TWI509962B - 半導體裝置及顯示裝置 - Google Patents

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Description

半導體裝置及顯示裝置
本發明的技術領域關於半導體裝置及其驅動方法、以及顯示裝置及其驅動方法。
近年來，在各種各樣的電子設備中，例如在從電壓變動大的電壓產生穩定的值的電源電壓時，或者在需要多個不同的值的電源電壓時等，使用將某一值的直流電壓轉換成另一值的直流電壓的電路(也稱為直流轉換電路或者DC-DC轉換器)。
作為直流轉換電路，例如有由線圈、二極體以及電晶體構成的被稱為非絕緣型直流轉換電路的直流轉換電路(例如，專利文獻1)。該非絕緣型直流轉換電路具有電路面積小、製造成本低的優點。
[專利文獻1]　日本專利申請公開昭58-086868號公報
本發明的目的之一在於：在具有直流轉換電路的半導體裝置中，提供一種新穎的電路結構或者驅動方法。另外，本發明的目的之一在於：降低直流轉換電路中的耗電量。另外，本發明的目的之一在於：提高直流轉換電路中的電力轉換效率。
本發明之一是一種具有直流轉換電路和微處理器的半導體裝置。並且，直流轉換電路被微處理器的時鐘信號控制，而將輸入電壓(也稱為輸入信號)轉換成輸出電壓(也稱為輸出信號)。另外，直流轉換電路的輸入及輸出也可以是電流等其他值。
本發明的一個方式是一種半導體裝置，包括：直流轉換電路；以及微處理器，其中直流轉換電路具有轉換電路和控制電路，轉換電路具有電感元件和電晶體，控制電路具有比較電路和邏輯電路，在控制電路中比較電路比較轉換電路的輸出和基準值(也稱為基準電壓或基準信號)而邏輯電路計算比較電路的輸出和微處理器的時鐘信號，並且在轉換電路中電晶體根據邏輯電路的輸出而控制流過電感元件的電流並根據流過電感元件的電流而產生轉換電路的輸出。
本發明的另一個方式是一種顯示裝置，包括：直流轉換電路；微處理器；以及配置有像素的顯示部，其中直流轉換電路具有轉換電路和控制電路，轉換電路具有電感元件和電晶體，控制電路具有比較電路和邏輯電路，在控制電路中比較電路比較轉換電路的輸出和基準值而邏輯電路計算比較電路的輸出和微處理器的時鐘信號，在轉換電路中電晶體根據邏輯電路的輸出而控制流過電感元件的電流並根據流過電感元件的電流而產生轉換電路的輸出，並且顯示部根據轉換電路的輸出而驅動像素。
本發明的另一個方式是一種顯示裝置，包括：直流轉換電路；微處理器；以及配置有像素的顯示部，其中直流轉換電路具有轉換電路和控制電路，轉換電路具有電感元件和電晶體，控制電路具有比較電路、放大電路以及邏輯電路，在控制電路中進行第一工作或第二工作，所述第一工作為如下：比較電路比較轉換電路的輸出和第一基準值，而邏輯電路計算比較電路的輸出和微處理器的時鐘信號，所述第二工作為如下：放大電路放大轉換電路的輸出與第二基準值之間的差值，而比較電路比較放大電路的輸出和三角波，在轉換電路中電晶體根據利用第一工作獲取的邏輯電路的輸出或利用第二工作獲取的比較電路的輸出而控制流過電感元件的電流並根據流過電感元件的電流而產生轉換電路的輸出電壓，在顯示部中進行第一驅動或第二驅動，所述第一驅動為如下：將視頻信號以1秒以上600秒以下的間隔寫入到像素，所述第二驅動為如下：將視頻信號以1/60秒以下的間隔寫入到像素，並且顯示部在進行第一驅動時根據利用第一工作獲取的轉換電路的輸出而驅動像素而在進行第二驅動時根據利用第二工作獲取的轉換電路的輸出而驅動像素。
根據本發明的一個方式的半導體裝置或顯示裝置可以降低直流轉換電路中的耗電量。另外，可以提高直流轉換電路中的電力轉換效率。
以下，參照附圖詳細說明實施方式。但是，以下實施方式可以藉由多種不同的方式實施，所屬技術領域的普通技術人員可以很容易地理解一個事實就是其方式和詳細內容在不脫離本發明的宗旨及其範圍下可以被變換為各種各樣的形式。因此，本發明不應該被解釋為僅限定在以下所示的實施方式所記載的內容中。在說明實施方式的全部附圖中，同一引用編號表示具有相似或相同功能的部分，並且省略重複說明。
實施方式1
在本實施方式中說明半導體裝置的結構及驅動方法的實例。
圖1A是具有直流轉換電路的半導體裝置的方塊圖的實例。
半導體裝置具有直流轉換電路101及微處理器103。直流轉換電路101具有轉換電路105及控制電路107。直流轉換電路101是藉由對輸入電壓Vin 進行直流轉換而產生輸出電壓Vout 的電路。
圖1B和1C示出轉換電路105的實例。圖1B示出升壓型(Vin <Vout )，而圖1C示出降壓型(Vin >Vout )。
轉換電路105至少具有電晶體Tr和電感元件L。
電晶體Tr用作切換元件，藉由轉換為ON狀態(導通狀態)或OFF狀態(非導通狀態)而控制流過電感元件L的電流。另外，電晶體Tr的狀態由在控制電路107中產生的脈衝信號而決定。
電感元件L產生根據上述電流的電動勢，而產生轉換電路105的輸出電壓Vout (也稱為直流轉換電路101的輸出電壓)。另外，電流值由輸入電壓Vin 的值等而決定。像這樣，可以將輸入電壓Vin 轉換成輸出電壓Vout 。這裏，電感元件L例如是線圈。
接著，說明轉換電路105的具體結構及工作。以下，示出使用圖1B的電路的情況。
圖1B的轉換電路105具有電晶體Tr、電感元件L、二極體D以及電容器C。電晶體Tr的閘極與控制電路107電連接，其源極和汲極中的一方與電感元件L的一個端子及二極體D的陽極電連接。電感元件L的另一個端子與輸入端子電連接。二極體D的陰極與電容器C的一個端子及輸出端子電連接。另外，電晶體Tr的源極和汲極中的另一方及電容器C的另一個端子與被輸入預定電位的佈線電連接。這裏，預定的電位例如是接地電位。
另外，在圖1B中，雖然示出使用二極體D進行整流並使用電容器C進行平滑的實例，但是本發明不侷限於此。
轉換電路105根據電晶體Tr的導通狀態或截止狀態而被分為兩個工作。藉由交替反復進行兩個工作，對輸入電壓Vin 進行升壓。
首先，在電晶體Tr處於導通狀態時，電感元件L根據所流過的電流而產生電動勢。電流值由輸入電壓Vin 而決定。
在電晶體Tr處於截止狀態時，電感元件L為了維持電流而產生與上述電動勢相反的方向的電動勢。對此時產生的電動勢追加輸入電壓Vin ，而成為Vout =αVin 。
這裏，α由導通狀態的期間相對於電晶體Tr的轉換的1週期(導通狀態的期間Ton +截止狀態的期間Toff )的比率(占空比D=Ton /(Ton +Toff )、0<D<1)而決定。在使用升壓型時，α=1/(1-D)>1，被升壓。
將轉換電路105的輸出電壓Vout 回饋到控制電路107。在回饋電壓VFB 大於所希望的值時，控制電路107降低脈衝信號的占空比D。另外，在回饋電壓VFB 小於所希望的值時，控制電路107提高脈衝信號的占空比D。
電晶體Tr根據從控制電路107輸入的脈衝信號的占空比D而控制流過電感元件L的電流，並將輸入電壓Vin 轉換成另一值而產生輸出電壓Vout 。
像這樣，藉由將輸出電壓Vout 回饋到控制電路107，可以使輸出電壓Vout 接近所希望的值。如上所述，可以進行直流轉換。
另外，與上述同樣，在使用圖1C所示的降壓型電路時，電晶體Tr由控制電路107的脈衝信號的占空比D(0<D<1)控制，而成為Vout =αVin 。另外，在使用降壓型時，0<α=D<1，被降壓。
另外，電晶體Tr可以使用薄膜電晶體或功率MOSFET等，並可以適當地使用P通道型或N通道型。既可使用頂閘結構，又可使用底閘結構。另外，可以使用通道蝕刻型或通道停止型。作為電晶體Tr的半導體材料，可以使用矽、矽鍺等矽半導體、氧化物半導體、有機半導體或化合物半導體等。另外，可以使用非晶半導體、多晶半導體、微晶半導體或單晶半導體等。
接著，說明控制電路107的具體結構及工作。圖1D示出控制電路107的實例。
控制電路107具有比較電路109及邏輯電路111。圖1D雖然示出比較電路109使用比較器而邏輯電路111使用AND電路的實例，但是不侷限於此，而也可以使用其他比較電路及邏輯電路。
如上所述，將來自轉換電路105的回饋電壓VFB 輸入到比較電路109。比較電路109比較回饋電壓VFB 和基準電壓Vref 而輸出+電壓(也稱為H電壓或VH )或-電壓(也稱為L電壓或VL )。
將比較電路109的輸出電壓和微處理器103的時鐘信號CLK輸入到邏輯電路111。邏輯電路111進行這兩個信號的計算，而產生具有所希望的占空比D的脈衝信號，並將它輸出到電晶體Tr的閘極。根據脈衝信號的占空比D而控制電晶體Tr的導通狀態或截止狀態。這種控制被稱為滯環控制(hysteresis control)。
這裏，本實施方式的特徵在於：使用微處理器103的時鐘信號CLK。藉由使用時鐘信號CLK，可以極準確地控制占空比D。就是說，可以使轉換電路105的輸出電壓Vout 穩定，而可以提高直流轉換電路101的可靠性。另外，微處理器103可以兼用於直流轉換電路101以外的電路，而可以降低製造成本。
尤其是在使用圖1B所示的升壓型電路時，因為原理上難以在比較電路109中得到所希望的占空比D，所以使用時鐘信號CLK的結構是極為有效的。
接著，說明控制電路107中的脈衝信號的產生的具體實例。圖2A示出直流轉換電路的結構，其中使用圖1B所示的電路作為轉換電路105，使用圖1D所示的電路作為控制電路107。就是說，這是升壓型直流轉換電路。
圖2B示出時序圖。在圖2B中，示出來自轉換電路105的回饋電壓VFB 、比較電路109的輸出電壓Vcmp 、微處理器103的時鐘信號CLK、邏輯電路111的輸出電壓VGS (也稱為控制電路107的輸出電壓或電晶體Tr的閘極電壓)的時序圖。
這裏，示出回饋電壓VFB 為鋸狀波形的情況。比較電路109比較被輸入的回饋電壓VFB 和基準電壓Vref 。在VFB >Vref 時，輸出電壓Vcmp =VL ，在Vref >VFB 時，輸出電壓Vcmp =VH 。
邏輯電路111計算被輸入的輸出電壓Vcmp 和微處理器103的時鐘信號CLK。這裏，邏輯電路111使用AND電路。因此，在兩個信號都是VH 時，邏輯電路111的輸出電壓VGS 成為VH ，除此以外時，輸出電壓VGS 成為VL 。
像這樣，利用輸出電壓VGS 的值決定脈衝信號的占空比D。並且，利用占空比D控制電晶體Tr的導通狀態或截止狀態，而進行直流轉換。根據所轉換的輸出電壓Vout 而驅動負載115。
本實施方式可以與其他實施方式適當地組合而實施。
實施方式2
在本實施方式中說明半導體裝置的結構及驅動方法的實例。
圖3A示出具有直流轉換電路的半導體裝置的方塊圖的實例。
圖3A具有對圖1A的結構追加放大電路113的結構。除了放大電路113以外，可以應用圖1B至1D。
圖3B示出具體電路結構。本實施方式的特徵在於：將來自轉換電路105的回饋電壓VFB 輸入到控制電路107中的比較電路109或放大電路113。因此，控制電路107進行兩種工作(第一工作及第二工作)。根據多工器MUX及控制多工器MUX的外部信號HC-MODE，轉換而選擇兩種工作。
圖4A的箭頭示出根據多工器MUX的控制而選擇第一工作的情況。利用第一工作的控制是上述實施方式所示的滯環控制。就是說，將回饋電壓VFB 輸入到比較電路109。比較電路109比較回饋電壓VFB 和基準電壓Vrefl 。邏輯電路111計算比較電路109的輸出電壓和微處理器103的時鐘信號CLK。利用邏輯電路111的輸出電壓控制電晶體Tr的導通狀態或截止狀態。
圖4B的箭頭示出根據多工器MUX的控制而選擇第二工作的情況。在第二工作中，將回饋電壓VFB 輸入到放大電路113。放大電路113放大回饋電壓VFB 與基準電壓Vref2 之間的差值。比較電路109比較放大電路113的輸出電壓和三角波(triangle wave)。利用比較電路109的輸出電壓控制電晶體Tr的導通狀態或截止狀態。放大電路113使用誤差放大器等。利用第二工作的控制被稱為PWM(Pulse Width Modulation：脈衝寬度調變)控制。
接著，說明控制電路107中的脈衝信號的產生的具體實例。第一工作中的脈衝信號的產生正如圖2B所示。
圖5是第二工作中的時序圖。在圖5中，示出來自轉換電路105的回饋電壓VFB 、放大電路113的輸出電壓Vamp 、比較電路109的輸出電壓VGS (也稱為控制電路107的輸出電壓或電晶體Tr的閘極電壓)。
這裏，示出回饋電壓VFB 為鋸狀波形的情況。放大電路113放大被輸入的回饋電壓VFB 與基準電壓Vref2 之間的差值。這裏，輸出電壓Vamp 表示穩態下的電壓，並對應於累積的被放大的差值。
比較電路109比較被輸入的輸出電壓Vamp 和三角波(triangle wave)。在Vamp >triangle wave時，成為輸出電壓VGS =VL ，而在triangle wave>Vamp 時，成為輸出電壓VGS =VH 。
像這樣，利用輸出電壓VGS 的值決定脈衝信號的占空比D。並且，利用占空比D控制電晶體Tr的導通狀態或截止狀態，而進行直流轉換。根據所轉換的輸出電壓Vout 而驅動負載115。
另外，在直流轉換電路101中，重要的是提高電力轉換效率。電力轉換效率n使用直流轉換電路101的輸入電力Pin 和輸出電力Pout 由n=Pout /Pin <1而表示。另外，電力轉換效率n依賴於負載的大小而變大。
在本實施方式中，在進行第一工作時，可以使放大電路113、產生三角波的電路等的電源成為截止狀態，而可以降低直流轉換電路101的耗電量。藉由降低直流轉換電路101的耗電量=(Pin -Pout )，即使在負載較小時，也可以提高電力轉換效率n。就是說，在負載較小時，第一工作有效。
另外，在進行第二工作時，可以使控制電路107的脈衝信號的占空比D大於第一工作且D≒1，而可以增大直流轉換電路101的輸出電壓Vout 。藉由增大直流轉換電路101的輸出電壓Vout ，在負載較大時輸出電力Pout 變大，而可以提高電力轉換效率n。就是說，在負載較大時，第二工作有效。
像這樣，具有本實施方式中的直流轉換電路的半導體裝置根據負載而轉換工作，而可以提高電力轉換效率n。
另外，微處理器不僅可以用於直流轉換，而且也可以具有其他功能。例如，在使用照明裝置的情況下，也可以使用微處理器感測周圍的亮度而自動控制照度。像這樣，藉由使裝置具備使用微處理器的感測器功能或控制功能，可以同時實現耗電量的降低及高功能化。另外，這種結構也可以應用於空調、冰箱等家電產品、其他各種電子設備。
本實施方式可以與其他實施方式適當地組合而實施。
實施方式3
在本實施方式中，說明顯示裝置的結構及驅動方法。
本實施方式的顯示裝置具有本發明說明所公開的直流轉換電路和根據其輸出電壓Vout 而進行驅動的顯示面板(也稱為顯示部)。圖1A至4B中的負載115相當於顯示面板。
圖6A是顯示面板的實例。顯示面板具有像素PX、驅動像素PX的驅動電路GD及驅動電路SD。將像素PX配置為矩陣狀。
圖6B示出像素PX的實例。像素PX具有開關用電晶體Ts、液晶元件LC以及電容元件Cs。在電晶體Ts處於導通狀態時，將視頻信號從驅動電路SD藉由佈線S寫入到液晶元件LC，而進行根據該視頻信號的顯示。另外，在電晶體Ts處於截止狀態時，電容元件Cs保持寫入到液晶元件LC的視頻信號，而保持顯示。另外，根據從驅動電路GD藉由佈線G輸入的信號，控制電晶體Ts的導通狀態或截止狀態。但是，像素PX的結構不侷限於上述結構。
這裏，本實施方式的顯示面板(負載115)的特徵在於：進行兩種驅動(第一驅動及第二驅動)。
首先，在第一驅動中，例如，以1秒以上600秒以下的間隔將視頻信號寫入到像素PX。藉由進行第一驅動，在上述間隔中不對像素PX進行寫入，寫入次數下降，而可以降低耗電量。就是說，在第一驅動中，顯示面板中的負載較小。另外，在像素PX中顯示靜態影像時，可以應用第一工作。另外，上述間隔也可以為600秒以上。
這裏，在進行負載較小的第一驅動時，如圖4A所示，在控制電路107中應用第一工作(滯環控制)是有效的。因為第一工作可以降低直流轉換電路的耗電量，所以即使在負載較小時，也可以提高電力轉換效率。
另一方面，在第二驅動中，以1/60秒以下的間隔將視頻信號寫入到像素PX。就是說，以每秒60次以上對像素PX寫入視頻信號。作為上述間隔的具體實例，可以舉出1/60秒(60Hz)、1/120秒(120Hz)或1/240秒(240Hz)等。因為寫入次數多，所以耗電量增大。就是說，在第二驅動中，顯示面板中的負載較大。另外，在像素PX中顯示動態影像時，可以應用第二工作。
這裏，在進行負載較大的第二驅動時，如圖4B所示，在控制電路107中應用第二工作(PWM控制)是有效的。因為第二工作可以使占空比D≒1，所以在負載較大時，可以提高直流轉換電路的輸出電力，而可以提高電力轉換效率。
如上所述，藉由根據顯示面板的驅動方法而轉換直流轉換電路中的控制電路的工作，可以提供一種顯示裝置，其中實現直流轉換電路及顯示面板中的耗電量的降低、直流轉換電路中的電力轉換效率的提高。
接著，參照圖4A和4B及圖6A和6B說明根據顯示面板的驅動(第一驅動及第二驅動)而轉換直流轉換電路的工作(第一工作及第二工作)的具體實例。
在圖4A和4B中，微處理器103對所顯示的電子資料進行解析、計算以及加工而產生視頻信號。另外，這裏說明如下情況：電子資料包括靜態影像和動態影像，進行判別是動態影像還是靜態影像而輸出各個不同的信號(判別信號)的處理。
在所顯示的電子資料為靜態影像時，將表示是靜態影像的判別信號和對應於該靜態影像的電子資料的視頻信號輸入到顯示面板。另外，在所顯示的電子資料為動態影像時，也進行與上述同樣的輸入。此時，將判別信號也輸入到直流轉換電路101，而可以用作圖4A和4B中的控制多工器MUX的外部信號HC-MODE。像這樣，微處理器103可以兼用於直流轉換電路101及顯示面板。
另外，在連續的電子資料的差值為預定的基準值以上時判別其為動態影像，而在連續的電子資料的差值為小於預定的基準值時判別其為靜態影像。可以使用比較器等進行判別。
在顯示面板中，驅動電路GD根據判別信號而控制電晶體Ts的導通狀態或截止狀態。另外，驅動電路SD根據視頻信號而對像素PX進行寫入。另外，也可以具有控制驅動電路GD及驅動電路SD的電路。該電路根據判別信號而將起始信號、時鐘信號、電源電壓輸出到驅動電路GD及驅動電路SD。
在顯示靜態影像時，應用第一驅動，而以1秒以上600秒以下的間隔將視頻信號寫入到像素PX。另外，在顯示動態影像時，應用第二驅動，而以1/60秒以下的間隔將視頻信號寫入到像素PX。
另一方面，在直流轉換電路101中，根據判別信號，控制多工器MUX，而選擇第一工作或第二工作。在表示是靜態影像的判別信號被輸入時，進行圖4A所示的第一工作，而產生輸出電壓Vout 。在表示是動態影像的判別信號被輸入時，進行圖4B所示的第二工作，而產生輸出電壓Vout 。
如上所述，以在顯示面板進行負載小的第一驅動(靜態影像顯示)時直流轉換電路101進行第一工作(滯環控制)，而在顯示面板進行負載大的第二驅動(動態影像顯示)時直流轉換電路101進行第二工作(PWM控制)的方式，根據顯示面板中的負載的大小，可以轉換直流轉換電路101的工作。
本實施方式可以與其他實施方式適當地組合而實施。
實施方式4
在本實施方式中，說明所公開的發明的一個方式的半導體裝置所具有的電晶體的實例。明確地說，說明通道形成區由氧化物半導體層形成的電晶體，即使用氧化物半導體層的電晶體的實例。
本實施方式所示的電晶體的通道形成區由氧化物半導體層形成。該氧化物半導體層是被高純度化並在電方面被本徵(也稱為I型)或者實質上被本徵的氧化物半導體層。“高純度化”是指包括如下兩種的概念：從氧化物半導體去除作為n型雜質的氫，而使其儘量不包含氧化物半導體的主要成分以外的雜質；以及將氧化物半導體的主要成分材料之一的氧提供給氧化物半導體層，而降低起因於氧化物半導體層中的氧缺乏的缺陷。
此外，在被高純度化的氧化物半導體中，載子極少，載子濃度低於1×1012 /cm3 ，較佳低於1×1011 /cm3 。這裏，將載子濃度低於1×1011 /cm3 的半導體稱為“本徵”或“I型”半導體，而將載子濃度為1×1011 /cm3 以上且低於1×1012 /cm3 的半導體稱為“實質上本徵”或“實質上I型”半導體。
因為氧化物半導體中的載子極少，所以可以使截止電流極小。例如，關於使用被高純度化的氧化物半導體層的電晶體的截止電流，可以使每通道寬度1μm的室溫下的截止電流值為1aA/μm(1×10-18 A/μm)以下，甚至為100zA/μm(1×10-19 A/μm)以下。
像這樣，藉由執行以下兩個工作，即去除包含在氧化物半導體層中的氫；以及提供氧而降低起因於氧化物半導體層中的氧缺乏的缺陷，可以使將被高純度化的氧化物半導體層用於電晶體的通道形成區的電晶體的截止電流值極小。因此，可以在長期間中保持儲存在電晶體的源極和汲極中的任何一個中的電荷。
以下，參照圖7A至7D說明其通道形成區由氧化物半導體層形成的電晶體的結構及製造方法的實例。
圖7A至7D是示出其通道形成區由氧化物半導體層形成的電晶體的結構及製程的實例的剖面圖。
圖7D所示的電晶體包括導電層401、絕緣層402、氧化物半導體層403、導電層405以及導電層406。
在基板400上設置有導電層401，在導電層401上設置有絕緣層402，在導電層401上中間夾著絕緣層402設置有氧化物半導體層403，在氧化物半導體層403的一部分上分別設置有導電層405及導電層406。
再者，氧化物半導體層403的上面的一部分(在其上面未設置有導電層405及導電層406的部分)與氧化物絕緣層407接觸。在氧化物絕緣層407上設置有保護絕緣層409。
圖7D所示的電晶體具有底閘結構，也被稱為反交錯型電晶體。另外，該電晶體具有通道蝕刻型結構和單閘結構。但是，電晶體的結構不侷限於此。例如，也可以具有頂閘結構代替底閘結構。另外，也可以具有通道保護型結構代替通道蝕刻型結構。另外，也可以具有多閘極結構代替單閘結構。
以下，參照圖7A至7D說明電晶體的製程。
首先，準備基板400，在基板400上形成第一導電膜。只要基板400是能夠耐受之後的製程的基板，即可。例如，作為基板400，可以使用玻璃基板等絕緣基板、矽基板等半導體基板、金屬基板等導電基板、塑膠等撓性基板等。另外，也可以採用在基板400上設置有絕緣層的結構。在此情況下，絕緣層成為防止來自基板的雜質的擴散的基底。例如，成為基底的絕緣層可以使用氧化矽、氧氮化矽、氮化矽、氧化鉿、氧化鋁或氧化鉭等絕緣層由單層結構或兩層以上的疊層結構而形成。另外，絕緣層較佳儘量不包含氫或水。
作為第一導電膜，例如，可以使用鉬、鈦、鉻、鉭、鎢、鋁、銅、釹或鈧等的金屬材料或以這些為主要成分的合金材料的膜。另外，藉由層疊可以應用於第一導電膜的材料，也可以構成第一導電膜。
接著，利用第一光刻步驟在第一導電膜上形成第一抗蝕劑掩罩，使用第一抗蝕劑掩罩選擇性地蝕刻第一導電膜來形成導電層401，然後去除第一抗蝕劑掩罩。導電層401可以具有電晶體的閘極電極的功能。
接著，在導電層401上形成絕緣層402。絕緣層402具有電晶體的閘極絕緣層的功能。作為絕緣層402，例如，可以使用氧化矽層、氮化矽層、氧氮化矽層、氮氧化矽層、氧化鋁層、氮化鋁層、氧氮化鋁層、氮氧化鋁層或氧化鉿層。另外，藉由層疊可以應用於絕緣層402的材料的層，也可以構成絕緣層。
例如，藉由使用高密度電漿CVD法形成絕緣膜，可以形成絕緣層402。例如，因為當利用使用μ波(例如，頻率為2.45GHz)的高密度電漿CVD法時，可以形成細緻且絕緣耐壓高的高品質的絕緣膜，所以是較佳的。藉由使用高密度電漿CVD法形成絕緣膜以形成高品質絕緣層，可以降低電晶體的閘極絕緣層與通道形成層之間的介面態密度，而得到優良的介面特性。
另外，也可以使用濺射法、電漿CVD法等其他方法形成絕緣層402。另外，也可以在形成絕緣層402之後進行加熱處理。藉由進行該加熱處理，可以改變絕緣層402的性質、以及絕緣層402與氧化物半導體之間的介面特性。
接著，在絕緣層402上形成厚度為2nm以上200nm以下，較佳為5nm以上30nm以下的氧化物半導體膜530。例如，使用濺射法形成氧化物半導體膜530。
另外，較佳在形成氧化物半導體膜530之前，進行引入氬氣體產生電漿的反濺射，而去除附著於絕緣層402表面的粉狀物質(也稱為微粒、塵屑)。反濺射是指不對靶材一側施加電壓而使用RF電源在氬氣圍中對基板一側施加電壓來在基板附近形成電漿以進行表面改性的方法。另外，也可以使用氮、氦、氧等代替氬氣圍。
氧化物半導體膜530可以使用如下氧化物半導體而形成：In-Sn-Ga-Zn-O類、In-Ga-Zn-O類、In-Sn-Zn-O類、In-Al-Zn-O類、Sn-Ga-Zn-O類、Al-Ga-Zn-O類、Sn-Al-Zn-O類、In-Zn-O類、Sn-Zn-O類、Al-Zn-O類、Zn-Mg-O類、Sn-Mg-O類、In-Mg-O類、In-Ga-O類、In-O類、Sn-O類、Zn-O類等。這裏，In-Ga-Zn-O類氧化物半導體是指至少包含In、Ga及Zn的氧化物半導體，且對其組成比沒有限制。另外，也可以包含In、Ga、Zn以外的元素。另外，也可以使上述氧化物半導體包含SiO2 。
另外，氧化物半導體膜530可以使用以化學式InMO3 (ZnO)m (m>0)表示的氧化物半導體而形成。這裏，M表示選自Ga、Al、Mn和Co中的一種或多種金屬元素。例如，作為M，可以使用Ga、Ga及Al、Ga及Mn或Ga及Co等。
例如，可以使用In-Ga-Zn-O類氧化物靶材利用濺射法形成氧化物半導體膜530(參照圖7A)。可以在稀有氣體(典型的是氬)氣圍下、氧氣圍下或稀有氣體和氧的混合氣圍下形成氧化物半導體膜530。
另外，較佳使用例如氫、水、羥基或氫化物等的雜質被去除的高純度氣體作為形成氧化物半導體膜530時的濺射氣體。
接著，利用第二光刻步驟在氧化物半導體膜530上形成第二抗蝕劑掩罩，使用第二抗蝕劑掩罩選擇性地蝕刻氧化物半導體膜530來將氧化物半導體膜530加工為島狀的氧化物半導體層403，然後去除第二抗蝕劑掩罩。
例如，可以使用乾蝕刻、濕蝕刻或乾蝕刻和濕蝕刻的兩者蝕刻氧化物半導體膜530。
接著，對氧化物半導體層進行第一加熱處理。藉由該第一加熱處理，可以進行氧化物半導體層的脫水化或脫氫化。將第一加熱處理的溫度設定為400℃以上且低於基板的應變點的溫度(參照圖7B)。
另外，用於加熱處理的加熱處理裝置不侷限於電爐，也可以使用利用來自電阻發熱體等發熱體的熱傳導或熱輻射加熱被處理物的裝置。作為加熱處理裝置，例如可以使用GRTA(Gas Rapid Thermal Anneal：氣體快速熱退火)裝置或LRTA(Lamp Rapid Thermal Anneal：燈快速熱退火)裝置等的RTA(Rapid Thermal Anneal：快速熱退火)裝置。例如，LRTA裝置是利用從燈如鹵素燈、金鹵燈、氙弧燈、碳弧燈、高壓鈉燈或高壓汞燈等發出的光(電磁波)的輻射加熱被處理物的裝置。另外，GRTA裝置是指使用高溫氣體進行加熱處理的裝置。作為高溫的氣體，例如，使用如氬等的稀有氣體或氮的即使進行加熱處理也不與被處理物產生反應的惰性氣體。
例如，作為第一加熱處理，也可以進行GRTA，在該GRTA中，將基板移動到加熱到650℃至700℃的高溫的惰性氣體中，進行幾分鐘的加熱後，移動基板並從被加熱的惰性氣體中取出該基板。
另外，在使用電爐對氧化物半導體層進行第一加熱處理之後，在維持其加熱溫度的狀態下或在從其加熱溫度降溫的過程中，也可以將純度為6N以上，較佳為7N以上的高純度氧氣或N2 O氣體引入到該電爐。此時，較佳不使氧氣體或N2 O氣體包含水、氫等。藉由利用氧氣或N2 O氣體的作用來提供在利用脫水化或脫氫化處理進行雜質排除步驟時減少的氧，而可以使氧化物半導體層403高純度化。
接著，在絕緣層402和氧化物半導體層403上形成第二導電膜。
作為第二導電膜，例如，可以使用鋁、鉻、銅、鉭、鈦、鉬或鎢等的金屬材料或以這些為主要成分的合金材料的膜。
另外，作為第二導電膜，也可以使用包含導電金屬氧化物的層。作為導電金屬氧化物，例如，可以採用氧化銦(In2 O3 )、氧化錫(SnO2 )、氧化鋅(ZnO)、氧化銦氧化錫合金(In2 O3 -SnO2 ，簡稱為ITO)、氧化銦氧化鋅合金(In2 O3 -ZnO)或者使這些金屬氧化物材料含有氧化矽的材料。
另外，藉由層疊可以應用於第二導電膜的膜，也可以構成第二導電膜。
接著，利用第三光刻步驟在第二導電膜上形成第三抗蝕劑掩罩，使用第三抗蝕劑掩罩選擇性地進行蝕刻來形成導電層405及導電層406，然後去除第三抗蝕劑掩罩(參照圖7C)。導電層405及導電層406分別具有電晶體的源極電極或電晶體的汲極電極的功能。
接著，在氧化物半導體層403、導電層405以及導電層406上形成氧化物絕緣層407。此時，氧化物絕緣層407接觸於氧化物半導體層403的上面的一部分而形成。
將氧化物絕緣層407的厚度至少設定為1nm以上，並且可以使用濺射法等的防止水、氫等的雜質混入到氧化物絕緣層407的方法來形成氧化物絕緣層407。如果氧化物絕緣層407含有氫，會導致該氫向氧化物半導體層的侵入或者由該氫引起的氧化物半導體層中的氧的抽出，從而導致氧化物半導體層的背通道低電阻化(N型化)而形成寄生通道。因此，較佳使用不使用氫的方法作為氧化物絕緣層407的製造方法，以使氧化物絕緣層407成為儘量不包含氫的層。
例如，作為氧化物絕緣層407，使用濺射法形成厚度為200nm的氧化矽膜。將形成膜時的基板溫度設定為室溫以上300℃以下即可。例如，可以在稀有氣體(典型的是氬)氣圍下、氧氣圍下或稀有氣體和氧的混合氣圍下形成氧化物絕緣層407。
另外，用來形成氧化物絕緣層407的靶材，例如，可以使用氧化矽靶材或矽靶材等。作為在形成氧化物絕緣層407時使用的濺射氣體，較佳使用例如氫、水、羥基或氫化物等雜質被去除的高純度氣體。
另外，在形成氧化物絕緣層407之前，也可以進行使用N2 O、N2 或Ar等的氣體的電漿處理，來去除附著到露出的氧化物半導體層403的表面的吸附水等。在進行電漿處理的情況下，較佳以不接觸大氣的方式形成接觸於氧化物半導體層403的上面的一部分的氧化物絕緣層407。
再者，在形成氧化物絕緣層407之後，也可以在惰性氣體氣圍或氧氣氣圍下進行第二熱處理(較佳在200℃以上400℃以下，例如250℃以上350℃以下)。例如，作為第二加熱處理，可以在氮氣圍下以250℃進行加熱處理1小時。在第二加熱處理中，在氧化物半導體層403的上面的一部分與氧化物絕緣層407接觸的狀態下進行加熱。
此外，當作為氧化物絕緣層407使用包括很多缺陷的氧化矽層時，藉由在形成氧化矽層之後進行的加熱處理將包含在氧化物半導體層403中的氫、水分、羥基或氫化物等的雜質擴散到氧化物絕緣層407中，而進一步減少包含在氧化物半導體層403中的該雜質。另外，在進行第二熱處理之後，也可以進行使用氧或鹵素(氟或氯等)的摻雜處理。作為摻雜處理，較佳使用電感耦合電漿方式的電漿摻雜法。藉由進行該摻雜處理，由氧或鹵素抽出而去除氧化物半導體層403中的氫。另外，即使在進行第二熱處理之前、在形成氧化物絕緣層407之前、在形成導電層405及導電層406之前、在進行第一熱處理之前或在形成氧化物半導體層403之前進行該摻雜處理，也可以得到同樣的效果。另外，藉由利用使用μ波(例如，頻率為2.45GHz)產生的高密度電漿進行處理，可以降低氧化物半導體層403與絕緣層402之間的介面態密度，而得到優良的介面特性。
也可以在氧化物絕緣層407上形成保護絕緣層409。作為保護絕緣層409，例如，可以使用無機絕緣層如氮化矽層、氮化鋁層、氮氧化矽層或氮氧化鋁層等。另外，藉由層疊可以應用於保護絕緣層409的材料的層，也可以構成保護絕緣層409。例如，可以使用RF濺射法形成保護絕緣層409。由於RF濺射法的量產性高，所以其作為保護絕緣層409的成膜方法是較佳的。
也可以在形成保護絕緣層409之後，在大氣氣圍中以100℃以上200℃以下進行1小時以上30小時以下的加熱處理。在該加熱處理中，既可以保持一定的加熱溫度地進行加熱，又可以反復從室溫到100℃以上200℃以下的加熱溫度的升溫和從加熱溫度到室溫的降溫多次。
經過以上步驟，可以從氧化物半導體層排除氫、水分、羥基或氫化物(也稱為氫化合物)等雜質並將氧提供給氧化物半導體層。由此，可以使氧化物半導體層高純度化。根據以上步驟，製造使用被高純度化的氧化物半導體層的電晶體。
另外，電晶體的結構不侷限於圖7D所示的電晶體。圖7D所示的電晶體具有底閘結構。另外，具有通道蝕刻型結構。另外，具有單閘結構。但是，電晶體也可以具有頂閘結構。另外，也可以具有通道保護型結構代替通道蝕刻型結構。另外，也可以具有多閘極結構代替單閘結構。即使電晶體的結構不同，也可以適當地援用圖7D所示的電晶體所具有的各層的形成方法作為電晶體所具有的各層的形成方法。
對於本實施方式所示的使用被高純度化的氧化物半導體層的電晶體，在85℃的溫度下，以2×106 V/cm進行12小時的閘極偏壓-熱應力測試(BT測試)。結果，電晶體的電特性幾乎沒有變化，而可以得到具有穩定的電特性的電晶體。
本實施方式所示的被高純度化的氧化物半導體層中的載子濃度可以為低於1×1012 /cm3 ，甚至為低於1×1011 /cm3 ，而可以抑制由溫度變化導致的特性變化。
與使用矽等的電晶體相比，本實施方式所示的使用被高純度化的氧化物半導體層的電晶體具有截止電流非常小的電特性。例如，在使用被高純度化的氧化物半導體層的電晶體中，可以使室溫下的截止電流(每通道寬度1μm)為1aA/μm(1×10-18 A/μm)以下，甚至為100zA/μm(1×10-19 A/μm)以下。
本實施方式所示的使用被高純度化的氧化物半導體層的電晶體即使在溫度變化時也可以使電晶體的截止電流值在上述值的範圍內。例如，即使電晶體的溫度為150℃，也可以使電晶體的截止電流為100zA/μm以下。
像這樣，可以使將被高純度化的氧化物半導體層用於電晶體的通道形成區的電晶體的截止電流值極小。因此，可以在長期間中保持儲存在電晶體的源極和汲極中的任何一個中的電荷。
例如，藉由將上述電晶體應用於圖6B中的像素PX的電晶體Ts，可以抑制起因於電晶體Ts的截止電流的像素的顯示狀態的變動，而可以延長對應於一次視頻信號的寫入的單位像素的保持期間。因此，可以延長視頻信號的寫入的間隔。例如，視頻信號的寫入間隔可以為1秒以上，較佳為60秒以上，更佳為600秒以上。另外，因為在不寫入視頻信號時可以停止在寫入視頻信號時工作的電路，所以可以實現：視頻信號的寫入間隔越長，耗電量越低。就是說，可以減小顯示面板中的負載。
另外，藉由將上述電晶體應用於圖1A至1D等中的直流轉換電路101的電晶體Tr，可以使截止電流值極小，而可以使直流轉換電路101的輸出電壓穩定。就是說，可以提高直流轉換電路101的可靠性。
本實施方式可以與其他實施方式適當地組合而實施。
101．．．直流轉換電路
103．．．微處理器
105．．．轉換電路
107．．．控制電路
109．．．比較電路
111．．．邏輯電路
113．．．放大電路
115．．．負載
400．．．基板
401．．．導電層
402．．．絕緣層
403．．．氧化物半導體層
405．．．導電層
406．．．導電層
407．．．氧化物絕緣層
409．．．保護絕緣層
530．．．氧化物半導體膜
在附圖中：
圖1A至1D是示出半導體裝置的實例的圖；
圖2A和2B是示出半導體裝置及時序圖的實例的圖；
圖3A和3B是示出半導體裝置的實例的圖；
圖4A和4B是示出半導體裝置的實例的圖；
圖5是示出時序圖的實例的圖；
圖6A和6B是示出顯示裝置的實例的圖；
圖7A至7D是示出半導體裝置的實例的圖。
103．．．微處理器
105．．．轉換電路
107．．．控制電路
109．．．比較電路
111．．．邏輯電路
115．．．負載

Claims (24)

  1. 一種包括直流轉換電路的半導體裝置，該直流轉換電路包括：佈線；轉換電路，該轉換電路包括：電晶體，該電晶體包括汲極端子和源極端子；比較電路，該比較電路包括：與該轉換電路的輸出端子電連接的輸入端子；邏輯電路，該邏輯電路包括：與該比較電路的輸出端子電連接的第一輸入端子；與該佈線電連接的第二輸入端子；以及與該電晶體的閘極電連接的輸出端子；以及第一多工器，夾置在該邏輯電路之該輸出端子與該電晶體之該閘極之間。
  2. 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該半導體裝置是在像素中包括第二電晶體的顯示裝置，該第二電晶體包括氧化物半導體層。
  3. 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，還包括與該直流轉換電路的輸出電連接的負載，其中該比較電路的該輸入端子根據輸入到該負載中的信號而與該轉換電路的該輸出端子電連接。
  4. 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中在該比較電路的該輸入端子與該轉換電路的該輸出端子之間夾 有第二多工器。
  5. 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中，該比較電路經組配比較該轉換電路的輸出和基準信號，其中，該邏輯電路經組配計算該比較電路的輸出和時鐘信號，並且其中，在該轉換電路中，該電晶體經組配根據該邏輯電路的輸出而控制流過該源極端子及該汲極端子的電流並根據流過該源極端子及該汲極端子的該電流而產生該轉換電路的該輸出。
  6. 一種顯示裝置，包括：驅動電路；以及直流轉換電路，該直流轉換電路與該驅動電路電連接，並包括：佈線；轉換電路，該轉換電路包括：電晶體，該電晶體包括汲極端子和源極端子；比較電路，該比較電路包括：與該轉換電路的輸出端子電連接的輸入端子；邏輯電路，該邏輯電路包括：與該比較電路的輸出端子電連接的第一輸入端子；與該佈線電連接的第二輸入端子；以及 與該電晶體的閘極電連接的輸出端子；以及第一多工器，夾置在該邏輯電路之該輸出端子與該電晶體之該閘極之間。
  7. 根據申請專利範圍第6項之顯示裝置，其中該佈線經組配傳輸時鐘信號。
  8. 根據申請專利範圍第6項之顯示裝置，其中該佈線與微處理器電連接。
  9. 根據申請專利範圍第6項之顯示裝置，其中該邏輯電路是AND電路。
  10. 根據申請專利範圍第6項之顯示裝置，還在像素中包括第二電晶體，該第二電晶體包括氧化物半導體層。
  11. 根據申請專利範圍第6項之顯示裝置，其中該比較電路的該輸入端子根據輸入到該驅動電路中的信號而與該轉換電路的該輸出端子電連接。
  12. 根據申請專利範圍第6項之顯示裝置，其中在該比較電路的該輸入端子與該轉換電路的該輸出端子之間夾有第二多工器。
  13. 根據申請專利範圍第6項之顯示裝置，其中，該比較電路經組配比較該轉換電路的輸出和基準信號，其中，該邏輯電路經組配計算該比較電路的輸出和時鐘信號，其中，在該轉換電路中，該電晶體經組配根據該邏輯電路的輸出而控制流過該源極端子及該汲極端子的電流並 根據流過該源極端子及該汲極端子的該電流而產生該轉換電路的該輸出，並且其中，根據該轉換電路的該輸出而驅動顯示部的像素。
  14. 一種包括直流轉換電路的半導體裝置，該直流轉換電路包括：佈線；轉換電路，該轉換電路包括：電晶體，該電晶體包括汲極端子和源極端子；放大電路，該放大電路與該轉換電路的輸出端子電連接；第一多工器，該第一多工器包括：與該轉換電路的該輸出端子電連接的第一輸入端子；以及與該放大電路的輸出端子電連接的第二輸入端子；比較電路，該比較電路包括：與該第一多工器的輸出端子電連接的輸入端子，該輸出端子經組配輸出一信號，該信號對應於該轉換電路之輸出端子之電位；邏輯電路，該邏輯電路包括：與該比較電路的輸出端子電連接的第一輸入端子；以及與該佈線電連接的第二輸入端子；以及 第二多工器，該第二多工器包括：與該邏輯電路的輸出端子電連接的第一輸入端子；與該比較電路的輸出端子電連接的第二輸入端子；以及與該電晶體的閘極電連接的輸出端子。
  15. 根據申請專利範圍第1或14項之半導體裝置，其中該佈線經組配傳輸時鐘信號。
  16. 根據申請專利範圍第1或14項之半導體裝置，其中該佈線與微處理器電連接。
  17. 根據申請專利範圍第1或14項之半導體裝置，其中該邏輯電路是AND電路。
  18. 根據申請專利範圍第14項之半導體裝置，其中該半導體裝置是顯示裝置，並還包括與該直流轉換電路電連接的驅動電路。
  19. 根據申請專利範圍第18項之半導體裝置，還在像素中包括第二電晶體，該第二電晶體包括氧化物半導體層。
  20. 根據申請專利範圍第14項之半導體裝置，其中該第一多工器的第三輸入端子及該第二多工器的第三輸入端子與控制佈線連接。
  21. 根據申請專利範圍第14項之半導體裝置，其中，該半導體裝置經組配進行第一工作和第二工作中的其中一種，該第一工作為如下：該比較電路比較該轉 換電路的輸出和第一基準信號，而該邏輯電路計算該比較電路的輸出和時鐘信號，該第二工作為如下：該放大電路放大該轉換電路的該輸出與第二基準信號之間的差值，而該比較電路比較該放大電路的輸出和三角波信號，並且其中，在該轉換電路中，該電晶體根據利用該第一工作獲取的該邏輯電路的輸出或利用該第二工作獲取的該比較電路的輸出而控制流過該源極端子及該汲極端子的電流並根據流過該源極端子及該汲極端子的該電流而產生該轉換電路的該輸出。
  22. 根據申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中，該轉換電路包含電感元件，其中，該電晶體之該源極端子及該汲極端子之一連接至該電感元件；以及其中，該轉換電路之該輸出端子經組配以輸出信號，該信號對應於由該電感元件以及該源極端子和該汲極端子其中一者之間的連接而形成之節點的電位。
  23. 根據申請專利範圍第6項之半導體裝置，其中，該轉換電路包含電感元件，其中，該電晶體之該源極端子及該汲極端子之一連接至該電感元件；以及其中，該轉換電路之該輸出端子經組配以輸出信號，該信號對應於由該電感元件以及該源極端子和該汲極端子其中一者之間的連接而形成之節點的電位。
  24. 根據申請專利範圍第14項之半導體裝置， 其中，該轉換電路包含電感元件，其中，該電晶體之該源極端子及該汲極端子之一連接至該電感元件；以及其中，該轉換電路之該輸出端子輸出電位，該電位對應於由該電感元件以及該源極端子和該汲極端子其中一者之間的連接而形成之節點的電位。
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