JP2695827B2 - マトリックスアレイ基板 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、スイッチング素子としてMIM（Metal-Ins
ulator-Metal）素子を用いたマトリックスアレイ基板に
関する。

（従来の技術） 近年、液晶表示器を用いた表示装置は、時計・電卓・
計測機器等の比較的簡単なものから、パーソナル・コン
ピューター、ワード・プロセッサー、更にはOA用の端末
機器、TV画像表示等の大容量情報表示用途に使用されて
きている。こうした大容量の液晶表示装置においては、
マトリックス表示のマルチプレックス駆動方式が一般に
採用されている。ところがこの方式は、液晶自身の本質
的な特性によって、表示部分（オン画素）と非表示部分
（オフ画素）のコントラスト比の点では、200本程度の
走査線を有する場合でも不十分であり、更に走査線が50
0本以上程度の大規模なマトリックス駆動を行なう場合
には、コントラストの劣化が致命的であった。

そして、この液晶表示装置のもつ欠点を解決するため
の開発が、各所で盛んに行われている。その一つの方向
が、個々の画素を直接にスイッチ駆動するものである。
その場合のスイッチング素子として薄膜トランジスタが
採用されている。薄膜トランジスタを構成する半導体と
して、これまで単結晶シリコン、多結晶シリコン、セレ
ン化カドミウム及びテルル等の種々の材料が提案されて
きたが、現在は非晶質シリコンが最も多く研究されてい
る。しかしながら、この種の液晶表示器の製造において
は、微細加工工程が数回必要となり、工程が複雑で歩留
りが悪くなることがあった。この結果、製品コストが高
くなり、また、大規模な液晶表示器の製造が著しく困難
となっていた。

スイッチング素子列（アレイ）を用いた別の方向とし
て、非線形抵抗素子を用いたものがある。非線形抵抗素
子は、薄膜トランジスタの三端子に比べて、基本的に二
端子で構造が簡単であり、製造が容易である。このた
め、製品歩留りの向上が期待でき、コスト低下の利点が
ある。

非線形抵抗素子は、薄膜トランジスタと同様の材料を
用いて、接合形成したダイオードの型、酸化亜鉛を用い
たバリスタの型、電極間に絶縁物を挟んだ金属−絶縁層
−金属（MIM）型、更には金属電極間に半導電性の層（M
SI）を用いた型等が開発されている。

このうちMIM型は、構造が最も簡単なものの一つで、
現在のところ実用化が最も近いということができる。第
４図はMIM素子を有するアレイ基板の一画素部分の一例
を示す断面図である。これを製造工程に従って説明する
と、まず、ガラス基板（１）上にタンタル（Ta）膜
（２）をスパッタリング法や真空蒸着法等の薄膜形成法
により形成し、写真蝕刻法により所望のパターンにす
る。これにより、配線とMIMの片側の電極とが形成され
る。次に、Ta膜（２）をクエン三水溶液等を用いた陽極
酸化法により化成し、酸化膜（３）を形成する。更に、
MIMのもう片方の電極としてクロム（Cr）膜（４）を、
薄膜形成法により形成することにより、MIM素子が完成
する。更にこの後には、画像表示用の透明電極（５）を
形成すればよい。こうした基本的な製造技術は特開昭55
-161273号公報に開示され、その改良技術が特開昭58-17
8320号公報等に示されている。

（発明が解決しようとする課題） 従来のMIM素子は、特開昭55-161273号公報に記載され
ているように、MIM素子の片側の電極を構成する金属を
配線にも用いている。このため、必ずしも電気抵抗の小
さい材料を用いることができず、多く使用されているタ
ンタル（β−Ta）等は比較的抵抗の高い材料である。配
線電極の抵抗を低下させることは、表示面積の大型化に
は不可欠の課題である。

この発明は上記した事情に鑑みてなされたものであ
り、素子特性を損なうことなく、配線電極の抵抗を低減
することが可能なマトリックスアレイ基板を提供するこ
とを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 請求項１記載の発明は、複数の表示画素部及びその各
々に電気的に接続した金属−絶縁体−金属（MIM）素子
構造よりなる非線形抵抗素子を基板上に形成したマトリ
ックスアレイ基板についてのものであり、電極配線及び
これを酸化することにより金属酸化物を転化して絶縁体
を形成するような金属として、ニオブ（Nb）とタンタル
（Ta）の合金膜を用いている。この場合、Taの組成比は
20〜90原子％の範囲とする。また、このような合金に含
まれるNbとTaの総量は95原子％以上であればよく、他の
元素例えば炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）、アルゴン（Ar）、
窒素（Ｎ）等を５原子％以下の範囲で含むことは許容さ
れる。

更に、請求項２記載の発明は、複数の表示画素部及び
その各々に電気的に接続した金属−絶縁体−金属（MI
M）素子構造よりなる非線形抵抗素子を基板上に形成し
たマトリックスアレイ基板についてのものであり、基板
上に非線形抵抗素子の下部電極及び配線電極となる、抵
抗の比較的低い（少なくともβ−Taの抵抗率より低い）
金属のパターンを形成し、その金属パターン及び他の基
板表面全体（膜形成時や工程上必要により除かれる部分
を考慮してほぼ全体の意味）に、非線形抵抗素子を構成
する絶縁体となるべき絶縁層を形成する。薄膜の形成法
は蒸着、スパッタリング、CVD（Chemical Vapor Deposi
tion）及び塗布等といった種々の方法があるが、この発
明では、金属の陽極化成により得られた陽極酸化膜が特
性上好ましい。従って、工程的には、金属を薄く全面に
形成した後、これを完全に（若干の金属層が残ることも
あるが、光透過性に影響しない程度なので問題ない）酸
化して、絶縁層を形成すればよい。このとき、下層にあ
る下部金属も一部酸化される場合もあり得るので、下部
金属の酸化物もある程度、MIM素子の絶縁層として使用
可能なものであることが好ましい。次に、MIM素子の上
部金属のパターンの形成と透明導電膜よりなる表示画素
電極の形成を行なって、配線電極の抵抗を下げたマトリ
ックスアレイ基板を実現できる。

（作用） 請求項１記載の発明に関連して、各種組成比のNb-Ta
合金膜の試料を作成し、その比抵抗を調べたところ第３
図に示すようになった。則ち、Taの組成比が90％以下の
ときに、その比抵抗は正方晶Taの180〜200μΩ・cmであ
るのに比べて、かなり小さいことがわかった。そこで、
各種試料について、合金膜のパターニング及び陽極酸化
を行い、更に、この上に電極を形成することにより、MI
M素子を形成した。そして、これらの素子について、そ
の電球−電圧特性を測定したところ、Ta組成比が20〜90
％のものが良好な特性を示すことがわかった。なお、こ
こでは、印加電圧の極性に対する電流の対称性や一定電
圧（例えば2V,10V）での電流密度の大きさを考慮した。
従って、これらの合金を用いることにより、電極配線抵
抗を低くし、例えば液晶装置内部での印加電圧波形歪み
や、電圧実効値の低下を抑えることができ、より大型の
表示が可能となる。

そして、Nb-Ta合金膜は陽極化成法により容易に酸化
でき、且つそのようにしてMIM素子を形成した場合、非
線形抵抗素子として良好な電流−電圧特性、しかるべき
電流密度や印加電圧の極性に対する電流の対称性等を生
ぜしめて、例えば大画面において優れた表示品位を有す
るマトリックス型液晶表示装置を得ることができる。

更に、請求項２記載の発明は、配線電極等になるべき
金属材料と非線形抵抗素子の絶縁体になるべき金属材料
とが各々異なり、電極金属材料をパターニングした後、
全面に別の金属材料を形成してこれを上述の絶縁体に変
化させているため、請求項１及び２記載の発明と同様の
効果を有することができる。ここで、この発明における
電極材料について詳しく述べる。本来、MIM素子として
好ましき特性は、Taを中心とした片方の電極金属の酸化
物に寄るところが大きい。この点から、MIM素子の絶縁
体を形成する金属酸化物の金属としてタンタル（Ta）、
タングステン（Ｗ）、ニオブ（Nb）、モリブデン（M
o）、アルミニウム（Al）、チタン（Ti）及びジルコニ
ウム（Zr）等或いはこれらの合金が推奨される。特に、
Ta及びTa−Ｗ、Ta-Mo、Ta-Nb、Ta-Ti、Ta-Zr等のTaを主
成分とする合金が良好なMIM特性（十分な電流−電圧特
性）を示すことが、発明者の実験により明らかになって
いる。これらの酸化物層の形成方法は種々あり、いずれ
もこの発明に適用可能であるが、上述の金属を所定の電
解液により陽極化成して得た膜は、特性上とりわけ好ま
しい。陽極酸化では、Ta及びその合金膜は約2.5倍の体
積を有する酸化物に変化する。従って、予め金属層を0.
004〜0.04μｍの厚さに形成しておくことにより、0.01
〜0.1μｍの厚さの酸化膜が得られ、好ましくは、0.04
〜0.08μｍの厚さがよい。また、非線形抵抗素子の下部
金属は、酸化物を形成するのに用いた金属より比抵抗が
低い材料で形成することが特性上好ましい。この理由
は、下部金属が給電用の配線電極を兼ねるためであり、
この部分の抵抗を下げることが信号波形や走査波形の不
均一や電圧低下を防止し、より多数のラインを駆動する
ことを可能にするので、表示容量の増大や大画面化とい
う技術要請に合ってくる。しかし、MIM素子の特性上、
金属の種類は限定される。この発明では、絶縁体に転化
すべき金属の一部が残って、下部金属の一部と成り得る
こともあるが、多くは逆に低抵抗を意図して選択使用さ
れた下部金属の一部が酸化されて、MIM素子の絶縁体の
一部を軽視することが起こりやすい。このため、低抵抗
として選ばれた下部金属も、MIM素子の絶縁体に転化可
能な材料である方がよい。例えば、絶縁体をTa₂Ｏ₅とし
た場合、下部金属としてTaとMoの合金、TaとＷの合金及
びTaとNbの合金等といったTaに比べて抵抗が大きく低下
するような材料を選べばよいことになる。また、絶縁体
層をTaとMoの合金（重量％でTa:Mo＝80:20）としたと
き、下部金属をTaとMoの合金（重量％でTa:Mo＝20:80）
としても同様の効果を期待でき、組合せは多種存在す
る。

（実施例） 以下、この発明の詳細を図面を参照して説明する。

第１図は請求項１記載の発明の一実施例を示す斜視図
であり、製造工程に従って説明する。まず、同図に示す
ように、例えばホウ珪酸ガラスからなる基板（10）上
に、膜厚0.3μｍのNb（65原子％）−Ta（35原子％）か
らなる合金膜を、スパッタリング法により形成する。そ
して、この合金膜を配線電極（11）と非線形抵抗素子部
の下部金属（12）にパターニングする。このためには、
レジストを全面に塗布した後、マスクを用いて光露光し
現像して、レジストパターンを形成し、更に、ケミカル
ドライエッチング法により合金膜のエッチングを行えば
よい。なお、このエッチングは、CF₄とＯ₂ガスを等量混
合したプラズマ中で行う。次に、レジストを剥離した
後、合金膜の表面を0.01重量％クエン酸水溶液中で陽極
酸化し、0.05μｍの陽極酸化膜を全面に形成することに
より、非線形抵抗素子部の絶縁体（13）が得られる。こ
のとき、0.02μｍのNb-Ta合金膜が0.05μｍの酸化膜に
変化し、Nb-Ta合金膜は0.28μｍの厚さが残る。続い
て、ITO（Indium Tin Oxide）をスパッタリング法によ
り形成し、表示画素部（14）にパターニングする。この
ためには、レジストを全面に塗布した後、マスクを用い
て光露光し現像して、レジストパターンを形成し、更
に、塩酸にてエッチングすればよい。そして、レジスト
を剥離した後、全面にクロム（Cr）膜を0.15μｍの厚さ
に形成する。この後、再びレジストパターンを形成し、
これを用いて表示画素部（14）に接続される非線形抵抗
素子部の上部金属（15）を形成する。このときのエッチ
ングは、硝酸第２セリウム・アンモニウム17gと過塩素
酸5ccを水10ccの割合に溶解したエッチング液により行
うことができる。そして、残ったレジストを剥離するこ
とにより、非線形抵抗素子（16）を有する所望のマトリ
ックスアレイ基板が得られる。

この実施例では、非線形抵抗素子（16）の基板（10）
に近い側の下部金属（12）がNbとMoの合金からなり、且
つ非線形抵抗素子（16）の絶縁体（13）がその合金の酸
化物からなるので、配線電極（11）の抵抗が従来に比べ
低くなり、更に、非線形抵抗素子（16）の電流−電圧特
性も良好である。また、この実施例では、上部金属（1
5）をCrであるとしたが、その他にTi、Al、Ta、Nb-Ta等
であっても、良好な電流−電圧特性を示すという実験結
果を得ている。

第２図は請求項２記載の発明の一実施例を得るための
製造工程を示す図であり、第１図と対応する部分には同
一の符号を付してある。まず、例えばホウ珪酸ガラスか
らなる基板（10）上に、膜厚0.15μｍのMo-Ta合金（Mo:
Taの重量比40:60,比抵抗40μΩ・cm）からなる合金膜
を、スパッタリング法により形成する。そして、第２図
（ａ）に示すように、この合金膜を配線電極（11）と非
線形抵抗素子部の下部金属（12）にパターニングする。
このためには、レジストを全面に塗布した後、マスクを
用いて光露光し現像して、レジストパターンを形成し、
更に、ケミカルドライエッチング法により合金膜のエッ
チングを行えばよい。なお、このエッチングは、CF₄と
Ｏ₂ガスを等量混合したプラズマ中で行う。次に、レジ
ストを剥離した後、下部金属（12）より比抵抗が高いTa
膜をスパッタリング法により0.02μｍ形成する。そし
て、クエン酸水溶液中に基板（10）を挿入し、陽極酸化
法により上述のTa膜を全面転化して、第２図（ｂ）に示
すように、0.05μｍのTa酸化膜を非線形抵抗素子部の絶
縁体（13）として形成する。このTa酸化膜は透明なの
で、非線形抵抗素子以外の基板（10）上では透明な絶縁
体として存在することになる。次に、全面にCr膜を0.15
μｍの厚さに形成した後、フォトリソグラフィー工程を
用い、第２図（ｃ）に示すように、非線形抵抗素子部の
上部金属（15）を形成する。続いて、ITOをスパッタリ
ング法により形成し、フォトリソグラフィー工程を用
い、第２図（ｄ）に示すように、非線形抵抗素子部の上
部金属（15）に接続される表示画素部（14）にパターニ
ングする。こうして、非線形抵抗素子（16）を有する所
望のマトリックスアレイ基板が得られる。

この実施例では、基板（10）上に非線形抵抗素子部の
下部金属（12）及び配線電極（11）となる抵抗の比較的
低い金属のパターンを形成するとともに、下部金属（1
2）として好適な金属を薄く全面に形成した後、これを
完全に酸化して非線形抵抗素子部の絶縁体（13）を得て
いる。この結果、今までの実施例と同様に、配線電極
（11）の抵抗が従来に比べ低くなり、更に、非線形抵抗
素子（16）の電流−電圧特性も良好である。また、配線
電極（11）及び下部金属（12）上に、これらを覆うよう
に絶縁膜を被覆することになっているので、その上に上
部金属（15）を形成したときに、パターンエッジ部分で
上部金属（15）の配線部分がゆるやかに積層され、ステ
ップカバレージがよくなる。即ち、上部金属（15）の配
線部分の段切れといった欠陥を引き起こす要因を削除で
きるので、歩留り向上に役立つ。

なお、得られたマトリックスアレイ基板からマトリッ
クス型液晶表示装置を形成するには、例えば次のように
すればよい。得られたマトリックスアレイ基板の非線形
抵抗素子形成面に更に、ポリイミド樹脂からなる配向膜
を塗布・焼成しラビングすることにより、液晶配向方向
を規制する。一方別に、パイレックスガラスからなる基
板上にITOからなる共通電極を形成し且つポリイミド樹
脂からなる配向膜とラビングによって液晶配向方向を規
制した対向基板を用意し、液晶の分子長軸方向が両基板
間で約90°ねじれるように、５〜20lの間隔を保って保
持させ、液晶を注入する。そして、こうして構成した液
晶セルの外側に、偏光軸を約90°ねじった形で偏光板を
配置すればよい。

［発明の効果］ この発明における請求項１記載のマトリックスアレイ
基板は、非線形抵抗素子の基板に近い側の下部金属をNb
とTaの合金とし、非線形抵抗素子の絶縁体をこの合金の
酸化物としている。更に、請求項２記載のマトリックス
アレイ基板は、非線形抵抗素子の絶縁体は基板の全面に
渡って形成され、非線形抵抗素子の下部金属より抵抗が
大きい金属を転化してなっている。

この結果、この発明は、非線形抵抗素子の特性を損な
うことなく、配線電極の抵抗の低減化を容易に実現で
き、例えば大規模なマトリックス型液晶表示装置の実用
化に非常に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は請求項１記載の発明の一実施例を示す概略斜視
図、第２図は請求項２記載の発明の一実施例を得るため
の製造工程を説明するための断面図、第３図はNb-Ta合
金におけるTa組成比と比抵抗との関係を示す図、第４図
は従来のマトリックスアレイ基板の一画素部分の一例を
示す断面図である。 （10）……基板 （12）……下部金属 （13）……絶縁体 （14）……表示画素部 （15）……上部金属 （16）……非線形抵抗素子

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の表示画素部及びその各々に電気的に
   接続した金属−絶縁体−金属（MIM）素子構造よりなる
   非線形抵抗素子を基板上に形成したマトリックスアレイ
   基板において、前記非線形抵抗素子の前記基板に近い側
   の下部金属がニオブとタンタルの合金からなり、且つ前
   記非線形抵抗素子の前記絶縁体が前記合金の酸化物から
   なることを特徴とするマトリックスアレイ基板。
2. 【請求項２】複数の表示画素部及びその各々に電気的に
   接続した金属−絶縁体−金属（MIM）素子構造よりなる
   非線形抵抗素子を基板上に形成したマトリックスアレイ
   基板において、前記非線形抵抗素子の前記絶縁体は前記
   基板の全面に渡って形成され且つ前記非線形抵抗素子の
   前記基板に近い側の下部金属より比抵抗が大きい金属を
   転化してなることを特徴とするマトリックスアレイ基
   板。