JP2007304484A - 反射型液晶表示装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対向透明電極側と反射画素電極側の仕事関数をほぼ一致させて、明るい表示画像が得られ、かつフリッカーや焼付きが発生しない反射型液晶表示装置を、高いスループットと安いコストで提供する。
【解決手段】Ａｌ反射画素電極１２を形成してなる第１の基板と、ＩＴＯ対向透明電極９を形成してなる透明な第２の基板とを、反射画素電極１２と前記対向透明電極９とが対向するように配置し、これら第１の基板と第２の基板との間隙に液晶層８を注入してなる反射型液晶表示装置。反射画素電極１２上にＣｏを含んでなる仕事関数調整層６が形成されている。反射画素電極１２と仕事関数調整層６とを合わせた仕事関数と、対向透明電極９の仕事関数との差が０．２ｅＶ以内である。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射型液晶表示装置に係り、特に表示画像のちらつき（フリッカー）や表示画像の残像（焼付き）の発生を抑制して、良好な表示画像が得られるようにした反射型液晶表示装置及びその製造方法に関する。

近年、ノートパソコン、ＰＤＡ、ＰＣモニターなど各種のＯＡ機器のディスプレイ、及びテレビ受像機には、陰極線管（ＣＲＴ）と比較して小型軽量で且つ消費電力が少ないことから、液晶表示装置が用いられるケースが増えている。このような液晶表示装置は、たとえば特開平１０−１７７１６９号公報（特許文献１）に記載されている。

即ち、特許文献１に記載の反射型液晶表示装置においては、ＴＦＴのドレインと反射画素電極とを接続して、反射画素電極とこれに対向する透明電極（対向透明電極）との間に液晶層を挟持して反射型液晶素子を形成している。反射画素電極は、反射電極または画素電極と呼ばれることがある。さらに、同一半導体基板上にその液晶素子の走査のための水平・垂直シフトレジスタを形成している。

通常、互いに対向する反射画素電極の表面及び対向透明電極の表面には、液晶層を構成する液晶分子を配向させる一対の配向膜が形成されている。また、反射画素電極は反射率の高いＡｌやＡｌ合金で形成され、対向透明電極はＩＴＯ（ＩｎとＳｎとの複合酸化物）等で形成されるため、反射画素電極の仕事関数（Ｗｏｒｋ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）は対向透明電極の仕事関数とは異なる。そのため、反射画素電極と対向透明電極との仕事関数差に応じた直流分が液晶層に印加されることになる。この状態で、液晶表示装置を動作させると、表示画像にフリッカーを生じたり、焼付きを生じたりして表示品質が低下するといった問題が発生する。

対向透明電極側の仕事関数と反射画素電極側の仕事関数との差が小さい場合には、フリッカーや焼付きが余り発生しないことが知られている。このことから、フリッカーや焼付きの発生を防止する対策として、特開２００４−１７０６０４号公報（特許文献２）及び特開２００５−４９８１７号公報（特許文献３）には、次のような構成とすることが提案されている。

即ち、特許文献２には、反射型液晶表示装置において、反射画素電極上にＩＴＯからなる透明導電性薄膜を形成することにより、反射画素電極側の仕事関数とＩＴＯからなる対向透明電極の側の仕事関数との差を低減乃至解消することが開示されている。

また、特許文献３には、反射型液晶表示装置において、反射画素電極上に仕事関数調整層を形成し、反射画素電極と仕事関数調整層とを合わせた仕事関数が対向透明電極の仕事関数の±２％以内となるようにすることが開示されている。さらに、仕事関数調整層としては、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ及びこれらの酸化物からなるものが挙げられている。

また、特開２００５−７０５９０号公報（特許文献４）には、反射型液晶表示装置において、Ａｌからなる反射画素電極の表面にＡｌ酸化物を形成することが開示されている。これにより、反射画素電極側の仕事関数を対向透明電極側の仕事関数に対して０．２ｅＶ以内としている。
特開平１０−１７７１６９号公報 特開２００４−１７０６０４号公報 特開２００５−４９８１７号公報 特開２００５−７０５９０号公報

しかしながら、特許文献２に記載の構成の場合には、次のような問題点がある。すなわち、反射画素電極の材料としては、反射率は高いが、ＩＴＯとは異なる屈折率を有するＡｌやＡｇが用いられる。そのため、図５に示すように、対向透明電極２６側から光を入射させた時、反射画素電極２７の表面で反射された反射光と、反射画素電極２７上に形成された透明導電性薄膜２８の表面で反射された反射光とが干渉する。これに基づき、対向透明電極２３から出射する反射光量が低下してしまう。さらに、ＩＴＯはドライエッチングによる微細加工が難しい。

また、特許文献３及び４には仕事関数調整の機能を持つ層として具体的にはＮｉ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ及びこれらの酸化物等が提案されているが、これらは、ＴｉがＴｉＮとしてバリアメタルや、あるいはＴｉサリサイドプロセスで使われる以外、通常のシリコンプロセスでは殆ど使われていない。そのため、これらを使用する場合には、製造装置のメタルコンタミに関しては、注意を要する。製造方法に関しては、特許文献３には反応性蒸着により仕事関数調整層を形成することが記載されているが、この製膜法は、通常の半導体プロセスで使われているスパッタリング法やＣＶＤ法に比べるとスループットや膜厚の均一性に劣る。

本発明は、上記課題を解決すべく、対向透明電極側と反射画素電極側の仕事関数をほぼ一致させて、明るい表示画像が得られ、かつフリッカーや焼付きが発生しない反射型液晶表示装置を、高いスループットと安いコストで提供することを目的とする。

本発明は、反射画素電極を形成した第１の基板と、対向透明電極を形成した透明な第２の基板とを、前記反射画素電極と前記対向透明電極とが対向するように配置し、これら第１及び第２の基板の間隙に液晶層を注入してなる反射型液晶表示装置に関する。この反射型液晶表示装置では、前記反射画素電極上にコバルトを含んでなる仕事関数調整層が形成されており、前記反射画素電極と前記仕事関数調整層とを合わせた仕事関数と、前記対向透明電極の仕事関数との差が０．２ｅＶ以内である。

また、本発明は、前記反射画素電極がコバルトを含むアルミニウム合金からなり、前記対向透明電極がＩＴＯからなる前記反射型液晶表示装置を製造する方法に関する。この製造方法においては、前記仕事関数調整層をスパッタリング法、反応性スパッタリング法またはＣＶＤ法により成膜する。

本発明によれば、反射画素電極上にシリコンプロセスのサリサイド工程で通常使われているコバルトを含んでなる仕事関数調整層を形成する。これにより、フリッカーや焼付きの低減乃至解消された反射型液晶表示装置を、通常の半導体製造装置を用いて製造することが可能となる。

反射型表示装置に係る本発明の一態様においては、前記仕事関数調整層がコバルト、若しくは、その酸化物、窒化物または酸窒化物からなる。反射型表示装置に係る本発明の一態様においては、前記仕事関数調整層の厚さが３ｎｍ以上７ｎｍ以下である。

反射型表示装置の製造方法に係る本発明の一態様においては、前記反射画素電極の成膜から前記仕事関数調整層の成膜までを、一連の真空装置内で大気に曝すことなく連続して行う。反射型表示装置の製造方法に係る本発明の一態様においては、前記反射画素電極を成膜した後に、前記反射画素電極に対するＣＭＰ処理を行ってから前記仕事関数調整層を成膜する。

本発明の反射型液晶表示装置及びその製造方法の実施形態について、以下図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１の実施形態における反射型液晶表示装置の１画素表示部分の模式的部分断面図である。

図１に示すように、本実施形態の反射型液晶表示装置１においては、シリコン（Ｓｉ）基板４の表面に、スイッチングトランジスタ２及び保持コンデンサ３が画素表示部分ごとに並列して形成されている。このようなスイッチングトランジスタ２と保持コンデンサ３との並列配置は、画素表示部分のマトリックス状配列に従って、マトリックス状に配列されている。スイッチングトランジスタ２は、ゲート２Ａと、このゲート２Ａの両側に形成されたソース２Ｂ及びドレイン２Ｃとからなる。保持コンデンサ３は、Ｓｉ基板４中に不純物が拡散されて形成された下部電極３Ａと、この下部電極３Ａ上に形成された上部電極３Ｂとからなる。符号４’はＳｉ基板４の上面に形成されたフィールド酸化膜を示し、符号２Ｂ’はソース２Ｂに接続された高濃度拡散領域を示し、符号２Ｃ’はドレイン２Ｃ及び下部電極３Ａに接続された高濃度拡散領域を示す。

図１において、符号５は反射画素電極部５を示す。反射画素電極部５において、符号１０１，１０２，１０３，１１は、この順に下から上へと積層された層間絶縁膜を示す。層間絶縁膜１０１上には、そこに形成されたコンタクトホール１０１”を介して、高濃度拡散領域２Ｂ’ひいてはソース２Ｂに接続された信号供給線１３が形成されている。また、層間絶縁膜１０１上には、そこに形成されたコンタクトホール１０１’を介して、高濃度拡散領域２Ｃ’ひいてはドレイン２Ｃ及び保持コンデンサ上部電極３Ｂに共通接続された信号供給線１４が形成されている。信号供給線１３と信号供給線１４’とは、同一の金属配線層に属する。層間絶縁膜１０２上には、そこに形成されたスルーホール１０２’を介して、信号供給線１４に接続された信号供給線１４’が形成されている。層間絶縁膜１０３上には、遮光層１５が形成されている。層間絶縁膜１１上には、アルミニウム（Ａｌ）からなる反射画素電極１２が形成されている。反射画素電極１２は、コバルトを含むアルミニウム合金からなるものとすることができる。反射画素電極１２は、層間絶縁膜１１に形成されたスルーホール１１’及び層間絶縁膜１０３に形成されたスルーホール１０３’を介して、信号供給線１４’に接続されている。

反射画素電極１２上には、コバルト（Ｃｏ）を含んでなる仕事関数調整層６が形成されている。その上面には、隣接する画素表示部分の反射画素電極との間隙（画素分離領域）を埋めるようにして絶縁性保護膜１２Ａが形成されており、その上にＳｉＯ_２からなる第１の配向膜７Ａが形成されている。尚、上記遮光層１５は、画素分離領域から侵入する入射光がスイッチングトランジスタ２に到達するのを防止するためのものであり、たとえばアルミニウム（Ａｌ）からなる。

以上の構成要素により、反射画素電極を形成してなる第１の基板が構成される。

一方、図１において、符号１０は透明なガラス基板を示し、その下面には光透過性のＩＴＯからなる対向透明電極９が形成されている。対向透明電極９の下面にはＳｉＯ_２からなる第２の配向膜７Ｂが形成されている。これにより、対向透明電極を形成してなる透明な第２の基板が構成される。上記の第１及び第２の配向膜７Ａ，７Ｂは、液晶層８中の液晶分子を配向させるためのものである。

上記第２の配向膜７Ｂと上記第１の配向膜７Ａとの間に液晶層８が配置されている。これにより、第１の基板と透明な第２の基板とを、反射画素電極１２と対向透明電極９とが対向するように配置し、これら第１の基板と第２の基板との間隙に液晶層８を注入してなる反射型液晶表示装置が形成される。

本実施形態においては、仕事関数調整層６としては、コバルト（仕事関数５．０ｅＶ）、若しくは、その酸化物、窒化物または酸窒化物からなるものを用いることが好ましい。この場合、仕事関数調整層６と反射画素電極１２とを合わせたものの仕事関数は５．０ｅＶ程度となる。一方、ＩＴＯからなる対向透明電極９の仕事関数は４．８〜５．２ｅＶである。かくして、本実施形態においては、反射画素電極１２と仕事関数調整層６とを合わせた仕事関数と、対向透明電極９の仕事関数との差が０．２ｅＶ以内である。仕事関数調整層６の厚さは、後述の理由により、３ｎｍ以上７ｎｍ以下であるのが好ましい。

本実施形態の反射型液晶表示装置１は、次のように動作する。すなわち、液晶層８には、反射画素電極１２と対向透明電極９とを介して、画像信号に応じてスイッチングトランジスタ２から供給される電圧が印加される。これにより、液晶層８は画像信号に応じた状態とされる。透明ガラス基板１０の側から液晶層８を介して反射画素電極１２に光を入射させると、反射画素電極１２で反射された反射光は液晶層８を介して透明ガラス基板１０から出射する。その際に、光は、画像信号に応じた状態とされた液晶層８による光変調を受け、これに基づき画像表示がなされる。保持コンデンサ３は、液晶層８の電荷を保持する。

ここで、本実施形態の反射型液晶表示装置１の製造方法、特に、仕事関数調整層６の形成方法について説明する。

まず、仕事関数調整層６を形成するためのスパッタリング成膜装置１６について説明する。図３に示すように、成膜装置１６は、中空な真空槽１７を備えており、その一方の壁面たる上壁面１７Ａには、Ａｒガス、Ｏ_２ガス及びＮ_２ガスを真空槽１７内に導入する導入口１８が接続されている。また、真空槽１７の他方の壁面たる下壁面１７Ｂには、真空槽１７内のガスを排気する排気口１９が接続されている。真空槽１７の内部において、外部直流電源２０と接続されたカソード電極２１’が下部に配置されており、上部には基板支持台２２が固定配置されている。

次に、このスパッタリング成膜装置１６を用いて、仕事関数調整層６を形成する方法について説明する。

まず、上記のような反射画素電極部５が形成されたＳｉ基板４を用意する。このＳｉ基板４を、真空槽１７内の支持台２２の下側に、反射画素電極部５側を下方に向けて固定する。一方、カソード電極２１’にコバルトターゲット２１を固定する。

次に、真空槽１７内を真空引きした後、導入口１８から所定流量のＡｒガスを真空槽１７内に導入し、直流電源２０からカソード電極２１’上のコバルトターゲット２１に負電位を印加しＡｒガスを励起して、プラズマを発生させる。イオン化したＡｒイオンがコバルトターゲットをスパッタする事により、コバルト原子が反射画素電極部５の反射画素電極１２上に堆積する。

この時、ＡｒガスにＯ_２を添加すればコバルト酸化物が、Ｎ_２を添加すればコバルト窒化物が、Ｏ_２＋Ｎ_２を添加すればコバルト酸窒化物が、それぞれ形成される。すなわち反応性スパッタによる成膜が行われる。また、ターゲット２１としてコバルト化合物ターゲットまたはコバルト合金ターゲットを用いて成膜する事も可能である。

Ａｌ反射画素電極１２の成膜からコバルトを含む仕事関数調整層６の成膜までを、一連の真空装置で大気に曝すことなく連続成膜すると、Ａｌ反射画素電極１２の表面の酸化及び表面への不純物吸着が抑制され、仕事関数が安定する。

また、Ａｌ反射画素電極１２の成膜後、その表面をＣＭＰ処理してからコバルトを含む仕事関数調整層６を形成すると、より高い反射率を実現出来る。

仕事関数調整層６の膜質及び膜厚の制御は、成膜時の真空槽１７内の圧力、ガス組成比、基板の温度、ターゲットへの入力電力、成膜時間により行うことができる。

仕事関数調整層６の膜厚は、薄すぎると仕事関数調整機能が低下し、また、膜厚制御が困難となる。逆に厚過ぎると、図２に示す様に反射画素電極１２の反射率が低下する。この為、仕事関数調整層６の膜厚の最適範囲は、３ｎｍ以上７ｎｍ以下である。この範囲内における反射画素電極１２の反射率は約８０％である。

次に、仕事関数調整層６を形成するためのＣＶＤ成膜装置２３について説明する。図４に示すように、成膜装置２３は、中空な真空槽１７を備えており、その一方の壁面たる上壁面１７Ａには、Ｃｏ（ＣＯ）_３ＮＯガス及びＨ_２ガスを真空槽１７内に導入する導入口１８が接続されている。また、真空槽１７の他方の壁面たる下壁面１７Ｂには、真空槽１７内のガスを排気する排気口１９が接続されている。真空槽１７の内部において、基板加熱ヒーター２４を有する基板支持台２５が下部に配置されている。

次に、このＣＶＤ成膜装置２３を用いて、仕事関数調整層６を形成する方法について説明する。

まず、反射画素電極部５が形成されたＳｉ基板４を用意する。このＳｉ基板４を、真空槽１７内の支持台２５の上側に、反射画素電極部５側を上方に向けて固定する。

次に、真空槽１７内を真空引きした後、Ｓｉ基板４を３８０〜４００℃に加熱する。次に、導入口１８から所定流量のＨ_２ガスを真空槽１７内に導入し、真空槽１７内の圧力を１００〜３００Ｐａに制御する。

次に、導入口１８から所定流量のＣｏ（ＣＯ）_３ＮＯガスを真空槽１７内に導入すると、
Ｃｏ（ＣＯ）_３ＮＯ（気相）→Ｃｏ（固相）+３ＣＯ（気相）+ＮＯ（気相）
の反応により、コバルト原子が反射画素電極部５の反射画素電極１２上に堆積する。

反射電極がＡｌからなる場合、Ｃｏを表面に５ｎｍ以上形成すると通常のＡｌのドライエッチング条件ではエッチング出来ない。その為、Ｃｏ層は反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）ではなく、スパッタエッチングの強い条件でドライエッチングする必要がある。このようなドライエッチングは、例えば、ガス組成比ＢＣｌ_３：Ａｒ＝１：１、圧力１０．０７Ｐａで高周波電力（Ｓ．Ｐ．Ｐ）を１ｋＷ入力し、基板にバイアス発生用の高周波電力（Ｂ．Ｐ．Ｐ）を２００Ｗ入力することで、実現できる。この時のエッチング条件の一例を表１に示す。表１でＢｒｅａｋ Ｔｈｒｏｕｇｈと示すステップ（ＳＴＥＰ）３がＣｏ層をエッチングするステップである。

また、コバルトはフォトレジストの有機剥離液に対する耐性が無い為、ドライエッチング後のレジスト除去はドライアッシングで行い、洗浄は純水リンス＋超音波洗浄で行う。その後、反射画素電極の絶縁性保護膜及び配向膜を形成する。

以上説明したように、Ｃｏを含んでなる仕事関数調整層６をＡｌからなる反射画素電極１２上に形成する事により、反射画素電極側の仕事関数を５．０ｅＶ程度とし、ＩＴＯからなる対向透明電極９の仕事関数との差を０．２ｅＶ以内とする事ができる。これにより、反射率が高く、明るい表示画像が得られ、かつフリッカーや焼付きを防止した表示画像を得る事が可能な反射型液晶表示装置が得られる。

本発明の反射型液晶表示装置は、投射型液晶プロジェクタや背面投射型液晶表示装置等に利用することができる。

本発明の第１の実施形態における反射型液晶表示装置の１画素表示部分の模式的部分断面図である。 Ａｌ反射画素電極の反射率とＡｌ反射画素電極上に形成するＣｏ膜の膜厚との関係を表すグラフである。 スパッタリング成膜装置の概念図である。 ＣＶＤ成膜装置の概念図である。 従来の反射型液晶表示装置の問題点を説明するための模式的断面図である。

符号の説明

１…反射型液晶表示装置、
２…スイッチングトランジスタ、
２Ａ…ゲート、
２Ｂ…ソース（低濃度拡散層）、
２Ｂ’…ソース（高濃度拡散層）、
２Ｃ…ドレイン（低濃度拡散層）、
２Ｃ’…ドレイン（高濃度拡散層）、
３…保持コンデンサ、
３Ａ…下部電極、
３Ｂ…上部電極、
４…Ｓｉ基板、
４’…フィールド酸化膜、
５…反射画素電極部、
６…仕事関数調整層、
７Ａ…第１の配向膜、
７Ｂ…第２の配向膜、
８…液晶層、
９…対向透明電極、
１０…ガラス基板、
１０１，１０２，１０３…層間絶縁膜、
１０１’，１０１”…コンタクトホール
１０２’，１０３’…スルーホール、
１１…層間絶縁膜、
１１’…スルーホール、
１２…反射画素電極、
１２Ａ…絶縁性保護膜、
１３…信号供給線、
１４，１４’…信号供給線、
１５…遮光層、
１６…スパッタリング成膜装置、
１７…真空槽、
１８…導入口、
１９…排気口、
２０…直流電源、
２１…コバルトターゲット、
２１’…カソード電極２１’、
２２…基板支持台、
２３…ＣＶＤ成膜装置、
２４…基板加熱ヒーター、
２５…基板支持台

Claims (10)

1. 反射画素電極を形成してなる第１の基板と、対向透明電極を形成してなる透明な第２の基板とを、前記反射画素電極と前記対向透明電極とが対向するように配置し、これら第１の基板と第２の基板との間隙に液晶層を注入してなる反射型液晶表示装置において、
   前記反射画素電極上にコバルトを含んでなる仕事関数調整層が形成されており、
   前記反射画素電極と前記仕事関数調整層とを合わせた仕事関数と、前記対向透明電極の仕事関数との差が０．２ｅＶ以内であることを特徴とする反射型液晶表示装置。
2. 前記仕事関数調整層がコバルト、若しくは、その酸化物、窒化物または酸窒化物からなることを特徴とする、請求項１に記載の反射型液晶表示装置。
3. 前記仕事関数調整層の厚さが３ｎｍ以上７ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載の反射型液晶表示装置。
4. 前記反射画素電極がコバルトを含むアルミニウム合金からなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の反射型液晶表示装置。
5. 前記対向透明電極がＩＴＯからなることを特徴とする、請求項４に記載の反射型液晶表示装置。
6. 請求項５に記載の反射型液晶表示装置を製造する方法であって、前記仕事関数調整層をスパッタリング法により成膜することを特徴とする、反射型液晶表示装置の製造方法。
7. 請求項５に記載の反射型液晶表示装置を製造する方法であって、前記仕事関数調整層を反応性スパッタリング法により成膜することを特徴とする、反射型液晶表示装置の製造方法。
8. 前記反射画素電極の成膜から前記仕事関数調整層の成膜までを、一連の真空装置内で大気に曝すことなく連続して行う事を特徴とする、請求項６〜７のいずれかに記載の反射型液晶表示装置の製造方法。
9. 請求項５に記載の反射型液晶表示装置を製造する方法であって、前記仕事関数調整層をＣＶＤ法により成膜することを特徴とする、反射型液晶表示装置の製造方法。
10. 前記反射画素電極を成膜した後に、前記反射画素電極に対するＣＭＰ処理を行ってから前記仕事関数調整層を成膜することを特徴とする、請求項６、７及び９のいずれかに記載の反射型液晶表示装置の製造方法。

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