JP4999335B2 - 金属膜、液晶表示装置、金属膜の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は液晶表示装置に用いられる金属膜の技術分野にかかり、特に、酸化物透明導電膜と接触する金属膜に関する。

液晶ディスプレイパネルは、ＩＴＯ(インジウム錫酸化物)電極が形成された二枚のガラス基板間に液晶材料を封入し、ＩＴＯ電極間に印加する電圧を変化させ、液晶の配向を制御して光の透過性が制御されるように構成されている。

液晶を通過する光はＩＴＯ電極も通過するため、ＩＴＯ電極材料には低抵抗等の電気的特性の他、透明性が高い等の光学的にも優れた特性が求められる。
液晶への電圧印加の制御方法として、ガラス基板にトランジスタを形成しておき、トランジスタをＯＮ／ＯＦＦさせるアクティブマトリクス方式が主流になっている。

トランジスタは、通常、アモルファスシリコンやポリシリコンで構成されている。透明導電膜とシリコンの接触抵抗は大きいため、図４(ａ)に示すように、トランジスタのソース領域やドレイン領域を構成するシリコン１２２表面に、シリコン１２２との接触抵抗が小さいアルミニウム配線膜１２５が配置されており、ＩＴＯ電極１１６は、アルミニウム配線膜１２５上に形成されている。

アルミニウム配線膜１２５とシリコン１２２とが接触すると、アルミニウム配線膜１２５中にシリコン原子が拡散し、スパイクが形成される虞がある。それを防止するためにアルミニウム薄膜中にシリコンが含有されているが、十分な対策とは言えない。

また、アルミニウム配線膜１２５とＩＴＯ電極１１６とが接触する部分では、ＩＴＯ電極１１６に含まれる酸素がアルミニウム配線膜１２５を酸化させ、高抵抗の絶縁層を形成してしまうという問題もある。

同図(ｂ)のように、アルミニウム配線膜１２５とＩＴＯ電極１１６やシリコン１２２との間に、Ｍｏ膜等のバリア膜１１４、１１５を配置すれば、絶縁層やスパイクの形成は防止できるが、工程が増え、コスト高になる。
特開２００４−２１４６０６号公報

本発明は上記従来技術の課題を解決するために創作されたものであり、バリア膜を不要とする技術を提供する。

上記課題を解決するため、本発明は、ＩＴＯもしくは亜鉛酸化物を含む導電性の酸化物膜と接触し、前記酸化物膜と電気的に接続された金属膜であって、前記金属膜は、アルミニウムを主成分とし、インジウム又は錫のいずれか一方又は両方の添加物が、０．２％以上６．０％以下の範囲の原子濃度で含有された金属膜である。
また、本発明は、前記金属膜の内部の前記添加物は、膜厚方向の中央よりも、前記酸化物膜との界面付近の方が高濃度にされた金属膜である。
また、本発明は、透明基板と、前記透明基板上に配置されたトランジスタと、前記トランジスタのソース領域又はドレイン領域上に配置された第二の金属膜と、前記第二の金属膜と接触し、電気的に接続されたＩＴＯもしくは亜鉛酸化物を含む導電性の酸化物膜から成る画素電極膜と、前記画素電極膜上に配置された液晶とを有する液晶表示装置であって、前記第二の金属膜は、アルミニウムを主成分とし、インジウム又は錫のいずれか一方又は両方の添加物が、０．２％以上６．０％以下の範囲の原子濃度で含有された液晶表示装置である。
また、本発明は、前記金属膜の内部の前記添加物は、膜厚方向の中央よりも、前記酸化物膜との界面付近と前記ソース領域又はドレイン領域との界面付近の方が高濃度にされた液晶表示装置である。
また、本発明は、真空槽内に成膜対象物を配置し、ターゲットをスパッタし、アルミニウムを主成分とし、インジウム又は錫のいずれか一方又は両方を添加物として含有する金属膜を形成し、前記金属膜を２００℃以上３５０℃以下の範囲に昇温させ、前記金属膜の内部の前記添加物の濃度を膜厚方向の中央よりも、表面の方を高くされ前記ターゲットに前記添加物が０．２％以上６．０％以下の範囲の原子濃度で含有される金属膜の製造方法である。

導電性の酸化物膜と接触する部分に添加物が高濃度に集まり、高濃度層が形成されるので、酸化物膜から遊離した酸素が、アルミニウムではなく添加物と結合し、添加物の酸化物が形成される。この酸化物は導電性を有しているので、酸化物膜と金属膜との間の接触抵抗は増大しない。

図１は、本発明の液晶表示装置１であり、透明基板１１を有している。
透明基板１１上には、アルミニウムを主成分とし、インジウム又は錫のいずれか一方又は両方が添加された補助金属膜が形成され、該補助金属膜のパターニングによってゲート電極膜２５ｇと、補助電極膜２５ｔが形成されている。

透明基板１１上には複数のセル領域が配置されている(図１には１個のセル領域が示されている)。各セル領域は、トランジスタ部５と、画素部６と、容量部７とを有しており、ゲート電極膜２５ｇはトランジスタ部５に配置され、補助電極膜２５ｔは、容量部７に配置されている。

ゲート電極膜２５ｇと補助電極膜２５ｔは分離されており、ゲート電極膜２５ｇ上と、補助電極膜２５ｔ上とには、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜から成る絶縁膜１４が配置されている。絶縁膜１４は、ゲート電極膜２５ｇ上の部分はゲート絶縁膜として機能する。
トランジスタ部５は、アモルファスシリコンで構成されたチャネル領域２１とソース領域２２ｓとドレイン領域２２ｄとを有している。

チャネル領域２１は、ゲート電極膜２５ｇ上に位置する絶縁膜１４の表面に配置されており、ソース領域２２ｓとドレイン領域２２ｄは、チャネル領域２１と接触し、互いに分離された位置に配置されている。ソース領域２２ｓとドレイン領域２２ｄは、一部がゲート電極膜２５ｇの真上に位置している。

半導体のｎ型とｐ型の導電型のうち、ソース領域２２ｓとドレイン領域２２ｄの導電型は同じであり、チャネル領域２１は、ソース領域２２ｓ及びドレイン領域２２ｄとは異なる導電型である。

ソース領域２２ｓとドレイン領域２２ｄの表面には、アルミニウムを主成分とし、インジウムと錫のいずれか一方又は両方が添加物として添加された主金属膜が成膜されており、その主金属膜のパターニングによって、ソース電極膜２５ｓとドレイン電極膜２５ｄが形成されている。

ソース電極膜２５ｓとドレイン電極膜２５ｄは互いに分離されており、ソース電極膜２５ｓとドレイン電極膜２５ｄは、ソース領域２２ｓとドレイン領域２２ｄの表面にそれぞれ接触されている。

ソース領域２２ｓとドレイン領域２２ｄには不純物が高濃度に拡散されており、ソース電極膜２５ｓとドレイン電極膜２５ｄは、それぞれソース領域２２ｓとドレイン領域２２ｄに電気的に接続されている。

画素部６には、導電性と透明性を有するＩＴＯから成る画素電極膜１６ｐが配置され、画素電極膜１６ｐ上には、不図示の液晶が配置されている。
画素電極膜１６ｐは、トランジスタ部５に延設されており、ドレイン電極膜２５ｄの表面と接触している。

画素電極膜１６ｐ上の液晶は、該画素電極膜１６ｐと、透明基板１１と対になる他の透明基板上の透明な対向電極との間に挟まれ、画素電極膜１６ｐと対向電極の間に電圧が印加されると、ねじれ配向が変化するように構成されている。
対向電極と画素電極膜１６ｐの間は、液晶の容量成分(液晶容量Ｃ_LC)によって電気的に接続されている。

酸化物膜をパターニングして画素電極膜１６ｐを形成する際に、酸化物膜から成る配線膜１６ｃも一緒に形成されており、補助電極膜２５ｔの表面は、配線膜１６ｃに接触されている。また、補助電極膜２５ｔと画素電極膜１６ｐの間には、絶縁膜１４等を誘電体とする補助容量が設けられている。

ここでは、配線膜１６ｃは、対向電極と同じコモン電位に接続され、補助電極膜２５ｔはコモン電位に置かれている。従って、補助容量は、画素電極膜１６ｐと対向電極の間に形成される液晶容量に対して並列接続されている。

図２の符号１５０は、この液晶表示装置１の部分回路図であり、データバスラインＤＢＬに、トランジスタＴｒのソース電極膜２５ｓが接続されている。
符号Ｃ_LCは液晶容量を示しており、符号Ｃ_tは補助容量を示している。トランジスタＴｒのドレイン領域は液晶容量Ｃ_LCの一端に接続され、液晶容量Ｃ_LCの他端は、コモン電位に接続されている。

トランジスタＴｒが接続されたデータバスラインＤＢＬとゲートバスラインＧＢＬに電圧が印加されると、そのトランジスタＴｒは導通し、液晶容量Ｃ_LCはデータバスラインＤＢＬに接続され、電圧が印加される。

補助容量Ｃ_tは液晶容量Ｃ_LCに並列接続されており、液晶容量Ｃ_LCに電圧が印加され、それが充電されるときにに一緒に充電される。
一定時間経過後、電圧が印加されるゲートバスラインＧＢＬが変更されると、電圧印加が終了したゲートバスラインＧＢＬのトランジスタＴｒはオフする。

この状態では、そのトランジスタＴｒに接続された液晶には、補助容量Ｃ_tの充電電圧によって電圧印加が継続されており、ゲートバスラインＧＢＬへの電圧印加が再開されるまで、補助容量Ｃ_tの充電電圧によって液晶のねじれ配向の変化は維持される。

ソース電極膜２５ｓやドレイン電極膜２５ｄを構成する主金属膜と、ゲート電極膜２５ｇや補助電極膜２５ｔを構成する補助金属膜のいずれか一方、又は両方は、アルミニウムを主成分とし、インジウム又は錫のいずれか一方又は両方が添加物として含有された金属膜で構成されている。

図３(ａ)の符号２５は、その金属膜２５が、２５０℃以上３５０℃以下の温度でアニールされた後の模式的な断面図であり、添加物は表面と裏面に集まり、金属膜２５の内部の表面付近と裏面付近に添加物の高濃度層２５Ｉがそれぞれ形成されている。中央付近は添加物の濃度が低い低添加物層２５Ａが形成されている。

図３(ｂ)は、その金属膜２５のうち、ソース領域２２ｓやドレイン領域２２ｄを構成するシリコン２２上に形成され、表面に、ＩＴＯ膜等の導電性を有する酸化物膜１６から成る画素電極膜（１６ｐ）が形成された部分を示している。
画素電極膜１６ｐ中には酸素が含まれており、高濃度層２５Ｉ中に高濃度に含まれる添加物は、遊離した酸素によって酸化され、酸化物となる。

インジウム酸化物や錫酸化物はＩＴＯ膜から成る画素電極膜１６ｐ中に元々含有されており、導電性を有するから、それらの酸化物が形成されても、金属膜２５と画素電極膜１６ｐの間の接触抵抗値に変化はない。

なお、インジウムと錫は、いずれか一方を含有させてもよいし、両方を含有させてもよい。両方を含有させた金属膜の特性は未測定であるが、インジウム含有金属膜と錫含有金属膜の特性がよいことから、両方を含有させた金属膜も特性がよいことが予想される。

特に、画素電極膜１６ｐ中のインジウムと錫は、９：１の割合で含有されているから、金属膜中に含有させるインジウムと錫の割合は、インジウムの含有量を錫の含有量よりも多くするとよい。特に、９：１に近くするとよいと予想される。

その画素電極膜１６ｐ中には錫酸化物も含まれているから、金属膜中に錫を含有させた場合、画素電極膜１６ｐ中の酸素で金属膜中の錫が酸化され、錫酸化物が形成されても抵抗値は上昇しない。

インジウム酸化物と錫酸化物の他、亜鉛酸化物も透明性と導電性を有しており、画素電極１６ｐの材料となり得る。
インジウム、錫、又は亜鉛のいずれか一種の添加物で構成された添加物ターゲット(添加物の小片)を大径のアルミニウムターゲット(純アルミニウム)上に配置して一緒にスパッタリングし、アルミニウムを主成分とし、インジウム、錫、又は亜鉛のいずれか一種が添加物として含有された金属膜をスパッタリング法によってシリコン基板上に成膜し、Ｎ₂雰囲気中で３５０℃、一時間アニールし、金属膜中の添加物の膜厚方向の濃度分布をAES（Auger electron spectrometer）によって測定した。
その結果を図５、６、７に示す。

インジウムは、金属膜内部の表面付近と裏面付近(シリコン基板界面側)の両方に集合し、表面付近と裏面付近にインジウムの高濃度層が形成されている。高濃度層の間の位置では、そこに含有されていたインジウムが表面と界面に移動して、インジウム濃度がほぼゼロになっている。

錫の場合は、表面に集まっているものの、全体に錫が残っており、インジウムほど集合していない。
亜鉛の場合はシリコン基板界面側に高濃度層が形成されているものの、表面側はかえって低濃度になっており、亜鉛含有金属膜に酸化物導電膜を形成すると亜鉛酸化物よりもアルミニウム酸化物が多量に形成され、後述するように、導通抵抗が増大してしまう原因になっていることが分かる。

アニール後の金属膜の抵抗値を測定した。成膜圧力0.4Pa（Arガス）、投入パワーDC電源0.1kWとして上記と同様にスパッタリングし、膜厚3000Åの添加物含有金属膜をガラス基板上に形成し、Ｎ₂雰囲中で１時間アニールし、アニール温度と抵抗値の関係を測定した。

添加物の濃度も低濃度の第一の濃度と、それよりも高濃度の第二の濃度の二種類の場合について添加物含有金属膜を形成し、測定した。
比較のため、添加物を含有しない純アルミニウム膜についても、アニール温度と抵抗値の関係を測定した。
測定結果を図８、９、１０に示す。

アニール温度がゼロの点は、アニールを行っていない添加物含有金属膜及び純アルミニウム膜の抵抗値である。
図８〜１０中の各測定点の値は下記表１の通りである。添加物としてはインジウムと錫を評価した。亜鉛を添加物とした場合を比較例として記載する。

２００℃を超えると、抵抗値が大きく低下しており、望ましくは２５０℃以上のアニール温度が必要なことが分かる。

ガラス基板に成膜された添加物含有金属膜の表面にＩＴＯ膜を成膜し、金属膜とＩＴＯ膜の積層膜に、直交する縦横の切れ込みを１ｍｍ間隔で形成し、面積１ｍｍ²の試験片を１００個作成した後、各試験片上に接着テープ(住友スリーエム株式会社製、＃６１０)を貼付し、積層膜表面に対して９０°の角度で接着テープを剥離し、金属膜とＩＴＯ膜の間で剥離した試験片の数を不良品として計数した。

剥離が接着テープと積層膜の間で生じたものと、ガラス基板と金属膜の間で生じたものは良品として計数から除外した。

試験片１００個の剥離試験を一回とし、各金属膜について、三回の試験を行った。その結果を下記表２に示す。数値が小さい程密着性が高い。添加物がインジウムの場合と錫の場合は密着強度が高い。

次に、金属膜とＩＴＯ膜の接触抵抗を測定した。
先ず、ガラス基板上に金属膜を成膜し、３５０℃、Ｎ₂ガス雰囲気中で１時間アニールした後、パターニングして複数の金属配線を形成した。

次いで、ＩＴＯ膜を成膜し、２４０℃、大気雰囲気で１時間アニールした後、ＩＴＯ膜をパターニングし、金属配線間を接続するＩＴＯ配線を形成した。
金属配線とＩＴＯ配線とが接触する接触部分は、５ｍｍ×５ｍｍの面積にし、接触部分が４個直列接続された試験配線パターンを形成した。

金属膜は、大径の純アルミニウムターゲット上に、添加物ターゲット(添加物の小片)を２個配置してスパッタリングを行った場合を基準含有率とし、４個、８個、又は１６ｐ個を配置してスパッタリングを行い、含有率二倍、四倍、八倍の金属膜を形成し、試験配線パターンの両端の抵抗値をそれぞれ測定した。
測定結果を下記表３及び図１１、１２、１３に示す。

インジウムは添加物が低濃度である含有率二倍の金属膜でも、アニール後の抵抗値がアニール前と大差がないのに対し、錫では含有率八倍の金属膜でアニール後の抵抗値の増加が小さくなっている。亜鉛の場合は、八倍以上の含有率が必要となると予想される。

以上の測定結果から、インジウム、錫、亜鉛、及び金を添加物とした場合の評価を下記表４に示す。

総合的にはインジウムが優れており、特に、ＩＴＯ膜と接触した場合の抵抗値や、アニールした後の抵抗値が大変優れている。亜鉛は導電性酸化物と接触する金属膜の添加物としては不適当である。

なお、上記のインジウム含有金属膜に、シリコンを添加し、トランジスタを構成するドレイン領域やソース領域から金属膜内部にシリコンが拡散しないようにしても良い。

その場合、添加物ターゲットとアルミニウムターゲットに加え、シリコンターゲットを一緒にスパッタリングすることにより、アルミニウムを主成分とし、インジウム又は錫のいずれか一方又は両方と、シリコンとが含有された金属膜を形成し、アニールによって、表面と裏面に添加物の高濃度層を形成することができる。

本発明の金属膜は、アルミニウムを主成分とし、インジウム又は錫のいずれか一方又は両方の添加物が０．２％以上６．０％以下の範囲の原子濃度で含有されることが望ましい。添加物の含有量が０．２％未満ではアルミニウムの酸化を抑えることが不十分であり、接続面での抵抗値が増大する。また、添加物の含有量が６．０％より大きいと金属膜自体の抵抗値が上昇する。

上記実施例では、アルミニウムターゲット上に添加物ターゲットを配置したが、アルミニウムターゲットと添加物ターゲットを異なる位置に別々に配置し、一緒にスパッタリングしてもよい。

また、アルミニウムターゲットと添加物ターゲットを別々形成するのではなく、アルミニウムを主成分とし、添加物が含有された含添加物ターゲットをスパッタリングしてもよい。この場合、アルミニウムを主成分とする含添加物ターゲットには、添加物を０．２％以上６．０％以下の範囲で含有させ、添加物が０．２％以上６．０％以下の範囲で含有された金属膜を形成してもよい。

本発明の液晶表示装置 その内部回路図 (ａ)、(ｂ)：本発明の金属膜を構造を説明するための断面図 (ａ)：シリコンを含有する金属膜 (ｂ)：バリア膜が形成された金属膜 インジウム含有金属膜のオージェ分析結果を示すグラフ 錫含有金属膜のオージェ分析結果を示すグラフ 亜鉛含有金属膜のオージェ分析結果を示すグラフ インジウム含有金属膜のアニール温度と抵抗値の関係を示すグラフ 錫含有金属膜のアニール温度と抵抗値の関係を示すグラフ 亜鉛含有金属膜のアニール温度と抵抗値の関係を示すグラフ インジウム含有金属膜の濃度とアニール前後の抵抗値の関係を示すグラフ 錫含有金属膜の濃度とアニール前後の抵抗値の関係を示すグラフ 亜鉛含有金属膜の濃度とアニール前後の抵抗値の関係を示すグラフ

符号の説明

１……液晶表示装置
１１……透明基板
１６ｐ……画素電極膜(酸化物膜)
２５(２５ｓ、２５ｄ、２５ｇ、２５ｔ)……金属膜
Ｔｒ……トランジスタ
Ｃ_LC……液晶の容量成分
Ｃ_t……補助容量

Claims (5)

1. ＩＴＯもしくは亜鉛酸化物を含む導電性の酸化物膜と接触し、前記酸化物膜と電気的に接続された金属膜であって、
   前記金属膜は、アルミニウムを主成分とし、インジウム又は錫のいずれか一方又は両方の添加物が、０．２％以上６．０％以下の範囲の原子濃度で含有された金属膜。
2. 前記金属膜の内部の前記添加物は、膜厚方向の中央よりも、前記酸化物膜との界面付近の方が高濃度にされた請求項１記載の金属膜。
3. 透明基板と、
   前記透明基板上に配置されたトランジスタと、
   前記トランジスタのソース領域又はドレイン領域上に配置された第二の金属膜と、
   前記第二の金属膜と接触し、電気的に接続されたＩＴＯもしくは亜鉛酸化物を含む導電性の酸化物膜から成る画素電極膜と、
   前記画素電極膜上に配置された液晶とを有する液晶表示装置であって、
   前記第二の金属膜は、アルミニウムを主成分とし、インジウム又は錫のいずれか一方又は両方の添加物が、０．２％以上６．０％以下の範囲の原子濃度で含有された液晶表示装置。
4. 前記金属膜の内部の前記添加物は、膜厚方向の中央よりも、前記酸化物膜との界面付近と前記ソース領域又はドレイン領域との界面付近の方が高濃度にされた請求項３記載の液晶表示装置。
5. 真空槽内に成膜対象物を配置し、ターゲットをスパッタし、アルミニウムを主成分とし、インジウム又は錫のいずれか一方又は両方を添加物として含有する金属膜を形成し、
   前記金属膜を２００℃以上３５０℃以下の範囲に昇温させ、
   前記金属膜の内部の前記添加物の濃度を膜厚方向の中央よりも、表面の方を高くされ前記ターゲットに前記添加物が０．２％以上６．０％以下の範囲の原子濃度で含有される金属膜の製造方法。

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