線形素子で保護回路が形成された表示装置である。この非線形素子は酸素の含有量が異なる酸化物半導体を組み合わせて構成されている。

本発明の例示的な一態様は、絶縁表面を有する基板上に走査線と信号線が交差して設けられ、画素電極がマトリクス状に配列する画素部と、該画素部の外側領域に酸化物半導体で形成された非線形素子を有する表示装置である。画素部は、第１酸化物半導体層にチャネル形成領域が形成される薄膜トランジスタを有する。画素部の薄膜トランジスタは、走査線と接続するゲート電極と、信号線と接続し第１酸化物半導体層に接する第１配線層と、画素電極と接続し第１酸化物半導体層に接する第２配線層とを有する。基板の周辺部に配設される信号入力端子と画素部の間には非線形素子が設けられている。非線形素子は、ゲート電極及び該ゲート電極を被覆するゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層上において前記ゲート電極と重畳する第１酸化物半導体層と、前記第１酸化物半導体層上において前記ゲート電極と端部が重畳し、導電層と第２酸化物半導体層が積層された一対の第１配線層及び第２配線層とを有している。非線形素子のゲート電極は走査線又は信号線と接続され、非線形素子の第１配線層又は第２配線層がゲート電極の電位が印加されるように第３配線層によって接続されている。

本発明の例示的な一態様は、絶縁表面を有する基板上に走査線と信号線が交差して設けられ、画素電極がマトリクス状に配列する画素部と、該画素部の外側領域に保護回路を有する表示装置である。画素部は、第１酸化物半導体層にチャネル形成領域が形成される薄膜トランジスタを有している。画素部の薄膜トランジスタは、走査線と接続するゲート電極と、信号線と接続し第１酸化物半導体層に接する第１配線層と、画素電極と接続し第１酸化物半導体層に接する第２配線層とを有している。画素部の外側領域には、走査線と共通配線を接続する保護回路と、信号線と共通配線を接続する保護回路とが設けられている。保護回路は、ゲート電極及び該ゲート電極を被覆するゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層上において前記ゲート電極と重畳する第１酸化物半導体層と、前記第１酸化物半導体層上において前記ゲート電極と端部が重畳し、導電層と第２酸化物半導体層が積層された一対の第１配線層及び第２配線層とを有する非線形素子を有している。非線形素子のゲート電極と、第１配線層又は第２配線層が第３配線層によって接続されている。

ここで、第１酸化物半導体層の酸素濃度は第２酸化物半導体層の酸素濃度よりも高く含まれている。すなわち、第１酸化物半導体層は酸素過剰型であり、第２酸化物半導体層は酸素欠乏型である。第１酸化物半導体層の電気伝導度は第２酸化物半導体層の酸電気伝導度よりも低いものである。第１酸化物半導体層および第２酸化物半導体層は非単結晶構造であり、少なくともアモルファス成分を含む。また、第２酸化物半導体層は非晶質構造の中にナノクリスタルを含む場合がある。

なお、第１、第２として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工程順又は積層順を示すものではない。また、本明細書において発明を特定するための事項として固有の名称を示すものではない。

本発明の一態様によれば、酸化物半導体を用いた非線形素子で保護回路を構成することにより、保護回路として適した構造を有する表示装置を得ることができる。非線形素子の第１酸化物半導体層と配線層との接続構造において、第１酸化物半導体層よりも電気伝導度が高い第２酸化物半導体層と接合する領域を設けることで、金属配線のみの場合に比べて、安定動作をさせることが可能となる。それにより保護回路の機能を高め動作の安定化を図ることができる。

表示装置を構成する、信号入力端子、走査線、信号線、非線形素子を含む保護回路及び画素部の位置関係を説明する図。保護回路の一例を示す図。保護回路の一例を示す図。保護回路の一例を示す平面図。保護回路の一例を示す断面図。保護回路の一例を示す平面図。保護回路の一例を示す平面図。保護回路の作製工程を説明する断面図。保護回路の作製工程を説明する断面図。電子ペーパーの断面図。半導体装置のブロック図を説明する図。信号線駆動回路の構成を説明する図。信号線駆動回路の動作を説明するタイミングチャート。信号線駆動回路の動作を説明するタイミングチャート。シフトレジスタの構成を説明する図。図１４に示すフリップフロップの接続構成を説明する図。実施の形態の半導体装置を説明する上面図及び断面図。実施の形態の半導体装置を説明する断面図。実施の形態の半導体装置の画素等価回路を説明する図。実施の形態の半導体装置を説明する図。実施の形態の半導体装置を説明する上面図及び断面図。電子ペーパーの使用形態の例を説明する図。電子書籍の一例を示す外観図。テレビジョン装置およびデジタルフォトフレームの例を示す外観図。遊技機の例を示す外観図。携帯電話機の一例を示す外観図。保護回路の一例を示す断面図。

本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細をさまざまに変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。以下に説明する本発明の構成において、同じものを指す符号は異なる図面間で共通して用いる。

（実施の形態１）
本形態は、画素部とその周辺に非線形素子を含む保護回路が形成された表示装置の一態様を図面を参照して説明する。

図１は表示装置を構成する、信号入力端子、走査線、信号線、非線形素子を含む保護回路及び画素部の位置関係を説明する図である。絶縁表面を有する基板１０上に走査線１３と信号線１４が交差して画素部１７が構成されている。

画素部１７は複数の画素１８がマトリクス状に配列して構成されている。画素１８は走査線１３と信号線１４に接続する画素トランジスタ１９、保持容量部２０、画素電極２１を含んで構成されている。

ここで例示する画素構成において、保持容量部２０は一方の電極が画素トランジスタ１９と接続し、他方の電極が容量線２２と接続する場合を示している。また、画素電極２１は表示素子（液晶素子、発光素子、コントラスト媒体（電子インク）など）を駆動する一方の電極を構成する。これらの表示素子の他方の電極は共通端子２３に接続される。

保護回路は画素部１７と、走査線入力端子１１及び信号線入力端子１２との間に配設されている。本形態では複数の保護回路を配設して、走査線１３、信号線１４及び容量バス線２７に静電気等によりサージ電圧が印加され、画素トランジスタ１９などが破壊されないように構成されている。そのため、保護回路にはサージ電圧が印加されたときに、共通配線２９又は共通配線２８に電荷を逃がすように構成されている。

本形態では、走査線１３側に保護回路２４、信号線１４側に保護回路２５、容量バス線２７に保護回路２６を配設する例を示している。尤も、保護回路の構成はこれに限定されない。

図２は保護回路の一例を示す。この保護回路は、走査線１３に対して並列に配置された非線形素子３０及び非線形素子３１によって構成されている。非線形素子３０及び非線形素子３１は、ダイオードのような二端子素子又はトランジスタのような三端子素子で構成される。例えば、画素部の画素トランジスタと同じ工程で形成することも可能であり、例えばゲート端子とドレイン端子を接続することによりダイオードと同様の特性を持たせることができる。

非線形素子３０の第１端子（ゲート）と第３端子（ドレイン）は走査線１３に接続され、第２端子（ソース）は共通配線２９に接続されている。また、非線形素子３１の第１端子（ゲート）と第３端子（ドレイン）は共通配線２９に接続され、第２端子（ソース）は走査線１３に接続されている。すなわち、図２で示す保護回路は、二つのトランジスタのそれぞれが、整流方向を互いに逆向きにして、走査線１３と共通配線２９を接続する構成である。言い換えると、走査線１３と共通配線２９の間に、整流方向が走査線１３から共通配線２９に向かうトランジスタと整流方向が共通配線２９から走査線１３に向かうトランジスタを接続する構成である。

図２で示す保護回路は、共通配線２９に対し、走査線１３が静電気等により正又は負に帯電した場合、その電荷を打ち消す方向に電流が流れる。例えば、走査線１３が正に帯電した場合は、その正電荷を共通配線２９に逃がす方向に電流が流れる。この動作により、帯電した走査線１３に接続している画素トランジスタ１９の静電破壊又はしきい値電圧のシフトを防止することができる。また、帯電している走査線１３と絶縁層を介して交差する他の配線との間で、絶縁膜の絶縁破壊を防止することができる。

なお、図２は走査線１３に第１端子（ゲート）を接続した非線形素子３０と、共通配線２９に第１端子（ゲート）を接続した非線形素子３１、すなわち整流方向が逆向きの二個一組の非線形素子を用い、それぞれの第２端子（ソース）と第３端子（ドレイン）で共通配線２９と走査線１３を接続している。すなわち、非線形素子３０と非線形素子３１は並列である。他の構成として、さらに並列して接続する非線形素子を付加して、保護回路の動作安定性を高めても良い。例えば、図３は走査線１３と共通配線２９との間に設けられた、非線形素子３０ａと非線形素子３０ｂ及び非線形素子３１ａと非線形素子３１ｂにより構成される保護回路を示す。この保護回路は、共通配線２９に第１端子（ゲート）を接続した二つの非線形素子（３０ｂ、３１ｂ）と、走査線１３に第１端子（ゲート）を接続した二つの非線形素子（３０ａ、３１ａ）の計四つの非線形素子を用いている。すなわち、整流方向が互いに逆向きになるよう２つの非線形素子を接続した一組を、共通配線２９と走査線１３の間に二組接続している。言い換えると、走査線１３と共通配線２９の間に、整流方向が走査線１３から共通配線２９に向かう２つのトランジスタと、整流方向が共通配線２９から走査線１３に向かう２つのトランジスタを接続する構成である。このように、共通配線２９と走査線１３を四つの非線形素子で接続することで、走査線１３にサージ電圧が印加された場合のみならず、共通配線２９静電気等により帯電した場合であっても、その電荷がそのまま走査線１３に流れ込んでしまうのを防止することができる。なお、図６に、４つの非線形素子７４０ａ、７４０ｂ、７４０ｃ、７４０ｄを基板上に配置する場合の一態様を等価回路図と共に示す。ここで、符号６５０は走査線、符号６５１は共通配線を示す。

また、奇数個の非線形素子を使った保護回路の例として、非線形素子の基板への配置例を図７（Ａ）に、等価回路図を図７（Ｂ）に示す。この回路では非線形素子７３０ｃに対し、非線形素子７３０ｂ、非線形素子７３０ａがスイッチング素子として接続している。このように非線形素子を直列に接続することで、保護回路を構成する非線形素子に加わる瞬間的な負荷を分散できる。ここで、符号６５０は走査線、符号６５１は共通配線を示す。

図２は走査線１３側に設ける保護回路の例を示すが、同様な構成の保護回路は信号線１４側においても適用することができる。

図４（Ａ）は保護回路の一例を示す平面図であり、図４（Ｂ）はその等価回路図を示す。また、図４（Ａ）中に示されるＱ１−Ｑ２切断線に対応した断面図を図５に示す。以下の説明では図４及び図５を参照して保護回路の一構成例を説明する。

非線形素子１７０ａ及び非線形素子１７０ｂは、走査線１３と同じ層で形成されるゲート電極１０１及びゲート電極１６を有している。ゲート電極１０１及びゲート電極１６上にはゲート絶縁層１０２が形成されている。ゲート絶縁層１０２上には第１酸化物半導体層１０３が形成され、第１酸化物半導体層１０３を介してゲート電極１０１上で相対するように第１配線層３８及び第２配線層３９が設けられている。ゲート絶縁層１０２は、酸化シリコン又は酸化アルミニウムなどの酸化物で形成される。なお、非線形素子１７０ａ及び非線形素子１７０ｂは主要部において同じ構成を有している。

第１酸化物半導体層１０３は、相対する第１配線層３８及び第２配線層３９の下にゲート絶縁膜を介してゲート電極１０１を被覆するように設けられている。すなわち第１酸化物半導体層１０３は、ゲート電極１０１と重畳し、ゲート絶縁層１０２の上面部と第２酸化物半導体層１０４ａおよび１０４ｂの下面部と接するように設けられている。ここで、第１配線層３８は、第１酸化物半導体層１０３側から第２酸化物半導体層１０４ａと導電層１０５ａが積層された構成を有している。同様に、第２配線層３９は第１酸化物半導体層１０３側から第２酸化物半導体層１０４ｂと導電層１０５ｂが積層された構成を有している。

第１酸化物半導体層１０３の酸素濃度は第２酸化物半導体層（１０４ａおよび１０４ｂ）よりも高い酸素濃度を有している。換言すれば、第１酸化物半導体層１０３は酸素過剰型であり、第２酸化物半導体層（１０４ａおよび１０４ｂ）は酸素欠乏型である。第１酸化物半導体層１０３の酸素濃度を高めることでドナー型欠陥を低減させることができ、キャリアのライフタイムや移動度が向上するといった効果が得られる。一方、第２酸化物半導体層（１０４ａおよび１０４ｂ）は、酸素濃度を第１酸化物半導体層１０３と比べて低くすることでキャリア濃度を高めることができ、ソース領域及びドレイン領域を形成するために利用することができる。

酸化物半導体の構造的には、第１酸化物半導体層１０３はＩｎ、Ｇａ、Ｚｎ、及びＯを含む非単結晶酸化物半導体層であり、少なくともアモルファス成分を含んでいるものとする。第２酸化物半導体層（１０４ａおよび１０４ｂ）はＩｎ、Ｇａ、Ｚｎ、及びＯを含む非単結晶酸化物半導体層であり、非単結晶構造の中にナノクリスタルが含まれている場合がある。そして、第１酸化物半導体層１０３は第２酸化物半導体層（１０４ａおよび１０４ｂ）よりも電気伝導度が低いという特性を有している。それゆえ、本形態の非線形素子１７０ａ及び非線形素子１７０ｂにおいて第２酸化物半導体層（１０４ａおよび１０４ｂ）は、トランジスタのソース領域及びドレイン領域と同様の機能を発現する。ソース領域となる第２酸化物半導体層１０４ａ及びドレイン領域となる第２酸化物半導体層１０４ｂは、ｎ型の導電型を有し、活性化エネルギー（ΔＥ）が０．０１ｅＶ以上０．１ｅＶ以下であり、ｎ^＋領域とも呼べる。

第１酸化物半導体層１０３及び第２酸化物半導体層（１０４ａおよび１０４ｂ）は、酸化物半導体として代表的には酸化亜鉛（ＺｎＯ）又は、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体材料によって形成される。

第２酸化物半導体層（１０４ａ及び１０４ｂ）は第１酸化物半導体層１０３と導電層（１０５ａ及び１０５ｂ）に接してその間に設けられ、物性の異なる酸化物半導体層同士の接合が形成されている。第１酸化物半導体層と導電層の間に第１酸化物半導体層１０３よりも電気伝導度が高い第２酸化物半導体層（１０４ａおよび１０４ｂ）を設けることにより、第１酸化物半導体層と導電層が直接接するショットキー接合に比べて、非線形素子を安定して動作させることが可能となる。すなわち、熱的安定性が増し、安定動作をさせることが可能となる。それにより保護回路の機能を高め動作の安定化を図ることができる。また、接合リークが低減し、非線形素子１７０ａ及び非線形素子１７０ｂの特性を向上させることができる。

第１酸化物半導体層１０３上には保護絶縁膜１０７が設けられている。保護絶縁膜１０７は、酸化シリコン又は酸化アルミニウムなどの酸化物で形成される。また、酸化シリコン又は酸化アルミニウム上に窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸化窒化シリコン又は酸化窒化アルミニウムを積層することで、保護膜としてより機能を高めることができる。

いずれにしても、第１酸化物半導体層１０３と接する保護絶縁膜１０７を酸化物とすることで、第１酸化物半導体層１０３から酸素が引き抜かれ、酸素欠乏型に変質してしまうことを防ぐことができる。また、第１酸化物半導体層１０３が窒化物による絶縁層と直接的に接しない構成とすることで、窒化物中の水素が拡散して第１酸化物半導体層１０３に水酸基などに起因する欠陥を生成するのを防ぐことができる。

保護絶縁膜１０７にはコンタクトホール１２５および１２８が設けられており、ゲート電極１０１と同じ層で形成される走査線１３と、非線形素子１７０ａの第三端子（ドレイン）とが接続される。この接続は、画素部の画素電極と同じ材料で形成される第３配線層１１０で形成される。第３配線層１１０は、酸化インジウム・ズズ（ＩＴＯ：ｉｎｄｉｕｍｔｉｎｏｘｉｄｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）などの透明導電膜で形成される。これにより第３配線層１１０は、金属材料で形成される配線と比べて高抵抗化することになる。このような抵抗成分を含む配線を保護回路に含ませることで、過大な電流が流れて非線形素子１７０ａが破壊されるのを防ぐことができる。

なお、図４及び図５（Ａ）では走査線１３に設けられる保護回路の一例を示すが、同様の保護回路を信号線、容量バス線などに適用することができる。

このように、本実施の形態によれば、酸化物半導体により構成される保護回路を設けることにより、保護回路として適した構造を有する表示装置を得ることができる。それにより保護回路の機能を高め動作の安定化を図ることができる。

（実施の形態２）
本形態は、実施の形態１において図４（Ａ）に示した画素部とその周辺に非線形素子を含む保護回路が形成された表示装置の作製工程の一様態を図８及び図９を参照して説明する。図８及び図９は図４（Ａ）中のＱ１−Ｑ２切断線に対応した断面図を表している。

図８（Ａ）において、透光性を有する基板１００には市販されているバリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス及びアルミノシリケートガラスなどのガラス基板を用いることができる。例えば、成分比としてホウ酸（Ｂ_２Ｏ_３）よりも酸化バリウム（ＢａＯ）を多く含み、歪み点が７３０℃以上のガラス基板を用いると好ましい。酸化物半導体層を７００℃程度の高温で熱処理する場合でも、ガラス基板が歪まないで済むからである。

次いで、導電層を基板１００全面に形成した後、第１のフォトリソグラフィー工程を行い、レジストマスクを形成し、エッチングにより不要な部分を除去して配線及び電極（ゲート電極１０１を含むゲート配線、容量配線、及び端子）を形成する。このとき少なくともゲート電極１０１の端部にテーパー形状が形成されるようにエッチングする。

ゲート電極１０１を含むゲート配線と容量配線、端子部の端子は、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）などの低抵抗導電性材料で形成することが望ましいが、Ａｌ単体では耐熱性が劣り、また腐蝕しやすい等の問題点があるので耐熱性導電性材料と組み合わせて形成する。耐熱性導電性材料としては、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｓｃ（スカンジウム）から選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金膜、または上述した元素を成分とする窒化物で形成する。

次いで、ゲート電極１０１上にゲート絶縁層１０２を全面に成膜する。ゲート絶縁層１０２はスパッタ法などを用い、膜厚を５０〜２５０ｎｍとする。

例えば、ゲート絶縁層１０２としてスパッタ法により酸化シリコン膜を用い、１００ｎｍの厚さで形成する。勿論、ゲート絶縁層１０２はこのような酸化シリコン膜に限定されるものでなく、酸化窒化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム、酸化タンタル膜などの他の絶縁膜を用い、これらの材料から成る単層または積層構造として形成しても良い。

次に、第１酸化物半導体膜を形成する前のゲート絶縁層１０２にプラズマ処理を行う。ここでは酸素ガスとアルゴンガスを成膜室に導入してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、ゲート絶縁層に酸素ラジカル又は酸素を照射する。こうして、表面に付着しているゴミを除去し、さらにゲート絶縁層表面を酸素過剰領域に改質する。ゲート絶縁層の表面に酸素ラジカル処理を行い、表面を酸素過剰領域とすることは、その後の工程での信頼性向上のための熱処理（２００℃〜６００℃）において、ゲート絶縁層と第１酸化物半導体層の界面を改質するための酸素の供給源を作る上で有効である。

ゲート絶縁膜層、第１酸化物半導体膜、及び第２酸化物半導体膜は、スパッタ法で、チャンバーに導入するガス並びに設置するターゲットを適宣切り替えることにより、ゲート絶縁層、第１酸化物半導体膜、及び第２酸化物半導体膜を大気に触れることなく連続して成膜できる。大気に触れることなく連続成膜すると、不純物の混入を防止することができる。大気に触れることなく連続成膜する場合、マルチチャンバー方式の製造装置を用いることが好ましい。

特に、第１酸化物半導体膜に接するゲート絶縁層１０２と第１酸化物半導体膜は連続で成膜するのが望ましい。連続成膜することで、水蒸気などの大気成分や大気中に浮遊する不純物元素やゴミによる汚染がない積層界面を形成できるので、非線形素子および薄膜トランジスタの特性のばらつきを低減できる。

なお、本明細書中で連続成膜とは、スパッタ法で行う第１の成膜工程からスパッタ法で行う第２の成膜工程までの一連のプロセス中、被処理基板の置かれている雰囲気が大気等の汚染雰囲気に触れることなく、常に真空中または不活性ガス雰囲気（窒素雰囲気または希ガス雰囲気）で制御されていることを言う。連続成膜を行うことにより、清浄化された被処理基板の水分等の再付着を回避して成膜を行うことができる。

次いで、プラズマ処理された基板を大気に曝すことなく第１酸化物半導体膜を成膜する。プラズマ処理された基板を大気に曝すことなく第１酸化物半導体膜を成膜することにより、ゲート絶縁層と半導体膜の界面にゴミや水分が付着する不具合を防ぐことができる。ここでは、直径８インチのＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体ターゲット（組成比として、Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：１）を用いて、基板とターゲットの間との距離を１７０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素雰囲気下で成膜する。なお、パルス直流（ＤＣ）電源を用いると、ごみが軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。第１酸化物半導体膜の膜厚は、５ｎｍ〜２００ｎｍとする。本実施の形態では第１酸化物半導体膜の膜厚は、１００ｎｍとする。

第１酸化物半導体膜は、第２酸化物半導体膜の成膜条件と異ならせることで、第２酸化物半導体膜と異なる組成を有する。一例として、第２酸化物半導体膜中の酸素濃度より多くの酸素を第１酸化物半導体膜中に含ませる。例えば、第２酸化物半導体膜の成膜条件における酸素ガス流量とアルゴンガス流量の比よりも第１酸化物半導体膜の成膜条件における酸素ガス流量の占める比率が多い条件とする。具体的には、第２酸化物半導体膜の成膜条件は、希ガス（アルゴン、又はヘリウムなど）雰囲気下（または酸素ガス１０％以下、アルゴンガス９０％以上）とし、第１酸化物半導体膜の成膜条件は、酸素雰囲気下（又は酸素ガス流量がアルゴンガス流量以上であって、その比が１：１以上）とする。多くの酸素を第１酸化物半導体膜中に含ませることによって、第２酸化物半導体膜よりも導電率を低くすることができる。また、多くの酸素を第１酸化物半導体膜中に含ませることによってオフ電流の低減を図ることができるため、オン・オフ比の高い薄膜トランジスタを得ることができる。

なお、第１酸化物半導体膜の成膜は、先に逆スパッタを行ったチャンバーと同一チャンバーを用いてもよいし、大気に曝すことなく成膜できるのであれば、先に逆スパッタを行ったチャンバーと異なるチャンバーで成膜してもよい。

次に、第１酸化物半導体膜上に第２酸化物半導体膜をスパッタ法で成膜する。ここでは、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）と、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）と、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の組成比を１：１：１（＝Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ）としたターゲットを用いて、基板とターゲットの間との距離を１７０ｍｍ、成膜室の圧力を０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、成膜温度を室温とし、アルゴンガス流量４０ｓｃｃｍを導入してスパッタ成膜を行う。これにより、第２酸化物半導体膜として、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ及び酸素を成分とする半導体膜が形成される。組成比を１：１：１（＝Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ）としたターゲットを意図的に用いているにも関わらず、成膜直後で大きさ１ｎｍ〜１０ｎｍの結晶粒を含む酸化物半導体膜がしばしば形成される。なお、ターゲットの成分比、成膜圧力（０．１Ｐａ〜２．０Ｐａ）、電力（２５０Ｗ〜３０００Ｗ：８インチφ）、温度（室温〜１００℃）、反応性スパッタの成膜条件などを適宜調節することで結晶粒の有無や、結晶流の密度や、直径サイズは、１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲で調節されうると言える。第２酸化物半導体膜の膜厚は、５ｎｍ〜２０ｎｍとする。勿論、膜中に結晶粒が含まれる場合、含まれる結晶粒のサイズが膜厚を超える大きさとならない。本実施の形態では第２酸化物半導体膜の膜厚は、５ｎｍとする。

次に、第２のフォトリソグラフィー工程を行い、レジストマスクを形成し、第１酸化物半導体膜および第２酸化物半導体膜をエッチングする。ここではＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）を用いたウェットエッチングにより、不要な部分を除去して第１酸化物半導体層１０３および第２酸化物半導体層１１１を形成する。なお、ここでのエッチングは、ウェットエッチングに限定されずドライエッチングを用いてもよい。この段階での断面図を図８（Ｂ）に示した。

次に、第２酸化物半導体層１１１およびゲート絶縁層１０２上に金属材料からなる導電膜１３２をスパッタ法や真空蒸着法で形成する。導電膜１３２の材料としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金膜等が挙げられる。

また、２００℃〜６００℃の熱処理を行う場合には、この熱処理に耐える耐熱性を導電膜に持たせることが好ましい。Ａｌ単体では耐熱性が劣り、また腐蝕しやすい等の問題点があるので耐熱性導電性材料と組み合わせて形成する。Ａｌと組み合わせる耐熱性導電性材料としては、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｓｃ（スカンジウム）から選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金膜、または上述した元素を成分とする窒化物で形成する。

ここでは、導電膜１３２としてＴｉ膜と、そのＴｉ膜上に重ねてＮｄを含むアルミニウム（Ａｌ−Ｎｄ）膜を積層し、さらにその上にＴｉ膜を成膜する３層構造とする。また、導電膜１３２は、２層構造としてもよく、アルミニウム膜上にチタン膜を積層してもよい。また、導電膜１３２は、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造や、チタン膜の単層構造としてもよい。この段階での断面図を図８（Ｃ）に示した。

次に、第３のフォトリソグラフィー工程を行い、レジストマスク１３１を形成し、エッチングにより導電膜１３２の不要な部分を除去して導電層１０５ａ及び１０５ｂを形成する（図９（Ａ）参照）。この際のエッチング方法としてウェットエッチングまたはドライエッチングを用いる。ここでは、ＳｉＣｌ_４とＣｌ_２とＢＣｌ_３の混合ガスを反応ガスとしたドライエッチングを用い、Ｔｉ膜とＮｄを含むアルミニウム（Ａｌ−Ｎｄ）膜とＴｉ膜を順次積層した導電膜をエッチングして導電層１０５ａ及び１０５ｂを形成する。

次に、導電膜１３２のエッチング工程に用いたものと同じレジストマスクを用いて、第２酸化物半導体膜をエッチングする。ここではＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）を用いたウェットエッチングにより、不要な部分を除去して第２酸化物半導体層１０４ａ、１０４ｂを形成する。なお、ここでのエッチングは、ウェットエッチングに限定されずドライエッチングを用いてもよい。また、エッチング条件にもよるが第２酸化物半導体層１１１のエッチング工程において、第１酸化物半導体層１０３の露出領域も一部エッチングされる。よって第２酸化物半導体層１０４ａ、１０４ｂの間の第１酸化物半導体層１０３のチャネル形成領域は図９（Ａ）に示すように膜厚の薄い領域となる。

さらに、第１酸化物半導体層１０３に酸素プラズマ処理を行ってもよい。プラズマ処理を行うことにより、第１酸化物半導体層１０３のエッチングによるダメージを回復することができる。代表的な酸素プラズマ処理は、酸素ガスのグロー放電プラズマで生成されたラジカルで酸化物半導体の表面を処理することであるが、プラズマを生成するガスとしては酸素のみでなく、酸素ガスと希ガスの混合ガスであってもよい。

次いで、２００℃〜６００℃、代表的には３００℃〜５００℃の熱処理を行うことが好ましい。ここでは炉に入れ、窒素雰囲気下で３５０℃、１時間の熱処理を行う。この熱処理によりＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む半導体膜の原子レベルの再配列が行われる。この熱処理によりキャリアの移動を阻害する歪が解放されるため、ここでの熱処理（光アニールも含む）は重要である。なお、熱処理を行うタイミングは、第１酸化物半導体膜の成膜後であれば特に限定されず、例えば保護膜形成後に行ってもよい。以上の工程で第１酸化物半導体層１０３をチャネル形成領域とする非線形素子１７０ａが作製できる。この段階での断面図を図９（Ａ）に示す。

次いで、レジストマスクを除去し、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む半導体層を覆う保護絶縁膜１０７を形成する。保護絶縁膜１０７はスパッタ法などを用いて得られる窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化タンタル膜などを用いることができる。

次に、第４のフォトリソグラフィー工程を行い、レジストマスクを形成し、保護絶縁膜１０７のエッチングにより導電層１０５ｂに達するコンタクトホール１２５を形成する。なお、マスク数を削減するため、同じレジストマスクを用いてさらにゲート絶縁層１０２をエッチングしてゲート電極に達するコンタクトホール１２８も同じレジストマスクで形成することが好ましい。この段階での断面図を図９（Ｂ）に示す。

次いで、レジストマスクを除去した後、透明導電膜を成膜する。透明導電膜の材料としては、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）や酸化インジウム酸化スズ合金（Ｉｎ_２Ｏ_３―ＳｎＯ_２、ＩＴＯと略記する）などをスパッタ法や真空蒸着法などを用いて形成する。このような材料のエッチング処理は塩酸系の溶液により行う。しかし、特にＩＴＯのエッチングは残渣が発生しやすいので、エッチング加工性を改善するために酸化インジウム酸化亜鉛合金（Ｉｎ_２Ｏ_３―ＺｎＯ）を用いても良い。

次に、第５のフォトリソグラフィー工程を行い、レジストマスクを形成し、エッチングにより透明導電膜の不要な部分を除去して図示していない画素電極を形成する。

また、この第５のフォトリソグラフィー工程において、図示していない容量部におけるゲート絶縁層１０２及び保護絶縁膜１０７を誘電体として、容量配線と画素電極とで保持容量が形成される。

また、この第５のフォトリソグラフィー工程において、レジストマスクで端子部を覆い端子部に形成された透明導電膜を残す。透明導電膜はＦＰＣとの接続に用いられる電極または配線や、ソース配線の入力端子として機能する接続用の端子電極などになる。

また、本実施の形態においては、透明導電膜からなる第３配線層１１０が非線形素子１７０ａのドレイン電極となる導電層１０５ｂと走査線１０８をコンタクトホール１２５および１２８を介して接続し、保護回路を形成する。

次いで、レジストマスクを除去する。この段階での断面図を図９（Ｃ）に示す。

こうして５回のフォトリソグラフィー工程により、５枚のフォトマスクを使用して、複数の非線形素子を有する（本実施の形態では、１７０ａおよび１７０ｂの二つの非線形素子を有する）保護回路を完成させることができる。非線形素子の第１酸化物半導体層と配線層との接続構造において、第１酸化物半導体層よりも電気伝導度が高い第２酸化物半導体層と接合する領域を設けることで、金属配線のみの場合に比べて、安定動作をさせることが可能となる。それにより保護回路の機能を高め動作の安定化を図ることができる。また、本実施の形態によれば、非線形素子の形成と共に、同様な方法で複数のＴＦＴを作製できるので、ボトムゲート型のｎチャネル型ＴＦＴを有する画素部の作製と保護回路の作製を同時におこなうことができる。すなわち、本実施の形態に示した工程に従えば、薄膜の剥がれに起因する保護回路の不良の少ない保護ダイオードを搭載したアクティブマトリクス型の表示装置用基板を作製することができる。

（実施の形態３）
本形態は、画素部とその周辺に非線形素子を含む保護回路が形成された表示装置の実施の形態２とは異なる一様態を、図２７を参照して説明する。

図２７は同一基板上に画素部に配置する薄膜トランジスタと非線形素子を含む保護回路が形成された表示装置の断面構造を示す図である。非線形素子２７０ａは第１酸化物半導体層１０３にソース電極及びドレイン電極となる導電層（１０５ａ、１０５ｂ）が接して設けられている。

非線形素子２７０ａにおいて、プラズマ処理によって改質された第１酸化物半導体層１０３に導電層１０５ａ及び導電層１０５ｂが接している構成が好ましい。本実施の形態では、導電膜を形成する前に、第１酸化物半導体層１０３にプラズマ処理を行う。

プラズマ処理としては、例えば逆スパッタ処理をその一例に挙げることができる。プラズマ処理は、アルゴンガス、水素ガス、アルゴン及び水素の混合ガス、を用いることができる。また上記ガスに酸素ガスを含ませてもよい。またアルゴンガスに変えて他の希ガスを用いてもよい。

導電膜をエッチングして、ソース電極及びドレイン電極となる導電層（１０５ａ、１０５ｂ）を形成する。本実施の形態では、チタン膜をアンモニア過水（過酸化水素：アンモニア：水＝５：２：２）等によりウェットエッチングして、ソース電極及びドレイン電極となる導電層（１０５ａ、１０５ｂ）を形成する。このエッチング工程において、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む第１酸化物半導体層の露出領域の一部がエッチングされる。よって、導電層１０５ａと導電層１０５ｂの間に挟まれた領域、すなわち第１酸化物半導体層１０３のチャネル形成領域は図２７のごとく膜厚の薄い領域となる。

プラズマ処理により改質された第１酸化物半導体層１０３に接してソース電極及びドレイン電極となる導電層（１０５ａ、１０５ｂ）を形成することによって、第１酸化物半導体層１０３とソース電極及びドレイン電極となる導電層（１０５ａ、１０５ｂ）とのコンタクト抵抗を低減することができる。また、プラズマ処理により第１酸化物半導体層１０３とソース電極及びドレイン電極となる導電層（１０５ａ、１０５ｂ）の接合強度が高まり薄膜の剥がれに起因する不良が起こりにくくなる。

以上の工程により、非線形素子半導体装置として信頼性の高い保護回路を有した表示装置を作製することができる。

（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様を適用した表示装置として、保護回路と画素部に配置するＴＦＴを同一基板上に有する電子ペーパーの例を示す。

図１０は、本発明の一態様を適用した表示装置の例としてアクティブマトリクス型の電子ペーパーを示す。半導体装置に用いられる薄膜トランジスタ５８１としては、実施の形態２で示す非線形素子と同様に作製でき、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体を半導体層並びにソース領域及びドレイン領域に用いた電気特性の高い薄膜トランジスタである。

図１０の電子ペーパーは、ツイストボール表示方式を用いた表示装置の例である。ツイストボール表示方式とは、白と黒に塗り分けられた球形粒子を表示素子に用いる電極層である第１の電極層及び第２の電極層の間に配置し、第１の電極層及び第２の電極層に電位差を生じさせての球形粒子の向きを制御することにより、表示を行う方法である。

薄膜トランジスタ５８１はボトムゲート構造の薄膜トランジスタであり、ソース電極層又はドレイン電極層が第１の電極層５８７と、絶縁層に形成される開口を介して電気的に接続している。第１の電極層５８７と第２の電極層５８８との間には黒色領域５９０ａ及び白色領域５９０ｂを有し、周りに液体で満たされているキャビティ５９４を含む球形粒子５８９が設けられており、球形粒子５８９の周囲は樹脂等の充填材５９５で充填されている（図１０参照。）。

また、ツイストボールの代わりに、電気泳動素子を用いることも可能である。透明な液体と、正に帯電した白い微粒子と負に帯電した黒い微粒子とを封入した直径１０μｍ〜２００μｍ程度のマイクロカプセルを用いる。第１の電極層と第２の電極層との間に設けられるマイクロカプセルは、第１の電極層と第２の電極層によって、電場が与えられると、白い微粒子と、黒い微粒子が逆の方向に移動し、白または黒を表示することができる。この原理を応用した表示素子が電気泳動表示素子であり、一般的に電子ペーパーとよばれている。電気泳動表示素子は、液晶表示素子に比べて反射率が高いため、補助ライトは不要であり、また消費電力が小さく、薄暗い場所でも表示部を認識することが可能である。また、表示部に電源が供給されない場合であっても、一度表示した像を保持することが可能である。従って、例えば電源供給源となる電波発信源から表示機能付き半導体装置（単に表示装置、又は表示装置を具備する半導体装置ともいう）を遠ざけた場合であっても、表示された像を保存しておくことが可能となる。

以上の工程により、非線形素子の第１酸化物半導体層と配線層との接続構造において、第１酸化物半導体層よりも電気伝導度が高い第２酸化物半導体層と接合する領域を設けることで、金属配線のみの場合に比べて、安定動作をさせることが可能となる。それにより保護回路の機能を高め動作の安定化を図ることができる。また、動作の安定化が図られ、薄膜の剥がれに起因する不良が起こりにくい非線形素子からなる保護回路を搭載した信頼性の高い電子ペーパーを作製することができる。

本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

（実施の形態５）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の一例である表示装置において、同一基板上に少なくとも保護回路と、駆動回路の一部と、画素部に配置する薄膜トランジスタを作製する例について図１１乃至図１６を用いて以下に説明する。

保護回路と同一基板上の画素部に配置する薄膜トランジスタは、実施の形態２又は３で示す非線形素子と同様に形成する。また、形成した薄膜トランジスタはｎチャネル型ＴＦＴであるため、駆動回路のうち、ｎチャネル型ＴＦＴで構成することができる駆動回路の一部を画素部の薄膜トランジスタと同一基板上に形成する。

本発明の一態様の半導体装置の一例であるアクティブマトリクス型液晶表示装置のブロック図の一例を図１１（Ａ）に示す。図１１（Ａ）に示す表示装置は、基板５３００上に表示素子を備えた画素を複数有する画素部５３０１と、各画素を選択する走査線駆動回路５３０２と、選択された画素へのビデオ信号の入力を制御する信号線駆動回路５３０３とを有する。

画素部５３０１は、信号線駆動回路５３０３から列方向に伸張して配置された複数の信号線Ｓ１〜Ｓｍ（図示せず。）により信号線駆動回路５３０３と接続され、走査線駆動回路５３０２から行方向に伸張して配置された複数の走査線Ｇ１〜Ｇｎ（図示せず。）により走査線駆動回路５３０２と接続され、信号線Ｓ１〜Ｓｍ並びに走査線Ｇ１〜Ｇｎに対応してマトリクス状に配置された複数の画素（図示せず。）を有する。そして、各画素は、信号線Ｓｊ（信号線Ｓ１〜Ｓｍのうちいずれか一）、走査線Ｇｉ（走査線Ｇ１〜Ｇｎのうちいずれか一）と接続される。

また、実施の形態２又は３で示す非線形素子と共に同様の方法で形成できる薄膜トランジスタは、ｎチャネル型ＴＦＴであり、ｎチャネル型ＴＦＴで構成する信号線駆動回路について図１２を用いて説明する。

図１２に示す信号線駆動回路は、ドライバＩＣ５６０１、スイッチ群５６０２＿１〜５６０２＿Ｍ、第１の配線５６１１、第２の配線５６１２、第３の配線５６１３及び配線５６２１＿１〜５６２１＿Ｍを有する。スイッチ群５６０２＿１〜５６０２＿Ｍそれぞれは、第１の薄膜トランジスタ５６０３ａ、第２の薄膜トランジスタ５６０３ｂ及び第３の薄膜トランジスタ５６０３ｃを有する。

ドライバＩＣ５６０１は第１の配線５６１１、第２の配線５６１２、第３の配線５６１３及び配線５６２１＿１〜５６２１＿Ｍに接続される。そして、スイッチ群５６０２＿１〜５６０２＿Ｍそれぞれは、第１の配線５６１１、第２の配線５６１２、第３の配線５６１３及びスイッチ群５６０２＿１〜５６０２＿Ｍそれぞれに対応した配線５６２１＿１〜５６２１＿Ｍに接続される。そして、配線５６２１＿１〜５６２１＿Ｍそれぞれは、第１の薄膜トランジスタ５６０３ａ、第２の薄膜トランジスタ５６０３ｂ及び第３の薄膜トランジスタ５６０３ｃを介して、３つの信号線に接続される。例えば、Ｊ列目の配線５６２１＿Ｊ（配線５６２１＿１〜配線５６２１＿Ｍのうちいずれか一）は、スイッチ群５６０２＿Ｊが有する第１の薄膜トランジスタ５６０３ａ、第２の薄膜トランジスタ５６０３ｂ及び第３の薄膜トランジスタ５６０３ｃを介して、信号線Ｓｊ−１、信号線Ｓｊ、信号線Ｓｊ＋１に接続される。

なお、第１の配線５６１１、第２の配線５６１２、第３の配線５６１３には、それぞれ信号が入力される。

なお、ドライバＩＣ５６０１は、単結晶基板上に形成されていることが望ましい。さらに、スイッチ群５６０２＿１〜５６０２＿Ｍは、画素部と同一基板上に形成されていることが望ましい。したがって、ドライバＩＣ５６０１とスイッチ群５６０２＿１〜５６０２＿ＭとはＦＰＣなどを介して接続するとよい。

次に、図１２に示した信号線駆動回路の動作について、図１３のタイミングチャートを参照して説明する。なお、図１３のタイミングチャートは、ｉ行目の走査線Ｇｉが選択されている場合のタイミングチャートを示している。さらに、ｉ行目の走査線Ｇｉの選択期間は、第１のサブ選択期間Ｔ１、第２のサブ選択期間Ｔ２及び第３のサブ選択期間Ｔ３に分割されている。さらに、図１２の信号線駆動回路は、他の行の走査線が選択されている場合でも図１３と同様の動作をする。

なお、図１３のタイミングチャートは、Ｊ列目の配線５６２１＿Ｊが第１の薄膜トランジスタ５６０３ａ、第２の薄膜トランジスタ５６０３ｂ及び第３の薄膜トランジスタ５６０３ｃを介して、信号線Ｓｊ−１、信号線Ｓｊ、信号線Ｓｊ＋１に接続される場合について示している。

なお、図１３のタイミングチャートは、ｉ行目の走査線Ｇｉが選択されるタイミング、第１の薄膜トランジスタ５６０３ａのオン・オフのタイミング５７０３ａ、第２の薄膜トランジスタ５６０３ｂのオン・オフのタイミング５７０３ｂ、第３の薄膜トランジスタ５６０３ｃのオン・オフのタイミング５７０３ｃ及びＪ列目の配線５６２１＿Ｊに入力される信号５７２１＿Ｊを示している。

なお、配線５６２１＿１〜配線５６２１＿Ｍには第１のサブ選択期間Ｔ１、第２のサブ選択期間Ｔ２及び第３のサブ選択期間Ｔ３において、それぞれ別のビデオ信号が入力される。例えば、第１のサブ選択期間Ｔ１において配線５６２１＿Ｊに入力されるビデオ信号は信号線Ｓｊ−１に入力され、第２のサブ選択期間Ｔ２において配線５６２１＿Ｊに入力されるビデオ信号は信号線Ｓｊに入力され、第３のサブ選択期間Ｔ３において配線５６２１＿Ｊに入力されるビデオ信号は信号線Ｓｊ＋１に入力される。さらに、第１のサブ選択期間Ｔ１、第２のサブ選択期間Ｔ２及び第３のサブ選択期間Ｔ３において、配線５６２１＿Ｊに入力されるビデオ信号をそれぞれＤａｔａ＿ｊ−１、Ｄａｔａ＿ｊ、Ｄａｔａ＿ｊ＋１とする。

図１３に示すように、第１のサブ選択期間Ｔ１において第１の薄膜トランジスタ５６０３ａがオンし、第２の薄膜トランジスタ５６０３ｂ及び第３の薄膜トランジスタ５６０３ｃがオフする。このとき、配線５６２１＿Ｊに入力されるＤａｔａ＿ｊ−１が、第１の薄膜トランジスタ５６０３ａを介して信号線Ｓｊ−１に入力される。第２のサブ選択期間Ｔ２では、第２の薄膜トランジスタ５６０３ｂがオンし、第１の薄膜トランジスタ５６０３ａ及び第３の薄膜トランジスタ５６０３ｃがオフする。このとき、配線５６２１＿Ｊに入力されるＤａｔａ＿ｊが、第２の薄膜トランジスタ５６０３ｂを介して信号線Ｓｊに入力される。第３のサブ選択期間Ｔ３では、第３の薄膜トランジスタ５６０３ｃがオンし、第１の薄膜トランジスタ５６０３ａ及び第２の薄膜トランジスタ５６０３ｂがオフする。このとき、配線５６２１＿Ｊに入力されるＤａｔａ＿ｊ＋１が、第３の薄膜トランジスタ５６０３ｃを介して信号線Ｓｊ＋１に入力される。

以上のことから、図１２の信号線駆動回路は、１ゲート選択期間を３つに分割することで、１ゲート選択期間中に１つの配線５６２１から３つの信号線にビデオ信号を入力することができる。したがって、図１２の信号線駆動回路は、ドライバＩＣ５６０１が形成される基板と、画素部が形成されている基板との接続数を信号線の数に比べて約１／３にすることができる。接続数が約１／３になることによって、図１２の信号線駆動回路は、信頼性、歩留まりなどを向上できる。

なお、図１２のように、１ゲート選択期間を複数のサブ選択期間に分割し、複数のサブ選択期間それぞれにおいて、ある１つの配線から複数の信号線それぞれにビデオ信号を入力することができれば、薄膜トランジスタの配置や数、駆動方法などは限定されない。

例えば、３つ以上のサブ選択期間それぞれにおいて１つの配線から３つ以上の信号線それぞれにビデオ信号を入力する場合は、薄膜トランジスタ及び薄膜トランジスタを制御するための配線を追加すればよい。ただし、１ゲート選択期間を４つ以上のサブ選択期間に分割すると、１つのサブ選択期間が短くなる。したがって、１ゲート選択期間は、２つ又は３つのサブ選択期間に分割されることが望ましい。

別の例として、図１４のタイミングチャートに示すように、１つの選択期間をプリチャージ期間Ｔｐ、第１のサブ選択期間Ｔ１、第２のサブ選択期間Ｔ２、第３の選択期間Ｔ３に分割してもよい。さらに、図１４のタイミングチャートは、ｉ行目の走査線Ｇｉが選択されるタイミング、第１の薄膜トランジスタ５６０３ａのオン・オフのタイミング５８０３ａ、第２の薄膜トランジスタ５６０３ｂのオン・オフのタイミング５８０３ｂ、第３の薄膜トランジスタ５６０３ｃのオン・オフのタイミング５８０３ｃ及びＪ列目の配線５６２１＿Ｊに入力される信号５８２１＿Ｊを示している。図１４に示すように、プリチャージ期間Ｔｐにおいて第１の薄膜トランジスタ５６０３ａ、第２の薄膜トランジスタ５６０３ｂ及び第３の薄膜トランジスタ５６０３ｃがオンする。このとき、配線５６２１＿Ｊに入力されるプリチャージ電圧Ｖｐが第１の薄膜トランジスタ５６０３ａ、第２の薄膜トランジスタ５６０３ｂ及び第３の薄膜トランジスタ５６０３ｃを介してそれぞれ信号線Ｓｊ−１、信号線Ｓｊ、信号線Ｓｊ＋１に入力される。第１のサブ選択期間Ｔ１において第１の薄膜トランジスタ５６０３ａがオンし、第２の薄膜トランジスタ５６０３ｂ及び第３の薄膜トランジスタ５６０３ｃがオフする。このとき、配線５６２１＿Ｊに入力されるＤａｔａ＿ｊ−１が、第１の薄膜トランジスタ５６０３ａを介して信号線Ｓｊ−１に入力される。第２のサブ選択期間Ｔ２では、第２の薄膜トランジスタ５６０３ｂがオンし、第１の薄膜トランジスタ５６０３ａ及び第３の薄膜トランジスタ５６０３ｃがオフする。このとき、配線５６２１＿Ｊに入力されるＤａｔａ＿ｊが、第２の薄膜トランジスタ５６０３ｂを介して信号線Ｓｊに入力される。第３のサブ選択期間Ｔ３では、第３の薄膜トランジスタ５６０３ｃがオンし、第１の薄膜トランジスタ５６０３ａ及び第２の薄膜トランジスタ５６０３ｂがオフする。このとき、配線５６２１＿Ｊに入力されるＤａｔａ＿ｊ＋１が、第３の薄膜トランジスタ５６０３ｃを介して信号線Ｓｊ＋１に入力される。

以上のことから、図１４のタイミングチャートを適用した図１２の信号線駆動回路は、サブ選択期間の前にプリチャージ選択期間を設けることによって、信号線をプリチャージできるため、画素へのビデオ信号の書き込みを高速に行うことができる。なお、図１４において、図１３と同様なものに関しては共通の符号を用いて示し、同一部分又は同様な機能を有する部分の詳細な説明は省略する。

また、走査線駆動回路の構成について説明する。走査線駆動回路は、シフトレジスタ、バッファを有している。また場合によってはレベルシフタを有していても良い。走査線駆動回路において、シフトレジスタにクロック信号（ＣＬＫ）及びスタートパルス信号（ＳＰ）が入力されることによって、選択信号が生成される。生成された選択信号はバッファにおいて緩衝増幅され、対応する走査線に供給される。走査線には、１ライン分の画素のトランジスタのゲート電極が接続されている。そして、１ライン分の画素のトランジスタを一斉にＯＮにしなくてはならないので、バッファは大きな電流を流すことが可能なものが用いられる。

走査線駆動回路の一部に用いるシフトレジスタの一形態について図１５及び図１６を用いて説明する。

図１５にシフトレジスタの回路構成を示す。図１５に示すシフトレジスタは、複数のフリップフロップ（フリップフロップ５７０１＿１〜５７０１＿ｎ）で構成される。また、第１のクロック信号、第２のクロック信号、スタートパルス信号、リセット信号が入力されて動作する。

図１５のシフトレジスタの接続関係について説明する。図１５のシフトレジスタは、ｉ段目のフリップフロップ５７０１＿ｉ（フリップフロップ５７０１＿１〜５７０１＿ｎのうちいずれか一）は、図１６に示した第１の配線５５０１が第７の配線５７１７＿ｉ−１に接続され、図１６に示した第２の配線５５０２が第７の配線５７１７＿ｉ＋１に接続され、図１６に示した第３の配線５５０３が第７の配線５７１７＿ｉに接続され、図１６に示した第６の配線５５０６が第５の配線５７１５に接続される。

また、図１６に示した第４の配線５５０４が奇数段目のフリップフロップでは第２の配線５７１２に接続され、偶数段目のフリップフロップでは第３の配線５７１３に接続され、図１６に示した第５の配線５５０５が第４の配線５７１４に接続される。

ただし、１段目のフリップフロップ５７０１＿１の図１６に示す第１の配線５５０１は第１の配線５７１１に接続され、ｎ段目のフリップフロップ５７０１＿ｎの図１６に示す第２の配線５５０２は第６の配線５７１６に接続される。

なお、第１の配線５７１１、第２の配線５７１２、第３の配線５７１３、第６の配線５７１６を、それぞれ第１の信号線、第２の信号線、第３の信号線、第４の信号線と呼んでもよい。さらに、第４の配線５７１４、第５の配線５７１５を、それぞれ第１の電源線、第２の電源線と呼んでもよい。

次に、図１５に示すフリップフロップの詳細について、図１６に示す。図１６に示すフリップフロップは、第１の薄膜トランジスタ５５７１、第２の薄膜トランジスタ５５７２、第３の薄膜トランジスタ５５７３、第４の薄膜トランジスタ５５７４、第５の薄膜トランジスタ５５７５、第６の薄膜トランジスタ５５７６、第７の薄膜トランジスタ５５７７及び第８の薄膜トランジスタ５５７８を有する。なお、第１の薄膜トランジスタ５５７１、第２の薄膜トランジスタ５５７２、第３の薄膜トランジスタ５５７３、第４の薄膜トランジスタ５５７４、第５の薄膜トランジスタ５５７５、第６の薄膜トランジスタ５５７６、第７の薄膜トランジスタ５５７７及び第８の薄膜トランジスタ５５７８は、ｎチャネル型トランジスタであり、ゲート・ソース間電圧（Ｖｇｓ）がしきい値電圧（Ｖｔｈ）を上回ったとき導通状態になるものとする。

次に、図１６に示すフリップフロップの接続構成について、以下に示す。

第１の薄膜トランジスタ５５７１の第１の電極（ソース電極またはドレイン電極の一方）が第４の配線５５０４に接続され、第１の薄膜トランジスタ５５７１の第２の電極（ソース電極またはドレイン電極の他方）が第３の配線５５０３に接続される。

第２の薄膜トランジスタ５５７２の第１の電極が第６の配線５５０６に接続され、第２の薄膜トランジスタ５５７２第２の電極が第３の配線５５０３に接続される。

第３の薄膜トランジスタ５５７３の第１の電極が第５の配線５５０５に接続され、第３の薄膜トランジスタ５５７３の第２の電極が第２の薄膜トランジスタ５５７２のゲート電極に接続され、第３の薄膜トランジスタ５５７３のゲート電極が第５の配線５５０５に接続される。

第４の薄膜トランジスタ５５７４の第１の電極が第６の配線５５０６に接続され、第４の薄膜トランジスタ５５７４の第２の電極が第２の薄膜トランジスタ５５７２のゲート電極に接続され、第４の薄膜トランジスタ５５７４のゲート電極が第１の薄膜トランジスタ５５７１のゲート電極に接続される。

第５の薄膜トランジスタ５５７５の第１の電極が第５の配線５５０５に接続され、第５の薄膜トランジスタ５５７５の第２の電極が第１の薄膜トランジスタ５５７１のゲート電極に接続され、第５の薄膜トランジスタ５５７５のゲート電極が第１の配線５５０１に接続される。

第６の薄膜トランジスタ５５７６の第１の電極が第６の配線５５０６に接続され、第６の薄膜トランジスタ５５７６の第２の電極が第１の薄膜トランジスタ５５７１のゲート電極に接続され、第６の薄膜トランジスタ５５７６のゲート電極が第２の薄膜トランジスタ５５７２のゲート電極に接続される。

第７の薄膜トランジスタ５５７７の第１の電極が第６の配線５５０６に接続され、第７の薄膜トランジスタ５５７７の第２の電極が第１の薄膜トランジスタ５５７１のゲート電極に接続され、第７の薄膜トランジスタ５５７７のゲート電極が第２の配線５５０２に接続される。第８の薄膜トランジスタ５５７８の第１の電極が第６の配線５５０６に接続され、第８の薄膜トランジスタ５５７８の第２の電極が第２の薄膜トランジスタ５５７２のゲート電極に接続され、第８の薄膜トランジスタ５５７８のゲート電極が第１の配線５５０１に接続される。

なお、第１の薄膜トランジスタ５５７１のゲート電極、第４の薄膜トランジスタ５５７４のゲート電極、第５の薄膜トランジスタ５５７５の第２の電極、第６の薄膜トランジスタ５５７６の第２の電極及び第７の薄膜トランジスタ５５７７の第２の電極の接続箇所をノード５５４３とする。さらに、第２の薄膜トランジスタ５５７２のゲート電極、第３の薄膜トランジスタ５５７３の第２の電極、第４の薄膜トランジスタ５５７４の第２の電極、第６の薄膜トランジスタ５５７６のゲート電極及び第８の薄膜トランジスタ５５７８の第２の電極の接続箇所をノード５５４４とする。

なお、第１の配線５５０１、第２の配線５５０２、第３の配線５５０３及び第４の配線５５０４を、それぞれ第１の信号線、第２の信号、第３の信号線、第４の信号線と呼んでもよい。さらに、第５の配線５５０５を第１の電源線、第６の配線５５０６を第２の電源線と呼んでもよい。

また、信号線駆動回路及び走査線駆動回路を、実施の形態２又は３で示す非線形素子と共に同様の方法で形成できるｎチャネル型ＴＦＴのみをつかって作製することも可能である。実施の形態２又は３で示す非線形素子と共に同様の方法で形成できるｎチャネル型ＴＦＴはトランジスタの移動度が大きいため、駆動回路の駆動周波数を高くすることが可能となる。また、実施の形態２又は３で示す非線形素子と共に同様の方法で形成できるｎチャネル型ＴＦＴはインジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸素欠乏酸化物半導体層であるソース領域又はドレイン領域により寄生容量が低減されるため、周波数特性（ｆ特性と呼ばれる）が高い。例えば、実施の形態２又は３で示す非線形素子と共に同様の方法で形成できるｎチャネル型ＴＦＴを用いた走査線駆動回路は、高速に動作させることが出来るため、フレーム周波数を高くすること、または、黒画面挿入を実現することなども実現することが出来る。

さらに、走査線駆動回路のトランジスタのチャネル幅を大きくすることや、複数の走査線駆動回路を配置することなどによって、さらに高いフレーム周波数を実現することが出来る。複数の走査線駆動回路を配置する場合は、偶数行の走査線を駆動する為の走査線駆動回路を片側に配置し、奇数行の走査線を駆動するための走査線駆動回路をその反対側に配置することにより、フレーム周波数を高くすることを実現することが出来る。

また、本発明の一態様を適用した半導体装置の一例であるアクティブマトリクス型発光表示装置を作製する場合、少なくとも一つの画素に複数の薄膜トランジスタを配置するため、走査線駆動回路を複数配置することが好ましい。アクティブマトリクス型発光表示装置のブロック図の一例を図１１（Ｂ）に示す。

図１１（Ｂ）に示す発光表示装置は、基板５４００上に表示素子を備えた画素を複数有する画素部５４０１と、各画素を選択する第１の走査線駆動回路５４０２及び第２の走査線駆動回路５４０４と、選択された画素へのビデオ信号の入力を制御する信号線駆動回路５４０３とを有する。

図１１（Ｂ）に示す発光表示装置の画素に入力されるビデオ信号をデジタル形式とする場合、画素はトランジスタのオンとオフの切り替えによって、発光もしくは非発光の状態となる。よって、面積階調法または時間階調法を用いて階調の表示を行うことができる。面積階調法は、１画素を複数の副画素に分割し、各副画素を独立にビデオ信号に基づいて駆動させることによって、階調表示を行う駆動法である。また時間階調法は、画素が発光する期間を制御することによって、階調表示を行う駆動法である。

発光素子は、液晶素子などに比べて応答速度が高いので、液晶素子よりも時間階調法に適している。具体的に時間階調法で表示を行なう場合、１フレーム期間を複数のサブフレーム期間に分割する。そしてビデオ信号に従い、各サブフレーム期間において画素の発光素子を発光または非発光の状態にする。複数のサブフレーム期間に分割することによって、１フレーム期間中に画素が実際に発光する期間のトータルの長さを、ビデオ信号により制御することができ、階調を表示することができる。

なお、図１１（Ｂ）に示す発光表示装置では、一つの画素にスイッチング用ＴＦＴと、電流制御用ＴＦＴとの２つを配置する場合、スイッチング用ＴＦＴのゲート配線である第１の走査線に入力される信号を第１走査線駆動回路５４０２で生成し、電流制御用ＴＦＴのゲート配線である第２の走査線に入力される信号を第２の走査線駆動回路５４０４で生成している例を示しているが、第１の走査線に入力される信号と、第２の走査線に入力される信号とを、共に１つの走査線駆動回路で生成するようにしても良い。また、例えば、スイッチング素子が有する各トランジスタの数によって、スイッチング素子の動作を制御するのに用いられる第１の走査線が、各画素に複数設けられることもあり得る。この場合、複数の第１の走査線に入力される信号を、全て１つの走査線駆動回路で生成しても良いし、複数の各走査線駆動回路で生成しても良い。

また、発光表示装置においても、駆動回路のうち、ｎチャネル型ＴＦＴで構成することができる駆動回路の一部を画素部の薄膜トランジスタと同一基板上に形成することができる。また、信号線駆動回路及び走査線駆動回路を実施の形態２又は３で示す非線形素子と共に同様の方法で形成できるｎチャネル型ＴＦＴのみで作製することも可能である。

また、上述した駆動回路は、液晶表示装置や発光表示装置に限らず、スイッチング素子と電気的に接続する素子を利用して電子インクを駆動させる電子ペーパーに用いてもよい。電子ペーパーは、電気泳動表示装置（電気泳動ディスプレイ）も呼ばれており、紙と同じ読みやすさ、他の表示装置に比べ低消費電力、薄くて軽い形状とすることが可能という利点を有している。

電気泳動ディスプレイは、様々な形態が考えられ得るが、プラスの電荷を有する第１の粒子と、マイナスの電荷を有する第２の粒子とを含むマイクロカプセルが溶媒または溶質に複数分散されたものであり、マイクロカプセルに電界を印加することによって、マイクロカプセル中の粒子を互いに反対方向に移動させて一方側に集合した粒子の色のみを表示するものである。なお、第１の粒子または第２の粒子は染料を含み、電界がない場合において移動しないものである。また、第１の粒子の色と第２の粒子の色は異なるもの（無色を含む）とする。

このように、電気泳動ディスプレイは、誘電定数の高い物質が高い電界領域に移動する、いわゆる誘電泳動的効果を利用したディスプレイである。電気泳動ディスプレイは、液晶表示装置には必要な偏光板、対向基板も電気泳動表示装置には必要なく、厚さや重さが半減する。

上記マイクロカプセルを溶媒中に分散させたものが電子インクと呼ばれるものであり、この電子インクはガラス、プラスチック、布、紙などの表面に印刷することができる。また、カラーフィルタや色素を有する粒子を用いることによってカラー表示も可能である。

また、アクティブマトリクス基板上に適宜、二つの電極の間に挟まれるように上記マイクロカプセルを複数配置すればアクティブマトリクス型の表示装置が完成し、マイクロカプセルに電界を印加すれば表示を行うことができる。例えば、実施の形態２又は３で示す非線形素子と共に同様の方法で形成できる薄膜トランジスタによって得られるアクティブマトリクス基板を用いることができる。

なお、マイクロカプセル中の第１の粒子および第２の粒子は、導電体材料、絶縁体材料、半導体材料、磁性材料、液晶材料、強誘電性材料、エレクトロルミネセント材料、エレクトロクロミック材料、磁気泳動材料から選ばれた一種の材料、またはこれらの複合材料を用いればよい。

以上の工程により、非線形素子の第１酸化物半導体層と配線層との接続構造において、第１酸化物半導体層よりも電気伝導度が高い第２酸化物半導体層と接合する領域もしくは、プラズマ処理により改質された領域を設けることで、金属配線のみの場合に比べて、安定動作をさせることが可能となる。それにより保護回路の機能を高め動作の安定化を図ることができる。また、動作の安定化が図られ、薄膜の剥がれに起因する不良が起こりにくい非線形素子からなる保護回路を搭載した信頼性の高い表示装置を作製することができる。

（実施の形態６）
本発明の一態様の非線形素子と共に薄膜トランジスタを作製し、該薄膜トランジスタを画素部、さらには駆動回路に用いて表示機能を有する半導体装置（表示装置ともいう）を作製することができる。また、本発明の一態様の非線形素子と薄膜トランジスタを駆動回路の一部または全体に用い、画素部と同じ基板上に一体形成し、システムオンパネルを形成することができる。

表示装置は表示素子を含む。表示素子としては液晶素子（液晶表示素子ともいう）、発光素子（発光表示素子ともいう）を用いることができる。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御される素子をその範疇に含んでおり、具体的には無機ＥＬ（ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、有機ＥＬ等が含まれる。また、電子インクなど、電気的作用によりコントラストが変化する表示媒体も適用することができる。

また、表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むＩＣ等を実装した状態にあるモジュールとを含む。さらに本発明の一態様は、該表示装置を作製する過程における、表示素子が完成する前の一形態に相当する素子基板に関し、該素子基板は、電流を表示素子に供給するための手段を複数の各画素に備える。素子基板は、具体的には、表示素子の画素電極のみが形成された状態であっても良いし、画素電極となる導電膜を成膜した後であって、エッチングして画素電極を形成する前の状態であっても良いし、あらゆる形態があてはまる。

なお、本明細書中における表示装置とは、画像表示デバイス、表示デバイス、もしくは光源（照明装置含む）を指す。また、コネクター、例えばＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅｐｒｉｎｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）もしくはＴＡＢ（ＴａｐｅＡｕｔｏｍａｔｅｄＢｏｎｄｉｎｇ）テープもしくはＴＣＰ（ＴａｐｅＣａｒｒｉｅｒＰａｃｋａｇｅ）が取り付けられたモジュール、ＴＡＢテープやＴＣＰの先にプリント配線板が設けられたモジュール、または表示素子にＣＯＧ（ＣｈｉｐＯｎＧｌａｓｓ）方式によりＩＣ（集積回路）が直接実装されたモジュールも全て表示装置に含むものとする。

本実施の形態では、本発明の一態様の表示装置の一形態に相当する液晶表示パネルの外観及び断面について、図１７を用いて説明する。図１７は、非線形素子と共に同様の方法で作成できる電気特性の高い薄膜トランジスタ４０１０、４０１１、及び液晶素子４０１３を、第２の基板４００６との間にシール材４００５によって封止した、パネルの上面図であり、図１７（Ｂ）は、図１７（Ａ１）（Ａ２）のＭ−Ｎにおける断面図に相当する。

第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とを囲むようにして、シール材４００５が設けられている。また画素部４００２と、走査線駆動回路４００４の上に第２の基板４００６が設けられている。よって画素部４００２と、走査線駆動回路４００４とは、第１の基板４００１とシール材４００５と第２の基板４００６とによって、液晶層４００８と共に封止されている。また第１の基板４００１上のシール材４００５によって囲まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された信号線駆動回路４００３が実装されている。

なお、別途形成した駆動回路の接続方法は、特に限定されるものではなく、ＣＯＧ方法、ワイヤボンディング方法、或いはＴＡＢ方法などを用いることができる。図１７（Ａ１）は、ＣＯＧ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例であり、図１７（Ａ２）は、ＴＡＢ方法により信号線駆動回路４００３を実装する例である。

また第１の基板４００１上に設けられた画素部４００２と、走査線駆動回路４００４は、薄膜トランジスタを複数有しており、図１７（Ｂ）では、画素部４００２に含まれる薄膜トランジスタ４０１０と、走査線駆動回路４００４に含まれる薄膜トランジスタ４０１１とを例示している。薄膜トランジスタ４０１０、４０１１上には絶縁層４０２０、４０２１が設けられている。

薄膜トランジスタ４０１０、４０１１は、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体を半導体層並びにソース領域及びドレイン領域に用いた電気特性の高い薄膜トランジスタに相当し、実施の形態２又は３で示す非線形素子と共に同様の方法で形成できる薄膜トランジスタを適用することができる。本実施の形態において、薄膜トランジスタ４０１０、４０１１はｎチャネル型薄膜トランジスタである。

また、液晶素子４０１３が有する画素電極層４０３０は、薄膜トランジスタ４０１０と電気的に接続されている。そして液晶素子４０１３の対向電極層４０３１は第２の基板４００６上に形成されている。画素電極層４０３０と対向電極層４０３１と液晶層４００８とが重なっている部分が、液晶素子４０１３に相当する。なお、画素電極層４０３０、対向電極層４０３１はそれぞれ配向膜として機能する絶縁層４０３２、４０３３が設けられ、絶縁層４０３２、４０３３を介して液晶層４００８を挟持している。

なお、第１の基板４００１、第２の基板４００６としては、ガラス、金属（代表的にはステンレス）、セラミックス、プラスチックを用いることができる。プラスチックとしては、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒｇｌａｓｓ−ＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ）板、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド）フィルム、ポリエステルフィルムまたはアクリル樹脂フィルムを用いることができる。また、アルミニウムホイルをＰＶＦフィルムやポリエステルフィルムで挟んだ構造のシートを用いることもできる。

また４０３５は絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、画素電極層４０３０と対向電極層４０３１との間の距離（セルギャップ）を制御するために設けられている。なお球状のスペーサを用いていても良い。

また、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善するために５重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて液晶層４００８に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が１０μｓ〜１００μｓと短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。

なお本実施の形態は透過型液晶表示装置の例であるが、本発明の一態様は反射型液晶表示装置でも半透過型液晶表示装置でも適用できる。

また、本実施の形態の液晶表示装置では、基板の外側（視認側）に偏光板を設け、内側に着色層、表示素子に用いる電極層という順に設ける例を示すが、偏光板は基板の内側に設けてもよい。また、偏光板と着色層の積層構造も本実施の形態に限定されず、偏光板及び着色層の材料や作製工程条件によって適宜設定すればよい。また、ブラックマトリクスとして機能する遮光膜を設けてもよい。

また、本実施の形態では、薄膜トランジスタの表面凹凸を低減するため、及び薄膜トランジスタの信頼性を向上させるため、実施の形態２又は３で示す非線形素子と、非線形素子と共に同様の方法で形成できる薄膜トランジスタを保護膜や平坦化絶縁膜として機能する絶縁層（絶縁層４０２０、絶縁層４０２１）で覆う構成となっている。なお、保護膜は、大気中に浮遊する有機物や金属物、水蒸気などの汚染不純物の侵入を防ぐためのものであり、緻密な膜が好ましい。保護膜は、スパッタ法を用いて、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は窒化酸化アルミニウム膜の単層、又は積層で形成すればよい。本実施の形態では保護膜をスパッタ法で形成する例を示すが、特に限定されず種々の方法で形成すればよい。

ここでは、保護膜として積層構造の絶縁層４０２０を形成する。ここでは、絶縁層４０２０の一層目として、スパッタ法を用いて酸化珪素膜を形成する。保護膜として酸化珪素膜を用いると、ソース電極層及びドレイン電極層として用いるアルミニウム膜のヒロック防止に効果がある。

また、保護膜の二層目として絶縁層を形成する。ここでは、絶縁層４０２０の二層目として、スパッタ法を用いて窒化珪素膜を形成する。保護膜として窒化珪素膜を用いると、ナトリウム等の可動イオンが半導体領域中に侵入して、ＴＦＴの電気特性を変化させることを抑制することができる。

また、保護膜を形成した後に、ＩＧＺＯ半導体層のアニール（３００℃〜４００℃）を行ってもよい。

また、平坦化絶縁膜として絶縁層４０２１を形成する。絶縁層４０２１としては、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。シロキサン系樹脂は、置換基に水素の他、フッ素、アルキル基、またはアリール基のうち少なくとも１種を有していてもよい。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、絶縁層４０２１を形成してもよい。

なおシロキサン系樹脂とは、シロキサン系材料を出発材料として形成されたＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む樹脂に相当する。シロキサン系樹脂は、置換基に水素の他、フッ素、アルキル基、または芳香族炭化水素のうち、少なくとも１種を有していてもよい。

絶縁層４０２１の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタ法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、スクリーン印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。絶縁層４０２１を材料液を用いて形成する場合、ベークする工程で同時に、ＩＧＺＯ半導体層のアニール（３００℃〜４００℃）を行ってもよい。絶縁層４０２１の焼成工程とＩＧＺＯ半導体層のアニールを兼ねることで効率よく半導体装置を作製することが可能となる。

画素電極層４０３０、対向電極層４０３１は、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯと示す。）、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性材料を用いることができる。

また、画素電極層４０３０、対向電極層４０３１として、導電性高分子（導電性ポリマーともいう）を含む導電性組成物を用いて形成することができる。導電性組成物を用いて形成した画素電極は、シート抵抗が１００００Ω／□以下、波長５５０ｎｍにおける透光率が７０％以上であることが好ましい。また、導電性組成物に含まれる導電性高分子の抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。

導電性高分子としては、いわゆるπ電子共役系導電性高分子が用いることができる。例えば、ポリアニリンまたはその誘導体、ポリピロールまたはその誘導体、ポリチオフェンまたはその誘導体、若しくはこれらの２種以上の共重合体などがあげられる。

また別途形成された信号線駆動回路４００３と、走査線駆動回路４００４または画素部４００２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４０１８から供給されている。

本実施の形態では、接続端子電極４０１５が、液晶素子４０１３が有する画素電極層４０３０と同じ導電膜から形成され、端子電極４０１６は、薄膜トランジスタ４０１０、４０１１のソース電極層及びドレイン電極層と同じ導電膜で形成されている。

接続端子電極４０１５は、ＦＰＣ４０１８が有する端子と、異方性導電膜４０１９を介して電気的に接続されている。

また図１７においては、信号線駆動回路４００３を別途形成し、第１の基板４００１に実装している例を示しているが、本実施の形態はこの構成に限定されない。走査線駆動回路を別途形成して実装しても良いし、信号線駆動回路の一部または走査線駆動回路の一部のみを別途形成して実装しても良い。

図１８は、本発明の一態様を適用して作製されるＴＦＴ基板２６００を用いて半導体装置として液晶表示モジュールを構成する一例を示している。

図１８は液晶表示モジュールの一例であり、ＴＦＴ基板２６００と対向基板２６０１がシール材２６０２により固着され、その間にＴＦＴ等を含む画素部２６０３、液晶層を含む表示素子２６０４、着色層２６０５が設けられ表示領域を形成している。着色層２６０５はカラー表示を行う場合に必要であり、ＲＧＢ方式の場合は、赤、緑、青の各色に対応した着色層が各画素に対応して設けられている。ＴＦＴ基板２６００と対向基板２６０１の外側には偏光板２６０６、偏光板２６０７、拡散板２６１３が配設されている。光源は冷陰極管２６１０と反射板２６１１により構成され、回路基板２６１２は、フレキシブル配線基板２６０９によりＴＦＴ基板２６００の配線回路部２６０８と接続され、コントロール回路や電源回路などの外部回路が組みこまれている。また偏光板と、液晶層との間に位相差板を有した状態で積層してもよい。

液晶表示モジュールには、ＴＮ（ＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（ＦｒｉｎｇｅＦｉｅｌｄＳｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−ｄｏｍａｉｎＶｅｒｔｉｃａｌＡｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（ＰａｔｔｅｒｎｅｄＶｅｒｔｉｃａｌＡｌｉｇｎｍｅｎｔ）、ＡＳＭ（ＡｘｉａｌｌｙＳｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｉｇｎｅｄＭｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（ＯｐｔｉｃａｌＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＢｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（ＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌ）などを用いることができる。

以上の工程により、非線形素子の第１酸化物半導体層と配線層との接続構造において、第１酸化物半導体層よりも電気伝導度が高い第２酸化物半導体層と接合する領域もしくは、プラズマ処理により改質された領域を設けることで、金属配線のみの場合に比べて、安定動作をさせることが可能となる。それにより保護回路の機能を高め動作の安定化を図ることができる。また、動作の安定化が図られ、薄膜の剥がれに起因する不良が起こりにくい非線形素子からなる保護回路を搭載した信頼性の高い液晶表示パネルを作製することができる。

（実施の形態７）
本発明の一態様の非線形素子と共に薄膜トランジスタを作製し、該薄膜トランジスタを画素部、さらには駆動回路に用いて表示機能を有する半導体装置（表示装置ともいう）を作製することができる。

本実施の形態では、本発明の一態様の表示体装置として発光表示装置の例を示す。表示装置の有する表示素子としては、ここではエレクトロルミネッセンスを利用する発光素子を例示する。エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子は、発光材料が有機化合物であるか、無機化合物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機ＥＬ素子、後者は無機ＥＬ素子と呼ばれている。

有機ＥＬ素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極から電子および正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャリア（電子および正孔）が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。

無機ＥＬ素子は、その素子構成により、分散型無機ＥＬ素子と薄膜型無機ＥＬ素子とに分類される。分散型無機ＥＬ素子は、発光材料の粒子をバインダ中に分散させた発光層を有するものであり、発光メカニズムはドナー準位とアクセプター準位を利用するドナー−アクセプター再結合型発光である。薄膜型無機ＥＬ素子は、発光層を誘電体層で挟み込み、さらにそれを電極で挟んだ構造であり、発光メカニズムは金属イオンの内殻電子遷移を利用する局在型発光である。なお、ここでは、発光素子として有機ＥＬ素子を用いて説明する。

図１９は、本発明の一態様を適用した半導体装置の例としてデジタル時間階調駆動を適用可能な画素構成の一例を示す図である。

デジタル時間階調駆動を適用可能な画素の構成及び画素の動作について説明する。ここでは実施の形態２で示す非線形素子と共に同様の方法で形成できるＩＧＺＯ半導体層をチャネル形成領域に用いるｎチャネル型のトランジスタを１つの画素に２つ用いる例を示す。

画素６４００は、スイッチング用トランジスタ６４０１、駆動用トランジスタ６４０２、発光素子６４０４及び容量素子６４０３を有している。スイッチング用トランジスタ６４０１はゲートが走査線６４０６に接続され、第１電極（ソース電極及びドレイン電極の一方）が信号線６４０５に接続され、第２電極（ソース電極及びドレイン電極の他方）が駆動用トランジスタ６４０２のゲートに接続されている。駆動用トランジスタ６４０２は、ゲートが容量素子６４０３を介して電源線６４０７に接続され、第１電極が電源線６４０７に接続され、第２電極が発光素子６４０４の第１電極（画素電極）に接続されている。発光素子６４０４の第２電極は共通電極６４０８に相当する。

なお、発光素子６４０４の第２電極（共通電極６４０８）には低電源電位が設定されている。なお、低電源電位とは、電源線６４０７に設定される高電源電位を基準にして低電源電位＜高電源電位を満たす電位であり、低電源電位としては例えばＧＮＤ、０Ｖなどが設定されていても良い。この高電源電位と低電源電位との電位差を発光素子６４０４に印加して、発光素子６４０４に電流を流して発光素子６４０４を発光させるため、高電源電位と低電源電位との電位差が発光素子６４０４の順方向しきい値電圧以上となるようにそれぞれの電位を設定する。

なお、容量素子６４０３は駆動用トランジスタ６４０２のゲート容量を代用して省略することも可能である。駆動用トランジスタ６４０２のゲート容量については、チャネル形成領域とゲート電極との間で容量が形成されていてもよい。

ここで、電圧入力電圧駆動方式の場合には、駆動用トランジスタ６４０２のゲートには、駆動用トランジスタ６４０２が十分にオンするか、オフするかの二つの状態となるようなビデオ信号を入力する。つまり、駆動用トランジスタ６４０２は線形領域で動作させる。駆動用トランジスタ６４０２は線形領域で動作させるため、電源線６４０７の電圧よりも高い電圧を駆動用トランジスタ６４０２のゲートにかける。なお、信号線６４０５には、（電源線電圧＋駆動用トランジスタ６４０２のＶｔｈ）以上の電圧をかける。

また、デジタル時間階調駆動に代えて、アナログ階調駆動を行う場合、信号の入力を異ならせることで、図１９と同じ画素構成を用いることができる。

アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ６４０２のゲートに発光素子６４０４の順方向電圧＋駆動用トランジスタ６４０２のＶｔｈ以上の電圧をかける。発光素子６４０４の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向しきい値電圧を含む。なお、駆動用トランジスタ６４０２が飽和領域で動作するようなビデオ信号を入力することで、発光素子６４０４に電流を流すことができる。駆動用トランジスタ６４０２を飽和領域で動作させるため、電源線６４０７の電位は、駆動用トランジスタ６４０２のゲート電位よりも高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子６４０４にビデオ信号に応じた電流を流し、アナログ階調駆動を行うことができる。

なお、図１９に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図１９に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ又は論理回路などを追加してもよい。

次に、発光素子の構成について、図２０を用いて説明する。ここでは、駆動用ＴＦＴがｎ型の場合を例に挙げて、画素の断面構造について説明する。図２０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の半導体装置に用いられる駆動用ＴＦＴであるＴＦＴ７００１、７０１１、７０２１は、実施の形態２で示す非線形素子と共に同様の方法で形成できる薄膜トランジスタであり、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体を半導体層並びにソース領域及びドレイン領域に用いた電気特性の高い薄膜トランジスタである。

発光素子は発光を取り出すために少なくとも陽極又は陰極の一方が透明であればよい。そして、基板上に薄膜トランジスタ及び発光素子を形成し、基板とは逆側の面から発光を取り出す上面射出や、基板側の面から発光を取り出す下面射出や、基板側及び基板とは反対側の面から発光を取り出す両面射出構造の発光素子があり、本発明の一態様の画素構成はどの射出構造の発光素子にも適用することができる。

上面射出構造の発光素子について図２０（Ａ）を用いて説明する。

図２０（Ａ）に、駆動用ＴＦＴであるＴＦＴ７００１がｎ型で、発光素子７００２から発せられる光が陽極７００５側に抜ける場合の、画素の断面図を示す。図２０（Ａ）では、発光素子７００２の陰極７００３と駆動用ＴＦＴであるＴＦＴ７００１が電気的に接続されており、陰極７００３上に発光層７００４、陽極７００５が順に積層されている。陰極７００３は仕事関数が小さく、なおかつ光を反射する導電膜であれば様々の材料を用いることができる。例えば、Ｃａ、Ａｌ、ＣａＦ、ＭｇＡｇ、ＡｌＬｉ等が望ましい。そして発光層７００４は、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていてもどちらでも良い。複数の層で構成されている場合、陰極７００３上に電子注入層、電子輸送層、発光層、ホール輸送層、ホール注入層の順に積層する。なおこれらの層を全て設ける必要はない。陽極７００５は光を透過する透光性を有する導電性材料を用いて形成し、例えば酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯと示す。）、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの透光性を有する導電性導電膜を用いても良い。

陰極７００３及び陽極７００５で発光層７００４を挟んでいる領域が発光素子７００２に相当する。図２０（Ａ）に示した画素の場合、発光素子７００２から発せられる光は、矢印で示すように陽極７００５側に射出する。

次に、下面射出構造の発光素子について図２０（Ｂ）を用いて説明する。駆動用ＴＦＴ７０１１がｎ型で、発光素子７０１２から発せられる光が陰極７０１３側に射出する場合の、画素の断面図を示す。図２０（Ｂ）では、駆動用ＴＦＴ７０１１と電気的に接続された透光性を有する導電膜７０１７上に、発光素子７０１２の陰極７０１３が成膜されており、陰極７０１３上に発光層７０１４、陽極７０１５が順に積層されている。なお、陽極７０１５が透光性を有する場合、陽極上を覆うように、光を反射または遮蔽するための遮蔽膜７０１６が成膜されていてもよい。陰極７０１３は、図２０（Ａ）の場合と同様に、仕事関数が小さい導電性材料であれば様々な材料を用いることができる。ただしその膜厚は、光を透過する程度（好ましくは、５ｎｍ〜３０ｎｍ程度）とする。例えば２０ｎｍの膜厚を有するアルミニウム膜を、陰極７０１３として用いることができる。そして発光層７０１４は、図２０（Ａ）と同様に、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていてもどちらでも良い。陽極７０１５は光を透過する必要はないが、図２０（Ａ）と同様に、透光性を有する導電性材料を用いて形成することができる。そして遮蔽膜７０１６は、例えば光を反射する金属等を用いることができるが、金属膜に限定されない。例えば黒の顔料を添加した樹脂等を用いることもできる。

陰極７０１３及び陽極７０１５で、発光層７０１４を挟んでいる領域が発光素子７０１２に相当する。図２０（Ｂ）に示した画素の場合、発光素子７０１２から発せられる光は、矢印で示すように陰極７０１３側に射出する。

次に、両面射出構造の発光素子について、図２０（Ｃ）を用いて説明する。図２０（Ｃ）では、駆動用ＴＦＴ７０２１と電気的に接続された透光性を有する導電膜７０２７上に、発光素子７０２２の陰極７０２３が成膜されており、陰極７０２３上に発光層７０２４、陽極７０２５が順に積層されている。陰極７０２３は、図２０（Ａ）の場合と同様に、仕事関数が小さい導電性材料であれば様々な材料を用いることができる。ただしその膜厚は、光を透過する程度とする。例えば２０ｎｍの膜厚を有するＡｌを、陰極７０２３として用いることができる。そして発光層７０２４は、図２０（Ａ）と同様に、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていてもどちらでも良い。陽極７０２５は、図２０（Ａ）と同様に、光を透過する透光性を有する導電性材料を用いて形成することができる。

陰極７０２３と、発光層７０２４と、陽極７０２５とが重なっている部分が発光素子７０２２に相当する。図２０（Ｃ）に示した画素の場合、発光素子７０２２から発せられる光は、矢印で示すように陽極７０２５側と陰極７０２３側の両方に射出する。

なお、ここでは、発光素子として有機ＥＬ素子について述べたが、発光素子として無機ＥＬ素子を設けることも可能である。

なお本実施の形態では、発光素子の駆動を制御する薄膜トランジスタ（駆動用ＴＦＴ）と発光素子が電気的に接続されている例を示したが、駆動用ＴＦＴと発光素子との間に電流制御用ＴＦＴが接続されている構成であってもよい。

なお本実施の形態で示す半導体装置は、図２０に示した構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

次に、本発明の一態様の半導体装置の一形態に相当する発光表示パネル（発光パネルともいう）の外観及び断面について、図２１を用いて説明する。図２１（Ａ）は、本発明の一態様の非線形素子と共に同様の方法で形成されたＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体を半導体層並びにソース領域及びドレイン領域に用いた電気特性の高い薄膜トランジスタ及び発光素子を、第２の基板との間にシール材によって封止した、パネルの上面図であり、図２１（Ｂ）は、図２１（Ａ）のＨ−Ｉにおける断面図に相当する。

第１の基板４５０１上に設けられた画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂを囲むようにして、シール材４５０５が設けられている。また画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂの上に第２の基板４５０６が設けられている。よって画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂは、第１の基板４５０１とシール材４５０５と第２の基板４５０６とによって、充填材４５０７と共に密封されている。このように外気に曝されないように気密性が高く、脱ガスの少ない保護フィルム（貼り合わせフィルム、紫外線硬化樹脂フィルム等）やカバー材でパッケージング（封入）することが好ましい。

また、第１の基板４５０１上に設けられた画素部４５０２、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂは、薄膜トランジスタを複数有しており、図２１（Ｂ）では、画素部４５０２に含まれる薄膜トランジスタ４５１０と、信号線駆動回路４５０３ａに含まれる薄膜トランジスタ４５０９とを例示している。

薄膜トランジスタ４５０９、４５１０は、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体を半導体層並びにソース領域及びドレイン領域に用いた電気特性の高い薄膜トランジスタに相当し、実施の形態２で示す非線形素子と共に同様の方法で形成できる薄膜トランジスタを適用することができる。本実施の形態において、薄膜トランジスタ４５０９、４５１０はｎチャネル型薄膜トランジスタである。

また、４５１１は発光素子に相当し、発光素子４５１１が有する画素電極である第１の電極層４５１７は、薄膜トランジスタ４５１０のソース電極層またはドレイン電極層と電気的に接続されている。なお発光素子４５１１の構成は、第１の電極層４５１７、電界発光層４５１２、第２の電極層４５１３の積層構造であるが、本実施の形態に示した構成に限定されない。発光素子４５１１から取り出す光の方向などに合わせて、発光素子４５１１の構成は適宜変えることができる。

隔壁４５２０は、有機樹脂膜、無機絶縁膜または有機ポリシロキサンを用いて形成する。特に感光性の材料を用い、第１の電極層４５１７上に開口部を形成し、その開口部の側壁が連続した曲率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。

電界発光層４５１２は、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていてもどちらでも良い。

発光素子４５１１に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、第２の電極層４５１３及び隔壁４５２０上に保護膜を形成してもよい。保護膜としては、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、ＤＬＣ膜等を形成することができる。

また、信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂ、または画素部４５０２に与えられる各種信号及び電位は、ＦＰＣ４５１８ａ、４５１８ｂから供給されている。

本実施の形態では、接続端子電極４５１５が、発光素子４５１１が有する第１の電極層４５１７と同じ導電膜から形成され、端子電極４５１６は、薄膜トランジスタ４５０９、４５１０が有するソース電極層及びドレイン電極層と同じ導電膜から形成されている。

接続端子電極４５１５は、ＦＰＣ４５１８ａが有する端子と、異方性導電膜４５１９を介して電気的に接続されている。

発光素子４５１１からの光の取り出し方向に位置する第２の基板４５０６は透光性でなければならない。その場合には、ガラス板、プラスチック板、ポリエステルフィルムまたはアクリルフィルムのような透光性を有する材料を用いる。

また、充填材４５０７としては窒素やアルゴンなどの不活性な気体の他に、紫外線硬化樹脂または熱硬化樹脂を用いることができ、ＰＶＣ（ポリビニルクロライド）、アクリル、ポリイミド、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ＰＶＢ（ポリビニルブチラル）またはＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）を用いることができる。本実施の形態は充填材４５０７として窒素を用いた。

また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、又は円偏光板（楕円偏光板を含む）、位相差板（λ／４板、λ／２板）、カラーフィルタなどの光学フィルムを適宜設けてもよい。また、偏光板又は円偏光板に反射防止膜を設けてもよい。例えば、表面の凹凸により反射光を拡散し、映り込みを低減できるアンチグレア処理を施すことができる。

信号線駆動回路４５０３ａ、４５０３ｂ、及び走査線駆動回路４５０４ａ、４５０４ｂは、別途用意された基板上に単結晶半導体膜又は多結晶半導体膜によって形成された駆動回路で実装されていてもよい。また、信号線駆動回路のみ、或いは一部、又は走査線駆動回路のみ、或いは一部のみを別途形成して実装しても良く、本実施の形態は図２１の構成に限定されない。

以上の工程により、非線形素子の第１酸化物半導体層と配線層との接続構造において、第１酸化物半導体層よりも電気伝導度が高い第２酸化物半導体層と接合する領域もしくは、プラズマ処理により改質された領域を設けることで、金属配線のみの場合に比べて、安定動作をさせることが可能となる。それにより保護回路の機能を高め動作の安定化を図ることができる。また、動作の安定化が図られ、薄膜の剥がれに起因する不良が起こりにくい非線形素子からなる保護回路を搭載した信頼性の高い発光表示装置（表示パネル）を作製することができる。

（実施の形態８）
本発明の一態様の表示装置は、電子ペーパーとして適用することができる。電子ペーパーは、情報を表示するものであればあらゆる分野の電子機器に用いることが可能である。例えば、電子ペーパーを用いて、電子書籍（電子ブック）、ポスター、電車などの乗り物の車内広告、クレジットカード等の各種カードにおける表示等に適用することができる。電子機器の一例を図２２、図２３に示す。

図２２（Ａ）は、電子ペーパーで作られたポスター２６３１を示している。広告媒体が紙の印刷物である場合には、広告の交換は人手によって行われるが、本発明の一態様を適用した電子ペーパーを用いれば短時間で広告の表示を変えることができる。また、表示も崩れることなく安定した画像が得られる。なお、車内広告は無線で情報を送受信できる構成としてもよい。

また、図２２（Ｂ）は、電車などの乗り物の車内広告２６３２を示している。広告媒体が紙の印刷物である場合には、広告の交換は人手によって行われるが、本発明の一態様を適用した電子ペーパーを用いれば人手を多くかけることなく短時間で広告の表示を変えることができる。また表示も崩れることなく安定した画像が得られる。なお、ポスターは無線で情報を送受信できる構成としてもよい。

また、図２３は、電子書籍２７００の一例を示している。例えば、電子書籍２７００は、筐体２７０１および筐体２７０３の２つの筐体で構成されている。筐体２７０１および筐体２７０３は、軸部２７１１により一体とされており、該軸部２７１１を軸として開閉動作を行うことができる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが可能となる。

筐体２７０１には表示部２７０５が組み込まれ、筐体２７０３には表示部２７０７が組み込まれている。表示部２７０５および表示部２７０７は、続き画面を表示する構成としてもよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とすることで、例えば右側の表示部（図２３では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の表示部（図２３では表示部２７０７）に画像を表示することができる。

また、図２３では、筐体２７０１に操作部などを備えた例を示している。例えば、筐体２７０１において、電源２７２１、操作キー２７２３、スピーカ２７２５などを備えている。操作キー２７２３により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面にキーボードやポインティングディバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子、またはＡＣアダプタおよびＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。さらに、電子書籍２７００は、電子辞書としての機能を持たせた構成としてもよい。

また、電子書籍２７００は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。

非線形素子の第１酸化物半導体層と配線層との接続構造において、第１酸化物半導体層よりも電気伝導度が高い第２酸化物半導体層と接合する領域もしくは、プラズマ処理により改質された領域を設けることで、金属配線のみの場合に比べて、安定動作をさせることが可能となる。それにより保護回路の機能を高め動作の安定化を図ることができる。また、動作の安定化が図られ、薄膜の剥がれに起因する不良が起こりにくい非線形素子からなる保護回路を搭載した信頼性の高い電子ペーパーを作製することができる。

（実施の形態９）
本発明の一態様に係る半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラなどのカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。

図２４（Ａ）は、テレビジョン装置９６００の一例を示している。テレビジョン装置９６００は、筐体９６０１に表示部９６０３が組み込まれている。表示部９６０３により、映像を表示することが可能である。また、ここでは、スタンド９６０５により筐体９６０１を支持した構成を示している。

テレビジョン装置９６００の操作は、筐体９６０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機９６１０により行うことができる。リモコン操作機９６１０が備える操作キー９６０９により、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部９６０３に表示される映像を操作することができる。また、リモコン操作機９６１０に、当該リモコン操作機９６１０から出力する情報を表示する表示部９６０７を設ける構成としてもよい。

なお、テレビジョン装置９６００は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して優先または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。

図２４（Ｂ）は、デジタルフォトフレーム９７００の一例を示している。例えば、デジタルフォトフレーム９７００は、筐体９７０１に表示部９７０３が組み込まれている。表示部９７０３は、各種画像を表示することが可能であり、例えばデジタルカメラなどで撮影した画像データを表示させることで、通常の写真立てと同様に機能させることができる。

なお、デジタルフォトフレーム９７００は、操作部、外部接続用端子（ＵＳＢ端子、ＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成とする。これらの構成は、表示部と同一面に組み込まれていてもよいが、側面や裏面に備えるとデザイン性が向上するため好ましい。例えば、デジタルフォトフレームの記録媒体挿入部に、デジタルカメラで撮影した画像データを記憶したメモリを挿入して画像データを取り込み、取り込んだ画像データを表示部９７０３に表示させることができる。

また、デジタルフォトフレーム９７００は、無線で情報を送受信出来る構成としてもよい。無線により、所望の画像データを取り込み、表示させる構成とすることもできる。

図２５（Ａ）は携帯型遊技機であり、筐体９８８１と筐体９８９１の２つの筐体で構成されており、連結部９８９３により、開閉可能に連結されている。筐体９８８１には表示部９８８２が組み込まれ、筐体９８９１には表示部９８８３が組み込まれている。また、図２５（Ａ）に示す携帯型遊技機は、その他、スピーカ部９８８４、記録媒体挿入部９８８６、ＬＥＤランプ９８９０、入力手段（操作キー９８８５、接続端子９８８７、センサ９８８８（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線を測定する機能を含むもの）、マイクロフォン９８８９）等を備えている。もちろん、携帯型遊技機の構成は上述のものに限定されず、少なくとも本発明の一態様に係る半導体装置を備えた構成であればよく、その他付属設備が適宜設けられた構成とすることができる。図２５（Ａ）に示す携帯型遊技機は、記録媒体に記録されているプログラム又はデータを読み出して表示部に表示する機能や、他の携帯型遊技機と無線通信を行って情報を共有する機能を有する。なお、図２５（Ａ）に示す携帯型遊技機が有する機能はこれに限定されず、様々な機能を有することができる。

図２５（Ｂ）は大型遊技機であるスロットマシン９９００の一例を示している。スロットマシン９９００は、筐体９９０１に表示部９９０３が組み込まれている。また、スロットマシン９９００は、その他、スタートレバーやストップスイッチなどの操作手段、コイン投入口、スピーカなどを備えている。もちろん、スロットマシン９９００の構成は上述のものに限定されず、少なくとも本発明の一態様に係る半導体装置を備えた構成であればよく、その他付属設備が適宜設けられた構成とすることができる。

図２６は、携帯電話機１０００の一例を示している。携帯電話機１０００は、筐体１００１に組み込まれた表示部１００２の他、操作ボタン１００３、外部接続ポート１００４、スピーカ１００５、マイク１００６などを備えている。

図２６に示す携帯電話機１０００は、表示部１００２を指などで触れることで、情報を入力ことができる。また、電話を掛ける、或いはメールを打つなどの操作は、表示部１００２を指などで触れることにより行うことができる。

表示部１００２の画面は主として３つのモードがある。第１は、画像の表示を主とする表示モードであり、第２は、文字等の情報の入力を主とする入力モードである。第３は表示モードと入力モードの２つのモードが混合した表示＋入力モードである。

例えば、電話を掛ける、或いはメールを作成する場合は、表示部１００２を文字の入力を主とする文字入力モードとし、画面に表示させた文字の入力操作を行えばよい。この場合、表示部１００２の画面のほとんどにキーボードまたは番号ボタンを表示させることが好ましい。

また、携帯電話機１０００内部に、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサを有する検出装置を設けることで、携帯電話機１０００の向き（縦か横か）を判断して、表示部１００２の画面表示を自動的に切り替えるようにすることができる。

また、画面モードの切り替えは、表示部１００２を触れること、又は筐体１００１の操作ボタン１００３の操作により行われる。また、表示部１００２に表示される画像の種類によって切り替えるようにすることもできる。例えば、表示部に表示する画像信号が動画のデータであれば表示モード、テキストデータであれば入力モードに切り替える。

また、入力モードにおいて、表示部１００２の光センサで検出される信号を検知し、表示部１００２のタッチ操作による入力が一定期間ない場合には、画面のモードを入力モードから表示モードに切り替えるように制御してもよい。

表示部１００２は、イメージセンサとして機能させることもできる。例えば、表示部１００２に掌や指を触れることで、掌紋、指紋等を撮像することで、本人認証を行うことができる。また、表示部に近赤外光を発光するバックライトまたは近赤外光を発光するセンシング用光源を用いれば、指静脈、掌静脈などを撮像することもできる。

非線形素子の第１酸化物半導体層と配線層との接続構造において、第１酸化物半導体層よりも電気伝導度が高い第２酸化物半導体層と接合する領域もしくは、プラズマ処理により改質された領域を設けることで、金属配線のみの場合に比べて、安定動作をさせることが可能となる。それにより保護回路の機能を高め動作の安定化を図ることができる。また、動作の安定化が図られ、薄膜の剥がれに起因する不良が起こりにくい非線形素子からなる保護回路を搭載した信頼性の高い電子機器を作製することができる。

１０基板
１１走査線入力端子
１２信号線入力端子
１３走査線
１４信号線
１６ゲート電極
１７画素部
１８画素
１９画素トランジスタ
２０保持容量部
２１画素電極
２２容量線
２３共通端子
２４保護回路
２５保護回路
２６保護回路
２７容量バス線
２８共通配線
２９共通配線
３０非線形素子
３０ａ非線形素子
３０ｂ非線形素子
３１非線形素子
３１ａ非線形素子
３１ｂ非線形素子
３８配線層
３９配線層
１００基板
１０１ゲート電極
１０２ゲート絶縁層
１０３酸化物半導体層
１０４ａ酸化物半導体層
１０４ｂ酸化物半導体層
１０５ａ導電層
１０５ｂ導電層
１０７保護絶縁膜
１０８走査線
１１０配線層
１１１酸化物半導体層
１２５コンタクトホール
１２８コンタクトホール
１３１レジストマスク
１３２導電膜
１７０ａ非線形素子
１７０ｂ非線形素子
２７０ａ非線形素子
５８１薄膜トランジスタ
５８５絶縁層
５８７電極層
５８８電極層
５８９球形粒子
５９０ａ黒色領域
５９０ｂ白色領域
５９４キャビティ
５９５充填材
７３０ａ非線形素子
７３０ｂ非線形素子
７３０ｃ非線形素子
７４０ａ非線形素子
７４０ｂ非線形素子
７４０ｃ非線形素子
７４０ｄ非線形素子
１０００携帯電話機
１００１筐体
１００２表示部
１００３操作ボタン
１００４外部接続ポート
１００５スピーカ
１００６マイク
２６００ＴＦＴ基板
２６０１対向基板
２６０２シール材
２６０３画素部
２６０４表示素子
２６０５着色層
２６０６偏光板
２６０７偏光板
２６０８配線回路部
２６０９フレキシブル配線基板
２６１０冷陰極管
２６１１反射板
２６１２回路基板
２６１３拡散板
２６３１ポスター
２６３２車内広告
２７００電子書籍
２７０１筐体
２７０３筐体
２７０５表示部
２７０７表示部
２７１１軸部
２７２１電源
２７２３操作キー
２７２５スピーカ
４００１基板
４００２画素部
４００３信号線駆動回路
４００４走査線駆動回路
４００５シール材
４００６基板
４００８液晶層
４０１０薄膜トランジスタ
４０１１薄膜トランジスタ
４０１３液晶素子
４０１５接続端子電極
４０１６端子電極
４０１８ＦＰＣ
４０１９異方性導電膜
４０２０絶縁層
４０２１絶縁層
４０３０画素電極層
４０３１対向電極層
４０３２絶縁層
４５０１基板
４５０２画素部
４５０３ａ信号線駆動回路
４５０４ａ走査線駆動回路
４５０５シール材
４５０６基板
４５０７充填材
４５０９薄膜トランジスタ
４５１０薄膜トランジスタ
４５１１発光素子
４５１２電界発光層
４５１３電極層
４５１５接続端子電極
４５１６端子電極
４５１７電極層
４５１８ａＦＰＣ
４５１９異方性導電膜
４５２０隔壁
５３００基板
５３０１画素部
５３０２走査線駆動回路
５３０３信号線駆動回路
５４００基板
５４０１画素部
５４０２走査線駆動回路
５４０３信号線駆動回路
５４０４走査線駆動回路
５５０１配線
５５０２配線
５５０３配線
５５０４配線
５５０５配線
５５０６配線
５５４３ノード
５５４４ノード
５５７１薄膜トランジスタ
５５７２薄膜トランジスタ
５５７３薄膜トランジスタ
５５７４薄膜トランジスタ
５５７５薄膜トランジスタ
５５７６薄膜トランジスタ
５５７７薄膜トランジスタ
５５７８薄膜トランジスタ
５６０１ドライバＩＣ
５６０２スイッチ群
５６０３ａ薄膜トランジスタ
５６０３ｂ薄膜トランジスタ
５６０３ｃ薄膜トランジスタ
５６１１配線
５６１２配線
５６１３配線
５６２１配線
５７０１フリップフロップ
５７０３ａタイミング
５７０３ｂタイミング
５７０３ｃタイミング
５７１１配線
５７１２配線
５７１３配線
５７１４配線
５７１５配線
５７１６配線
５７１７配線
５７２１信号
５８０３ａタイミング
５８０３ｂタイミング
５８０３ｃタイミング
５８２１信号
６４００画素
６４０１スイッチング用トランジスタ
６４０２駆動用トランジスタ
６４０３容量素子
６４０４発光素子
６４０５信号線
６４０６走査線
６４０７電源線
６４０８共通電極
７００１ＴＦＴ
７００２発光素子
７００３陰極
７００４発光層
７００５陽極
７０１１駆動用ＴＦＴ
７０１２発光素子
７０１３陰極
７０１４発光層
７０１５陽極
７０１６遮蔽膜
７０１７導電膜
７０２１駆動用ＴＦＴ
７０２２発光素子
７０２３陰極
７０２４発光層
７０２５陽極
７０２７導電膜
９６００テレビジョン装置
９６０１筐体
９６０３表示部
９６０５スタンド
９６０７表示部
９６０９操作キー
９６１０リモコン操作機
９７００デジタルフォトフレーム
９７０１筐体
９７０３表示部
９８８１筐体
９８８２表示部
９８８３表示部
９８８４スピーカ部
９８８５入力手段（操作キー）
９８８６記録媒体挿入部
９８８７接続端子
９８８８センサ
９８８９マイクロフォン
９８９０ＬＥＤランプ
９８９１筐体
９８９３連結部
９９００スロットマシン
９９０１筐体
９９０３表示部

Claims

絶縁表面を有する基板上に走査線と信号線が交差して設けられ、画素電極がマトリクス状に配列する画素部を有する表示装置であって、
前記画素部は第１酸化物半導体層にチャネル形成領域が形成される薄膜トランジスタを有し、
前記薄膜トランジスタは前記走査線と接続するゲート電極と、前記信号線と接続し前記第１酸化物半導体層に接する第１配線層と、前記画素電極と接続し前記第１酸化物半導体層に接する第２配線層とを有し、
前記基板の周辺部に配設される信号入力端子と前記画素部の間には、非線形素子が設けられ、
前記非線形素子はゲート電極及び該ゲート電極を被覆するゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層上において前記ゲート電極と重畳する第１酸化物半導体層と、前記第１酸化物半導体層上において前記ゲート電極と端部が重畳し、導電層と第２酸化物半導体層が積層された第１配線層及び第２配線層とを有し、
前記非線形素子の前記ゲート電極は前記走査線又は前記信号線と接続され、前記非線形素子の前記第１配線層又は前記第２配線層は、前記ゲート電極の電位が印加されるように第３配線層によって接続されていることを特徴とする表示装置。
絶縁表面を有する基板上に走査線と信号線が交差して設けられ、画素電極がマトリクス状に配列する画素部を有する表示装置であって、
前記画素部は第１酸化物半導体層にチャネル形成領域が形成される薄膜トランジスタを有し、
前記薄膜トランジスタは前記走査線と接続するゲート電極と、前記信号線と接続し前記第１酸化物半導体層に接する第１配線層と、前記画素電極と接続し前記第１酸化物半導体層に接する第２配線層とを有し、
前記基板上であって前記画素部の外側領域に、前記走査線と共通配線を接続する保護回路と、前記信号線と共通配線を接続する保護回路とが設けられ、
前記保護回路はゲート電極及び該ゲート電極を被覆するゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層上において前記ゲート電極と重畳する第１酸化物半導体層と、前記第１酸化物半導体層上において前記ゲート電極と端部が重畳し、導電層と第２酸化物半導体層が積層された一対の第１配線層及び第２配線層とを有する非線形素子を有し、
前記非線形素子のゲート電極と、第１配線層又は第２配線層が第３配線層によって接続されていることを特徴とする表示装置。
前記第１酸化物半導体層の酸素濃度は前記第２酸化物半導体層の酸素濃度よりも高い、請求項１又は２記載の表示装置。
前記第１酸化物半導体層の電気伝導度は前記第２酸化物半導体層の電気伝導度よりも低い、請求項１又は２記載の表示装置。
前記第１酸化物半導体層は酸素過剰型であり、前記第２酸化物半導体層は酸素欠乏型である、請求項１又は２記載の表示装置。
第１酸化物半導体層及び第２酸化物半導体層はインジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む、請求項３乃至５のいずれか一項記載の表示装置。
前記第３配線層は前記画素電極と同じ材料で形成されている、請求項１乃至６のいずれか一項記載の表示装置。