JP4162310B2

JP4162310B2 - 平面表示装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP4162310B2
Application number: JP30253998A
Authority: JP
Inventors: 藤真史後
Original assignee: 東芝松下ディスプレイテクノロジー株式会社
Priority date: 1998-10-23
Filing date: 1998-10-23
Publication date: 2008-10-08
Anticipated expiration: 2018-10-23
Also published as: JP2000131711A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、平面表示装置およびその製造方法に係り、特に薄膜トランジスタ型液晶表示装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
平面表示装置においては、表示品位の高度化の要求に伴って表示画素のサイズは微細化する一方であり、低消費電力の要求から画素開口部の面積の割合を高くする必要がある。また、従来の平面表示装置においては、薄膜トランジスタの構造に起因する凹凸のために画素電極の限られた領域にのみ画素開口部が設けられていたので、画素電極の大きさにより前記画素開口部の面積比率も制限を受けていた。しかしながら、近年、紫外線硬化型樹脂等を用いて凹凸を平坦化することにより、平坦化された樹脂の上に画素電極を構成することができるようになったため、より大きな表示領域を確保することが可能となってきている。
【０００３】
また、従来の薄膜トランジスタ型液晶表示装置においては、補助容量形成のためのキャパシタ電極として、画素電極と例えばゲート電極層の金属とを用いていた。しかしながら、凹凸の平坦化による画素電極の上置き構造によって画素電極とゲート電極層の間に形成される絶縁層の膜厚が厚くなってしまい、画素電極をキャパシタ電極として用いることが不可能になっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような画素電極の上置き構造において、補助容量を形成するためには２つの構造が考えられていた。その１つはスイッチ素子として用いる薄膜トランジスタのシリコン層とゲート電極と同層の金属層により補助容量を形成するものであり、もう１つはゲート電極層と信号線電極層以外に第３の金属層を形成してこれらの間で補助容量を形成するものであった。後者の構造において、第３の金属層を形成する必要があるのは、ゲート電極と信号線電極の間には容量を形成しないような条件で絶縁膜層を構成するため、ゲート電極と信号線電極の間では補助容量を形成することができないためである。
【０００５】
しかしながら、前者はＭＯＳ型キャパシタとなるため、そのしきい値の制御が必要となり、後者では成膜工程が増えるため製造プロセスが複雑になる問題がある。本発明では、従来の製造プロセスを大きく変えることなく、ゲート電極層と信号線電極での補助容量形成を可能にし、かつ高い画素開口率を実現することを可能とする平面表示装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る平面表示装置は、絶縁基板上に形成された複数本の信号線，これら信号線とそれぞれが略直交する複数本の走査線，前記信号線と前記走査線との各交差部近傍にスイッチ素子を介して配置された画素電極を含むアレイ基板と、このアレイ基板に対向して配置された対向基板と、前記アレイ基板と前記対向基板との間に挟持された光変調層と、を備えるものにおいて、前記アレイ基板は、前記画素電極と電気的に接続される第１の電極と、この第１の電極に対向する第２の電極と、前記第２の電極上に配置される第１の絶縁膜と、を含み、前記第１の絶縁膜の前記第１の電極と前記第２の電極との間に挟持される電極間領域は、他の領域よりも膜厚が薄く、かつ、不純物イオン濃度が異なることを特徴としている。
【０００７】
また、請求項２に係る平面表示装置は、請求項１に記載のものにおいて、前記スイッチ素子は、その活性層が多結晶シリコン薄膜から成る薄膜トランジスタであることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項３に係る平面表示装置は、請求項２に記載のものにおいて、前記スイッチ素子が、前記活性層上にゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に前記走査線と一体に配置されたゲート電極とを備え、前記第２の電極は前記ゲート電極と同一工程により形成された前記走査線と略平行に配置されていることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項４に係る平面表示装置は、請求項３に記載のものにおいて、前記第１の絶縁膜は前記第２の電極上に配置され、前記第１の電極は前記スイッチ素子の前記活性層に電気的に接続されると共に前記第１の絶縁膜上に配置されていることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項５に係る平面表示装置は、請求項４に記載のものにおいて、前記第１の電極上に第２の絶縁膜が配置され、この第２の絶縁膜上に前記画素電極が配置されていることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項６に係る平面表示装置は、請求項１に記載のものにおいて、前記第１の絶縁膜は酸化シリコンを主体として構成されると共に、ボロンまたはリンが選択的に打ち込まれて成ることを特徴としている。
【００１２】
請求項７に係る平面表示装置の製造方法は、絶縁基板上に形成された複数本の信号線，これら信号線とそれぞれが略直交する複数本の走査線，前記信号線と前記走査線との各交差部近傍にスイッチ素子を介して配置された画素電極，画素電極と電気的に接続された第１の電極，第１の電極に対向する第２の電極，前記第２の電極上に配置された第１の絶縁膜を含むアレイ基板と、アレイ基板に対向する対向基板と、前記アレイ基板と前記対向基板との間に保持される光変調層と、を備える平面表示装置を製造する方法であって、前記第１の絶縁膜に不純物イオンを注入して、前記第１の電極と前記第２の電極との間に挟持される電極間領域の不純物イオン濃度を他の領域の不純物イオン濃度と異ならしめるイオン注入工程と、前記第１の絶縁膜をエッチング雰囲気に晒すことにより、前記第１の絶縁膜における前記第１の電極と前記第２の電極との間に挟持される前記電極間領域の膜厚を、前記他の領域の膜厚よりも薄くするエッチング工程と、を備えることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項８に係る平面表示装置の製造方法は、請求項７に記載のものにおいて、前記イオン注入工程に先立ち、前記絶縁基板上に前記スイッチ素子の活性層を形成する工程と、前記活性層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上に前記走査線と一体のゲート電極を形成すると共に、前記走査線と略平行に前記第２の電極を形成する工程と、前記第２の電極上に前記第１の絶縁膜を配置する工程と、を更に備えることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項９に係る平面表示装置の製造方法は、請求項８に記載のものにおいて、前記エッチング工程は、このエッチングと同時に前記活性層に向かって貫通する貫通孔を前記第１の絶縁膜に形成する工程を含むことを特徴としている。
【００１５】
また、請求項１０に係る平面表示装置の製造方法は、請求項９に記載のものにおいて、前記貫通孔を介して前記活性層に電気的に接続されると共に前記第２の電極上に延在する前記第１の電極を形成する工程と、前記第１の電極上に第２の絶縁膜を配置する工程と、前記第２の絶縁膜上に前記画素電極を配置する工程とを更に備えることを特徴としている。
【００１６】
従来、ゲート電極と信号線電極層の間には絶縁性の確保のため第１の絶縁膜を５０００オングストローム程度に形成しており、この膜厚では補助容量としては機能せず、１０００オングストローム程度に薄くする必要がある。一方でこの第１の絶縁膜を１０００オングストローム程度に薄くすることは、ゲート電極配線と信号線の交差部に寄生容量を形成することから望ましくない。本発明では、第１の絶縁膜としての例えばシリコン酸化膜中に含まれる不純物によってエッチングレートが異なることを利用して、補助容量部となる電極間領域のみ選択的に膜厚を薄くすると共に、第１および第２の電極間の領域および他の領域の不純物濃度を異ならせるようにしている。また、補助容量が形成される部分に相当する他の領域のみ薄くしてゲート電極層と信号線層による補助容量を形成することにより、容量電極の面積が小さく、かつ成膜工程を増やすことなく補助容量を形成することが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る平面表示装置およびその製造方法の好適な実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。まず、図１ないし図３を用いて、本発明の第１実施形態に係る平面表示装置について説明する。この第１実施形態に係る平面表示装置は、第２の電極としての補助容量電極と第１の電極としての金属配線層電極との間で容量部として機能する第１の絶縁層における電極間領域の不純物濃度を他の領域のそれよりも高濃度とするためボロンイオンを打ち込むようにしたものである。
【００１８】
図２は、例えば液晶表示装置のような平面表示装置の１つの画素部を模式的に示す平面図である。図２において、平面表示装置は、図１に示すアレイ基板を備えている。アレイ基板は、スイッチ素子の活性層として機能する多結晶シリコン層２と、ゲート電極４を兼ねる走査線と、前記アレイ基板上に形成された第２の電極としての補助容量電極５と、ゲート電極４を兼ねる走査線に略直交して横方向に形成されたソース電極９と、補助容量電極５上に形成された補助容量電極用金属配線層である第１の電極としてのアルミニウム（Ａｌ）配線層１０と、を備えている。
【００１９】
図１は、図２のＡ−Ａ’線切断の拡大断面図であり、同図において、平面表示装置は図示されないガラス基板等の絶縁基板上に形成されて不純物ブロッキング層として機能するシリコン酸化膜１と、このシリコン酸化膜１上に形成された多結晶シリコン層２と、シリコン酸化膜１および多結晶シリコン層２上に酸化シリコン（ＳｉＯｘ）により形成されたゲート絶縁膜３と、このゲート絶縁膜３上に形成された補助容量電極５と、ゲート絶縁膜３および補助容量電極５上に酸化シリコン（ＳｉＯｘ）等により第２の絶縁膜として形成された層間絶縁膜６と、層間絶縁膜６上に形成されたソース電極９と、補助容量電極５上に形成された補助容量電極用金属配線層である第１の電極としてのアルミニウム（Ａｌ）配線層１０と、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）等により第２の絶縁膜として形成された保護膜１１と、保護膜１１上に積層された紫外線硬化樹脂等から構成される約３μｍ厚のカラーフィルタ層１２と、多結晶シリコン層２上に設けられた開口部１７を介してＡｌ配線層１０と接続されたカラーフィルタ層１２上に設けられた画素電極１３と、を備えている。
【００２０】
本第１実施形態に係る平面表示装置の特徴は、層間絶縁層６における容量電極５とＡｌ配線層１０との間の電極間領域６ｂの膜厚よりも、ソース電極９やゲート電極４とゲート絶縁膜３との間の他の領域６ａの膜厚が、厚くなるように形成されていると共に、容量部７としても機能する電極間領域６ｂの不純物イオンの濃度が他の領域６ａの不純物イオン濃度よりも高濃度となるように、エッチングの際にボロン（Ｂ）イオンを注入してエッチングレートを変化させている。絶縁膜中の不純物の量によりエッチングレートが変化することは、例えばシリコン酸化膜では図３に示すようなボロン濃度でのウエットエッチングレートが変化することが知られている。
【００２１】
図３は酸化ボロン（Ｂ₂ Ｏ₃ ）のモル％に対するＨＦ（フッ酸）とＢＨＦ（緩衝フッ酸）によるＢＳＧ（ボロンシリケートガラス）膜のエッチング速度の変化を示すものであり、１０００℃のアルゴンガス中で１５分エッチングを行なったときのモル％に対するエッチング速度の変化を示している。図３に示されるような反応速度の相違を利用してエッチングを行なうことにより、電極間領域と他の領域との厚さを異ならせると共に、これら２つの領域の不純物濃度をも異ならせることができる。同様に、反応が異なることによりエッチングレートが変化するドライエッチングも使用できる。
【００２２】
上述した第１実施形態に係る平面表示装置の製造方法を図５（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。まず、図５（ａ）に示すように、図示されないガラス基板上にＣＶＤ（Chemical Vapour Deposition−化学的気相−）法により５００ｎｍの膜厚のＳｉＯｘよりなる保護膜１を形成する。この保護膜１をガラス基板からの不純物のブロッキング層として、その上に薄膜トランジスタの半導体層となるａ−Ｓｉ（アモルファス−非晶質−シリコン）５００オングストロームをプラズマＣＶＤ法により成膜して、エキシマレーザーアニール（ＥＬＡ）を行ないスイッチ素子の活性層として機能するｐ−Ｓｉ（ポリ−多結晶−シリコン）層２を形成する。ｐ−Ｓｉ層２上にレジストを被着させそのレジストにマスクを用いてパターニングを行なった後、ドライエッチングで加工した。
【００２３】
その後、ゲート絶縁膜としてＳｉＯｘ膜３をＣＶＤ法で１０００オングストローム成膜する。この後、モリブタングステン合金（ＭｏＷ）を成膜しこれをドライエッチングで加工してゲート電極４（図５には図示されず）および第２の電極としての補助容量電極５を形成する。次に、通常のソース、ドレイン形成方法によりＰ（リン）のイオン注入を行ない、ソース、ドレインを形成する。
【００２４】
次に、第１の絶縁膜としての層間絶縁膜６としてＳｉＯｘをＣＶＤ法で５０００オングストローム形成する。ここで、補助容量となる領域７のみ穴の開いたマスクでレジスト８をパターニングした後、ＳｉＯｘの補助容量部７中にＢ（ボロン）を５０ｋｅＶ，２ｅ＋２０／ｃｍ² 注入した。このとき、ＳｉＯｘの補助容量部７中にはボロンがＢ₂ Ｏ₅ 換算で４モル％程度存在する。この補助容量部７は不純物イオン濃度が異なるだけで層間絶縁膜６と同一層として形成されているので、図５（ｂ）では第１の絶縁膜６における膜厚の薄い電極間領域６ｂと膜厚の厚い他の領域６ａとして表記する。
【００２５】
その後、ソースおよびドレインの活性化処理を行なった後に、コンタクト開孔部１４と補助容量部７をマスクパターニングする。このパターンをＢＨＦ（緩衝フッ酸）によりウエットエッチングする。このとき、図３に示すように、Ｂ（ボロン）が４モル％打ち込まれている電極間領域６ｂの部分のエッチングレートは５００オングストローム／ｍｉｎ、他の領域６ａの部分では６５０オングストローム／ｍｉｎであるので、コンタクトホール１５が開孔する時点では、補助容量部７にはＳｉＯｘが１３００オングストローム程度残ることになる。
【００２６】
その後、図５（ｃ）に示すように、端部がドレイン電極を兼ねた信号線およびソース電極９、さらに補助容量部７では補助容量の第１の電極となるＡｌ膜１０をスパッタ法にて成膜し、これをパターニングした。さらに、図５（ｄ）に示すようにプラズマＣＶＤ法を用いてソース電極９およびＡｌ膜１０の上にＳｉＮｘにより第２の絶縁膜としての保護膜１１を４０００オングストローム形成し、パッド部の開孔部１５を穿設した後、さらに凹凸を平坦化するために紫外線硬化型樹脂１２を３μｍの厚さで塗布し、ＳｉＮｘの保護膜１１と同様の開孔部１６を紫外線を用いてパターニングして開孔する。最後に、開孔部１５，１６に倣った開孔部１７を有する画素電極１３を形成してアレイ基板側が完成する。このアレイ基板を用いて液晶表示装置を作成したところ、正常かつ安定に動作し、画素開口部が大きいことにより明るい画素表示を得ることができた。
【００２７】
上述した第１実施形態に係る平面表示装置においては、電極間領域６ｂの不純物濃度を他の領域６ａよりも高濃度とするためにエッチング工程においてボロンイオンを電極間領域６ｂに注入していたが、本発明はこれに限定されず図４に示すようなエッチングレートを有するリン（Ｐ）イオンを電極間領域６ｂ以外の他の領域６ａ部分に打ち込んでエッチングを行なうようにしても良い。
【００２８】
このリン（Ｐ）を打ち込んでエッチングを行なう第２実施形態について説明する。第１実施形態の平面表示装置においては、ＳｉＯｘよりなる層間絶縁膜６の補助容量部７となる電極間領域６ｂにボロンイオンを打ち込んだが、第２実施形態に係る平面表示装置においてはＰ（リン）を用いている。ただし、図４から容易に理解できるように、ＳｉＯｘの層間絶縁膜６はリン（Ｐ）を多く含む方がエッチングレートが大きくなるので、図５（ｂ）の領域７（電極間領域６ｂ）以外の他の領域６ａの部分にリンが打ち込まれるようなマスクでレジストをパターニングした後、５０ｋｅＶ，１ｅ＋１９／ｃｍ² の条件でリン（Ｐ）をイオン注入により打ち込んだ。このとき、ＳｉＯｘの領域７以外の他の領域６ａにはリンがＰ₂ Ｏ₅ 換算で２モル％程度存在していた。
【００２９】
コンタクトホール開孔部１４と補助容量部７に孔のあるマスクでレジストパターニングした後、２５℃のリン（Ｐ）−エッチング液（ＨＦ：ＮＯ３：Ｈ２Ｏ＝３：２：６０）でウエットエッチングをすると、領域７に相当する電極間領域６ｂでのエッチングレートは２５オングストローム／ｓｅｃ、それ以外の領域に相当する他の領域６ａでは３６オングストローム／ｓｅｃ程度になるので、コンタクト開孔時には、補助容量部７のＳｉＯｘは８３０オングストローム程度になった。この後の工程は、第１実施形態の平面表示装置の製造方法と同様の工程によりアレイ基板を形成して液晶表示装置を作成したところ、高品位かつ安定な動作を確認した。
【００３０】
なお、上述した第１および第２実施形態に係る平面表示装置においては、電極間領域６ｂに図３に示すボロン（Ｂ）をイオン注入するか、または他の領域６ａに図４に示すリン（Ｐ）をイオン注入する場合を例にとって説明したが、本発明はこれらに限定されず、打ち込む不純物イオンはボロン（Ｂ）・リン（Ｐ）以外であっても、ヒ素（Ａｓ）等の濃度により希フッ酸でのウエットエッチングを行なってもエッチングレートが変化することが知られている。したがって、希フッ酸を用いたウエットエッチングを行なうと共に、このとき使用するヒ素（Ａｓ）の濃度を調整することによって、電極間領域６ｂのエッチングレートを他の領域６ａのエッチングレートと異ならせて製造するようにしても良い。また、ウエットエッチングと同様に、反応性が異なることによりエッチングレートが変化するドライエッチングを用いて平面表示装置を製造するようにしても良い。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る平面表示装置およびその製造方法によれば、製造工程における成膜工程を増やすことなく最適な補助容量を形成することができるばかりでなく、容量電極の面積を小さくできる平面表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図２に示す第１実施形態の平面表示装置のＡ−Ａ’線切断の拡大断面図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る平面表示装置の要部を示す平面図。
【図３】第１実施形態の平面表示装置の製造方法に用いるシリコン酸化膜中のボロン濃度と希フッ酸によるシリコン酸化膜のエッチング速度の関係を示す特性図。
【図４】第２実施形態の平面表示装置の製造方法に用いるシリコン酸化膜中のリン濃度と希フッ酸によるシリコン酸化膜のエッチング速度の関係を示す特性図。
【図５】第１および第２実施形態の平面表示装置の製造方法の各工程を（ａ）〜（ｄ）により示す工程断面図。
【符号の説明】
２スイッチ素子の活性層（多結晶シリコン）
４ゲート電極
５第２の電極（補助容量電極）
６第１の絶縁膜（層間絶縁膜）
６ａ他の領域
６ｂ電極間領域
７補助容量部
９ソース電極
１０第１の電極（金属配線層）
１１第２の絶縁膜（保護膜）
１２紫外線硬化樹脂
１３画素電極

Claims

絶縁基板上に形成された複数本の信号線，これら信号線とそれぞれが略直交する複数本の走査線，前記信号線と前記走査線との各交差部近傍にスイッチ素子を介して配置された画素電極を含むアレイ基板と、このアレイ基板に対向して配置された対向基板と、前記アレイ基板と前記対向基板との間に挟持された光変調層と、を備える平面表示装置において、
前記アレイ基板は、前記画素電極と電気的に接続される第１の電極と、この第１の電極に対向する第２の電極と、この第２の電極上に配置される第１の絶縁膜と、を含み、
前記第１の絶縁膜における前記第１の電極と前記第２の電極との間に挟持される電極間領域は、他の領域よりも膜厚が薄く、かつ、不純物イオン濃度が異なることを特徴とする平面表示装置。
前記スイッチ素子は、その活性層が多結晶シリコン薄膜から成る薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の平面表示装置。
前記スイッチ素子は、前記活性層上にゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に前記走査線と一体に配置されたゲート電極とを備え、前記第２の電極は前記ゲート電極と同一工程により形成された前記走査線と略平行に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の平面表示装置。
前記第１の絶縁膜は前記第２の電極上に配置され、前記第１の電極は前記スイッチ素子の前記活性層に電気的に接続されると共に前記第１の絶縁膜上に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の平面表示装置。
前記第１の電極上に第２の絶縁膜が配置され、この第２の絶縁膜上に前記画素電極が配置されていることを特徴とする請求項４に記載の平面表示装置。
前記第１の絶縁膜は酸化シリコンを主体として構成されると共に、ボロンまたはリンが選択的に打ち込まれて成ることを特徴とする請求項１に記載の平面表示装置。
絶縁基板上に形成された複数本の信号線，これら信号線とそれぞれが略直交する複数本の走査線，前記信号線と前記走査線との各交差部近傍にスイッチ素子を介して配置された画素電極，この画素電極と電気的に接続された第１の電極，この第１の電極に対向する第２の電極，前記第１の電極上に配置された第１の絶縁膜を含むアレイ基板と、このアレイ基板に対向する対向基板と、前記アレイ基板と前記対向基板との間に保持される光変調層と、を備える平面表示装置の製造方法において、
前記第１の絶縁膜に不純物イオンを注入して、前記第１の電極と前記第２の電極との間に挟持される電極間領域の不純物イオン濃度を他の領域の不純物イオン濃度と異ならしめるイオン注入工程と、
前記第１の絶縁膜をエッチング雰囲気に晒すことにより、前記第１の絶縁膜における前記第１の電極と前記第２の電極との間に挟持される前記電極間領域の膜厚を、前記他の領域の膜厚よりも薄くするエッチング工程と、
を備えることを特徴とする平面表示装置の製造方法。
前記イオン注入工程に先立ち、
前記絶縁基板上に前記スイッチ素子の活性層を形成する工程と、
前記活性層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に前記走査線と一体のゲート電極を形成すると共に、前記走査線と略平行に前記第２の電極を形成する工程と、
前記第２の電極上に前記第１の絶縁膜を配置する工程と、
を更に備えることを特徴とする請求項７に記載の平面表示装置の製造方法。
前記エッチング工程は、このエッチングと同時に前記活性層に向かって貫通する貫通孔を前記第１の絶縁膜に形成する工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の平面表示装置の製造方法。
前記貫通孔を介して前記活性層に電気的に接続されると共に前記第２の電極上に延在する前記第１の電極を形成する工程と、
前記第１の電極上に第２の絶縁膜を配置する工程と、
前記第２の絶縁膜上に前記画素電極を配置する工程と、
を更に備えることを特徴とする請求項９に記載の平面表示装置の製造方法。