JP2695635B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

液晶表示装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は液晶表示装置に関し特に非線型スイッチング
素子の改良に関するものである。 〔従来の技術〕 液晶表示装置は当初のセグメント型の表示方式から発
し、次第に大容量化の途を辿ってきた。その第1段階と
しては、近年所謂“パッシブ”と呼ばれる様になった単
純マトリクス型マルチプレクス駆動での大容量化すなわ
ち多画素化が進んだ。この中に於いて、多重マトリクス
型や位相休止型等の工夫がなされたがその基本はあくま
でもクロストークを含むパッシブ駆動に他ならないもの
であり、走査線を増すとともに時分割に於けるデューテ
ィーの低下、ひいてはコントラストの低下を引き起こさ
ざるを得なかった。 そこで、この点を改善すべく登場したのが所謂“アク
ティブ”と呼ばれる各画素毎にスイッチング素子を形成
したタイプの液晶パネルである。アクティブ方式として
はスイッチング素子としてTFT(Thin Film Transisto
r)を用いる方式が最も一般的であるが、製造工程が複
雑になる点等から保留を含めてコスト対応力に大きな難
点がある。 そこで、より簡単なスイッチング素子として考えられ
たのが、バックトゥーバックダイオード、リングダイオ
ード、MIM(Metal−Insulator−Metal)等の2端子型素
子である。この中でも特に工程的に簡単で有利とみられ
るのがMIM素子である。 第5図に従来のMIM素子の断面図を示す。ガラス基板2
1、金属配線電極22、絶縁体層23、金属電極24、透明電
極25とで液晶パネルの1画素が構成される。このうちMI
M素子は22、23、24の部分である。本素子の具体的な形
成方式は、ガラス基板21上にタンタルをスパッタ法で約
4000Å成膜し、これをフォトエッチングにより金属配線
電極22の形にパターニングする。金属配線電極22は液晶
パネルのマトリクスを構成する走査線、信号線の何れを
選んでもよく、例えばここで走査線側を選択した場合に
は液晶パネルのもう一方の透明基板である対向型の基板
に信号線のパターニングを施すことになる。続いて、タ
ンタル金属配線電極22の表面を酸性浴中で陽極酸化し約
600Åの酸化タンタル膜の絶縁体層23を形成する。 更にITO(Indium Tin Oxide)の透明電導膜をやはり
スパッタ法により500Å形成し、これをフォトエッチン
グによりパターニングして透明電極25を形成する。 最後にクロムをスパッタ法で800Å成膜し、これをフ
ォトエッチングにより金属電極24とするが、該金属電極
24は前記タンタルの金属配線電極22と前記ITO透明電極2
5とを前記酸化タンタルの絶縁体層23を介して電気的に
接続する意味で設けられるものである。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、この様に形成されたMIM素子の場合、
その端子間、すなわち金属配線電極22と金属電極24との
間に印加する電圧に対し、この電極間に流れる電流を測
定すると既に第4図の曲線2で示した様な特性となり、
そのスイッチング特性は必ずしも良好とは言えない。 MIM素子は製造上のメリットは大なるものがあるが、
その一方で、スイッチング素子としての性能は必ずしも
十分とは言い難いものがある。これを表わしたのが第4
図であり横軸がスイッチング素子に印加した電圧、縦軸
がその時にスイッチング素子を流れた電流である。第4
図の曲線1は理想的なスイッチング特性を持つ素子の場
合で、しきい値VTを境に実質的に素子抵抗が∽から0に
変化する。これに対して通常のMIM素子は第4図の曲線
2の如き非線型性を示すが、この様にしきい値の不明瞭
な特性のため、液晶パネルとして駆動した時に、画素に
書き込んだ情報である画素蓄積電荷が、次の書き込み迄
の間にMIM素子を通して一部リークしてしまい、結果と
して画像品質の低下を招くことになる。 その原因は、この電圧対電流の非線型性を主として支
配しているのが、前記酸化タンタルの絶縁体層であり、
物理的にはFrenkel−Poole−Emissionという絶縁体中の
伝導機構に由来していて、これら物性値で特性が決まる
からである。 従って、MIM素子のスイッチング特性は、前記絶縁体
層の材質として酸化タンタルを選ぶ限りに於いては、大
幅な改善は望めないものである。 一方、液晶パネルとして、例えばテレビ用画像を考え
ると10万画素程度以上の多くの画素数が画像品質上必要
であり、しかも画素欠陥は殆んど許されないことから、
実質的に1パネル当り10万個程度のMIM素子を無欠陥で
作成する必要がある。素子欠陥としては絶縁体層23に発
生するピンホールが最も問題となるが、このピンホール
発生を殆んど零に出来るという点で前記陽極酸化法が優
れ、かつ特性の良い陽極酸化膜を形成できるという点で
金属としてタンタルが最も好ましいという制限が存在し
ている。 本発明は、かかる素子作成上の制約と画像特性上との
制約の中で、より特性の良い液晶パネルを作成しうるMI
M素子構造を提供するものである。 〔問題点を解決するための手段〕 上記問題を解決するため本発明は、スイッチング素子
を構成する絶縁体層を第1の絶縁体層、第2の絶縁体層
の2層にして、スイッチング素子を基板側より第1の導
電体層、第1の絶縁体層、第2の絶縁体層、第2の導電
体層の順に積層した構成にする。そして、第1の絶縁体
層は第1の導電体層の酸化膜により構成し、第2の絶縁
体層は、第1の導電体層と異なる構成材料からなる、酸
化膜あるいは窒化膜により構成するものである。 〔作用〕 第1図に於ける第1、第2の絶縁体層31、32はそれぞ
れが主として、ピンホールによるリーク発生の防止と、
電圧−電流特性の非線型性の向上による素子スイッチン
グ特性の改善の機能を別々に受け持つものである。 この場合、各機能の分担は第1の絶縁体層31と第2の
絶縁体層32の間で互換性があるものとして何ら問題はな
い。 仮りに第1の絶縁体層31がリーク防止、第2の絶縁体
層32が非線型性が受け持つとして、この時に第1の絶縁
体層31の電流貫通能力は第2の絶縁体層32のそれよりも
十分に大きくて、MIM素子としての非線型抵抗性は第2
の絶縁体層32によって支配される様に素子パラメータの
設定をする必要がある。この様にすることで、第2の絶
縁体層32に若しピンホールが存在したとしても、そのピ
ンホール部分を貫通する電流は第1の絶縁体層31によっ
て規制されるのでMIM素子としては正常に機能する訳で
ある。 この結果、従来非線型抵抗性は秀れているがピンホー
ルの発生を防止できなかった絶縁材料の特性を生かすこ
とができる。 そしてこの様な材料の代表として窒化シリコンが挙げ
られる。この窒化シリコンは従来からFrenkel−Poole−
Emissionによる伝導機構を示す絶縁材料として知られて
おり、この性質を利用したMNOS(Metal−Nitvide−Oxid
e−Semiconductor)型不揮発性半導体メモリは既に実用
化されている。 ただし、この窒化シリコンは通常CVD(Chemical−Vap
our−Deposition)法又はスパッタ法による成膜工程を
使わざるを得ず、大面積に亘ってピンホールフリーとす
ることは困難であった。 また、窒化シリコン以外にも、酸化アルミニウム、酸
化チタン、等も使用できる。 ところで、スイッチング素子の2つの導電体層間の電
圧−電流特性は、スイッチング素子を形成する各部の接
合により左右されるので、本発明のように異なる構成材
料の絶縁体層を2層にすることで、1層の絶縁体層では
得られない電圧−電流特性を得ることができる。 すなわち、第1の導電体層と第1の絶縁体層の接合
と、第2の導電体層と第2の絶縁体層との接合と、第1
の絶縁体層と第2の絶縁体層の膜厚内での伝導機構と、
さらに第1の絶縁体層と第2の絶縁体層の接合の総合的
伝導機構により第1の導電体層と第2の導電体層の間の
電圧−電流特性が決定する。 特に、第1の絶縁体層と第2の絶縁体層の接合を変え
ることによりスイッチング素子の電圧−電流特性の大き
な改善ができる。例えば、第1の絶縁体層を酸化タンタ
ルで、第2の絶縁体層を窒化シリコンで構成するとき、
その界面では、酸化タンタルへの窒素および、シリコン
の拡散が発生し、逆に窒化シリコンへは、酸素とタンタ
ルの拡散が発生する。このように、接合部では構成材料
固有の作用があるので、第1の絶縁体層と第2の絶縁体
層を異なる構成材料とすることにより、スイッチング素
子の電圧−電流特性の改善を達成することができる。 さらに、第1の絶縁体層と第2の絶縁体層は構成材料
が異なるため、比誘電率、あるいは膜厚に対する電圧−
電流特性の依存性が異なる。そのため、第1の絶縁体層
と第2の絶縁体層の膜厚を可変することにより第1の絶
縁体層と第2の絶縁体層との電圧分配が制御できるた
め、スイッチング素子の電圧−電流特性の制御ができ
る。 また、他の材料、例えば、第1の絶縁体層に酸化アル
ミニウムを使用し、第2の絶縁体層に、酸化シリコンを
利用する場合においても、第1の絶縁体層を構成する酸
化アルミニウム中へのシリコン、あるいは酸素の拡散が
あり、同様に第2の絶縁体層を構成する酸化シリコンへ
はアルミニウムと酸素の拡散があり、第1の絶縁体層と
第2の絶縁体層の接合面では分子間結合力により酸素の
分布が異なり上記と同様の効果を得ることができる。 〔実施例〕 第1図に示す構成のMIM素子を以下の工程にて作成し
た。まず、無アルカリガラス基板21の上に、スパッタ法
でタンタルを4000Åの厚さに形成し、これをフォトエッ
チングによって走査電極のパターンになる様に金属配線
電極22とした。 次いで、クエン酸0.1%の酸性浴中で陽極酸化して250
Åの厚さの酸化タンタル膜で第1の絶縁体層31を形成し
た。続いて、プラズマCVD法により窒化シリコンを300Å
の厚さに成膜し、第2の絶縁体層32とした。 更に、スパッタ法で500Åの厚さのITO膜を形成して、
これをフォトエッチングによるパターニングで透明電極
25とし、最後にクロムをやはりスパッタ法で800Å形成
した後パターニングして金属電極24とした。この様にし
て作成したMIM素子の特性41を先に記述した工程で作成
した従来のMIM素子2と比較した結果(内容は第4図の
説明で述べた)を第2図に示した。第2図から明らかな
様に、MIM素子の非線型性の顕著な改善が見られ、ま
た、ピンホールによるとみられるショートモードの素子
欠陥は殆んど発生しなかった。 第3図は、第1図での金属電極24を省略した別の実施
例で、透明電極51が延びて、金属電極24の機能をも代行
しているが、本素子に於いても十分な特性の改善がみら
れた。 〔発明の効果〕 本発明によれば、従来のMIM素子と比べて、僅かな工
程変更を加えるだけで顕著な素子特性の向上が得られ
る。 この結果、安価で高品質の液晶パネルを作成すること
が可能となる。
【図面の簡単な説明】 第1図及び第2図は本発明によるMIM素子の断面構造図
及び電気的特性図で、第3図は本発明によるMIM素子の
別の実施例の断面構造図、第4図及び第5図は従来のMI
M素子の電気的特性図及び断面構造図である。 21……ガラス基板、 22……金属配線電極、 23、31、32……絶縁体層、 24……金属電極、 25……透明電極。

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.絶縁体層が導電体層により挟まれた構成のスイッチ
    ング素子を、各画素毎に形成した基板を備えた液晶表示
    装置において、前記絶縁体層は第1の絶縁体層、第2の
    絶縁体層の2層よりなり、スイッチング素子は基板側よ
    り第1の導電体層、第1の絶縁体層、第2の絶縁体層、
    第2の導電体層の順に積層された構成であり、第1の絶
    縁体層は第1の導電体層の酸化膜よりなり、第2の絶縁
    体層は、第1の導電体層と異なる構成材料からなる、酸
    化膜あるいは窒化膜からなることを特徴とする液晶表示
    装置。 2.前記第2の絶縁体層は、窒化シリコン膜、酸化アル
    ミニウム膜あるいは酸化チタン膜のいずれかからなるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の液晶表示装
    置。
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