JP5044273B2 - 薄膜トランジスタアレイ基板、その製造方法、及び表示装置 - Google Patents

薄膜トランジスタアレイ基板、その製造方法、及び表示装置 Download PDF

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Description

本発明は、薄膜トランジスタアレイ基板、その製造方法、及び表示装置に関し、特に詳しくは蓄積容量素子を有する薄膜トランジスタアレイ基板、その製造方法、及び表示装置に関する。
近年、薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)を用いた液晶表示装置やEL表示装置等の薄型表示装置(フラットパネルディスプレイ)の開発が推進されている。特に、半導体層活性領域の材料としてポリシリコンを用いたTFTは、従来のアモルファスシリコンを用いたTFTと比べて、高精細のパネルが形成できること、駆動回路領域と画素領域とを一体形成できること、駆動回路チップや実装のコストが不要となり低コストが可能になること等の利点があり、注目されている。
TFTの構造は、主としてボトムゲート型とトップゲート型とに分類される。ゲート電極が半導体層を介してソース・ドレイン電極の下層に配置された構造がボトムゲート型である。一方、トップゲート型では、ゲート電極が半導体層を介してソース・ドレイン電極の上層に配置されている。ポリシリコンTFTにおいては、高温のシリコン結晶化工程をプロセスの最初に行える点から、トップゲート型が主流となっている。
従来のトップゲート型TFTアレイ基板の製造方法について、図7を用いて説明する。図7(a)は、従来技術1のトップゲート型TFTアレイ基板の画素構成を示す平面図である。図7(b)は、図7(a)におけるTFT及び蓄積容量素子の断面構造を模式的に示した断面図である。
まず、ガラス等の透明な絶縁基板からなる基板1の上に下地絶縁膜2を形成する。そして、下地絶縁膜2の上にポリシリコン膜を形成する。写真製版、エッチング、レジスト除去の工程を経て、ポリシリコン膜をパターニングし、半導体層3を形成する。このとき、図7のように、蓄積容量素子の下部容量電極3aを、ポリシリコン膜をパターニングして半導体層3と同時に形成する。
次に、半導体層3及び下部容量電極3aを覆うように、シリコン酸化膜等を用いて薄膜のゲート絶縁膜4を堆積する。さらに、ゲート絶縁膜4の上に第1の金属膜を成膜した後、パターニングを行い、半導体層3のチャネル領域となる領域の上にゲート電極5を形成する。このとき、図7のように、下部容量電極3aの上に共通配線電極5aを、第1の金属膜をパターニングしてゲート電極5と同時に形成する。その後、ゲート電極5をマスクとして、半導体層3のソース/ドレイン領域に不純物を導入する。
不純物導入の後、ゲート電極5及び共通配線電極5aを覆うように層間絶縁膜6を成膜する。そして、層間絶縁膜6とゲート絶縁膜4とをエッチングにより除去して、半導体層3のソース/ドレイン領域上にコンタクトホール10を形成する。コンタクトホール10を介して半導体層3と電気的に接続する配線電極71、72を第2の金属膜により形成する。
配線電極71、72を覆うように保護膜8を成膜し、パターニングして配線電極72上にスルーホール11を形成する。保護膜8上には、スルーホール11を介して配線電極72と接続する画素電極9を画素単位毎に形成する。以上のようにして、従来のトップゲート型TFTアレイ基板が完成する。
上述のように、従来のトップゲート型TFTアレイ基板では、ゲート絶縁膜4を誘電体膜とし、ゲート絶縁膜4を介して下部容量電極3aと共通配線電極5aとを対向配置させることによって、蓄積容量素子20が構成されている(従来技術1)。下部容量電極3aは半導体層3と同一工程、そして共通配線電極5aはゲート電極5と同一工程で形成されるので、工程数を削減することができ、生産性が向上される。
一般的に、蓄積容量素子の蓄積容量は、誘電体膜の誘電率、膜厚、及び誘電体膜を介して対向配置される電極の面積によって決まる。特に、電極の面積を大きくすることによって蓄積容量を増加させる方法は、回路面積の増大、透過領域縮小によるバックライトからの透過光量減少、TFT微細化の必要性等につながるため、回路設計及びプロセス設計上の制約となっている。
このような問題に対し、電位固定を行う共通配線電極5aの上下にそれぞれ対向電極を配置することにより形成される2つの蓄積容量素子を並列接続して、蓄積容量を確保する方法が知られている(従来技術2)。図8(a)は、従来技術2のトップゲート型TFTアレイ基板の画素構成を示す平面図である。また、図8(b)は、図8(a)におけるTFT及び蓄積容量素子の断面構造を模式的に示した断面図である。
図8において、共通配線電極5aの下には、図7に示す従来技術1と同様、ゲート絶縁膜4を介して半導体層3と同層の下部容量電極3aが対向電極として形成され、蓄積容量素子20を構成している。さらに、共通配線電極5aの上には、層間絶縁膜6を介して配線電極7と同層の上部容量電極7aが対向電極として形成され、蓄積容量素子25を構成している。半導体層3と配線電極7とは、層間絶縁膜6及びゲート絶縁膜4を貫通するコンタクトホール10を介して、電気的に接続される構造となっている(例えば、特許文献1〜3)。
ここで、これら従来技術の画素構成を等価回路に置き換えると、図9に示すようになる。図9(a)は、従来技術1における画素等価回路を示す図であり、図9(b)は従来技術2における画素等価回路を示す図である。図9において、蓄積容量素子が従来技術1では1つ設けられているのに対し、従来技術2では2つ設けられている。すなわち、従来技術2は、従来技術1に蓄積容量素子1つ分の蓄積容量が新たに付加されることになる。従って、従来技術2では、単位面積当たりに占める蓄積容量が増加するので、蓄積容量素子の面積を小さくすることが可能となる。
特開2003−98515号公報 特開2000−298290号公報 特開平9−43640号公報
しかしながら、誘電体膜となる層間絶縁膜6の膜厚は、ゲート絶縁膜4の膜厚に対して4〜6倍程度厚い。すなわち、従来技術2において、共通配線電極5a、層間絶縁膜6、及び上部容量電極7aによって構成される蓄積容量素子25の蓄積容量は、共通配線電極5a、ゲート絶縁膜4、及び下部容量電極3aによって構成される蓄積容量素子20の1/6〜1/4程度にしかならない。このため、単位面積当たりに占める蓄積容量は少ししか増加しないので、蓄積容量素子の面積をあまり縮小することができないという問題がある。
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、蓄積容量素子の占有面積を小さくすることが可能な薄膜トランジスタアレイ基板、その製造方法、及び表示装置を提供することを目的とする。
本発明にかかる薄膜トランジスタアレイ基板は、
基板上に形成され、ソース/ドレイン領域を有する半導体層と、
前記半導体層を覆うゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記半導体層のチャネル領域の対面に配置されるゲート電極と、
前記ゲート電極を覆う層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜及び前記ゲート絶縁膜を貫通するコンタクトホールを介して、前記ソース/ドレイン領域に接続する配線電極と、
前記配線電極及び前記層間絶縁膜を覆う保護膜と、
前記保護膜を貫通するスルーホールを介して前記配線電極に接続する画素電極と、
前記半導体層より延在して形成された下部容量電極と、
前記ゲート電極と同じ層によって形成され、前記ゲート絶縁膜を介して前記下部容量電極の対面に配置された共通配線電極と、
前記層間絶縁膜より膜厚の薄い誘電体膜を介して前記共通配線電極の対面に配置された上部容量電極と、を備え
前記共通配線電極上の前記層間絶縁膜には、前記層間絶縁膜が除去された開口部が形成され、
前記保護膜は、前記開口部、及び前記開口部を形成する前記層間絶縁膜の側面を覆い、
前記誘電体膜が、前記開口部における前記保護膜によって形成され、
前記誘電体膜を介して前記共通配線電極の対面に配置される前記上部容量電極が、前記画素電極より延在して形成されているものである。
本発明によれば、蓄積容量素子の占有面積を小さくすることが可能な薄膜トランジスタアレイ基板、その製造方法、及び表示装置を提供することができる。
実施の形態1.
始めに、図1を用いて、本発明に係るTFTアレイ基板が適用される表示装置について説明する。図1は、表示装置に用いられるTFTアレイ基板の構成を示す正面図である。本発明に係る表示装置は、液晶表示装置を例として説明するが、あくまでも例示的なものであり、有機EL表示装置等の平面型表示装置(フラットパネルディスプレイ)等を用いることも可能である。この液晶表示装置の全体構成については、以下に述べる第1〜第3の実施形態で共通である。
本発明に係る液晶表示装置は、基板1を有している。基板1は、例えば、TFTアレイ基板等のアレイ基板である。基板1には、表示領域41と表示領域41を囲むように設けられた額縁領域42とが設けられている。この表示領域41には、複数のゲート配線(走査信号線)43と複数のソース配線(表示信号線)44とが形成されている。複数のゲート配線43は平行に設けられている。同様に、複数のソース配線44は平行に設けられている。ゲート配線43とソース配線44とは、互いに交差するように形成されている。ゲート配線43とソース配線44とは直交している。隣接するゲート配線43とソース配線44とで囲まれた領域が画素47となる。従って、基板1では、画素47がマトリクス状に配列される。
基板1の額縁領域42には、走査信号駆動回路45と表示信号駆動回路46とが設けられている。ゲート配線43は、表示領域41から額縁領域42まで延設され、基板1の端部で、走査信号駆動回路45に接続される。ソース配線44も同様に、表示領域41から額縁領域42まで延設され、基板1の端部で、表示信号駆動回路46と接続される。走査信号駆動回路45の近傍には、外部配線48が接続されている。また、表示信号駆動回路46の近傍には、外部配線49が接続されている。外部配線48、49は、例えば、FPC(Flexible Printed Circuit)等の配線基板である。
外部配線48、49を介して走査信号駆動回路45、及び表示信号駆動回路46に外部からの各種信号が供給される。走査信号駆動回路45は外部からの制御信号に基づいて、ゲート信号(走査信号)をゲート配線43に供給する。このゲート信号によって、ゲート配線43が順次選択されていく。表示信号駆動回路46は外部からの制御信号や、表示データに基づいて表示信号をソース配線44に供給する。これにより、表示データに応じた表示電圧を各画素47に供給することができる。
画素47内には、少なくとも1つのTFT50が形成されている。TFT50はソース配線44とゲート配線43の交差点近傍に配置される。例えば、このTFT50が画素電極に表示電圧を供給する。即ち、ゲート配線43からのゲート信号によって、スイッチング素子であるTFT50がオンする。これにより、ソース配線44から、TFT50のドレイン電極に接続された画素電極に表示電圧が印加される。画素電極と対向電極との間には、表示電圧に応じた電界が生じる。なお、基板1の表面には、配向膜(図示せず)が形成されている。
更に、基板1には、対向基板が対向して配置されている。対向基板は、例えば、カラーフィルタ基板であり、視認側に配置される。対向基板には、カラーフィルタ、ブラックマトリクス(BM)、対向電極、及び配向膜等が形成されている。なお、対向電極は、基板1側に配置される場合もある。基板1と対向基板との間には液晶層が狭持される。即ち、基板1と対向基板との間には液晶が導入されている。更に、基板1と対向基板との外側の面には、偏光板、及び位相差板等が設けられる。また、液晶表示パネルの反視認側には、バックライトユニット等が配設される。
画素電極と対向電極との間の電界によって、液晶が駆動される。即ち、基板間の液晶の配向方向が変化する。これにより、液晶層を通過する光の偏光状態が変化する。即ち、偏光板を通過して直線偏光となった光は液晶層によって、偏光状態が変化する。具体的には、バックライトユニットからの光は、アレイ基板側の偏光板によって直線偏光になる。この直線偏光が液晶層を通過することによって、偏光状態が変化する。
偏光状態によって、対向基板側の偏光板を通過する光量は変化する。即ち、バックライトユニットから液晶表示パネルを透過する透過光のうち、視認側の偏光板を通過する光の光量が変化する。液晶の配向方向は、印加される表示電圧によって変化する。従って、表示電圧を制御することによって、視認側の偏光板を通過する光量を変化させることができる。即ち、画素ごとに表示電圧を変えることによって、所望の画像を表示することができる。
また、画素47内には蓄積容量素子(図示せず)が形成されている。ここで、本実施の形態に係る蓄積容量素子の構成について、図2を用いて詳細に説明する。図2(a)は、実施の形態1のトップゲート型TFTアレイ基板の画素構成を示す平面図である。図2(b)は、図2(a)におけるTFT及び蓄積容量素子の断面構造を模式的に示した断面図である。図2(b)では、左側にTFT50を示し、右側に蓄積容量素子を示している。図2において、まず、ガラス等の透明な絶縁基板からなる基板1の上に下地絶縁膜2が設けられている。下地絶縁膜2は、例えば膜厚200nmのSiN膜により構成され、基板1上に形成される各素子への不純物拡散を防止する。
下地絶縁膜2の上には、島状の半導体層3が設けられている。半導体層3は、ソース/ドレイン領域、及びチャネル領域を含み、例えば膜厚50nmのポリシリコン(多結晶シリコン)膜により形成される。ソース/ドレイン領域には不純物が導入されており、不純物の導入されていないチャネル領域がソース領域とドレイン領域との間に配置されている。また、図2では、下部容量電極3aが半導体層3から延在して形成されている。
半導体層3、及び下部容量電極3aを覆うようにゲート絶縁膜4が設けられている。ゲート絶縁膜4は、例えば膜厚100nmのSiO膜により形成されている。そして、ゲート絶縁膜4を介してチャネル領域の対面にゲート電極5が設けられている。ゲート絶縁膜4上に形成されたゲート配線43からゲート電極5が延在している。ゲート電極5は、例えば膜厚200nmのCr膜、あるいはAl膜等により形成される。また、ゲート絶縁膜4を介して下部容量電極3aの対面には、共通配線電極5aが設けられている。共通配線43aの下部容量電極3aと重複する領域が、共通配線電極5aとなる。共通配線43aとゲート配線43とは平行に配置される。すなわち、隣接するゲート配線43の間に共通配線電極5aが形成されている。共通配線電極5aはゲート電極5と同じ金属膜(同じ層)により形成される。ゲート絶縁膜4を介して対向配置された下部容量電極3aと共通配線電極5aにより、蓄積容量素子20が構成されている。ソース配線44から下部容量電極3aに表示電圧が印加されると、共通配線電極5aには表示電圧に応じた電荷が蓄積される。
ゲート電極5、及び共通配線電極5aを覆うように層間絶縁膜6aが設けられている。層間絶縁膜6aは、例えば膜厚500nmのSiO膜により形成される。層間絶縁膜6a及びゲート絶縁膜4を貫通するコンタクトホール10が半導体層3のソース/ドレイン領域上に設けられている。また、本実施の形態では、共通配線電極5a上において層間絶縁膜6aが部分的に除去された開口部12aが形成されている。開口部12aは、共通配線電極5aの寸法より小さく形成され、共通配線電極5aと重複して配置される。すなわち、共通配線電極5aの側面が層間絶縁膜6aによって覆われるように、開口部12aが形成される。なお、開口部12aの側面を形成する層間絶縁膜6aの端部はテーパー角度を有している。
回路を構成する配線電極71、72が、コンタクトホール10を介して半導体層3のソース/ドレイン領域と電気的に接続している。配線電極71、72は、例えば膜厚300nmのMo膜により形成される。信号配線電極71はソース電極であり、信号配線電極72はドレイン電極である。配線電極71は、ソース配線44と電気的に接続されている。配線電極72は、島状にパターニングされ、ゲート配線43と共通配線43aとの間に配置される。配線電極71、72は層間絶縁膜6aの上に設けられており、開口部12aには形成されていない。
さらに、配線電極71、72と開口部12aを有する層間絶縁膜6aとを覆うように、保護膜8が形成されている。保護膜8は、開口部12aにおいて共通配線電極5a上に直接形成され、開口部12aの側面を形成する層間絶縁膜6aの端部、及び開口部12aの底面を形成する共通配線電極5aを覆っている。保護膜8は、例えば膜厚200nmのSiN膜により形成される。ゲート電極5と配線電極71、72との配線間容量を抑えるため、層間絶縁膜6aは通常500nm程度の膜厚を要するが、保護膜8については配線間容量を考慮する必要がない。従って、配線電極71、72と後述する画素電極9との絶縁性を確保できる100〜300nm程度の膜厚に抑えることが可能である。
保護膜8上には、スルーホール11を介して配線電極72と接続する画素電極9が形成されている。画素電極9は、例えば膜厚100nmのITO膜により形成され、画素47の略全体に設けられている。本実施の形態では、上部容量電極9aが、共通配線電極5aの形成された領域と重複するように画素電極9から延設されている。よって、少なくとも保護膜8を介して対向配置された共通配線電極5aと上部容量電極9aにより、蓄積容量素子21が構成される。
すなわち、電位固定を行う共通配線電極5aの上下にそれぞれ対向電極として下部容量電極3aと上部容量電極9aとを配置することにより、2つの蓄積容量素子20、21が積層される。上部容量電極9aは、配線電極72及び半導体層3を介して下部容量電極3aに電気的に接続されるため、蓄積容量素子21は蓄積容量素子20と並列接続されている。ソース配線44から上部容量電極9aに表示電圧が印加されると、共通配線電極5aには表示電圧に応じた電荷が蓄積される。
蓄積容量素子21を構成する上部容量電極9aと共通配線電極5aとは、特に開口部12aにおいて、保護膜8のみを介して対向配置される。すなわち、蓄積容量素子21の誘電体膜が、開口部12aにおいて層間絶縁膜6aより膜厚の薄い保護膜8となる。これにより、開口部12aにおいて、誘電体膜となる保護膜8の膜厚は、従来技術2の層間絶縁膜6と比較して格段に薄くなるので、蓄積容量素子21の蓄積容量は大幅に増加する。例えば、層間絶縁膜6aの膜厚を500nm、保護膜8の膜厚を200nmとした場合、蓄積容量素子21の蓄積容量は従来技術2の蓄積容量素子25の約2.5倍となる。
次に、本実施の形態におけるTFTアレイ基板の製造方法について説明する。まず初めに、石英基板やガラス基板等の透明な絶縁基板からなる基板1の上にシリコン窒化膜等の絶縁性の膜をCVD法などにより成膜し、下地絶縁膜2を形成する。下地絶縁膜2上に、膜厚50nm程度のアモルファスシリコン膜をCVD成膜装置等により基板1全面に成膜する。アモルファスシリコン膜成膜後、エキシマレーザアニール装置等を用いてアモルファスシリコン膜を溶融、冷却、固化して、ポリシリコン化する。これにより、ポリシリコン膜が得られる。
半導体層3及び下部容量電極3aとなる領域のポリシリコン膜上に、それぞれ島状のレジストパターンをフォトリソグラフィーにより形成する。このレジストパターンをマスクとしてドライエッチングを行い、ポリシリコン膜を島状にパターニングする。ドライエッチングには、CF、CHF、SF等のフッ化ガスと、酸素(O)等との混合ガスを用いる。これにより、半導体層3と下部容量電極3aとが形成される。レジストパターンを除去した後、半導体層3及び下部容量電極3aを覆うように、ゲート絶縁膜4を形成する。ゲート絶縁膜4として、例えば厚さ100nm程度のシリコン酸化膜をプラズマCVD法により基板1全面に成膜する。
さらに、スパッタ法等を用いて、ゲート電極5となる金属材料をゲート絶縁膜4の上全面に成膜する。なお、本実施の形態では、ゲート電極5となる第1の金属膜として後述する配線電極71、72のエッチング工程においてエッチングされにくいCr膜、又はCrを主成分とする合金膜等を用いる。ここでは、例えば厚さ200nm程度のCr膜を堆積させる。その後、フォトリソグラフィーにより、ゲート電極5、ゲート配線43、共通配線43a、及び共通配線電極5aとなる領域のCr膜上にレジストパターンを形成する。このレジストパターンを介してCr膜のエッチングを行い、ゲート電極5、ゲート配線43、共通配線43a、及び共通配線電極5aを形成する。
その後、ゲート電極5及びこの上に形成されたレジストパターンをマスクとして、半導体層3に不純物を導入する。不純物は、例えばホウ素(B)、リン(P)、ヒ素(As)等のイオンとする。ここでの導入方法は、質量分離を行うイオン注入、質量分離を行わないイオンドーピングのいずれの方法を用いてもよい。これにより、半導体層3に不純物が導入され、ソース/ドレイン領域が自己整合的に形成される。不純物導入後、レジストパターンを除去する。
ゲート電極5、ゲート配線43、共通配線43a、及び共通配線電極5aを覆うように、層間絶縁膜6aを形成する。例えば、プラズマCVD法等により膜厚500nm程度のシリコン酸化膜を層間絶縁膜6aとして基板1全面に成膜する。さらに、層間絶縁膜6a上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンを介してドライエッチングを行う。これにより、層間絶縁膜6a及びゲート絶縁膜4を貫通するコンタクトホール10が開口され、半導体層3のソース/ドレイン領域の一部が露出する。このとき、本実施の形態では、層間絶縁膜6aを貫通する開口部12aを共通配線電極5a上に開口し、共通配線電極5aの一部を露出させる。これにより、開口部12aがコンタクトホール10と同時に形成される。
層間絶縁膜6a上に、DCマグネトロンを用いたスパッタリング法により、配線電極71、72となる第2の金属膜を基板1全面に成膜する。本実施の形態では、配線電極71、72となる第2の金属膜として、膜厚300nm程度のMo膜、又はMoを主成分とする合金膜を用いる。その後、第2の金属膜の上にフォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成し、このレジストパターンを介してエッチングを行う。
ここでは、SFとOの混合ガス、又はClとOの混合ガスを用いてドライエッチングする。共通配線電極5aであるCr膜やCrを主成分とする合金膜のエッチング速度は、これらの混合ガスではほとんどゼロに等しい。そのため、配線電極71、72の形成時において、開口部12a内に成膜された金属膜はエッチングにて除去されるが、その下に設けられた共通配線電極5aはエッチングされない。これにより、開口部12aにおいて共通配線電極5aが露出されるとともに、コンタクトホール10を介して半導体層3と接続する配線電極71、72が形成される。また、ソース配線44も同時に形成される。同様の効果が得られるその他の組み合わせとして、ゲート電極5及び共通配線電極5aにAl膜又はAlを主成分とする合金膜、配線電極71、72にMo膜又はMoを主成分とする合金膜を使用し、SFとOの混合ガスを用いたドライエッチングにより配線電極71、72を形成してもよい。
次に、配線電極71、72、及びソース配線44を覆うように保護膜8を基板1全面に成膜する。保護膜8には、層間絶縁膜6より膜厚の薄い、膜厚200nm程度のシリコン窒化膜等を用いることができる。これにより、開口部12a内の共通配線電極5a、及び開口部12aの側面を形成する層間絶縁膜6aの端部は保護膜8に覆われる。そして、保護膜8をドライエッチングにより除去してスルーホール11を形成すると、半導体層3のソース/ドレイン領域と接続する配線電極72の表面が一部露出する。
続いて、保護膜8の上に画素電極9を形成する。画素電極9として、例えば、DCマグネトロンを用いたスパッタリング法により透明導電膜を基板1全面に成膜する。透明導電膜には、酸化インジウムを主成分とするITO膜や、IZO膜が一般的に用いられる。そして、写真製版、エッチング、レジスト除去の工程を経て、スルーホール11を介して配線電極72と接続する画素電極9、及び画素電極9から延設され保護膜8を介して共通配線電極5aに対向する上部容量電極9aが形成される。以上の工程を経て、本実施の形態に係るTFTアレイ基板が完成する。
このように、本実施の形態では、下部容量電極3aと共通配線電極5aとを対向配置させて構成される蓄積容量素子20に加え、共通配線電極5aと上部容量電極9aとを対向配置させて構成される蓄積容量素子21を積層して形成する。このとき、共通配線電極5a上の層間絶縁膜6aに開口部12aを設け、共通配線電極5aと上部容量電極9aとを保護膜8のみを介して対向配置させる。これにより、開口部12aにおいて、誘電体膜となる保護膜8の膜厚は、従来技術2の層間絶縁膜6と比較して格段に薄くなるので、蓄積容量素子21の蓄積容量は大幅に増加する。従って、単位面積当たりに占める蓄積容量が大きく増加し、蓄積容量素子の占有面積を効果的に小さくすることができる。すなわち、画素開口率を向上させることができる。また、開口部12aはコンタクトホール10と同時に形成でき、工程数及び使用するマスク数は増加しない。
実施の形態2.
本実施の形態に係る蓄積容量素子の構成について、図3を用いて説明する。図3(a)は、実施の形態2のトップゲート型TFTアレイ基板の画素構成を示す平面図である。図3(b)は、図3(a)におけるTFT及び蓄積容量素子の断面構造を模式的に示した断面図である。図3(b)では、左側にTFT50を示し、右側に蓄積容量素子を示している。本実施の形態では、蓄積容量素子の構成に特徴を有していて、それ以外の構成については実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。
図3において、図2と同じ構成部分については同一の符号を付し、差異について説明する。実施の形態1と同様に、半導体層3から延在して形成された下部容量電極3aと、ゲート電極5と同層の共通配線電極5aと、がゲート絶縁膜4を介して対向配置され、蓄積容量素子20を構成している。本実施の形態のゲート電極5及び共通配線電極5aは、例えば200nmのMo膜等により形成される。ソース配線44から下部容量電極3aに表示電圧が印加されると、共通配線電極5aには表示電圧に応じた電荷が蓄積される。
また、本実施の形態では、実施の形態1と異なり、薄膜部13を有する層間絶縁膜6bがゲート電極5、及び共通配線電極5aを覆うように設けられている。すなわち、層間絶縁膜6bの膜厚が薄く形成された薄膜部13が、共通配線電極5a上に設けられている。単層の層間絶縁膜6bが膜厚方向に一部除去されて薄膜部13が形成されている。薄膜部13における層間絶縁膜6bの膜厚Aは、半導体層3上のうち、ゲート電極5及び共通配線電極5aの形成領域を除く領域における層間絶縁膜6bの膜厚Bより薄くなっている。薄膜部13は、共通配線電極5aと略同じ寸法で形成され、共通配線電極5aと重複して配置される。なお、薄膜部13の側面を形成する層間絶縁膜6bの端部はテーパー角度を有している。
そして、共通配線電極5aの上には、層間絶縁膜6bを介して配線電極71、72と同層の上部容量電極7bが対向電極として形成されている。配線電極71、72及び上部容量電極7bは、例えばMo/Al/Mo積層膜(膜厚50nm/200nm/50nm)により形成される。上部容量電極7bは、共通配線電極5aが形成された領域と重複するように配線電極72から延設されている。よって、層間絶縁膜6bを介して対向配置された共通配線電極5aと上部容量電極7bにより蓄積容量素子22が構成される。
すなわち、電位固定を行う共通配線電極5aの上下にそれぞれ対向電極として下部容量電極3aと上部容量電極7bとを配置することにより、2つの蓄積容量素子20、22が積層される。上部容量電極7bは、配線電極72及び半導体層3を介して下部容量電極3aに電気的に接続されるため、蓄積容量素子22は蓄積容量素子20と並列接続されている。ソース配線44から上部容量電極7bに表示電圧が印加されると、共通配線電極5aには表示電圧に応じた電荷が蓄積される。
蓄積容量素子22を構成する上部容量電極7bと共通配線電極5aとは、特に薄膜部13において、膜厚の薄い層間絶縁膜6bを介して対向配置される。すなわち、蓄積容量素子22の誘電体膜は、薄膜部13の層間絶縁膜6bとなり、ゲート電極5及び共通配線電極5aの形成領域を除く半導体層3上の層間絶縁膜6bの膜厚より薄くなる。これにより、薄膜部13において、誘電体膜となる層間絶縁膜6bの膜厚は、従来技術2の層間絶縁膜6と比較して格段に薄くなるので、蓄積容量素子の蓄積容量22は大幅に増加する。
次に、本実施の形態におけるTFTアレイ基板の製造方法について、適宜図4を参照しながら説明する。図4は、本実施の形態におけるTFTアレイ基板の製造工程の一例を示した断面図である。本実施の形態では、層間絶縁膜6bの形成以降の製造方法が実施の形態1と異なっていて、それ以外の製造工程については実施の形態1と同様であるため説明を省略する。
実施の形態1と同様、層間絶縁膜6bをゲート電極5及び共通配線電極5aを覆うように基板1全面に成膜した後、レジストパターン14aを1回目のフォトリソグラフィーにより形成する。このとき、図4(a)のように、レジストパターン14aをコンタクトホール10となる領域を除く層間絶縁膜6b上に形成する。そして、このレジストパターン14aを介してドライエッチングを行う。これにより、図4(b)に示すような層間絶縁膜6b及びゲート絶縁膜4を貫通するコンタクトホール10が開口され、半導体層3のソース/ドレイン領域の一部が露出する。
続いて、レジストパターン14aを除去した後、レジストパターン14bを2回目のフォトリソグラフィーにより形成する。ここでは、図4(c)のように、レジストパターン14bを薄膜部13となる領域を除く層間絶縁膜6b上に形成する。そして、このレジストパターン14bを介してドライエッチングを行う。このとき、層間絶縁膜6bを貫通させないように、膜厚方向に一部エッチングして薄膜部13を形成する。薄膜部13の膜厚が誘電体膜として所望する膜厚Aとなるまでエッチングする。これにより、図4(d)に示すように、薄膜部13において層間絶縁膜6bの膜厚が薄くなり、コンタクトホール10と薄膜部13とを有する層間絶縁膜6bが形成される。なお、コンタクトホール10と薄膜部13の形成順序は逆でもよい。
レジストパターン14bを除去した後、層間絶縁膜6b上に、DCマグネトロンを用いたスパッタリング法により配線電極71、72となる第2の金属膜を基板1全面に成膜する。配線電極71、72となる第2の金属膜として、Al、Mo、Cr、Taやこれらを主成分とする合金膜、あるいはこれらの積層膜が用いられ、ここでは例えば、膜厚50nmのMo膜、膜厚200nmのAl膜、及び膜厚50nmのMo膜を積層する。その後、写真製版、エッチング、レジスト除去の工程を経て、この第2の金属膜をパターニングする。これにより、コンタクトホール10を介して半導体層3と接続する配線電極71と、共通配線電極5aと重複するように配線電極72から延設された上部容量電極7bとが形成される。薄膜部13は上部容量電極7bに覆われる。
その後、配線電極71、72及び上部容量電極7bを覆うように保護膜8を基板1全面に成膜する。保護膜8には、膜厚200nm程度のシリコン窒化膜等を用いることができる。そして、保護膜8をドライエッチングにより除去してスルーホール11を形成すると、半導体層3のソース/ドレイン領域と接続する配線電極72の表面が一部露出する。
保護膜8の上に画素電極9を形成する。画素電極9として、例えば、DCマグネトロンを用いたスパッタリング法により透明導電膜を基板1全面に成膜する。透明導電膜には、酸化インジウムを主成分とするITO膜や、IZO膜が一般的に用いられる。そして、写真製版、エッチング、レジスト除去の工程を経て、スルーホール11を介して配線電極72と接続する画素電極9が形成される。以上の工程を経て、本実施の形態に係るTFTアレイ基板が完成する。
なお、本実施の形態では、配線電極71、72のエッチング工程において共通配線電極5aを露出させない。そのため、ゲート電極5となる金属膜として配線電極71、72のエッチング工程においてエッチングされにくい材料を用いる必要がない。よって、ゲート電極5及び共通配線電極5aとなる金属膜として、Mo、Cr、W、Al、Taや、これらを主成分とする合金膜を用いることができる。
また、本実施の形態では、複数階調露光技術を用いることにより、コンタクトホール10及び薄膜部13の形成を1回のフォトリソグラフィーで行うことが可能である。図5は、本実施の形態におけるTFTアレイ基板の製造工程の別の一例を示した断面図である。層間絶縁膜6bの上にレジストを塗布した後、ハーフトーンマスクやグレイトーンマスク等を用いた複数階調露光、及び現像により、レジストをパターニングする。これにより、図5(a)のような膜厚差を有するレジストパターン14cがコンタクトホール10となる領域を除く層間絶縁膜6b上に形成される。このレジストパターン14cは、薄膜部13となる領域上では膜厚が薄く、それ以外の領域上では膜厚は厚く形成されている。
そして、このレジストパターン14cを介して1回目のパーシャルエッチングを行う。このとき、コンタクトホール10となる領域の層間絶縁膜6b及びゲート絶縁膜4からなる積層膜がエッチングされるが、この積層膜の膜厚が所望する膜厚となるまで、ドライエッチングを行う。すなわち、積層膜を膜厚方向に一部エッチングして除去する。これにより、図5(b)に示すように、コンタクトホール10形成領域の積層膜が所望する膜厚まで薄くなる。
続いて、レジストパターン14cをアッシングする。薄膜部13となる領域の層間絶縁膜6b表面が露出するまで、アッシングを行う。これにより、図5(c)のように、膜厚の薄いレジストパターン14cは除去され、膜厚の厚いレジストパターン14cは膜厚が薄くなり、レジストパターン14dとして残存する。そして、このレジストパターン14dを介して2回目のパーシャルエッチングを行う。このとき、層間絶縁膜6bを貫通させないように、膜厚方向に一部エッチングして薄膜部13を形成する。薄膜部13の膜厚が誘電体膜として所望する膜厚Aとなるまでドライエッチングする。これにより、図5(d)に示すように、薄膜部13において層間絶縁膜6bの膜厚が薄くなるとともに、コンタクトホール10形成領域の積層膜が除去され半導体層3が露出する。コンタクトホール10と薄膜部13とを有する層間絶縁膜6bが形成される。
以上のように、本実施の形態では、下部容量電極3aと共通配線電極5aとを対向配置させて構成される蓄積容量素子20に加え、共通配線電極5aと上部容量電極7bとを対向配置させて構成される蓄積容量素子22を積層して形成する。このとき、共通配線電極5a上の層間絶縁膜6bに薄膜部13を設け、共通配線電極5aと上部容量電極7bとを薄膜部13を介して対向配置させる。これにより、薄膜部13において、誘電体膜となる層間絶縁膜6bの膜厚Aは、従来技術2の層間絶縁膜6と比較して格段に薄くなるので、蓄積容量素子22の蓄積容量は大幅に増加する。従って、単位面積当たりに占める蓄積容量が大きく増加し、蓄積容量素子の占有面積を効果的に小さくすることができる。すなわち、画素開口率を向上させることができる。また、複数階調露光により薄膜部13とコンタクトホール10とは1回のフォトリソグラフィーにより形成でき、使用するマスク数は増加しない。
実施の形態3.
本実施の形態に係る蓄積容量素子の構成について、図6を用いて説明する。図6(a)は、実施の形態3のトップゲート型TFTアレイ基板の画素構成を示す平面図である。図6(b)は、図6(a)におけるTFT及び蓄積容量素子の断面構造を模式的に示した断面図である。図6(b)では、左側にTFT50を示し、右側に蓄積容量素子を示している。本実施の形態では、実施の形態2と異なる構成の層間絶縁膜を有していて、それ以外の構成については実施の形態2と同様であるため、説明を省略する。
図6において、図3と同じ構成部分については同一の符号を付し、差異について説明する。実施の形態2と同様に、半導体層3から延在して形成された下部容量電極3aと、ゲート電極5と同層の共通配線電極5aと、がゲート絶縁膜4を介して対向配置され、第1の蓄積容量素子を構成している。ソース配線44から下部容量電極3aに表示電圧が印加されると、共通配線電極5aには表示電圧に応じた電荷が蓄積される。
本実施の形態では、実施の形態2と異なり、ゲート電極5、及び共通配線電極5aを覆うように第1の層間絶縁膜6cが形成されており、さらにこの上に開口部12bを有する第2の層間絶縁膜6dが設けられている。すなわち、共通配線電極5a上において第2の層間絶縁膜6dが除去され、開口部12bが形成されている。開口部12bは、共通配線電極5aと略同じ寸法で形成され、共通配線電極5aと重複して配置される。なお、開口部12bの側面を形成する第2の層間絶縁膜6dの端部はテーパー角度を有している。第1の層間絶縁膜6cは、実施の形態2の層間絶縁膜6bより膜厚が薄く、共通配線電極5a上において誘電体膜として所望する膜厚Aを有している。第1の層間絶縁膜6cには開口部は設けられていない。また、半導体層3のソース/ドレイン領域上には、第1の層間絶縁膜6c、第2の層間絶縁膜6d、及びゲート絶縁膜4を貫通するコンタクトホール10が形成されている。
第2の層間絶縁膜6d上に設けられた配線電極71、72が、コンタクトホール10を介して半導体層3のソース/ドレイン領域と電気的に接続している。また、配線電極71、72は、開口部12bの側面を形成する第2の層間絶縁膜6dの端部、及び開口部12bの底面を形成する第2の層間絶縁膜6cを覆うように延在され、共通配線電極5aと重複する領域に上部容量電極7cが形成されている。よって、第1の層間絶縁膜6cを介して対向配置された共通配線電極5aと上部容量電極7cにより蓄積容量素子23が構成される。
すなわち、電位固定を行う共通配線電極5aの上下にそれぞれ対向電極として下部容量電極3aと上部容量電極7cとを配置することにより、2つの蓄積容量素子20、23が積層される。上部容量電極7cは、配線電極72及び半導体層3を介して下部容量電極3aに電気的に接続されるため、蓄積容量素子23は蓄積容量素子20と並列接続されている。ソース配線44から上部容量電極7cに表示電圧が印加されると、共通配線電極5aには表示電圧に応じた電荷が蓄積される。
蓄積容量素子23を構成する上部容量電極7cと共通配線電極5aとは、特に第2の層間絶縁膜6dの開口部12bにおいて、第1の層間絶縁膜6cのみを介して対向配置される。すなわち、第2の層間絶縁膜6dが除去された開口部12bが設けられることによって、第1の層間絶縁膜6c及び第2の層間絶縁膜6dからなる積層膜に薄膜部が形成される。よって、蓄積容量素子23の誘電体膜は、積層膜の薄膜部によって形成され、共通配線電極5aの形成領域を除く半導体層3上の積層膜の膜厚より薄くなる。これにより、誘電体膜となる第1の層間絶縁膜6cの膜厚は、従来技術2の層間絶縁膜6と比較して格段に薄くなるので、蓄積容量素子23の蓄積容量は大幅に増加する。
次に、本実施の形態におけるTFTアレイ基板の製造方法について説明する。本実施の形態では、層間絶縁膜を形成する際の製造方法が実施の形態2と異なっていて、それ以外の製造工程については実施の形態2と同様であるため説明を省略する。
ゲート電極5及び共通配線電極5aを覆うように第1の層間絶縁膜6cを基板1全面に成膜した後、連続して第2の層間絶縁膜6dを基板1全面に成膜する。例えば、TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)を含むプラズマCVD等の方法を用いた膜厚AのTEOS膜を第1の層間絶縁膜6cとして堆積する。さらに、プラズマCVD法等を用いて、第2の層間絶縁膜6dとして窒化シリコン膜を堆積する。第1、第2の層間絶縁膜6c、6dによる積層膜の膜厚が、ゲート電極5と配線電極71、72との配線間容量を抑えるために必要な500nm程度となるよう形成する。
続いて、実施の形態2と同様に、1回目のフォトリソグラフィーによりレジストパターン14aをコンタクトホール10となる領域を除く第2の層間絶縁膜6d上に形成する。このレジストパターン14aを介してドライエッチングを行い、半導体層3のソース/ドレイン領域の一部を露出させる。これにより、第1、第2の層間絶縁膜6c、6d及びゲート絶縁膜4を貫通するコンタクトホール10が開口される。
レジストパターン14aを除去した後、実施の形態2と同様のレジストパターン14bを2回目のフォトリソグラフィーにより形成する。すなわち、開口部12bの形成領域を除く第2の層間絶縁膜6d上にレジストパターン14bを形成する。そして、このレジストパターン14bを介してドライエッチングを行う。このとき、第2の層間絶縁膜6dを選択的にエッチングする。例えば、CF、CO、及びArの混合ガスを用いてドライエッチングすると、TEOS膜に対する窒化シリコン膜のエッチング選択比は1.7程度となり、エッチングレート差を利用した選択的エッチングが可能となる。これにより、共通配線電極5aと重複する領域の第2の層間絶縁膜6dがエッチングにより除去され、第1の層間絶縁膜6cが露出した開口部12bが形成される。
以降の工程については、実施の形態2と同様の製造方法が用いられる。すなわち、レジストパターン14bを除去した後、実施の形態2と同様に、配線電極71、72となる第2の金属膜を第2の層間絶縁膜6d上に成膜する。写真製版、エッチング、レジスト除去の工程を経て、この第2の金属膜をパターニングする。これにより、コンタクトホール10を介して半導体層3と接続する配線電極71と、共通配線電極5aと重複するように配線電極72から延設された上部容量電極7cとが形成される。開口部12b、及び開口部12bの側面を形成する第2の層間絶縁膜6dの端部は上部容量電極7cに覆われる。
その後、配線電極71、72及び上部容量電極7cを覆うように保護膜8を成膜し、写真製版、エッチング、レジスト除去の工程を経て、スルーホール11を形成する。さらに保護膜8の上にスルーホール11を介して配線電極72と接続する画素電極9を形成する。以上の工程を経て、本実施の形態に係るTFTアレイ基板が完成する。
以上のように、本実施の形態では、第1の層間絶縁膜6cと第2の層間絶縁膜6dの積層膜を層間絶縁膜として形成する。そして、下部容量電極3aと共通配線電極5aとを対向配置させて構成される蓄積容量素子20に加え、共通配線電極5aと上部容量電極7cとを対向配置させて構成される蓄積容量素子23を積層して形成する。このとき、共通配線電極5a上の第2の層間絶縁膜6dに開口部12bを設け、共通配線電極5aと上部容量電極7cとを第1の層間絶縁膜6cを介して対向配置させる。これにより、開口部12bにおいて、誘電体膜となる第1の層間絶縁膜6cの膜厚Aは、従来技術2の層間絶縁膜6と比較して格段に薄くなるので、蓄積容量素子23の蓄積容量は大幅に増加する。従って、単位面積当たりに占める蓄積容量が大きく増加し、蓄積容量素子の占有面積を効果的に小さくすることができる。すなわち、画素開口率を向上させることができる。
なお、実施の形態1〜3では、TFTアレイ基板を有するアクティブマトリクス型液晶表示装置について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、有機ELや電子ペーパーなどの、液晶以外の表示材料を用いた表示装置であってもよい。
以上の説明は、本発明の実施の形態を説明するものであり、本発明が以上の実施の形態に限定されるものではない。また、当業者であれば、以上の実施の形態の各要素を、本発明の範囲において、容易に変更、追加、変換することが可能である。
本実施の形態1に係るTFTアレイ基板の構成を示す正面図である。 本実施の形態1に係る蓄積容量素子の構成を示す平面図及び断面図である。 本実施の形態2に係る蓄積容量素子の構成を示す平面図及び断面図である。 本実施の形態2におけるTFTアレイ基板の製造工程の一例を示した断面図である。 本実施の形態2におけるTFTアレイ基板の製造工程の一例を示した断面図である。 本実施の形態3に係る蓄積容量素子の構成を示す平面図及び断面図である。 従来技術1に係る蓄積容量素子の構成を示す平面図及び断面図である。 従来技術2に係る蓄積容量素子の構成を示す平面図及び断面図である。 従来技術1及び従来技術2の画素等価回路を示す図である。
符号の説明
1 基板、2 下地絶縁膜、3 半導体層、3a 下部容量電極、
4 ゲート絶縁膜、5 ゲート電極、5a 共通配線電極、
6、6a、6b 層間絶縁膜、
6c 第1の層間絶縁膜、6d 第2の層間絶縁膜、
7a、7b、7c 上部容量電極、
8 保護膜、9 画素電極、9a 上部容量電極、
10 コンタクトホール、11 スルーホール、
12a、12b 開口部、13 薄膜部、
14a、14b、14c、14d レジストパターン、
20、21、22、23、25 蓄積容量素子、
41 表示領域、42 額縁領域、
43 ゲート配線、43a 共通配線、44 ソース配線、
45 走査信号駆動回路、46 表示信号駆動回路、
47 画素、48、49 外部配線、50 TFT、
71、72 配線電極

Claims (6)

  1. 基板上に形成され、ソース/ドレイン領域を有する半導体層と、
    前記半導体層を覆うゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜を介して前記半導体層のチャネル領域の対面に配置されるゲート電極と、
    前記ゲート電極を覆う層間絶縁膜と、
    前記層間絶縁膜及び前記ゲート絶縁膜を貫通するコンタクトホールを介して、前記ソース/ドレイン領域に接続する配線電極と、
    前記配線電極及び前記層間絶縁膜を覆う保護膜と、
    前記保護膜を貫通するスルーホールを介して前記配線電極に接続する画素電極と、
    前記半導体層より延在して形成された下部容量電極と、
    前記ゲート電極と同じ層によって形成され、前記ゲート絶縁膜を介して前記下部容量電極の対面に配置された共通配線電極と、
    前記層間絶縁膜より膜厚の薄い誘電体膜を介して前記共通配線電極の対面に配置された上部容量電極と、を備え
    前記共通配線電極上の前記層間絶縁膜には、前記層間絶縁膜が除去された開口部が形成され、
    前記保護膜は、前記開口部、及び前記開口部を形成する前記層間絶縁膜の側面を覆い、
    前記誘電体膜が、前記開口部における前記保護膜によって形成され、
    前記誘電体膜を介して前記共通配線電極の対面に配置される前記上部容量電極が、前記画素電極より延在して形成されている薄膜トランジスタアレイ基板。
  2. 前記共通配線電極は、Cr膜、Crを主成分とする合金膜、Al膜、又はAlを主成分とする合金膜によって形成され、
    前記配線電極は、Mo膜、又はMoを主成分とする合金膜により形成されることを特徴とする請求項1に記載の薄膜トランジスタアレイ基板。
  3. 請求項1又は2に記載の薄膜トランジスタアレイ基板を有する表示装置。
  4. 基板上に、ソース/ドレイン領域を有する半導体層と、前記半導体層より延在された下部容量電極とを形成する工程と、
    前記半導体層及び前記下部容量電極を覆うゲート絶縁膜を形成する工程と、
    前記ゲート絶縁膜を介して、前記半導体層のチャネル領域の対面に配置されるゲート電極と、前記下部容量電極の対面に配置される共通配線電極とを形成する工程と、
    前記ゲート電極及び前記共通配線電極を覆う層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記層間絶縁膜及び前記ゲート絶縁膜をエッチングして、前記ソース/ドレイン領域が露出したコンタクトホールと前記共通配線電極が露出した開口部とを形成する工程と、
    前記コンタクトホールを介して前記ソース/ドレイン領域に接続する配線電極を形成する工程と、
    前記配線電極、前記層間絶縁膜、及び前記開口部を覆い、前記配線電極の一部が露出したスルーホールを有し、前記層間絶縁膜より膜厚の薄い保護膜を形成する工程と、
    前記スルーホールを介して前記配線電極に接続する画素電極を、前記保護膜を介して前記共通容量電極の対面に配置されるよう延在して形成する工程と、を備える薄膜トランジスタアレイ基板の製造方法。
  5. 前記ゲート電極と前記共通配線電極とを形成する工程では、Cr膜、Crを主成分とする合金膜、Al膜、又はAlを主成分とする合金膜を用いて形成し、
    前記配線電極を形成する工程では、Mo膜、又はMoを主成分とする合金膜を用いて形成することを特徴とする請求項4に記載の薄膜トランジスタアレイ基板の製造方法。
  6. 前記配線電極を形成する工程では、SFとOの混合ガス、又はClとOの混合ガスを用いたドライエッチングにより、前記配線電極を形成することを特徴とする請求項5に記載の薄膜トランジスタアレイ基板の製造方法。
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