JP4981358B2 - 反射型液晶表示装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の画素電極を有し該画素電極に入射した光を反射させて画像を表示する反射型液晶表示装置に関するものであり、特に画素分離領域に特徴を持つ反射型液晶装置及びその製造方法に関するものである。

近年、ノートパソコン、ＰＤＡ、ＰＣモニターなど各種のＯＡ機器のディスプレイ、及びテレビ受像機には、陰極線管（ＣＲＴ）と比較して小型軽量で且つ消費電力が少ないことから、液晶表示装置が用いられるケースが増えている。このような液晶表示装置は、たとえば特開平１０−１７７１６９号公報（特許文献１）に記載されている。

即ち、特許文献１に記載の反射型液晶装置においては、ＴＦＴのドレインと画素電極（反射電極）とを接続し、画素電極と透明な共通電極との間に液晶層を挟持して反射型液晶素子を形成している。さらに、同一半導体基板上にその液晶素子の走査のための水平・垂直シフトレジスタを形成している。

この種の反射型液晶表示装置は、一般に、可視光を反射して、画像の各画素に対応する電圧を所定の時間保持する複数の画素電極（反射電極）を有する。この複数の画素電極は、相互に電気的に絶縁されており、それぞれに画像画素に対応した電圧が印加される。互いに隣接する画素電極どうしを電気的に絶縁する領域つまり画素分離領域は、誘電体あるいは中空（空隙）で構成されている。画素電極の下方には、画素電極に印加する電圧を制御するための、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などのスイッチング素子が形成される。

図１２に、従来の反射型液晶表示装置の一例の模式的部分断面図を示す。但し、この図では、液晶層、透明な共通電極及びそれを保持する透明基板等は図示を省略されている。半導体基板２０１上に、電極配線２１１などと共に、スイッチング素子２０２を形成し、その出力を画素電極２０９に接続して、画素電極２０９に電圧を印加する。符号２０３１，２０３２，２０３３，２０３４は層間絶縁膜を示す。

画素分離領域２０７から進入する可視光線がスイッチング素子２０２に照射されると、スイッチング素子２０２で光リークが生じ、表示コントラスト低下といった問題を引き起こす。そのため、画素分離領域２０７に照射された光がスイッチング素子２０２に照射されないように、画素電極２０９の下方に遮光膜２０６が形成されている。遮光膜２０６としては、多重反射による迷光を防ぐ為、反射率が低くなるように、表面に光吸収層を形成したアルミニウム［Ａｌ］や反射率の低い金属（例えばチタン［Ｔｉ］）からなるものが使用される。

また、特開２００５−７７９１８号公報（特許文献２）に示されるように、画素電極（反射電極）への接続プラグの周囲を遮光用のタングステン層で囲む方法も提案されている。
特開平１０−１７７１６９号公報 特開２００５−７７９１８号公報

従来の反射型表示装置では、画素分離領域２０７からの可視光の反射はないので、この領域の表示が黒となっていた。従って、複数の隣接画素が白である画像パターンを表示しようとしていたとしても、画素分離領域２０７の個所の表示は黒になってしまう。このため、連続的な画像パターンを表示することができず、表示画像の画質の悪化を招いていた。

この課題の解決のためには、画素分離領域２０７の面積を画素電極２０９の面積に比して極めて小さくする、という手段を採ることが考えられる。この場合、画素ピッチが小さくなるに従い、要求される画素分離領域２０７の面積も小さくなる。しかしながら、画素分離領域２０７は、隣接画素同士の電気的絶縁性の確保や加工の容易さの確保の観点から、いくらでも小さくするというわけにはいかない。

すなわち、画素ピッチを小さくした場合には、画素分離領域２０７が常に黒に表示されることによる画質劣化の問題を、画素分離領域２０７を小さくすることでは、本質的には解決することができない。

この課題を解決するための別の方法としては、たとえば画素分離領域２０７の表面に増反射膜を成膜するなどして、画素分離領域２０７も可視光を反射するようにすることが考えられる。しかし、画素分離領域２０７の反射率を高めるためだけに増反射膜を成膜することは、製造工程の増加やそれに伴う製造歩留まりの低下などにより、装置製造コストの増大を招く。

また、従来、遮光性を向上させるために、遮光膜を画素電極の下層に設け、該遮光膜の寸法を大きくして、両者が重なるような配置としたものもある。この場合、互いに隣接する画素電極の間に斜めに入射した光は、遮光膜で斜め方向に反射された後、その一部が画素電極の裏側すなわち遮光膜と向かい合う側に当たり、そこで再度反射される。このようにして反射性を有する画素電極と遮光膜との間に閉じ込められた光は、両者の間で減衰することなく反射を繰り返す。この光は、そのうち遮光膜の開口部（切れ目）へ到達し、下層のトランジスタに入射して回路の誤動作を生じさせることがある。

また、画素電極への接続プラグの周囲を遮光用のタングステン層で囲む方法では、遮光用タングステン層の絶縁が必要となり、通常のビアと異なるサイズや形状の埋め込みが必要となり、工程の増加やそれに伴う歩留まりの低下を招く。これにより、コストの増大を招く。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、画素分離領域の表示が常に黒となることを避け、かつ、画素分離領域に入射する光を遮光し、良好な画像が得られるようにした反射型表示装置を提供することを目的としている。

本発明は、複数の画素電極がそれらの互いに隣接するもの同士の間に画素分離領域を介在させて配置されており、前記画素電極にその第１の表面の側から入射した光を反射させて画像を表示する反射型液晶表示装置に関する。この反射型液晶表示装置では、前記画素分離領域は、前記画素電極の前記第１の表面に隣接する第１表面側絶縁体層の端面及び前記画素電極の前記第１の表面とは反対側の第２の表面に隣接する第２表面側絶縁体層の端面と接しており、前記第１表面側絶縁体層の屈折率及び前記第２表面側絶縁体層の屈折率より大きな屈折率を持つ絶縁体からなる。

更に、本発明によれば、以上のような反射型液晶表示装置を製造する方法が提供される。この方法では、前記画素電極の形成のためのエッチングと前記第２表面側絶縁体層の形成のためのエッチングとを同一のマスクを用いて連続して行う。

以上のような本発明によれば、画素分離領域に斜め入射した光の一部は第２表面側絶縁体層の端面との境界で全反射する。このため、第２表面側絶縁体層内へと入り込む光量が低減され、反射型液晶表示装置の反射率が向上すると共に、回路素子へと到達する迷光の光量を低減することができる。その結果、明るく高性能な反射型表示装置を実現することが可能になる。

反射型表示装置に係る本発明の一態様においては、前記画素分離領域の屈折率は１．６以上２．０以下であり、前記第２表面側絶縁体層の屈折率は１．４以上１．５以下である。反射型表示装置に係る本発明の一態様においては、前記画素分離領域は、前記画素電極の前記第１の表面に隣接する第１表面側絶縁体層の端面と接しており、前記第１表面側絶縁体層の屈折率より大きな屈折率を持つ。反射型表示装置に係る本発明の一態様においては、前記画素分離領域の屈折率は１．６以上２．０以下であり、前記第１表面側絶縁体層の屈折率及び前記第２表面側絶縁体層の屈折率はいずれも１．４以上１．５以下である。反射型表示装置に係る本発明の一態様においては、前記第２表面側絶縁体層の前記画素電極と反対の側に遮光層が設けられている。反射型表示装置に係る本発明の一態様においては、前記遮光層は光反射層及び光吸収層を含んでなる。反射型表示装置に係る本発明の一態様においては、前記光反射層はその表面の一部が前記画素分離領域の面と接するように延びている。

反射型表示装置の製造方法に係る本発明の一態様においては、前記第１表面側絶縁体層の形成のためのエッチングと前記画素電極の形成のためのエッチングと前記第２表面側絶縁体層の形成のためのエッチングとを同一のマスクを用いて連続して行う。反射型表示装置の製造方法に係る本発明の一態様においては、前記画素電極の形成のためのエッチングと前記第２表面側絶縁体層の形成のためのエッチングと前記光吸収層の形成のためのエッチングとを同一のマスクを用いて連続して行う。

本発明の反射型液晶表示装置及びその製造方法の実施形態について、以下図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１の実施形態における反射型液晶表示装置の１画素表示部分の模式的部分断面図である。

図１において、符号１０１はＳｉ基板などの半導体基板を示し、符号１０２は半導体基板１０１の上面に形成されたフィールド酸化膜を示す。符号１０３は回路素子たるスイッチング素子としての薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のソース領域を示し、符号１０４はＴＦＴのドレイン領域を示し、符号１０５はＴＦＴのゲート電極を示す。符号１０６は回路素子たる電荷保持容量の下部電極（拡散層）を示し、符号１０７は電荷保持容量の上部電極（ポリシリコンからなる）を示す。符号１０８は第１の層間絶縁膜を示し、符号１１１は第２の層間絶縁膜を示し、符号１１４は第３の層間絶縁膜を示し、符号１１７は第４の層間絶縁膜を示す。第１の層間絶縁膜１０８の上面には第１の金属配線層１１０が形成されており、該第１の金属配線層１１０は第１の層間絶縁膜１０８に形成されたコンタクトホール１０９により拡散層１０６と接続されている。第２の層間絶縁膜１１１の上面には第２の金属配線層１１３が形成されており、該第２の金属配線層１１３は第２の層間絶縁膜１１１に形成された第１のスルーホール１１２により第１の金属配線層１１０と接続されている。第３の層間絶縁膜１１４の上面には第３の金属配線層１１６が形成されており、該第３の金属配線層１１６は第３の層間絶縁膜１１４に形成された第２のスルーホール１１５により第２の金属配線層１１３と接続されている。第４の層間絶縁膜１１７上には画素電極（反射電極）１１９が形成されており、該画素電極１１９の上面には表面保護膜１２０が形成されている。画素電極１１９は第３の層間絶縁膜１１４に形成された第３のスルーホール１１５’及びこれに連なるように第４の層間絶縁膜１１７に形成された第４のスルーホール１１８により第２の金属配線層１１３と接続されている。

互いに隣接する画素電極１１９同士の間には画素分離領域１２１が設けられている。該画素分離領域１２１は、第３の金属配線層１１６の上面上に位置しており、第４の層間絶縁膜１１７、画素電極１１９及び表面保護膜１２０を貫通している。即ち、これら第４の層間絶縁膜１１７、画素電極１１９及び表面保護膜１２０は、同一のパターンに形成されている。表面保護膜１２０は絶縁体からなる。

尚、以上の構成の上に、液晶層を介在させて透明共通電極（透明対向電極）の形成された透明上部基板（透明対向基板）が配置されるのであるが、これらについては図示を省略されている。このような液晶層、透明共通電極及び透明上部基板としては、たとえば上記特許文献１または２に記載されているような公知のものを使用することができる。

かくして、複数の画素電極１１９がそれらの互いに隣接するもの同士の間に画素分離領域１２１を介在させて配置されており、画素電極１１９にその上面（第１の表面）の側から入射した光を反射させて画像を表示する反射型液晶表示装置が構成される。ここで、画素分離領域１２１は、画素電極１１９の上面（第１の表面）とは反対側の下面（第２の表面）に隣接する第４の層間絶縁膜（第２表面側絶縁体層）１１７の端面と接している。更に、画素分離領域１２１は、画素電極１１９の上面（第１の表面）に隣接する表面保護膜（第１表面側絶縁体層）１２０の端面とも接している。画素分離領域１２１は、第４の層間絶縁膜（第２表面側絶縁体層）１１７の屈折率及び表面保護膜（第１表面側絶縁体層）１２０の屈折率より大きな屈折率を持つ絶縁体からなる。たとえば、第４の層間絶縁膜（第２表面側絶縁体層）１１７の屈折率及び表面保護膜（第１表面側絶縁体層）１２０の屈折率が１．４以上１．５以下である場合には、画素分離領域１２１の屈折率は１．６以上２．０以下であるのが好ましい。

画素電極１１９の下面（第２の表面）に隣接する第４の層間絶縁膜（第２表面側絶縁体層）１１７の画素電極とは反対の側すなわち下側には、光反射層として機能する第３の金属配線層１１６により形成される遮光層が設けられている。光反射層は、その表面の一部が画素分離領域１２１の下面と接するように、画素分離領域１２１の下方にまで延びている。

図２は図１の画素分離領域１２１の近傍の拡大図である。以上のように、画素分離領域１２１を形成する絶縁体の屈折率は第４の層間絶縁膜１１７及び表面保護膜１２０の屈折率よりも大きい。このため、斜め入射した光の一部は、画素分離領域１２１と第４の層間絶縁膜１１７との界面及び画素分離領域１２１と表面保護膜１２０との界面で全反射を起こす。更に、画素電極１１９の端面で反射され、第３の金属配線層１１６からなる遮光層の表面で反射される。その結果、第４の層間絶縁膜１１７内へと入り込む光量が低減され、反射型液晶表示装置の反射率が向上して表示画面の輝度が向上する。

更に、第４の層間絶縁膜１１７内へと入り込む光量が低減されることで、第４の層間絶縁膜１１７の上面と画素電極１１９の下面との多重反射による迷光の発生が抑制される。即ち、比較のために図１０に示されているように、画素分離領域１２１にて、画素電極１１９の下方の絶縁膜と共通の第４の層間絶縁膜１１７を使用した場合には、画素電極１１９の下方の第４の層間絶縁膜１１７へと斜め入射光が進行する。このため、比較のために図１１に示されているように、第４の層間絶縁膜１１７の上面と画素電極１１９の下面との多重反射による迷光が発生する。従って、図２に示されているような本発明実施形態においては、図１０及び図１１に示されている比較例に比べて、発生する迷光の量が低減される。その結果、第３の金属配線層１１６の切れ目から下層へと進行してＴＦＴへと到達して該ＴＦＴの動作に悪影響を与える有害光の光量が低減される。

本第１の実施形態における反射型液晶表示装置の製造方法、特に画素分離領域１２１の形成方法について、図３〜図６を用いて説明する。

図３に示されているように、パターニングされた第３の金属配線層１１６の上に、第４の層間絶縁膜１１７、画素電極１１９及び表面保護膜１２０を形成する。そして、該表面保護膜１２０上に、所望の画素分離領域１２１に応じた形状にパターニングされたフォトレジストマスク１２２を形成する。図３には表されていないが、画像表示部が形成されている領域以外の領域（周辺回路部など）においては、画素電極は予めパターニング及びエッチングにより除去されている。

この状態で表面保護膜１２０、画素電極１１９及び第４の層間絶縁膜１１７を連続してエッチングする。即ち、同じフォトレジストマスクを用いて、表面保護膜１２０、画素電極１１９及び第４の層間絶縁膜１１７の順に連続してエッチングを行う。この連続エッチングは、同一チャンバ内で、エッチングガスを切換えて行っても良いし、あるいはクラスターツールによりチャンバを換えて行っても良い。図４に、以上のようなエッチング及びその後のレジスト除去の後の状態を示す。画素電極１１９と表面保護膜１２０とを連続してエッチングする事により、分離領域１２１の幅すなわち画素電極間距離を最小加工寸法で加工することが可能となる。

その後、図５に示されているように、屈折率が第４の層間絶縁膜１１７及び表面保護膜１２０のいずれよりも大きな高屈折率絶縁膜１２３を形成する。

さらに、図６に示されているように、ＣＭＰ処理により、画素電極１１９上の高屈折率絶縁膜１２３を除去すると同時に、画素分離領域１２１のみに高屈折率絶縁膜１２３が埋め込まれた形態となす。

図７は本発明の第２の実施形態における反射型液晶表示装置の１画素表示部分の模式的部分断面図である。

本実施形態では、第３の金属配線層１１６と第４の層間絶縁膜１１７との間に光吸収層１２４が形成されている。この光吸収層１２４は、光反射層として機能する第３の金属配線層１１６と共に、遮光層を形成している。光吸収層１２４は、画素分離領域１２１の直下には形成されておらず、ここでは光反射層のみにより遮光層が形成される。

本実施形態では、上記第１の実施形態で説明した作用効果に加えて、光吸収層１２４の存在に基づく次のような作用効果が得られる。すなわち、斜め入射した光の一部は、画素分離領域１２１と第４の層間絶縁膜１１７との界面及び画素分離領域１２１と表面保護膜１２０との界面に到達し、これら界面に全反射の臨界角以上の角度で入射した光は全反射を起こす。一方、上記界面に全反射の臨界角以下の角度で入射した光は、第４の層間絶縁膜１１７へと進入する。しかるに、この第４の層間絶縁膜１１７へ進入した光は、光吸収層１２４の作用により、画素電極１１９の下面との多重反射の過程で急激に減衰する。その結果、第３の金属配線層１１６の切れ目から下層へと進行してＴＦＴへと到達して該ＴＦＴの動作に悪影響を与える有害光の光量が著しく低減される。

本第２の実施形態における反射型液晶表示装置の製造方法、特に画素分離領域１２１及び光吸収層１２４の形成方法について、図８及び図９を用いて説明する。

図８は上記第１の実施形態の図３の状態に対応している。この状態は、第３の金属配線層１１６と第４の層間絶縁膜１１７との間に光吸収層１２４が形成されている点のみ、上記図３の状態と異なる。

この状態で表面保護膜１２０、画素電極１１９、第４の層間絶縁膜１１７及び光吸収層１２４を連続してエッチングする。即ち、同じフォトレジストマスクを用いて、表面保護膜１２０、画素電極１１９、第４の層間絶縁膜１１７及び光吸収層１２４の順に連続してエッチングを行う。この連続エッチングは、同一チャンバ内で、エッチングガスを切換えて行っても良いし、あるいはクラスターツールによりチャンバを換えて行っても良い。図９に、以上のようなエッチング及びその後のレジスト除去の後の状態を示す。

以下、上記第１の実施形態と同様な工程により、図７の構造を形成する。

本発明の反射型液晶表示装置は、投射型液晶プロジェクタや背面投射型液晶表示装置等に利用することができる。

本発明の反射型液晶表示装置の第１の実施形態を示す模式的部分断面図である。 図１の部分拡大図である。 第１の実施形態の製造工程を説明するための模式的断面図である。 第１の実施形態の製造工程を説明するための模式的断面図である。 第１の実施形態の製造工程を説明するための模式的断面図である。 第１の実施形態の製造工程を説明するための模式的断面図である。 本発明の反射型液晶表示装置の第２の実施形態を示す模式的部分断面図である。 第２の実施形態の製造工程を説明するための模式的断面図である。 第２の実施形態の製造工程を説明するための模式的断面図である。 従来の反射型液晶表示装置の問題点を説明するための模式的断面図である。 従来の反射型液晶表示装置の問題点を説明するための模式的断面図である。 従来の反射型液晶表示装置の模式的断面図である。

符号の説明

１０１：半導体基板、
１０２：フィールド酸化膜、
１０３：ソース領域、
１０４：ドレイン領域、
１０５：ゲート電極、
１０６：電荷保持容量の下部電極（拡散層）、
１０７：電荷保持容量の上部電極（ポリシリコン）、
１０８：第１の層間絶縁膜、
１０９：拡散層と第１の金属配線層とを接続するコンタクトホール、
１１０：第１の金属配線層、
１１１：第２の層間絶縁膜、
１１２：第１の金属配線層と第２の金属配線層とを接続する第１のスルーホール、
１１３：第２の金属配線層、
１１４：第３の層間絶縁膜、
１１５：第２の金属配線層と第３の金属配線層とを接続する第２のスルーホール、
１１５’：第２の金属配線層と第４のスルーホールとを接続する第３のスルーホール、
１１６：遮光層として機能する第３の金属配線層、
１１７：第４の層間絶縁膜、
１１８：第２のスルーホールと第４の金属配線層とを接続する第４のスルーホール、
１１９：画素電極、
１２０：表面保護膜、
１２１：画素分離領域、
１２２：フォトレジストマスク、
１２３：第３の層間絶縁膜よりも大きな屈折率を有する絶縁膜、
１２４：第３の金属配線層上の光吸収層、
２０１：半導体基板、
２０２：スイッチング素子、
２１１：電極配線、
２０７：素子分離領域、
２０９：画素電極、
２０３１，２０３２，２０３３，２０３４：層間絶縁膜

Claims (8)

1. 複数の画素電極がそれらの互いに隣接するもの同士の間に画素分離領域を介在させて配置されており、前記画素電極にその第１の表面の側から入射した光を反射させて画像を表示する反射型液晶表示装置において、
   前記画素分離領域は、前記画素電極の前記第１の表面に隣接する第１表面側絶縁体層の端面及び前記画素電極の前記第１の表面とは反対側の第２の表面に隣接する第２表面側絶縁体層の端面と接しており、前記第１表面側絶縁体層の屈折率及び前記第２表面側絶縁体層の屈折率より大きな屈折率を持つ絶縁体からなることを特徴とする反射型液晶表示装置。
2. 前記画素分離領域の屈折率は１．６以上２．０以下であり、前記第１表面側絶縁体層の屈折率及び前記第２表面側絶縁体層の屈折率はいずれも１．４以上１．５以下であることを特徴とする、請求項１に記載の反射型液晶表示装置。
3. 前記第２表面側絶縁体層の前記画素電極と反対の側に遮光層が設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の反射型液晶表示装置。
4. 前記遮光層は光反射層及び光吸収層を含んでなることを特徴とする、請求項３に記載の反射型液晶表示装置。
5. 前記光反射層はその表面の一部が前記画素分離領域の面と接するように延びていることを特徴とする、請求項４に記載の反射型液晶表示装置。
6. 複数の画素電極がそれらの互いに隣接するもの同士の間に画素分離領域を介在させて配置されており、前記画素電極にその第１の表面の側から入射した光を反射させて画像を表示する反射型液晶表示装置を製造する方法であって、
   前記画素分離領域は、前記画素電極の前記第１の表面とは反対側の第２の表面に隣接する第２表面側絶縁体層の端面と接しており、且つ該第２表面側絶縁体層の屈折率より大きな屈折率を持つ絶縁体からなり、
   前記画素電極の形成のためのエッチングと前記第２表面側絶縁体層の形成のためのエッチングとを同一のマスクを用いて連続して行うことを特徴とする、反射型液晶表示装置の製造方法。
7. 前記画素分離領域は、前記画素電極の前記第１の表面に隣接する第１表面側絶縁体層の端面と接しており、前記第１表面側絶縁体層の屈折率より大きな屈折率を持っており、前記第１表面側絶縁体層の形成のためのエッチングと前記画素電極の形成のためのエッチングと前記第２表面側絶縁体層の形成のためのエッチングとを同一のマスクを用いて連続して行うことを特徴とする、請求項６に記載の反射型液晶表示装置の製造方法。
8. 前記第２表面側絶縁体層の前記画素電極と反対の側に遮光層が設けられており、該遮光層は光反射層及び光吸収層を含んでなり、前記画素電極の形成のためのエッチングと前記第２表面側絶縁体層の形成のためのエッチングと前記光吸収層の形成のためのエッチングとを同一のマスクを用いて連続して行うことを特徴とする、請求項６又は７に記載の反射型液晶表示装置の製造方法。