JP2007093859A

JP2007093859A - 液晶装置および電子機器

Info

Publication number: JP2007093859A
Application number: JP2005281472A
Authority: JP
Inventors: Jun Saito; 潤齊藤
Original assignee: Sanyo Epson Imaging Devices Corp
Current assignee: Epson Imaging Devices Corp
Priority date: 2005-09-28
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2007-04-12

Abstract

【課題】開口率をより高めることで明るい表示が得られるＦＦＳ方式の液晶装置を提供する。
【解決手段】本発明の液晶装置は、第１基板１０の液晶層５０側に画素電極１１（第１電極）と共通電極１７（第２電極）とが設けられ、画素電極１１と共通電極１７との間に生じる電界によって液晶層５０が駆動される液晶装置であって、画素電極１１と共通電極１７とが第４層間絶縁膜２７を介して対向配置され、第４層間絶縁膜２７として比誘電率が７．５より大きい、例えば酸化ハフニウム等の高誘電率材料が用いられている。
【選択図】図４

Description

本発明は、液晶装置および電子機器に関し、特に一つの基板上に一対の電極を形成して電界を発生させる方式（フリンジ・フィールド・スイッチング方式）の液晶装置に関するものである。

従来のＴＮ（Twisted Nematic）方式などの液晶表示装置は、一対の基板間に液晶を封入した構成を有しており、各基板上の電極で基板面に垂直な方向に電界を印加することによって液晶分子の配向を制御し、光透過率を変調している。これに対し、液晶表示装置の広視野角化を図る一つの手段として、近年では液晶に印加する電界の方向を基板面に略平行な方向とし、この電界によって液晶を基板に略平行な面内で回転させる方式が知られている。この種の液晶表示装置では、一つの基板上に一対の電極を形成して電界を発生させる方式として、イン・プレイン・スイッチング（In-Plane Switching, 以下、ＩＰＳと略記する）方式、フリンジ・フィールド・スイッチング（Fringe-Field Switching, 以下、ＦＦＳと略記する）方式などが知られている。

ＦＦＳ方式はＩＰＳ技術をさらに改良した技術であり、構造上異なるのは、ＩＰＳの場合は一対の櫛歯状電極が同層に形成されているのに対し、ＦＦＳの場合は一対の電極が異なる層に形成されている点である。すなわち、ベタ状電極の上方に層間絶縁膜を介して櫛歯状電極が積層されている点である。この電極構成の違いによって発生する電界の方向が若干変わり、ＩＰＳでの電界方向は電極が対向する横方向であるが、ＦＦＳでの電界方向は、電極が異なる層に形成されているため、横方向に加えて、特に電極の縁の近傍で基板面に垂直な方向にも強い電界成分を持っている。なお、下記の特許文献１は、電極形状はＩＰＳの一種であるが、一対の電極が異なる層に形成されていることで電界方向はＦＦＳと類似している。

その結果、通常のＩＰＳでは電極間に位置する液晶分子が駆動されたとしても電極の直上に位置する液晶分子はほとんど駆動されないため、電極部分が表示に寄与できず、この部分が遮光膜で遮光されることで開口率が低下する。これに対して、ＦＦＳの場合、電極間に位置する液晶分子は勿論のこと、電極の直上に位置する液晶分子も駆動されやすいという特徴を持っている。したがって、ＦＦＳにおいては、電極を透明導電膜で形成すれば、電極の部分もある程度表示に寄与させることができ、同じ条件のＩＰＳに比べて開口率を大きくできるという利点を有している。
特開２００３−１５１４６号公報

このように、液晶表示装置の広視野角化を図る手段としては上記の方式の採用が有効である。その一方、上記の方式の欠点は、画素の内部に櫛歯状電極が配置されるため、画素内に表示に寄与できない部分ができてしまうことである。その結果、開口率が低下し、明るい表示が実現しにくくなる。上述したように、ＦＦＳ方式ではＩＰＳ方式に比べて開口率を大きくできる可能性を持っているが、ＦＦＳ方式においても開口率をさらに高め、さらに明るい表示を得ることが求められている。また、ＦＦＳ方式の場合、一対の電極間に層間絶縁膜が介在しているため、層間絶縁膜の持つ光吸収特性によっては光の透過率が低下する、透過光が色づくことにより表示の色純度が低下する、等の問題点が生じていた。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、開口率をより高めることで明るい表示が得られるＦＦＳ方式の液晶装置を提供することを目的とする。さらには電極間の層間絶縁膜に起因する透過率の低下、色純度の低下等を抑制し得る液晶装置を提供することを目的とする。また、この種の液晶装置の採用により表示品位の高い液晶表示部を備えた電子機器の提供を目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の液晶装置は、液晶層を挟持して対向配置された第１基板と第２基板とを有し、前記第１基板の前記液晶層側には第１電極と第２電極とが設けられ、前記第１電極と前記第２電極との間に生じる電界によって前記液晶層が駆動される液晶装置であって、前記第１電極と前記第２電極とが層間絶縁膜の上層側と下層側にそれぞれ配置され、前記層間絶縁膜として比誘電率が７．５より大きい高誘電率材料が用いられたことを特徴とする。

従来、例えば特許文献１に記載されているように、横電界方式の液晶装置における一対の電極間の層間絶縁膜にはシリコン窒化膜が用いられることが多かった。これに対して、本発明者は、シリコン窒化膜の持つ比誘電率（ε＝７．５）よりも大きい比誘電率を持つ高誘電率材料を用いることで開口率を向上できることに思い至った。すなわち、層間絶縁膜とこれを挟持する第１電極、第２電極とによって構成される容量は設計上、所定の容量値を満足する必要がある。ここで、所定の容量値を得ようとしたとき、層間絶縁膜の膜厚が同じであれば、層間絶縁膜の比誘電率が大きい程、容量部の面積が小さくて済むことになる。容量部の面積が小さいことは第１電極と第２電極の対向面積が小さいことと等価であるから、層間絶縁膜にシリコン窒化膜を用いた場合よりも第１電極、第２電極の少なくともいずれか一方の面積を小さくすることができる。よって、液晶分子が駆動されにくい電極直上の領域を従来よりも狭くすることができ、開口率を向上させることができる。

また、前記高誘電率材料が酸化ハフニウムからなることが望ましい。
窒化シリコンの比誘電率が７．５であるのに対し、酸化ハフニウムの比誘電率は１５〜２０である。したがって、酸化ハフニウムを用いた場合、比誘電率が窒化シリコンの２倍以上あることから、第１電極または第２電極の面積を１／２以下にすることができ、開口率を十分に上げることができる。

また、窒化シリコンは青色光の波長域に光吸収性を持ち、窒化シリコンを透過した光は黄色味がかってしまう。これに対して、酸化ハフニウムは光の全波長にわたって光吸収率が低い特性を持っており、可視光にとって極めて透明性の高い材料である。よって、酸化ハフニウムを使用することで明るい表示が得られるとともに、表示の色純度を向上させることができる。さらに、酸化ハフニウムを用いた場合、リーク電流を大幅に低減でき、消費電力が低減される、あるいは、熱的に安定した膜であり、製造プロセスのマージンが広がる等の効果が得られる。

また、前記第１電極および前記第２電極の少なくともいずれか一方は、複数の帯状の電極部が所定の間隔をおいて配置された構造を有することが望ましい。
複数の帯状の電極部が所定の間隔をおいて配置された電極構造を用いた場合、開口率が向上するとともに、液晶層の広い領域にわたって十分に電界を印加させることができる。

本発明の電子機器は、上記本発明の液晶装置を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、本発明の液晶装置の採用により表示が明るく、色純度が高い液晶表示部を備えた電子機器を実現することができる。

［液晶表示装置の構成］
以下、本発明の一実施の形態を図１〜図５を参照して説明する。
本実施形態では、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor, 以下、ＴＦＴと略記する）を画素スイッチング素子として用いたＴＦＴアクティブマトリクス型、ＦＦＳ方式の透過型液晶表示装置（液晶装置）の例を挙げて説明する。
図１は本実施形態の液晶表示装置を各構成要素とともに対向基板の側から見た平面図、図２は図１のＨ−Ｈ’線に沿う断面図、図３は同液晶表示装置の各画素の拡大平面図、図４は図３のＡ−Ａ’線に沿う同液晶表示装置の断面図、図５は同液晶表示装置の製造プロセスを示す工程断面図、である。なお、以下の説明に用いた各図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならせてある。

図１および図２に示すように、本実施形態の液晶表示装置１００は、ＴＦＴアレイ基板１０（第１基板）と対向基板２０（第２基板）とがシール材５２によって貼り合わされ、このシール材５２によって区画された領域内に液晶層５０が封入されている。液晶層５０は、正の誘電率異方性を有する液晶から構成されている。シール材５２の形成領域の内側の領域には、遮光性材料からなる遮光膜（周辺見切り）５３が形成されている。シール材５２の外側の周辺回路領域には、データ線駆動回路２０１および外部回路実装端子２０２がＴＦＴアレイ基板１０の一辺に沿って形成されており、この一辺に隣接する２辺に沿って走査線駆動回路１０４が形成されている。ＴＦＴアレイ基板１０の残る一辺には、表示領域の両側に設けられた走査線駆動回路１０４の間を接続するための複数の配線１０５が設けられている。また、対向基板２０の角部においては、ＴＦＴアレイ基板１０と対向基板２０との間で電気的導通をとるための基板間導通材１０６が配設されている。

液晶表示装置１００の表示領域内には、複数の画素がマトリクス状に配置されている。各画素の構成は図３に示すようになっている。走査線１および容量線２が水平方向（図３における横方向）に延在するとともに、データ線３が垂直方向（図３における縦方向）に延在し、これら走査線１、容量線２とデータ線３とに四方を囲まれた領域が１つの画素領域を構成している。多結晶シリコン膜からなる半導体層４が、データ線３と走査線１の交差点の近傍でＵ字状に形成されている。半導体層４の両端にはコンタクトホール５，６が形成されており、一方のコンタクトホール５はデータ線３と半導体層４のソース領域とを電気的に接続するソースコンタクトホールであり、他方のコンタクトホール６は半導体層４のドレイン領域とドレイン電極７とを電気的に接続するドレインコンタクトホールである。ドレイン電極７上のドレインコンタクトホール６が設けられた側と反対側には、ドレイン電極７と後述する画素電極１１とを電気的に接続するための画素コンタクトホール１２が形成されている。

本実施の形態におけるＴＦＴ１３は、Ｕ字状の半導体層４が走査線１と交差しており、半導体層４と走査線１が２箇所で交差しているため、１つの半導体層上に２つのゲートを有するＴＦＴ、いわゆるデュアルゲート型ＴＦＴを構成している。また、容量線２と一部重なる位置に、ドレイン電極７と同じ材料で形成された容量電極１４が形成されている。容量電極１４の一端には、当該容量電極１４と容量線２とを電気的に接続するためのコンタクトホール１５が形成されている。容量電極１４と後述する画素電極１１との重なり部分では、層間絶縁膜を介して対向配置された容量電極１４と画素電極１１とから蓄積容量部１６が形成される。

画素電極１１（第１電極）は、例えばインジウム錫酸化物（Indium Tin Oxide, 以下、ＩＴＯと略記する）等の材料により形成され、１つの画素領域に対応して矩形状にパターニングされている。一方、共通電極１７（第２電極）は、例えばＩＴＯ等の材料により形成され、複数の画素がマトリクス状に配置された表示領域全体にわたって形成されている。また、共通電極１７は、画素電極１１との重なり部分においてスリット状の開口部１７ａを有しており、隣接する開口部１７ａと開口部１７ａとの間が帯状の電極部１７ｂを構成する。

次に、液晶表示装置１００の断面構造について説明する。
本実施形態の液晶表示装置１００は、図４に示すように、ガラス、石英、プラスチック等の透明基板２１，２２からなる第１基板１０（図４における下側基板）、第２基板２０（図４における上側基板）を有している。本実施形態では、第１基板１０はＴＦＴアレイ基板、第２基板２０は対向基板であり、これら基板間に液晶層５０が挟持されている。第１基板１０を構成する透明基板２１上に多結晶シリコンからなる半導体層４が設けられ、この半導体層４を覆うようにシリコン酸化膜等からなるゲート絶縁膜２３が形成されている。半導体層４は各画素電極１１をスイッチング制御するＴＦＴ１３を構成し、ＴＦＴ１３は、モリブデン等からなる走査線１で構成されるゲート電極、当該ゲート電極１からの電界によりチャネルが形成される半導体層４のチャネル領域４ｃ、ゲート電極１と半導体層４とを絶縁するゲート絶縁膜２３、アルミニウム等からなるドレイン電極７、半導体層のソース領域４ｓおよびドレイン領域４ｄを備えている。

また、第１基板１０上には、ソース領域４ｓへ通じるソースコンタクトホール５、ドレイン領域４ｄへ通じるドレインコンタクトホール６が各々形成されたシリコン酸化膜からなる第１層間絶縁膜２４が形成されている。つまり、データ線３は、第１層間絶縁膜２４を貫通するソースコンタクトホール５を介して半導体層４のソース領域４ｓに電気的に接続されており、ドレイン電極７は、第１層間絶縁膜２４を貫通するドレインコンタクトホール６を介して半導体層４のドレイン領域４ｄに電気的に接続されている。さらに、第１層間絶縁膜２４上にはデータ線３と同一材料からなるドレイン電極７が形成され、ドレイン電極７へ通じる画素コンタクトホール１２が形成された第２層間絶縁膜２５、第３層間絶縁膜２６が順次形成されている。第２層間絶縁膜２５はシリコン酸化膜、第３層間絶縁膜２６はアクリル樹脂から構成され、特に第３層間絶縁膜２６は下地の段差を平坦化するための平坦化膜として機能する。

第３層間絶縁膜２６上に、ＩＴＯ等の透明導電膜からなる画素電極１１が形成されている。以上の構成により、画素電極１１は、ドレイン電極７を中継層として半導体層４のドレイン領域４ｄと電気的に接続されることになる。画素電極１１上を含む第３層間絶縁膜２６上には、シリコン窒化膜の比誘電率（７．５）より大きい１５〜２０程度の比誘電率を持つ酸化ハフニウム等の高誘電率材料からなる第４層間絶縁膜２７が形成されている。酸化ハフニウムを用いた場合、第４層間絶縁膜２７の膜厚は５〜６０ｎｍ程度でよい。第４層間絶縁膜２７の材料には、酸化ハフニウム以外にも例えば窒素添加ハフニウムシリケート、酸化タンタル、酸化ジルコニウム等を用いることができる。ここで用いる材料は可視光の全波長域にわたって光透過率が高いことが望ましい。第４層間絶縁膜２７上には、スリット状の開口部１７ａと帯状の電極部１７ｂを有するＩＴＯ等の透明導電膜からなる共通電極１７が全面に形成されている。第１基板１０の最上層の液晶層５０に接する面にはポリイミド等からなる配向膜２８が設けられている。

他方、第２基板２０側は、透明基板２２上にカラーフィルターを構成する赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のいずれかの色材層３１が各画素毎に形成されている。また、色材層３１を保護するとともに色材層３１による段差を平坦化するためのオーバーコート層３２が形成され、オーバーコート層３２上に第１基板側と同様の配向膜３３が形成されている。

［液晶表示装置の製造方法］
次に、上記の構成の液晶表示装置１００のうち、特に第１基板１０の製造プロセスについて図５を用いて説明する。
まず最初に、図５（ａ）に示すように、ガラス、石英、プラスチック等の透明基板２１を準備し、図５（ｂ）に示すように、膜厚４０ｎｍ程度の非晶質シリコン膜をＣＶＤ法等により成膜し、この非晶質シリコン膜を周知のフォトリソグラフィー、エッチング法によりパターニングして半導体層４とする。なお、非晶質シリコン膜を成膜した後、レーザアニール等を施して再結晶化させることによって多結晶シリコン膜とすることができる。

次に、図５（ｃ）に示すように、膜厚７５ｎｍ程度のシリコン酸化膜をＣＶＤ法等により基板全面に成膜し、ゲート絶縁膜２３とする。
次に、図５（ｄ）に示すように、膜厚３００ｎｍ程度のモリブデン膜をスパッタ法等により基板全面に成膜した後、このモリブデン膜を周知のフォトリソグラフィー、エッチング法によりパターニングして走査線１（ゲート電極）を形成する。このとき、図示しない容量線を同時に形成する。

次に、図５（ｅ）に示すように、シリコン酸化膜をＣＶＤ法等により基板全面に成膜し、第１層間絶縁膜２４とする。その後、周知のフォトリソグラフィー、エッチング法により第１層間絶縁膜２４、ゲート絶縁膜２３を貫通して半導体層４のソース領域４ｓ、ドレイン領域４ｄに達するソースコンタクトホール５、ドレインコンタクトホール６をそれぞれ形成する。その後、膜厚５００ｎｍ程度のアルミニウム膜をスパッタ法等により基板全面に成膜した後、このアルミニウム膜を周知のフォトリソグラフィー、エッチング法によりパターニングしてデータ線３、ドレイン電極７、容量電極１４（図５では図示しない）をそれぞれ形成する。

次に、図５（ｆ）に示すように、膜厚２００ｎｍ程度のシリコン酸化膜をＣＶＤ法等により基板全面に成膜して第２層間絶縁膜２５を形成し、次いで、膜厚１μｍ程度のアクリル樹脂膜を基板全面に塗布、硬化させて第３層間絶縁膜２６を形成する。
次に、図５（ｇ）に示すように、周知のフォトリソグラフィー、エッチング法により第３層間絶縁膜２６、第２層間絶縁膜２５を貫通してドレイン電極７に達する画素コンタクトホール１２を形成する。その後、膜厚７５ｎｍ程度のＩＴＯ膜をスパッタ法等により基板全面に成膜し、このＩＴＯ膜を周知のフォトリソグラフィー、エッチング法によりパターニングして画素電極１１を形成する。

次に、図５（ｈ）に示すように、膜厚５〜６０ｎｍ程度の酸化ハフニウム膜をスパッタ法等により基板全面に成膜して第４層間絶縁膜２７を形成する。
次に、図５（ｉ）に示すように、膜厚７５ｎｍ程度のＩＴＯ膜をスパッタ法等により基板全面に成膜し、このＩＴＯ膜を周知のフォトリソグラフィー、エッチング法によりパターニングして共通電極１７を形成する。
その後、図示しないが、基板全面にポリイミド膜を成膜し、ラビング処理を施すことによって配向膜２８を形成する。
以上の工程を経て、ＴＦＴアレイ基板である第１基板１０が完成する。

画素電極１１、共通電極１７とこれらの間の第４層間絶縁膜２７で構成される容量は設計上、所定の容量値を満足する必要がある。本実施形態においては、第４層間絶縁膜２７の材料として比誘電率が１５〜２０程度の酸化ハフニウムを用いているため、比誘電率が７．５のシリコン窒化膜を用いた場合よりも画素電極１１と共通電極１７との対向面積、すなわち、共通電極１７の帯状の電極部１７ｂの幅（図３，図４における符号Ｗ）を狭くすることができる。よって、液晶分子が駆動されにくい電極直上の領域を従来よりも狭くすることができ、開口率を向上させることができる。

また、シリコン窒化膜は青色光の波長域に光吸収性を持ち、シリコン窒化膜を透過した光は黄色味がかってしまう。これに対して、酸化ハフニウムは光の全波長にわたって光吸収率が低い特性を持っており、可視光にとって極めて透明性の高い材料である。よって、本実施形態のように、第４層間絶縁膜２７の材料に酸化ハフニウムを使用することで明るい表示が得られるとともに、表示の色純度を向上させることができる。

［電子機器］
以下、本発明の電子機器の一実施形態を図６を用いて説明する。
図６は上記実施形態の液晶表示装置を備えた携帯電話機の斜視図である。同図に示すように、携帯電話機１３００は、複数の操作ボタン１３０２、受話口１３０３、送話口１３０４とともに、上記実施形態の液晶表示装置からなる表示部１３０１を備えている。
本実施形態によれば、上記実施形態の液晶表示装置が備えられたことで明るく、色純度の高い表示が可能な液晶表示部を備えた電子機器を実現することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えばＴＦＴアレイ基板上の各配線、各電極等のパターン形状、材料、膜厚等の具体的な構成については上記実施の形態に限ることなく、適宜変更が可能である。上記実施形態では、下層側にＴＦＴに接続した矩形状の画素電極、上層側にスリット状の開口部を有する共通電極を配置したが、例えば下層側に共通電極、上層側にＴＦＴに接続した櫛歯状の画素電極を配置する構成でも良い。また、画素スイッチング素子としてＴＦＴを用いたものに限らず、薄膜ダイオード（Thin Film Diode）を用いた液晶表示装置に本発明を適用することも可能である。また、透過型液晶表示装置に限らず、反射型、半透過反射型の液晶表示装置に本発明を適用することも可能である。

本発明の実施形態の液晶表示装置の概略平面図である。図１のＨ−Ｈ’線に沿う断面図である。同、液晶表示装置の画素の拡大平面図である。図３のＡ−Ａ’線に沿う拡大断面図である。同、液晶表示装置の製造プロセスを示す工程断面図である。本発明の電子機器の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１０…第１基板（ＴＦＴアレイ基板）、１１…画素電極（第１電極）、１７…共通電極（第２電極）、１７ａ…（共通電極の）開口部、１７ｂ…（共通電極の）電極部、２０…第２基板（対向基板）、２７…第４層間絶縁膜（層間絶縁膜）、５０…液晶層、１００…液晶表示装置

Claims

液晶層を挟持して対向配置された第１基板と第２基板とを有し、前記第１基板の前記液晶層側には第１電極と第２電極とが設けられ、前記第１電極と前記第２電極との間に生じる電界によって前記液晶層が駆動される液晶装置であって、
前記第１電極と前記第２電極とが層間絶縁膜を介して対向配置され、前記層間絶縁膜として比誘電率が７．５より大きい高誘電率材料が用いられたことを特徴とする液晶装置。
前記高誘電率材料が酸化ハフニウムからなることを特徴とする請求項１に記載の液晶装置。
前記第１電極および前記第２電極の少なくともいずれか一方は、複数の帯状の電極部が所定の間隔をおいて配置された構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の液晶装置。
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の液晶装置を備えたことを特徴とする電子機器。