JP3666378B2 - Ｍｉｍ型非線形素子の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＭＩＭ型非線形素子に関し、特に液晶を駆動することに適した電圧−電流特性を得る事及び基板内に均一な電気特性を持った素子を得る事に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、アクティブマトリクス方式の液晶表示装置においては、画素領域ごとに非線形素子を設けてマトリクスアレイを形成した一方側の基板と、カラーフィルタが形成された他方側の基板との間に液晶を充填しておき、各画素領域ごとの液晶の配向状態を制御して、所定の情報を表示する。ここで、非線形素子として薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などの３端子素子または金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）型非線形素子などの２端子素子を用いるが、液晶表示素子に対する画面の大型化および低コスト化などの要求に対応するにはＭＩＭ型非線形素子を用いた方式が製造工程が短いために有利である。しかも、ＭＩＭ型非線形素子を用いた場合には、マトリクスアレイを形成した一方側の基板に走査線を設け、他方側の基板には信号線を設けることができるので、３端子素子の不良の大きな原因となっている走査線と信号線のクロスオーバー短絡が発生しないというメリットもある。
【０００３】
このようなＭＩＭ型非線形素子を用いたアクティブマトリクス方式の液晶表示パネルにおいては、液晶表示パネルの等価回路である図３に示すように、各画素領域３で各走査線３１と各信号線３２との間にＭＩＭ型非線形素子１（図中、バリスタの符号で示す。）と液晶表示素子２（図中、コンデンサの符号で示す。）が直列接続された構成として表され、走査線３１および信号線３２に印加された信号に基づいて、液晶表示素子２を表示状態および非表示状態あるいはその中間状態に切り換えて表示動作を制御する。
【０００４】
図４（ａ）の４１で示すように、ＭＩＭ型非線形素子１において、印加電圧Ｖ_NLと電流I_NLとは非線形性の関係を有している。ＭＩＭ型非線形素子１のしきい値電圧をＶ_th、液晶表示素子２のしきい値電圧をＶ_b、表示状態となる電位を（Ｖ_b＋ΔＶ）とすると、図４（ｂ）に示すように選択期間では、所定の画素領域３における走査線３１と信号線３２との間の電位差Ｖ（単位画素への印加電圧）を（Ｖ_b＋Ｖ_th）とすることによって、液晶表示素子２を非表示状態とする事ができ、走査線３１と信号線３２との間の電位差Ｖを（Ｖ_b＋Ｖ_th＋ΔＶ）とすることによって、液晶表示素子２を表示状態とする事ができる。一方、非選択期間では単位画素に印加する電位Ｖを、液晶表示素子２に残留した電位に対して概ね近接する様に設定しその差がＶ_th以下であれば、非選択期間内でＭＩＭ型非線形素子１は常に遮断状態となり、選択期間に定められた状態をそのまま維持する事になる。
【０００５】
以上は、ＭＩＭ型非線形素子の容量が十分小さく、電圧−電流特性の非線形性が十分高い理想的なＭＩＭ型非線形素子１を得る事ができ、ＭＩＭ型非線形素子に信号を与える配線の抵抗が十分に低くできた場合の最も基本的な動作例である。容量が十分小さく，電圧−電流特性の高い素子として、特開平２−９３４３３に示されているように第一の金属膜をなすＴａ膜中にシリコンを１０原子％以下添加し、該膜を陽極酸化してなる酸化タンタル膜中にシリコンを含ませて作製したＭＩＭ型非線形素子１があげられる。また、Ｔａ膜は薄膜状態では正方晶構造となり比抵抗が１８０μΩ・ｃｍと非常に高いので、他の陽極酸化可能な金属との合金膜や陽極酸化可能な低抵抗金属との２層構造をした膜を用いることが考えられている。
【０００６】
このようなＭＩＭ型非線形素子の一般的な構造をＭＩＭ型非線形素子の平面図である図１（ａ）のＡＡ´の断面図である図１（ｂ）を用いて述べる。ＭＩＭ型非線形素子１は、透明基板１１の表面側に形成され、走査線３１を介して走査回路側に導電接続するＴａ原子を主成分とした第一の金属膜１２と、その表面側の金属酸化膜１３と、その表面側に形成されて画素電極１５に導電接続するＣｒからなる第二の金属膜１４とから構成されている。金属酸化膜１３は、Ｔａ膜の表面に膜厚が均一で、しかもピンホールがない状態で形成されるように、第一の金属膜１２に対する陽極酸化によって形成される。
【０００７】
この構造を実現する一般的なプロセス例は以下のようになる。
１．ガラス基板上に、Ｔａ膜をスパッタリングで堆積し、熱酸化をすることで、約１０００ÅのＴａ₂Ｏ₅膜を形成する工程と、
２．次に、図２（ａ）に示すように、コスパッタリング法や電子ビーム蒸着法でＴａ原子を主成分としＴａ原子以外の不純物原子を含んだ第一の金属膜を約５０００Å堆積し、パターニングする工程と、
３．次に、図２（ｂ）に示すように、例えばクエン酸の希薄水溶液を化成液とし３０Ｖで陽極酸化し、第一の金属膜の表面側に酸化膜を形成する工程と、
４．次に、図２（ｂ）の状態の基板を真空中で４００Å〜６００Åの温度で１〜２時間熱処理する工程と、
５．次に、図２（ｃ）に示すように、第二の金属膜となるＣｒ膜を１５００Å程スパッタリング法で堆積し、パターニングする工程と、
６．次に、図２（ｄ）に示すように、画素電極となる透明導電膜の１つであるＩＴＯ膜をスパッタリング法で約２０００Å堆積し、パターニングする工程から従来はなっていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＭＩＭ型非線形素子１を用いた液晶表示パネルにおいては、色の階調がきれいにでない，クロストークが目立つ，静止画像などを表示した後に残像が発生しやすいという問題点があった。その原因として、本発明ではマトリクスアレイの各構成要素と表示性能との関係を調査した結果、その原因がＭＩＭ型非線形素子１を構成する金属酸化膜１３を構成する元素とその組成比に関連があることを確認した。以下に個々の課題について詳細に説明する。
【０００９】
第一の課題の色の階調がでないことについて述べる。原因としては、ＭＩＭ型非線形素子の電圧−電流特性の急峻性が小さいこと，非選択期間でのリーク電流が大きいこと及び素子容量が大きいことである。対策として、金属酸化膜１３にシリコン原子等を混入させるとよいが、該膜を第一の金属膜に対する陽極酸化で形成するとシリコンが水溶液中では酸化されにくいので均一な膜形成が難しい。従って、特開平２−９３４３３ではシリコン添加量は１０原子％以下にするとよいとの記述がなされている。
【００１０】
第二の課題のクロストークの発生原因として、薄膜では抵抗値が高くなるタンタルを主成分とした走査線３１をなす第一の金属膜１２の配線抵抗が高いこと及びＭＩＭ型非線形素子のオフ状態でのリーク電流が大きいことが挙げられる。配線抵抗低下の方法として、第一の金属膜をアルミニウムや銅などの低抵抗金属との２層構造にしたり、前記金属との合金にして抵抗値を低下させる方法があるが、従来から該膜の陽極酸化膜が均一に堆積されないでいた。
【００１１】
第三の課題である残像の発生は、電圧−電流特性の経時変化が原因である。ＭＩＭ型非線形素子の電圧−電流特性が電圧印加によって変化すると、図４（ｂ）に示すように、動作初期段階では、走査線３１と信号線３２との間の電位差Ｖを（Ｖ_b＋Ｖ_th）とすることによって液晶表示素子３を非表示状態に、電位差Ｖを（Ｖ_b＋Ｖ_th＋ΔＶ）とすることによって液晶表示素子３を表示状態に制御できていたものが、ＭＩＭ型非線形素子１の印加電圧Ｖ_NLと電流I_NLが使用履歴によってシフトするので、液晶表示パネルの配向状態が動作初期とは同じように変化しなくなる。それ故、液晶表示パネルに残像などが発生し、その表示品質が低下するなどの問題が生じてしまう。残像現象は液晶表示素子を見にくくするばかりでなく、コントラストの低下やカラー表示の場合は色の純度の低下を招く事になる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
基板の表面に形成したＭＩＭ型非線形素子において、該絶縁膜をなす金属酸化膜の酸素原子とタンタル原子の原子比をＯ／Ｔａ＜２．５となるようにすれば、電圧−電流特性の急峻性が大きくなる。該絶縁膜は、タンタル原子を含んだ金属膜である第一の金属膜を、アルコール溶液で溶質を溶かした化成液を用いて陽極酸化すると得られるほかに、第一の金属膜に酸化されにくい元素が含まれていても均一膜質かつ基板面内で均一な膜厚である酸化膜が形成される。特に、アルコール溶液のなかでもエチレングリコール溶液はムラなく酸化膜を形成でき、かつ該絶縁膜の比誘電率を２２以下にしＭＩＭ型非線形素子の電圧−電流特性も向上させることができる。
【００１３】
上記の記述よりも液晶を駆動するに適したＭＩＭ型非線形素子を得るために、該絶縁膜をタンタルとシリコン原子を含んだ金属膜である第一の金属膜のエチレングリコール溶液で溶質を溶かした化成液を用いた陽極酸化膜とすることで、大量のシリコン原子が含まれていても、基板内で均一な金属酸化膜が堆積でき、電圧−電流特性の急峻性が大きく素子容量の小さなＭＩＭ型非線形素子が得られる。さらに、該第一の金属膜にタングステン，レニウム，イリジウム等の周期律表の６，７，８族原子が含まれていると金属酸化膜中に前記元素が取り込まれ電圧印加時の電流値の経時変化が抑えられる。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明について、実施例に基づき詳細に説明する。
【００１５】
今回の発明に共通している製造工程を以下に示す。図１には、本発明の液晶表示素子を用いたアクティブマトリクスの上面図であるａ図とＡＡ´線上の断面図であるｂ図を示す。ＭＩＭ型非線形素子１は、第一の金属膜からなる走査線１２と第二の金属膜１４との交点部分に作られており、画素電極は１５で示してある。１１はガラスや石英などの透明基板であり、１１ａはスパッタリング法で堆積したタンタル（Ｔａ）膜をすべて熱酸化してあるいはスパッタ法で堆積したタンタル酸化膜（ＴａＯ_X）であり、１２はタンタルを主成分とした金属膜である。
【００１６】
１１ａの酸化タンタル膜は、金属酸化膜１３堆積後の熱処理による第一の金属膜１２の膜剥がれと基板からの不純物の拡散を防止するためであるので、前記の事柄が問題にならない場合は堆積する必要はない。次に、第一の金属膜１２をアルコールを溶媒としこの中に溶質を加えた化成液で陽極酸化することによって、第一の金属膜１２に含まれる元素を含んだ金属酸化膜１３が形成される。１４は第二の金属膜でその種類はどのようなプロセスを採用するかで決定される。１５は画素電極であり、ＩＴＯ膜等の透明導電膜が使われている。また、図１１に示すように製造工程を短くするために、第二の金属膜を画素電極であるＩＴＯ膜等の透明導電膜１１１で兼用してもよい。
【００１７】
上述のとうり製造工程は従来技術と変化はない。今回の発明では、第一の金属膜の構成，金属酸化膜の材質および製造方法について言及している。
【００１８】
第一のＭＩＭ型非線形素子の急峻性を大きくする方法を述べる。金属酸化膜１３に含まれる元素のうちタンタル（Ｔａ）と酸素（Ｏ）の原子比は、アルコールを溶媒としこの中に溶質を加えた化成液で第一の金属膜１２を陽極酸化するとＯ／Ｔａ＜２．５となり、水を溶媒とした場合のＯ／Ｔａ＞２．５と異なる。このように酸素とタンタルの原子比がＯ／Ｔａ＜２．５の関係になるようにすると、電圧−電流特性の急峻性が大きくなる。一般的には、金属酸化膜中には、ＴａとＯ以外の元素も含まれることになるがここで述べているタンタルと酸素の原子比は、金属酸化膜１３に含まれている元素中のタンタルと酸素の原子比のことである。さきにＯ／Ｔａ＜２．５にすると電圧−電流特性の急峻性が大きくなると述べたが、具体的にはＭＩＭ型非線形素子の電圧−電流特性を横軸に電圧を線形に表し縦軸に電流値を電圧で除した値の対数で表した図５において、水溶液化成の特性５１に対してアルコール溶液化成の特性は５２のようになることである。つまり、５２のほうが５１の傾きより大きくなっていることを示している。また、前記の傾きの値を今後β値と呼ぶことにする。
【００１９】
さて、アルコール溶液といってもいろいろな種類があるが、今回の発明では液晶表示素子を駆動するＭＩＭ型非線形素子を対象に考えているために、該素子の電気特性が１ｍ角程度の大きさの基板上のどこに作製しても均一になることが条件であるが、この点に関してはエチレングリコール溶液が最も優れていた。
【００２０】
エチレングリコールを陽極酸化の化成液に用いると、溶質の溶解度が水溶液に比べて小さくなるものが多いことや、陽極酸化終了後に基板に付着した溶液を取り除くために硫酸溶液に浸す必要があるなど、取扱いが複雑になるので溶液をエチレングリコールと水の混合にして、多少のβ値の低下を招くことになるが前記の問題を解決することがある。図６に、エチレングリコールと水の混合液中のエチレングリコールの濃度とβ値の関係を示す。これは、第一の金属膜をタンタルにタングステンを数原子％添加した合金膜にし、陽極酸化の溶質にはクエン酸を用い３０Ｖで化成して作製したＭＩＭ型非線形素子の測定データである。エチレングリコール濃度が５０％を境にしてβ値が大きく変化しているが、この濃度のときにＯ／Ｔａ＝２．５となっている。つまり、陽極酸化化成液のエチレングリコール溶媒中に水が含まれても、Ｏ／Ｔａ＜２．５となるような水の含有量であれば比較的大きなβ値が得られる。図６のデータを得たＭＩＭ型非線形素子では、β値が急減に変化するエチレングリコール濃度は５０％であったが、陽極酸化化成液に用いる溶質や第一の金属膜を構成する元素によって、大きなβ値を得るためのエチレングリコール濃度は異なる。従って、エチレングリコールに加える水の濃度はプロセス条件によって異なり、それぞれに最適化する必要がある。
【００２１】
第二にβ値を大きくして、ＭＩＭ型非線形素子の容量を小さくする必要を述べる。ＭＩＭ型非線形素子を用いた液晶表示素子は、図３に示すように液晶と直列につながれているので、液晶の保持期間の電荷の流出を防ぐためには、液晶表示素子２に対してＭＩＭ型非線形素子１の容量をできるだけ小さくすることが望ましい。容量を小さくする方法としては、従来の方法で作製すると比誘電率が２８であるＴａＯ_Xが主成分である金属酸化膜１３中に該膜より比誘電率の小さな材料を添加する方法がとられていたが、１ｍ角の基板に同じような電圧−電流特性を有した素子を作製することは難しかった。以下に比誘電率が２２以下の金属酸化膜１３を均一に作製する方法を二通り述べる。
【００２２】
まず、図２（ａ）のように第一の金属膜１２を周期律表で６，７，８族の元素を１０原子％以下含んだタンタル膜とし、該膜をエチレングリコールを溶媒とし適当な溶質を溶かした溶液を用いて陽極酸化し、熱処理のあとに図２（ｃ）のように第２の金属膜１４を堆積すればよい。こうして作製されたＭＩＭ型非線形素子の比誘電率は２２以下且つ原子比がＯ／Ｔａ＜２．５となる。該ＭＩＭ型非線形素子は従来みられた一定時間の電圧印加前後で電圧−電流特性が異なったり、電流を流す方向変えたときに流れる電流値が変化したりすることはない。さらに、β値も大きくなり液晶駆動に適した素子になっている。溶質の種類によって電気特性が異なり、例えば、燐酸を用いれば比誘電率が１８でβ値は３０Ｖの電圧で陽極酸化処理をして５程度になり、クエン酸ではその値がおのおの２１，４．５となり特性は悪くなるが、基板内の素子特性の均一性はクエン酸溶質の方が優れている。溶質がエチレングリコールに溶解しずらい場合は、金属酸化膜１３の比誘電率が２２以下で原子比がＯ／Ｔａ＜２．５になる範囲で水を添加してもよい。
【００２３】
第二の方法としては、図２（ａ）のように第一の金属膜１２をタンタルにシリコン原子を１５原子％以上含んだ合金膜とし、該膜をエチレングリコールを溶媒とし適当な溶質を溶かした溶液を用いて陽極酸化し、熱処理のあとに図２（ｃ）のように第２の金属膜１４を堆積すればよい。水を溶媒とした化成液では、均一な電気特性を持った素子の形成が難しかったが、エチレングリコールを溶媒にすると素子の電気特性がほぼ一定になった。また、シリコン原子の原子比率が半分以上になった第一の金属膜の陽極酸化は難しかったが、エチレングリコールを溶媒にするとシリコン原子が８０原子％のタンタル合金膜でもＭＩＭ型非線形素子となりうる金属酸化膜の堆積が可能となった。さらに、β値も溶質と陽極酸化の条件を同じにすれば水溶液中で陽極酸化した場合と比較すると２０％ほど大きくなった。
【００２４】
もし、比誘電率が２２以上のＭＩＭ型非線形素子を作製すると、β値が小さいので非常に複雑な駆動方法を用いるか開口率を小さくするようなパネル設計を行わなければ液晶表示パネルを動かすことができなかった。しかし、今回の発明で駆動回路を簡素化し開口率を増大しおよび大型パネルでもコントラストのとれるＭＩＭ型非線形素子が得られた。
【００２５】
第三に、走査線の配線抵抗を低下させ、クロストークを減少させる方法を述べる。図１ａに示すように第一の金属膜１２は、図３に示されている走査線３１も兼ねることになるので液晶表示素子のサイズが大きくなると配線遅延が問題になってくる。ところで、第一の金属膜の主成分がＴａであると比抵抗が２００μΩ・ｃｍと通常の金属の１０倍以上もあるので、図１ｂのかわりに図７に示すように第一の金属膜１２をアルミニウム（Ａｌ）からなる１２ｂとＴａ主成分とする合金膜１２ａとの２層膜にしたり、第一の金属膜をＡｌを主成分としＴａを含んだ合金膜とする方法がある。ところが、図７に示すようにＡｌ膜１２ｂの側面に陽極酸化膜を堆積する場合、陽極酸化化成液の溶媒を水にするとＡｌ酸化膜が堆積されると共にＴａ膜との電気反応で水に溶けやすくなり、結局Ａｌ膜のサイドには酸化膜が堆積されなくなりＭＩＭ型非線形素子の第一の金属膜と第二の金属膜が短絡してしまう。ここで、溶媒をエチレングリコールにすると問題なく酸化膜が堆積される。
【００２６】
Ａｌの陽極酸化にエチレングリコールを用いる方法は特開平２−８５８２６に示されているが、本発明ではＴａ膜とＡｌ膜を一度に酸化し、しかも堆積されるＴａとＡｌの酸化膜で、Ａｌの酸化膜の電気伝導度をＴａ酸化膜より小さい酸化膜とするためである。つまり、Ａｌの酸化膜はＴａ酸化膜よりも十分電気伝導度が小さいために同程度の厚さの酸化膜が堆積されれば前記用件を達成できるので、電気反応でのＡｌ酸化膜の溶解をエチレングリコール溶液にして防止している。尚、陽極酸化化成液に水が含まれていても、図６にあるようにβ値が大きくなる濃度領域では十分な膜厚のＡｌ酸化膜が堆積される。
第一の金属膜１２をＡｌとＴａの合金膜としても、陽極酸化の化成液をエチレングリコールを溶媒にすると、ＡｌとＴａを含んだ金属酸化膜１３が基板面内に均一に堆積される。水溶液でＡｌとＴａの合金膜を陽極酸化すると、Ａｌ酸化物が安定に堆積されないために基板面内での膜厚のばらつきが大きかった。ＡｌとＴａの合金膜を陽極酸化して作製したＭＩＭ型非線形素子は、金属酸化膜中のＡｌ酸化物が電気伝導に関与しないために、電流値がＡｌの含有量に比例して減少するが、電圧−電流特性の急峻性に変化はない。したがって、優れた液晶表示パネルを構成するためには、金属酸化膜１３中にＡｌが含まれていない素子よりも、該膜中のＡｌ含有量に応じてＭＩＭ型非線形素子サイズを大きくすれば、電気特性の変わりのない走査線３１の配線抵抗が小さい液晶表示パネルを提供できる。
【００２７】
第四に残像の発生原因となる電圧−電流特性の経時変化を抑える方法について述べる。第二の方法のところでも述べたが、第一の金属膜をタンタル原子と周期律表の６，７，８族元素の合金膜にし、該膜をエチレングリコール溶媒で陽極酸化して金属酸化膜を堆積することでＭＩＭ型非線形素子を作製すると、β値が大きくなることと合わせて、素子に一定時間電圧を加えた前後での電圧−電流特性の変化をなくすこと及び電流が第一の金属膜から第二の金属膜に流れる場合とその逆の場合での電流値の違いをなくすことができる。さらに、第一の金属膜をシリコン原子が１５原子％以上含まれたタンタル膜に数原子％のタングステンが含まれた膜とし、該膜をエチレングリコールを溶媒とした化成液を用いて陽極酸化しＭＩＭ型非線形素子を作製すると、素子容量が小さく，β値はさらに大きく，素子に電圧を印加しても電圧−電流特性が変化しないという液晶を駆動するに最適の２端子素子を作製することができる。
【００２８】
以上が今回の発明で解決した課題であり、第二の金属膜は金属膜，透明導電膜などの導電膜を用いれば同じ結果が得られる。以下に電圧−電流特性の急峻性（β値）が大きくなったとき，及びＭＩＭ型非線形素子の容量が小さくなったとき及び走査線の配線抵抗が低下したときの液晶表示素子に与える影響を説明する。
【００２９】
電圧−電流特性の急峻性が向上すると、例えば液晶表示素子の駆動にどのような効果がもたらされるかを説明する。マルチプレクス駆動では、選択期間に単位画素を充電する電圧の差によって表示状態を変調するが、信号線上では他の走査線に同期させて書き込むべきデータ電位が絶えず（１水平期間周期で）上下しており、既に選択を終えた単位画素にも選択された画素の印加電圧の変化である外乱量として印加される。つまり、変調の可能なダイナミックレンジと非選択時に単位画素に加わってしまう電圧とは少なくとも正の相関関係にあり、十分なコントラストの表示を得ようとすれば非選択期間に単位画素に加わる電圧を小さくする事はできないことになる。
急峻性が小さい場合、十分な選択期間の電流値を保つならば非選択期間の電流値も大きくなってしまい、非選択期間に加わる電圧によって保持すべき液晶層の電荷がＭＩＭ型非線形素子を通じて流出する。逆にこの電荷を保持するために変調の電圧幅を十分にとらない場合には、表示画素においてコントラストを上げられないということになる。更に、電荷流出量が他の部分の表示画像によって異なるためにクロストークが発生する。これらに加え急峻性が小さいということは、選択期間において特に配線遅延などによって印加電圧波形が変わった場合、液晶層に加わる電圧が大きく変わる原因になる。以上のように、急峻性を大きくすると前記の悪影響が現れなくなるので、きれいな液晶表示素子を提供できる。
【００３０】
さらに、急峻性が大きくなると、利用できる液晶の選択の範囲が広がる。つまり、上述したことから液晶に印加できる実効値電圧の範囲を広くとることができる。このように液晶に印加できる実効値電圧範囲を高くしかも広くできると、例えば高分子分散型液晶にみられる高電圧印加時でも透過率が徐々に大きくなる電圧−透過率曲線を持つ液晶に対しても、その性能を十分に引きだした利用ができる。
【００３１】
次に、ＭＩＭ型非線形素子の容量（Ｃ_MIM）が低下したときの効果について説明する。単位画素に印加される電圧（Ｖ_ap）は、Ｃ_MIMと液晶層の容量（Ｃ_lc）とで分割されることになるが、Ｃ_MIMの値が大きくなるにつれて、Ｖ_apの変化分のうちＭＩＭ型非線形素子に加わる割合が小さくなっていく。つまり、選択期間開始時と終了時に液晶層電圧の引き上げられる量と押し下げられる量（いわゆるフィールドスルー電圧）が増加する。特に選択期間終了時のフィールドスルー電圧量は、液晶電圧自体を低下させると共にフィールドスルー電圧量が信号の変調度によって異なるため表示画像のダイナミックレンジも低下させることになる。
【００３２】
具体的には、信号電圧或いはその変調される電圧幅が同じであっても、Ｃ_MIMが大きい場合には表示画像として十分なコントラストが得られなくなるという現象である。
【００３３】
更に、Ｃ_MIMは非選択期間においても液晶層電圧に大きな影響を与える。信号線上では、他の走査線に同期させて書き込むべきデータ電位が絶えず（１水平期間周期で）上下しており、既に選択を終えた単位画素にもＶ_apの変化である外乱量として印加される。上述の様に、Ｃ_MIMが大きければそれだけＶ_ap変化分の内液晶層に加わる電圧が大きくなり、保持されるはずの液晶層が外乱を受けるわけであるが、この外乱の量が表示画像によって違う事、それがクロストークという表示装置には致命的な欠陥を誘起する。実際の画像では、表示パターンが薄く尾を引く現象として現れる。
【００３４】
クロストークに対しては、充電時間による表示状態のパルス幅変調などを行う事によって外乱量を均一化（表示画像に依らない）しようという試みもなされているが現在のところ十分な効果を得るに至ってはいない。前述したように、配線遅延によるタイミングのずれ，画像の空間周波数の増加，パターンの偶奇数などが原因である。つまり外乱量自体を減少させるしか根本的な解決策はないのである。
【００３５】
次に、第一の金属膜１２からなる走査線３１の配線抵抗が低下したときの効果を説明する。図３のように、直列につながれたＭＩＭ型非線形素子１と液晶表示素子３には、図８（ａ）のような信号電圧が走査回路と信号供給回路から加えられている。このときＭＩＭ型非線形素子１にかかる電圧は図８（ｂ）に示すようになるので、液晶表示素子３には図８（ｃ）の如く電圧がかかることになり光のスイッチング動作を制御することになる。ここで”Ｔ”で記した領域がある画素の選択期間であり、他の領域は非選択期間である。図８は、選択期間でＭＩＭ型非線形素子１をオン状態にしたものを記してある。
【００３６】
さて、図８（ａ）のような信号電圧は、走査回路と信号供給回路に近い画素（図３のＡ領域）には、ほぼ印加波形と同じ波形が加えられる。ところが、走査線３１の抵抗値が高いと信号遅延を起こし走査回路から離れている画素領域２は印加波形がかなりなまってしまう。
【００３７】
例えば、図３のように走査回路と信号供給回路が配置されたパネルにおいて、１行目の一番左の画素（図３のＡ領域）と一番右の画素（図３のＢ領域）に印加される電圧波形を比べてみる。尚、１行目の画素を選んだ理由は、１つの画素に印加される電圧は信号供給回路から与えられる電圧と走査回路から与えられる電圧の差で決まるので、信号線３２の信号遅延を無視するためである。従って、信号供給回路から遠くにあるｎ行目では、信号線の遅延も問題になってくる。ここで、この走査線３１の信号遅延が問題になるのは、電圧値の変動が激しい画素の選択期間にあるのでこの場合に限って説明する。
【００３８】
図９（ａ），（ｂ），（ｃ）は図３のＡ領域にかかる電圧で、（ｄ），（ｅ），（ｆ）はＢ領域にかかる電圧の選択期間の前後の波形であり、同じ信号を入力した場合のものである。（ａ）と（ｄ），（ｂ）と（ｅ），（ｃ）と（ｆ）は、それぞれ画素領域２に印加される電圧波形，ＭＩＭ型非線形素子１に印加される電圧波形，液晶表示素子３に印加される電圧波形を示す。
【００３９】
図３のＡ領域には、図９（ａ）の電圧がかかるのが、Ｂ領域には走査線３１の信号遅延のために、図９（ｄ）のような波形のなまりが生じる。その結果、Ａ領域のＭＩＭ型非線形素子１に図９（ｂ）に示すような電圧が印加されるのに、Ｂ領域では図９（ｅ）のようになり、ＭＩＭ型非線形素子１に印加される電圧がＶ_Mだけ低下するので、液晶表示素子３の書き込み電圧にＶ_Lの電圧差が生じる。この電圧差Ｖ_Lが一階調分に達しないときには、Ｖ_Lがディスプレイとして絵を表示させても、人間の目では違いを感知できない。ところが、画面が大きくなったり、多階調表示になると、絵を表示したときにＶ_Lに起因する画面のムラが認識されるようになってくる。このとき第一の金属膜の抵抗値が高いために、Ｖ_Lの大きさが問題となるときでも、例えば抵抗値が１／１０になると、Ｖ_Lも１／１０になり画面のムラが人間の目で感知しにくくなる。
さらに、前記の議論から走査線３１の配線抵抗の低下はクロストークについても低減効果がある。なお、クロストークの低減は、前述したようにＭＩＭ型非線形素子の容量を小さくすることによっても効果があるので、走査線の配線抵抗の低下を伴うと効果はさらに上がることになる。横方向に走査線が形成されている液晶表示パネルで、図１０に示すように、周囲が白１０１を表示している中に黒領域１０２を表示させたとする。このとき、領域１０３の白レベルは領域１０４の白レベルより黒っぽくなっている。つまり、クロストークはある走査線にかかる配線抵抗と容量の積で決定されるが、液晶は基板に対して平行にあるとき（液晶が光を遮断している状態）と垂直にあるとき（液晶が光を透過している状態）とで容量が倍程度異なるので、黒領域を通過する走査線１０５は白領域だけを通過する走査線１０６より配線抵抗と容量の積が大きくなる。従って、配線抵抗と容量の積が走査線１０５と１０６でＶ_Lに与える影響が大差ないようにするためには、配線抵抗を低下させればよい。
【００４０】
また、走査線３１は上述のことから配線にかかる液晶容量を軽くするために、配線長が短くなる方向に設けられていたが、走査線の抵抗が小さくなると２端子素子に顕著にあらわれるクロストークを抑えながら配線長が長くなる方向に形成することができる。そうすると、画素領域を大きくすることができ開口率が向上するので液晶表示パネルを明るくすることができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上のとおり、ＭＩＭ型非線形素子の金属酸化膜中のタンタルと酸素の原子比率をＯ／Ｔａ＜２．５とすることでβ値の大きくでき、基板内均一な電気特性を持った素子が作製できる。前記のＭＩＭ型非線形素子をえるためには、第一の金属膜をアルコール溶媒に適当な溶質を溶かした溶液に対する陽極酸化で金属酸化膜を作製すればよい。このとき、走査線をもなす第一の金属膜をＡｌとの２層配線にし低抵抗化しても液晶を駆動できるだけのＭＩＭ型非線形素子を提供できる。また、比誘電率が２２以下の素子を作製しても同様な効果が得られる。前記ＭＩＭ型非線形素子は陽極酸化の溶媒をエチレングリコールとすればよい。このとき、金属酸化膜中にタングステン原子が添加されていると、一定時間の電圧印加で生じる特性のシフト及び極性差がなくなるので、残像の無い液晶表示素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ） 本発明のＭＩＭ型非線形素子の上面図。（ｂ） 本発面のＭＩＭ型非線形素子の断面図。
【図２】ＭＩＭ型非線形素子の製造工程を示す断面図。
【図３】アクティブマトリクス方式の液晶表示装置の等価回路図。
【図４】（ａ） 従来のＭＩＭ型非線形素子の印加電圧と電流値の関係を示す図。（ｂ） 液晶表示素子の単位画素への印加電圧と明るさの関係を示す図。
【図５】ＭＩＭ型非線形素子の印加電圧と電流値の関係を表す図。
【図６】陽極酸化時の溶媒のエチレングリコールと水の濃度とＭＩＭ型非線形素子電圧−電流特性のβ値との関係を表す図。
【図７】ＭＩＭ型非線形素子の断面図。
【図８】液晶表示パネルの駆動電圧波形を示す図。
【図９】液晶表示パネルの両端の駆動電圧波形を示す図。
【図１０】クロストークのある液晶表示パネルを示す図。
【図１１】（ａ） 本発明のＭＩＭ型非線形素子の上面図。（ｂ） 本発面のＭＩＭ型非線形素子の断面図。
【符号の説明】
１ ＭＩＭ型非線形素子
２ 液晶表示素子
３ 画素領域
１１ 透明基板
１１ａ ＴａＯ_X膜
１２ 第一の金属膜
１２ａ タンタルを主成分とする金属膜
１２ｂ タンタルよりも抵抗の低い金属膜
１３ 金属酸化膜
１４ 第二の金属膜
１５ 画素電極
３１ 走査線
３２ 信号線
４１ 初期電圧−電流特性
４２，４３ 電圧印加後の電圧−電流特性
５１ 水溶液溶媒で陽極酸化した電圧−電流特性
５２ エチレングリコール溶媒で陽極酸化した電圧−電流特性
１０１ 白領域
１０２ 黒領域
１０３ 黒領域の影響を受けた白領域
１０４ 黒領域の影響を受けない白領域
１０５ クロストークのある走査線
１０６ クロストークのない走査線
１１１ 第二の金属膜と画素電極をなす透明導電膜

Claims (1)

1. 基板の表面に形成した第一の金属膜−絶縁膜−第二の金属膜または導電膜からなるＭＩＭ型非線形素子において、
   該絶縁膜は、タンタル原子を含んだ金属膜である第一の金属膜を、エチレングリコール濃度を５０％以上としたエチレングリコールと水の混合液中でクエン酸を溶かした化成液を用いて陽極酸化した膜とすることを特徴とするＭＩＭ型非線形素子の製造方法。

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