JP2006295121A - 薄膜トランジスタを用いた液晶表示装置及びその製造方法 - Google Patents

薄膜トランジスタを用いた液晶表示装置及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】薄膜トランジスタを用いた液晶表示装置及びその製造方法において、生産工程を簡素化すると共に、ソース配線とゲート配線の配線抵抗の増加を防ぐ。
【解決手段】絶縁基板11上に形成された第1の光透過型感光性樹脂12の開口部に、ゲート電極13とソース配線201’と画素コンタクト層21’とを形成する。これらの上にゲート絶縁膜14と半導体層15とオーミックコンタクト層(n+半導体層)16と保護膜17を形成する。さらに、第2の光透過型感光性樹脂12’の開口部に、ソース電極19とドレイン電極19’と画素電極21とを形成する。また、第2の光透過型感光性樹脂の開口部に形成されるクロス部接続配線は、ソース配線又はゲート配線と同じく、インクジェット塗布された銀微粒子を含有するインクが焼成されてできた焼成銀である。
【選択図】図2

Description

本発明は、インクジェット塗布により形成されたゲート電極及びソース・ドレイン電極を有する薄膜トランジスタを用いた液晶表示装置及びその製造方法に関する。
アクティブマトリクス型の液晶表示装置に用いられる薄膜トランジスタ(TFT)の構成は、基板上に、クロム等の金属膜からなるゲート電極と、SiNxからなるゲート絶縁膜と、アモルファスシリコンからなる半導体層と、リン等の不純物をドープしたオーミックコンタクト層と、クロム等の金属膜からなるソース電極及びドレイン電極と、保護膜とが、この順で積層されている。
上記薄膜トランジスタは、多数の薄膜をガラス基板に形成し、その薄膜にフォトリソグラフィ工程を実施することによって製造されている。しかし、薄膜の形成及びパターニングには、スパッタ装置、CVD装置及びエッチング装置等の高価かつ低スループットで複雑な真空装置を使用しなければならず、これは工程を非常に複雑にすると共に製造原価を増加させる結果を招く。
そこで、可及的に大気圧雰囲気中で薄膜トランジスタを製造することが下記特許文献1に記載されている。この特許文献1には、薄膜トランジスタのゲート電極膜を、導電材料を含有する液体材料を用いて、インクジェット法によって形成し、また、薄膜トランジスタのソース領域及びドレイン領域を、半導体材料を含有する液体材料を用いて、インクジェット法によって形成することが記載されている。
また、下記特許文献2には、フォトリソ工程を削減し、生産工程を簡略化する手段として、ゲートバスラインとソースバスラインを同層に形成し、画素電極形成時に、画素電極の層にてクロス部にて切断されているソースバスラインを架橋する方法が記載されている。に開示されている。
特開2003−318193号公報 特開平9−265113号公報
上記特許文献1に記載の薄膜トランジスタの製造において、インクジョット法により真空装置の数を減らし生産工程を削減しているが、依然として、その生産工程数が多く、薄膜トランジスタを低廉かつ高スループットで製造することができない。
また、上記特許文献2に記載の方法では、画素電極には、酸化インジウム錫(ITO)等の高比抵抗(比抵抗=100〜1000μΩ・cm)の透明電極材料を用いているため、ソースバスラインを接続する架橋部で大きな抵抗が発生する。
通常、バスラインには、比抵抗<3μΩ・cm程度のメタルを用いるが、架橋部の長さをバスラインの長さの5%〜1%程度に設計しても、バスラインの抵抗値は1.3倍〜3倍になる。また、架橋部の長さを5%以下に設計するのは実際問題として不可能である。さらに、比抵抗の低いバスラインのメタルと比抵抗の高いITOとの間に接触抵抗(コンタクト抵抗)が発生し、架橋部での接触抵抗を更に大きくする。
今後のLCD−TVの主流となる100インチクラスも視野に入れた大型、高精細パネルでは、配線抵抗が1%でも増加する方法は使えない。
そこで、本発明は、薄膜トランジスタを用いた液晶表示装置及びその製造方法において、生産工程を簡略化すると共に、ソース配線とゲート配線の配線抵抗を増加させずに、配線抵抗を小さくすることを目的とする。
第1の光透過型感光性樹脂の開口部に、金属微粒子を含有するインクを用いたインクジェット法により、薄膜トランジスタのソース配線及びゲート配線と画素コンタクト層及びクロス部接続配線を除く補助容量配線を同時に形成する。
第2の光透過型感光性樹脂の開口部に、薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極と画素電極及びクロス部接続配線を、インクジェット法により同時に、夫々別々のインクで形成する。
特に、クロス部接続配線には、ソース配線又はゲート配線と同種の金属微粒子を含有するインクを用いてソース配線又はゲート配線を接続する。
インクジェット配線プロセスを使っているので高価な真空装置(スパッタ装置、メタルエッチング装置)が不要で、製造費用を節減することができる。かつ、製造工程数を大幅に削減しているので、更に大幅に製造費用を削減することができる。また、手順の大幅な短縮により、在庫不要のオンデマンド方式の生産も可能になる。
また、1枚のフォトマスクで、同時に多種類の配線パターンをインクジェット塗布できるように光透過型感光性樹脂を用いてパターニングし、パターニングされた光透過型感光性樹脂は、インクジェット配線用であると共に、エッチングマスクとしても使用できる。
特に、第2の光透過型感光性樹脂の開口部に形成するクロス部接続配線には、ソース配線又はゲート配線と同種の金属微粒子を含有するインクを用いるので、少ないマスク数でも配線抵抗を増加させることがない。
さらに、これまで、配線抵抗を増加させずに、配線抵抗を小さくし、マスク枚数を減らした薄膜トランジスタ(TFT)アレイとその製造方法は知られていない。
以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明する。
図1は、本発明に係る薄膜トランジスタを用いたアクティブマトリクス型の液晶表示装置の概略図であって、走査線駆動回路100によって選択された走査線101に対応して、データ線駆動回路200からデータ線201を介して薄膜トランジスタ10にデータ(電圧)が供給される。
薄膜トランジスタ10は、走査線101とデータ線201との交差部に設けられ、薄膜トランジスタ10のゲート電極13には、走査線101が接続され、薄膜トランジスタ10のソース電極19には、データ線201が接続されている。
薄膜トランジスタ10のドレイン電極19’は、液晶素子20の画素電極21に接続され、液晶素子20は、画素電極21と共通電極22との間にあって、画素電極21に供給されるデータ(電圧)により駆動される。なお、データ(電圧)を一時保持するための補助容量23が、ドレイン電極19’と補助容量配線24との間に接続されている。
図2は、図1に示すマトリクス状に配置された薄膜トランジスタ10の断面図であって、ソース配線201’、ゲート電極13及び画素コンタクト層21’は、金属微粒子を含有するインクを用いたインクジェット塗布により、絶縁基板(ガラス基板)11上に形成した第1の光透過型感光性樹脂12の開口部に形成される。
また、ソース電極19、ドレイン電極19’及び画素電極21は、最後に形成された第2の光透過型感光性樹脂12’の開口部に、金属微粒子を含有するインクを用いたインクジェット塗布により形成される。
なお、14はゲート絶縁膜、15は半導体層、16はn+半導体層(オーミックコンタクト層)、17は保護膜である。
図3は、図2に示す薄膜トランジスタ10のゲート・ソース配線工程であって、まず、洗浄された絶縁基板11上に第1の光透過型感光性樹脂12を塗布し、同図(a)に示すように、パターン部(ゲート配線101’、ソース配線201’、補助容量配線24’、ゲート電極13及び画素コンタクト層21’)を形成した第1のフォトマスクを用いて露光・現像・焼成する。
なお、薄膜トランジスタ部の破線A−A’と、配線のクロス部の破線B−B’及びC−C’の断面図を同図(b)、(c)に示す。また、配線のクロス部の破線B−B’は、ゲート配線101’を連続した配線とし、ソース配線201’を断続した配線としたが、ゲート配線101’を断続した配線とし、ソース配線201’を連続した配線としてもよい。この場合の断面図は、破線C−C’の断面図と同じになる。
次に、同図(b)に示すように、パターン部以外を撥水処理し、パターン部を親水処理することで、インクジェット塗布による金属微粒子(銀微粒子)を含有するインクがパターン部に集中するように塗布する。その後、パターン部の金属微粒子を含有するインクを本焼成する。なお、補助容量配線24’は、透明導電体(ITO)をインクジェット塗布する。
最後に、同図(c)に示すように、パターン部にNiからなるキャップメタル30として、同じくインクジェット塗布により、インクを塗布して、本焼成する。
図4は、図3に続く薄膜トランジスタの形成工程であって、同図(a)に示すように、順次、SiNxからなるゲート絶縁膜14、a−Siの半導体膜(半導体層)15、n+半導体膜(オーミックコンタクト層)16を成膜する。なお、破線A−A’は、同図(b)に示す薄膜トランジスタ部40の断面図、破線B−B’及びC−C’は、配線のクロス部41の断面図を示す。
次に、レジストを塗布し、同図(b)に示すように、薄膜トランジスタ部40と配線のクロス部41とを島状に形成するためのアイランドパターンマスクを用いて、レジストを露光・現像する。なお、薄膜トランジスタのゲート電極13上はハーフ露光42する。同図(c)にレジストの現像後の断面図を示す。なお、薄膜トランジスタ部40の破線A−A’と、配線のクロス部41の破線B−B’及びC−C’の断面図を同図(c)、(d)に示す。
最後に、同図(d)に示すように、n+半導体膜16と半導体膜15とをドライエッチングする。
さらに、図5は、図4に続く薄膜トランジスタの形成工程であって、同図(a)の平面図及び同図(b)の断面図に示すように、島状に形成された薄膜トランジスタ部40と配線のクロス部41の周囲にレジスト50をインクジェット塗布により形成する。なお、薄膜トランジスタ部40の破線A−A’と、配線のクロス部41の破線B−B’及びC−C’の断面図を同図(b)、(c)、(d)に示す。
次に、同図(c)に示すように、ゲート絶縁膜14をCF4/O2によりドライエッチング(キャップアッシ)すると共に、ハーフ露光部42を除去し、SF6/Cl2によりハーフ露光部42におけるn+半導体膜16をドライエッチングする。
最後に、同図(d)に示すように、レジスト50を剥離して、SiNxからなる保護膜17を形成する。
図6は、図5に続く画素形成工程であって、まず、第2の光透過型感光性樹脂12’を塗布し、同図(a)に示すように、パターン部(ゲート配線101’、ソース配線201’、薄膜トランジスタ部40、配線のクロス部41)を形成した第2のフォトマスクを用いて露光・現像・焼成する。なお、薄膜トランジスタ部40の破線A−A’と、配線のクロス部41の破線B−B’及びC−C’の断面図を同図(b)、(c)、(d)に示す。
次に、同図(c)に示すように、保護膜17及びキャップメタル30をエッチングした後に、同図(d)に示すように、インクジェット塗布により、ソース電極19、ドレイン電極19’、画素電極21及びクロス部接続配線60を形成し、本焼成する。なお、ソース電極19、ドレイン電極19’は、低抵抗バリアメタルとし、画素電極21は、透明導電体(ITO)とし、クロス部接続配線60は、銀微粒子を使用する。この平面図を図7に示す。
図7は、図6(d)の平面図であって、図2に示す薄膜トランジスタ10が、図1に示すように、マトリクス状に配置された場合の平面図である。第2の光透過型感光性樹脂12’の開口部に、ソース電極19、ドレイン電極19’、画素電極21及びクロス部接続配線60が形成されている。
図8は、図1に示す薄膜トランジスタ10の断面図であって、図2に示す薄膜トランジスタ10の断面図と異なるのは、オーミックコンタクト層(n+半導体層)16と保護層17の構成である。以下、この薄膜トランジスタの製造工程を説明する。まず、ゲート・ソース配線工程は、図3に示す工程と同じで、次の薄膜トランジスタの形成工程を図9に示す。
図9は、図3のゲート・ソース配線工程に続く薄膜トランジスタの形成工程であって、同図(a)に示すように、ゲート絶縁膜14、a−Si半導体膜15及び保護膜17を順次形成する。なお、破線A−A’は、同図(b)に示す薄膜トランジスタ部40の断面図であり、また、破線B−B’及び破線C−C’は、同図(b)に示す配線のクロス部41の断面図である。
次に、図6(a)と同様に、第2の光透過型感光性樹脂12’を塗布し、図9(b)に示すように、ゲート配線101’上と、ソース配線201’上と、薄膜トランジスタ部40及び配線のクロス部41とを島状に形成するための第2のフォトマスクを用いて、露光・現像・焼成する。なお、薄膜トランジスタ部40と、配線のクロス部41と、同図(c)に示すように画素コンタクト層21’上の一部をハーフ露光42する。
図10は、図9に続く薄膜トランジスタの形成工程であって、同図(a)に示すように、保護膜17をDHFウエット又はCF4でエッチングする。次に、同図(b)に示すように、半導体膜15及びハーフ露光部42をSF6でドライエッチングする。
次に、レジスト110を、同図(c)に示すように、薄膜トランジスタ部40及び配線のクロス部41以外の領域にインクジェット塗布する。この断面図を同図(d)に示す。
図11は、図10に続く薄膜トランジスタの形成工程であって、同図(a)に示すように、ゲート絶縁膜14及び保護膜17をCF4又はC28でドライエッチングする。次に、同図(b)に示すように、Pイオンをドープし、オーミックコンタクト層(n+半導体層)16を形成する。次に、同図(c)に示すように、レジスト110を剥離した後、同図(d)に示すように、キャップメタル30をDHFで選択エッチングする。
図12は、図11に続く薄膜トランジスタの形成工程及び画素電極形成工程であって、同図(a)に示すように、ソース電極19、ドレイン電極19’、画素電極21及びクロス部接続配線60をインクジェット塗布により形成する。この平面図を同図(b)に示す。
図13は、図1に示す薄膜トランジスタ10の断面図であって、図8に示す薄膜トランジスタ10の断面図と異なるのは、第2の光透過型感光性樹脂12’を省略したことである。以下、この薄膜トランジスタの製造工程を説明する。まず、ゲート・ソース配線工程は、図3に示す工程と同じである。また、次に続く薄膜トランジスタの形成工程は、図9、図10、図11(b)に示す工程までは、同じである。図11(b)に続く工程を図14に示す。
図14において、図11(c)(d)と異なるのは、まず、同図(a)に示すように、キャップメタル30のエッチングを行い、次に、同図(b)に示すように、第2の光透過型感光性樹脂12’及びレジスト110の剥離を行う点である。
図15は、図14に続く薄膜トランジスタの形成工程及び画素電極形成工程であって、同図(a)に示すように、ソース電極19、ドレイン電極19’、画素電極21及びクロス部接続配線60をインクジェット塗布により形成する。この平面図を同図(b)に示す。
先の実施例に基づき32型ワイド、1920×RGB×1080ピクセルのフルハイビジョン(フルHD)対応TFTアレイを1例として下記(1)〜(3)の仕様で作製した。また、比較例1として公知例に基づき同様の仕様で32型ワイドTFTアレイを作製した。
(1)ソース配線長:400mm、配線幅:10μm、配線材料:銀(Ag)(比抵抗2.5μΩcm)、膜厚:0.5μm
(2)ソース配線のクロス部接続配線長:20μm(計1080箇所)、接触面積:10μm×10μm(計2160箇所)
(3)クロス部接続配線材料:本発明:銀(Ag)(比抵抗2.5μΩcm)、比較例1:ITO(比抵抗100μΩcm)
なお、ストレート配線の抵抗値は2kΩであった。
この結果、本発明によるソース配線抵抗は、クロス部接続配線のないストレートのソース配線抵抗に比して1%未満の増加でしかなかった。このようなソース配線の配線抵抗の内訳及び比コンタクト抵抗を比較例と併せて下記表1、表2に示す。
同じく、先の実施例に基づき32型ワイド、1920×RGB×1080ピクセルのフルハイビジョン(フルHD)対応TFTアレイを1例として下記(1)〜(3)の仕様で作製した。また、比較例2として、公知例の架橋部(本発明ではクロス部接続配線という)が、銀(Ag)で接続できるように、画素部用のマスクと架橋部用のマスクを別々に作成して同様の仕様で32型ワイドTFTアレイを作製した。
(1)ソース配線長:400mm、配線幅:10μm、配線材料:銀(Ag)(比抵抗2.5μΩcm)、膜厚:0.5μm
(2)ソース配線のクロス部接続配線長:20μm(計1080箇所)、接触面積:10μm×10μm(計2160箇所)
(3)クロス部接続配線材料:本発明:焼成銀(比抵抗2.5μΩcm)、比較例2:スパッタ銀(Ag)(比抵抗2.5μΩcm)
なお、ストレート配線の抵抗値は2kΩであった。
この結果、本発明のソース配線抵抗は、クロス部接続配線のないストレートの配線抵抗に比して1%未満の増加でしかなかったが、スパッタ銀(Ag)による接続では10%を超えて増加した。このようなソース配線抵抗の内訳及び比コンタクト抵抗を比較例2と併せて下記表3、表4に示す。
本発明に係る液晶表示装置の概略図 本発明に係る薄膜トランジスタの断面図 図2に示す薄膜トランジスタのゲート・ソース配線工程図 図3に続く薄膜トランジスタの形成工程図 図4に続く薄膜トランジスタの形成工程図 図5に続く画素形成工程図 図3ないし図6で形成された薄膜トランジスタの平面図 本発明に係る他の薄膜トランジスタの断面図 図8に示す薄膜トランジスタの形成工程図 図9に続く薄膜トランジスタの形成工程図 図10に続く薄膜トランジスタの形成工程図 図11に続く薄膜トランジスタの形成工程図と薄膜トランジスタの平面図 本発明に係るさらに他の薄膜トランジスタの断面図 図13に示す薄膜トランジスタの形成工程図 図14に続く薄膜トランジスタの形成工程図と薄膜トランジスタの平面図
符号の説明
10…薄膜トランジスタ、11…絶縁基板、12…第1の光透過型感光性樹脂、12’…第2の光透過型感光性樹脂、13…ゲート電極、14…ゲート絶縁膜、15…半導体層(アモルファスシリコン)、16…オーミックコンタクト層(n+半導体層)、17…保護膜、19…ソース電極、19’…ドレイン電極、20…液晶素子、21…画素電極、21’…画素コンタクト層、22…共通電極、23…補助容量、24…補助容量配線、24’…補助容量配線、40…薄膜トランジスタ部、41…クロス部、42…ハーフ露光部、50…レジスト、60…クロス部接続配線、100…走査線駆動回路、101…走査線、101’…ゲート配線、110…レジスト、200…データ線駆動回路、201…データ線、201’…ソース配線

Claims (12)

  1. 絶縁基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、半導体層、オーミックコンタクト層、ソース電極、ドレイン電極、保護膜を順次形成した薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタをマトリクス状に配置し、ゲート電極が形成されているゲート配線と、ソース電極に接続されるソース配線と、ゲート配線又はソース配線にクロス部接続配線とを備えた液晶表示装置において、
    前記ゲート配線、ソース配線、クロス部接続配線のうち、少なくともゲート配線とソース配線は、光透過型感光性樹脂の開口部に形成されていることを特徴とする液晶表示装置
  2. 前記ゲート配線、ソース配線、クロス部接続配線は、焼成銀であることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置
  3. 絶縁基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、半導体層、オーミックコンタクト層、ソース電極、ドレイン電極、保護膜を順次形成した薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタをマトリクス状に配置し、ドレイン電極に画素コンタクト層を介して接続される画素電極と、ゲート電極が形成されているゲート配線と、ソース電極に接続されるソース配線と、補助容量に接続される補助容量配線と、ゲート配線とソース配線のいずれか一方の配線と補助容量配線にクロス部接続配線とを備えた液晶表示装置において、
    前記画素コンタクト層、ゲート配線、ソース配線、クロス部接続配線を除く補助容量配線は、光透過型感光性樹脂の開口部に形成されていることを特徴とする液晶表示装置
  4. 前記オーミックコンタクト層は、n+層であることを特徴とする請求項3に記載の液晶表示装置
  5. 前記オーミックコンタクト層は、半導体層をイオンドープしたn+層であることを特徴とする請求項3に記載の液晶表示装置
  6. 前記画素コンタクト層、ゲート配線、ソース配線、クロス部接続配線を除く補助容量配線は、インクジェット塗布にて、光透過型感光性樹脂の開口部に形成されていることを特徴とする請求項3に記載の液晶表示装置
  7. 前記ソース電極、ドレイン電極、画素電極、クロス部接続配線は、インクジェット塗布にて形成されていることを特徴とする請求項3に記載の液晶表示装置
  8. 前記補助容量配線と画素電極は、透明導電体をインクジェット塗布することにより形成されていることを特徴とする請求項3に記載の液晶表示装置
  9. 絶縁基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、半導体層、オーミックコンタクト層、ソース電極、ドレイン電極、保護膜を順次形成した薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタをマトリクス状に配置し、ドレイン電極に画素コンタクト層を介して接続される画素電極と、ゲート電極が形成されているゲート配線と、ソース電極に接続されるソース配線と、補助容量に接続される補助容量配線と、ゲート配線とソース配線のいずれか一方の配線と補助容量配線にクロス部接続配線とを備えた液晶表示装置の製造方法において、
    前記画素コンタクト層、ゲート配線、ソース配線、クロス部接続配線を除く補助容量配線は、フォトマスクで、これら層及び配線を同時にパターン形成した光透過型感光性樹脂の開口部に、インクジェット塗布にて、同一層に同時に形成されることを特徴とする液晶表示装置の製造方法
  10. 前記画素コンタクト層、ゲート配線、ソース配線、クロス部接続配線を除く補助容量配線は、第1のフォトマスクで、これら層及び配線を同時にパターン形成した第1の光透過型感光性樹脂の開口部に、インクジェット塗布にて、同一層に同時に形成され、
    前記ソース電極、ドレイン電極、画素電極、クロス部接続配線は、第2のフォトマスクで、これら電極及び配線を同時にパターン形成した第2の光透過型感光性樹脂の開口部に、インクジェット塗布にて、同一層に同時に形成されることを特徴とする請求項9に記載の液晶表示装置の製造方法
  11. 前記第2のフォトマスクで形成された第2の光透過型感光性樹脂は、ソース電極、ドレイン電極、画素電極、クロス部接続配線をインクジェット塗布するための開口部として使用されると共に、同時に、薄膜トランジスタ形成のためのエッチングマスクとしても使用されることを特徴とする請求項10に記載の液晶表示装置の製造方法
  12. 前記画素コンタクト層、ゲート配線、ソース配線及びクロス部接続配線を除く補助容量配線は、第1のフォトマスクで、これら層及び配線を同時にパターン形成した光透過型感光性樹脂の開口部に、インクジェット塗布にて、同一層に同時に形成され、
    前記ソース電極、ドレイン電極、画素電極、クロス部接続配線は、第2のフォトマスクで、これら電極及び配線を同時にパターン形成した保護膜の開口部に、インクジェット塗布にて、同一層に同時に形成されることを特徴とする請求項9に記載の液晶表示装置の製造方法
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