JP3604106B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示媒体として、たとえば液晶を用いた液晶表示装置等の表示装置に対して使用される、アクティブマトリクス基板およびそれを備える表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
上述した液晶表示装置としては、液晶を挟む一対の基板の一方に図10に示す等価回路からなるアクティブマトリクス基板が用いられている。このアクティブマトリクス基板は、画素電極のオンオフ制御を薄膜トランジスタ(以下、TFTと省略する)2を用いて行う構成となっており、TFT2はマトリクス状に配設されている。TFT2のゲート電極にはゲート配線3が接続され、TFT2はゲート配線3からの信号により駆動される。TFT2のソース電極にはソース配線5が接続され、TFT2のドレイン電極には画素電極が接続され、ソース配線5を送られるビデオ信号等は、ゲート配線3にてTFT2がオンとなっているときに、ソース電極およびドレイン電極を介して画素電極に入力される。また、TFT2のドレイン電極には、マトリクス状に設けられた絵素容量1の一方の端子が接続される。各絵素容量1のもう一方の端子は、絵素容量配線4に接続されており、このアクティブマトリクス基板に対して間に液晶を挟んで対向基板を配設することにより構成される液晶セルとなした場合に、その対向基板上に形成されている対向電極と接続される。
【0003】
図15は、上述した等価回路を有するアクティブマトリクス基板の断面(図14のB−B′線による断面)を示し、図14はそのアクティブマトリクス基板の平面図、図16はそのアクティブマトリクス基板に形成されたTFT部分の平面図を示す。このアクティブマトリクス基板は、透明絶縁性基板10上にソース配線5とゲート配線3とが交差して形成され、両配線3と5との交差する部分の近傍にTFT2が形成されている。
【0004】
このTFT2は、上記ゲート配線3から分岐したゲート電極llの上に形成されている。上記ゲート電極llはゲート絶縁膜12にて覆われており、ゲート電極llの上方のゲート絶縁膜12の上には半導体層13が形成されている。ゲート電極llの上方の半導体層13の上にはチャネル保護膜14が形成され、チャネル保護膜14の上で分断してnSi層からなるソース電極15aおよびドレイン電極15bが半導体層13およびゲート絶縁膜12の上に形成されている。ソース電極15aおよびドレイン電極15bの上に一部を重畳して透明導電膜16′が形成され、この透明導電膜16′の上に金属層16が形成されている。ソース電極15a側の透明導電膜16′および金属層16は2層構造としたソース配線となっている。
【0005】
この状態の基板の上には、TFT2よりも広い範囲にわたり、層間絶縁膜17および透明導電層からなる画素電極6(図中の太線内)がこの順に形成されている。画素電極6は、層間絶縁膜17を貫くコンタクトホール7を介してTFT2のドレイン電極15bと接続されている。
【0006】
このように構成されたアクティブマトリクス基板においては、ゲート配線およびソース配線と、画素電極6との間には層間絶縁膜17が形成されているため、ゲート配線及びソース配線の両方に対して画素電極6をオーバーラップさせることが可能となる。これによって、開口率の向上や、前記の配線に起因する電界をシールドすることができる。この様な構造は、例えば特開昭58−172685に開示されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の逆スタガーTFTを有するアクティブマトリクス基板においては、TFTの通電時間の経過に伴う特性変化が大きいという問題があった。
【0008】
図11は、黒の一様表示の場合を想定し、ソース配線に±3.5Vの信号を入力した状態でゲート配線における電位のローレベル(Vgl)を変化させ、表示が白く変化するレベルをプロットしたものである。横軸に通電時間をとり、縦軸にゲート配線のローレベル(Vgl)をとっている。
【0009】
この図において、Vglの値が大きいほど、TFTのOFF特性のマージンが大きいと言える。例えば、Vgl=−8Vで動作させた場合には、図11のAにて示す従来のアクティブマトリクス基板の構造では200時間の動作で不良、つまり寿命となるため、実際の使用にはまったく耐えられないことが解る。このような特性になるのは、層間絶縁膜として有機薄膜を用いた場合、特に顕著である。
【0010】
また、OFF特性がずれた場合、ノーマリーホワイトモードにおいて表示が白っぽく見える「かすみ現象」が起こり、表示品位が著しく悪いものになるという問題があった。
【0011】
本発明は、このような従来技術の課題を解決すべくなされたものであり、TFTの通電時間の経過に伴う特性変化を小さくして寿命を長くできるアクティブマトリクス基板およびそれを備える表示装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の液晶表示装置は、複数のゲート配線と複数のソース配線とがそれぞれ交差して設けられた透明絶縁基板と、該透明絶縁基板上の各ゲート配線と各ソース配線との交差部の近傍にそれぞれ設けられており、それぞれが、各ゲート配線に接続されたゲート電極と、各ソース配線に接続されたソース電極とを有する薄膜トランジスタと、該薄膜トランジスタ、該ゲート配線および該ソース配線を覆うように前記透明絶縁基板上に設けられた有機材料にて形成された層間絶縁膜と、
該層間絶縁膜上にマトリクス状に設けられており、それぞれが、該層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介して前記各薄膜トランジスタのドレイン電極に接続された画素電極と、を有するアクティブマトリクス基板と、該アクティブマトリクス基板上に設けられた液晶層と、該液晶層を挟んで該アクティブマトリクス基板に対向して配置されており、前記画素電極に対向する対向電極が設けられた対向基板とを有する液晶表示装置であって、前記アクティブマトリクス基板には、前記各薄膜トランジスタのチャネル領域上部において帯電することを緩和するために、該層間絶縁膜を介して、前記各薄膜トランジスタのチャネル領域にそれぞれ対向するように、該層間絶縁膜上にフローティング状態の導電性層が形成されていることを特徴とする。
前記層間絶縁膜は、膜厚が1.5μm以上である。
【0016】
前記導電性層は透明導電材料から形成されていもよいし、遮光性導電材料から形成されていてもよい。
【0018】
前記導電性層は、前記層間絶縁膜を介して、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の双方の少なくとも一部にオーバーラップして形成されることが、好ましい。
【0021】
前記向基板は、ブラックマトリクスを有さないカラーフィルター層を備えていることが好ましい。
【0022】
以下に、本発明の作用について説明する。
【0023】
本発明においては、ゲート配線およびソース配線の交差する部分の近傍に設けられたTFTのチャネル領域が、層間絶縁膜の上に形成された画素電極や別の電極で覆われている。これによって、TFT通電動作時のOFF特性の変化を小さくすることができ、OFF特性に大幅なマージンを持つとともに高い信頼性を確保することができる。よって、OFF特性がずれに伴う前記「かすみ現象」の発生を防止することができる。
【0024】
また、TFTのチャネル領域を覆う電極は他の電極から電気的に独立していてもよい。また、TFTのチャネル領域を覆う電極に金属層を用いると、TFTのチャネル領域への光漏れを防止でき、これに伴って、ブラックマトリクスが不要なカラーフィルタを使用してカラー表示が可能な表示装置を実現することができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態について説明する。
【0026】
(第1の実施形態)
図1は本実施形態におけるアクティブマトリクス基板の構成を示す平面図であり、図2はそのアクティブマトリクス基板のTFT部を示す平面図、図3は図1のA−A′線による断面図を示す。
【0027】
このアクティブマトリクス基板は、透明絶縁性基板10上に、データ信号を供給するための信号配線としてのソース配線5と走査信号を供給するための走査配線としてのゲート配線3とが交差して形成され、両配線3と5との交差する部分の近傍にTFT2が形成されている。
【0028】
このTFT2は、上記ゲート配線3から分岐したゲート電極llの上に形成されている。上記ゲート電極llはゲート絶縁膜12にて覆われており、ゲート電極llの上方のゲート絶縁膜12の上には半導体層13が形成されている。ゲート電極llの上方の半導体層13の上にはチャネル保護膜14が形成されている。
【0029】
上記チャネル保護膜14の上で分断してnSi層からなるソース電極15aおよびドレイン電極15bが半導体層13およびゲート絶縁膜12の上に形成されている。ソース電極15aおよびドレイン電極15bの上に一部を重畳して透明導電膜16′が形成され、この透明導電膜16′の上に金属層16が形成されている。ソース電極15a側の透明導電膜16′および金属層16は2層構造としたソース配線となっている。
【0030】
この状態の基板の上には、TFT2よりも広い範囲にわたり、有機材料として、例えばアクリル系樹脂、ポリイミド等を用いた有機薄膜からなる層間絶縁膜17と、透明導電層からなる画素電極6とがこの順に形成されている。画素電極6は、層間絶縁膜17を貫くコンタクトホール7を介してTFT2のドレイン電極15bと接続されており、TFT2を覆い、かつ、画素電極6の周縁部をソース配線5およびゲート配線3の少なくとも一部とオーバーラップした状態に形成されている。
【0031】
したがって、このアクティブマトリクス基板においては、TFT2のドレイン電極15bに電気的に接続された透明導電膜16’に、層間絶縁膜17を貫くコンタクトホール7を介して透明導電層からなる画素電極6が電気的に接続され、また、TFT2のチャネル領域を覆う構成としてある。従って、この構造ではTFT2の上部及び周辺においても全て液晶分子を配向させることができるので、開口率を向上する効果がある。
【0032】
この構成において、実際の動作でのTFT特性の変化Bを、図11に併せて示す。この図11のBより理解されるように、TFTのドレイン電極と同じ電位の電極を、層間絶縁膜を挟んでTFTのチャネル領域の上方に形成することにより、実際の動作時のTFTのOFF特性の変化を小さくする効果がある。このTFTの特性変動が小さくなる理由としては、層間絶縁膜17と、PI(ポリイミド配向膜)あるいは液晶とが接する界面において通電動作中に電荷が誘起され、チャネル領域の上部において帯電(チャージアップ)する現象が、チャネル領域を覆うように電極を形成することにより緩和されるからである。よって、OFF特性のずれに伴う「かすみ現象」の発生を防止でき、表示品位の向上を図ることができる。
【0033】
かかる実施形態のアクティブマトリクス基板に対して、間に液晶を挟んで対向基板を対向配設して構成した液晶表示装置は、信頼性の高いものとなる。
【0034】
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態について説明する。
【0035】
図4は、本実施形態におけるアクティブマトリクス基板を示す平面図であり、図5はそのTFT部分を示す断面図である。なお、図4および図5においては、上述した図1〜図3と同一部分には同一番号を付している。
【0036】
この実施形態のアクティブマトリクス基板は、TFT2のドレイン電極15bに電気的に接続された透明導電膜16’に、層間絶縁膜17を貫くコンタクトホール7を介して透明導電層からなる画素電極6が電気的に接続した状態に形成されている。この画素電極6の周縁部は、ソース配線5およびゲート配線3の少なくとも一部とオーバーラップさせている。更に、画素電極6とは電気的に独立した状態で透明導電層からなる電極18がTFT2のチャネル領域を少なくとも覆うように形成されている。電極18にてTFT2を覆う部分は、半導体層13のチャネル領域以外にソース電極15aおよびドレイン電極15bの少なくとも一方の一部または全部を覆うようにしてもよい。なお、他の部分は、第1の実施形態と同様にした。
【0037】
この場合の通電動作時のTFTの特性変動Cを図11に併せて示す。この図11のCより理解されるように、TFTのチャネル領域上に設ける電極をフローティング状態にする(他の電極から電気的に独立させる)ことにより、第1の実施形態の場合と比較しても一層特性変動抑制の効果が高くなっている。
【0038】
その理由としては、有機薄膜からなる層間絶縁膜と、配向膜としてのポリイミド(PI)や液晶材料(LC)とが、TFT2のチャネル領域の上部で接することが無くなり、帯電によるチャージアップが緩和されるからである。さらに、この独立した電極18はTFT2のソース電極15a及びドレイン電極15bとの重なりを持たせ、ある程度の容量成分を持たせることによって、ソース電極15aおよびドレイン電極15b、並びに、上記アクティブマトリクス基板に対して液晶を挟んで向かい合う対向電極などの電極との間のバランスを反映した中間的な電位になり、チャージアップ緩和の効果がより一層顕著となるからである。よって、OFF特性のずれに伴う「かすみ現象」の発生を防止でき、表示品位の向上を図ることができる。但し、独立した電極18をTFT2のソース電極15a及びドレイン電極15bと重なっていない構成としても、容量成分は持っているので従来よりは信頼性向上に効果があることは言うまでもない。この構成では、実施形態1と比較して、TFTの特性変動の抑制効果が高い。しかしながら、電極を分離するための領域から漏れる光を遮光する必要があるので、開口率は実施形態1の構成よりも低くなる。実際の表示装置の設計において、どちらの構成を採用するかは、それぞれの表示装置の用途に応じて、表示特性や信頼性を考慮して決定すればよい。
【0039】
以上のことは、チャネル領域を覆う電極の電位をソース配線と同じにした場合にも同様の効果が得られた。
【0040】
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態について説明する。本実施形態においては、TFTのチャネル領域への遮光を目的とし、第2の実施形態において透明導電膜によって作製したフローティング状態にある電極を、金属膜で形成した。
【0041】
図6は本実施形態におけるアクティブマトリクス基板を示す平面図であり、図7はそのTFT部分を示す断面図である。これら図6および7は、図4および5と同一部分には同一番号を付している。本実施形態のアクティブマトリクス基板は、画素電極6が第2の実施形態と同様に形成されていると共に、TFT2のチャネル領域を遮光すべく、TFT2の上に金属膜からなる、独立した電極19が形成されている。電極19にてTFT2を覆う部分は、少なくともチャネル領域を覆うようにすればよい。他の部分は、第2の実施形態と同様にした。
【0042】
本実施形態による場合には、TFT2のチャネル領域への遮光を金属膜19によって行うことが可能となる。また、画素電極6の周縁部がソース配線5およびゲート配線3の少なくとも一部とオーバーラップさせてあるので、上記アクティブマトリクス基板に対して表示媒体(液晶等)を挟んで反対側に配置される対向基板の対向電極に設けられるカラーフィルタとして、ブラックマトリクスの無いものを使うことも可能になる。つまり、金属膜19、ソース配線5およびゲート配線3がブラックマトリクスとして機能する。この場合、表示装置としては、対向基板側を前面とする透過型として構成される。また、独立した電極19を金属膜にした構成の場合でも、実験結果より、前述のチャージアップ緩和の効果がより一層顕著になることに伴う信頼性向上についての効果は、第2の実施形態のように独立した電極を透明導電膜にて構成した場合と同じであった。
【0043】
(第4の実施形態)
本発明の第4の実施形態について説明する。
【0044】
ここでは、図8および図9に基づいて、本実施形態におけるアクティブマトリクス基板の断面構成を説明する。本発明は、第1〜第3実施形態の各実施形態において、チャネル保護膜14を有するTFT構造に限らず、チャネル保護膜無しのTFT構造のアクティブマトリクス基板にも適用できることはもちろんである。また、実験結果より、信頼性向上についての効果は、チャネル保護膜を有する場合と同一であった。
【0045】
(第5の実施形態)
第5の実施形態を、図12及び13を参照しながら説明する。図12は、本施形態のアクティブマトリクス基板の平面図であり、図13は、図12のアクティブマトリクス基板を用いた液晶表示装置の断面図である。
【0046】
本実施形態では、画素電極6が実施形態1と同様に形成されているとともに、TFT2のチャネル領域を遮光するために、金属膜からなる電極19がTFT2上に形成されている。電極19は、少なくともTFT2のチャネル領域を遮光するように形成すればよい。他の構成については、実施形態1および3と同様の構成とした。
【0047】
本実施形態によると、TFT2のチャネル領域を金属電極19で遮光することができるだけでなく、画素電極6のパターニングが容易になる。また、画素電極6の周辺部をゲート配線3及びソース配線5の少なくとも一部とオーバーラップさせている。従って、図13に示すように、対向基板20に形成されるカラーフィルタ層22にブラックマスクを形成する必要がない。すなわち、画素電極6の周辺部からの光は、ゲート配線3及びソース配線5によって遮光されるので、対向基板にブラックマスクを設ける必要がない。さらに、TFT2のチャネル領域も金属電極19によって遮光される。図13に示した液晶表示装置は、対向基板側を前面(観察者側)に配置した透過型液晶表示装置である。また、独立した電極19を金属膜で形成しても、チャージアップが緩和される効果がより一層顕著になり、信頼性が向上することは、実施形態2と同様であることを実験的に確認した。
【0048】
上述した各実施形態では層間絶縁膜として有機薄膜を用いているが、本発明はこれに限らず、層間絶縁膜にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の無機膜を用いる場合にも同様の効果が得られる。つまり、TFTの特性変動は層間絶縁膜として有機薄膜を用いた場合に顕著であるが、本発明の効果はこれに限られる訳ではなく、上述した無機膜を層間絶縁膜として用いる場合にもTFTの特性変動は発生するが、それに対しても本発明の構造は特性変動抑制の効果が得られる。
【0049】
なお、層間絶縁膜の材料として、有機材料を用いることによって、無機材料を用いる場合に比較して、以下のような利点がある。有機材料は無機材料に比較して、誘電率が低いので、層間絶縁膜を介して対向する電極や配線などの導電層の間に形成される容量を小さくすることができる。また、有機材料を用いると、スピンコート法等の塗布法を用いて、厚膜を形成しやすい。上述した容量を十分に低下させるためには、有機膜の厚さは約1.5μm以上であることが好ましい。好ましい有機材料としては、可視光に対する透明度の高い、アクリル系樹脂やポリイミド樹脂を挙げることができる。
【0050】
また、上述した実施形態では説明しなかったが、チャネル領域を覆う電極は、接地したり、または対向電極に接続してもよく、このようにしても同様の効果が得られるのは言うまでもない。
【0051】
また、本発明は、上述した各実施形態において用いる逆スタガー型TFTに限らず、スタガー型TFTにも適用できることはもちろんである。
【0052】
また、上記各実施形態では半導体層の全域がチャネル領域である薄膜トランジスタの場合に適用しているが、本発明はこれに限らず、半導体層の一部がチャネル領域である薄膜トランジスタに対しても適用でき、その場合にもチャネル領域を覆うように所望の電極を適当な大きさで形成すればよい。
【0053】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明による場合には、ゲート配線およびソース配線の交差する部分の近傍に設けられたTFTのチャネル領域が、層間絶縁膜の上に形成された画素電極や別の電極で覆われるので、TFT通電動作時のOFF特性の変化を小さくすることができ、これにより寿命を長くすることが可能になり、また、OFF特性に大幅なマージンを持つとともに高い信頼性を確保することができる。よって、OFF特性のずれに伴う「かすみ現象」の発生を防止でき、表示品位の向上が図れる。また、TFTのチャネル領域を覆う電極に金属層を用いると、TFTのチャネル領域への光漏れを防止でき、加えて画素電極の周縁部をゲート配線およびソース配線の少なくとも一部とオーバーラップさせることにより、ブラックマトリクスが不要なカラーフィルタを使用してカラー表示が可能な表示装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態におけるアクティブマトリクス基板を示す平面図である。
【図2】図1のアクティブマトリクス基板のTFT部分を示す平面図である。
【図3】図1のアクティブマトリクス基板のA−A’線に沿った断面図である。
【図4】第2の実施形態におけるアクティブマトリクス基板のTFT部分を示す平面図である。
【図5】第2の実施形態におけるアクティブマトリクス基板における、図3と同様の部分を示す断面図である。
【図6】第3の実施形態におけるアクティブマトリクス基板のTFT部分を示す平面図である。
【図7】第3の実施形態におけるアクティブマトリクス基板における、図3と同様の部分を示す断面図である。
【図8】第4の実施形態におけるアクティブマトリクス基板における、図3と同様の部分を示す断面図である。
【図9】第4の実施形態における他のアクティブマトリクス基板における、図3と同様の部分を示す断面図である。
【図10】TFTを備える液晶表示装置の一部であるアクティブマトリクス基板の構成を示す等価回路図である。
【図11】本発明による実施形態におけるアクティブマトリクス基板における通電時間とゲート配線の電位のローレベルとの関係を示す図であり、従来の場合の同様の関係を併せて示している。
【図12】第5の実施形態におけるアクティブマトリクス基板を示す平面図である。
【図13】図12のアクティブマトリクス基板のC−C’線に沿った断面図である。
【図14】アクティブマトリクス基板を示す平面図である。
【図15】図14のアクティブマトリクス基板のB−B’線に沿った断面図である。
【図16】アクティブマトリクス基板のTFT部分を示す平面図である。
【符号の説明】
2 TFT(薄膜トランジスタ)
3 ゲート配線
5 ソース配線
6 画素電極
7 コンタクトホール
10 基板
11 ゲート電極
l2 ゲート絶縁膜
13 半導体層
14 チャネル保護膜
15a ソ一ス電極
15b ドレイン電極
16′ 透明導電膜
16 金属層
17 層間絶縁膜
18 電極
19 電極

Claims (6)

  1. 複数のゲート配線と複数のソース配線とがそれぞれ交差して設けられた透明絶縁基板と、
    該透明絶縁基板上の各ゲート配線と各ソース配線との交差部の近傍にそれぞれ設けられており、それぞれが、各ゲート配線に接続されたゲート電極と、各ソース配線に接続されたソース電極とを有する薄膜トランジスタと、
    該薄膜トランジスタ、該ゲート配線および該ソース配線を覆うように前記透明絶縁基板上に設けられた有機材料にて形成された層間絶縁膜と、
    該層間絶縁膜上にマトリクス状に設けられており、それぞれが、該層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介して前記各薄膜トランジスタのドレイン電極に接続された画素電極と、を有するアクティブマトリクス基板と、
    該アクティブマトリクス基板上に設けられた液晶層と、
    該液晶層を挟んで該アクティブマトリクス基板に対向して配置されており、前記画素電極に対向する対向電極が設けられた対向基板とを有する液晶表示装置であって、
    前記アクティブマトリクス基板には、前記各薄膜トランジスタのチャネル領域上部において帯電することを緩和するために、該層間絶縁膜を介して、前記各薄膜トランジスタのチャネル領域にそれぞれ対向するように、該層間絶縁膜上にフローティング状態の導電性層が形成されていることを特徴とする液晶表示装置。
  2. 前記層間絶縁膜は、膜厚が1.5μm以上である請求項1に記載の液晶表示装置。
  3. 前記導電性層は透明導電材料から形成されている請求項1または2に記載の液晶表示装置。
  4. 前記導電性層は遮光性導電材料から形成されている請求項1または2に記載の液晶表示装置。
  5. 前記導電性層は、前記層間絶縁膜を介して、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の双方の少なくとも一部にオーバーラップして形成されている請求項1から4のいずれかに記載の液晶表示装置。
  6. 前記対向基板は、ブラックマトリクスを有さないカラーフィルター層を備えている請求項1〜5のいずれかに記載の液晶表示装置。
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