JPH02264928A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は非線形抵抗素子としてＭＩＭ　（金属−絶縁膜
−金属）素子を用いた、ＯＡ用、ＴＶ用等の高容量フラ
ットパネルデイスプレーに応用可能なアクティブマトリ
ックス型液晶表示装置に関する。

〔技術技術〕

アクティブマトリックス型液晶表示装置は一般に液晶層
を支持する２枚の絶縁基板の少なくとも一方の基板の各
画素に非線形抵抗素子を直列に接続したもので、非線形
抵抗素子としてはＭＩＭ素子が多く使用されている。

従来ＭＩＭ素子としてはガラス板のような絶縁基板上に
下部電極としてＴａ、　Ａｌｌ、　Ｔｉ等の金屑電極を
設け、その上に前記金属の酸化物系透明電極、又はＳｉ
Ｏｘ、　ＳｉＮｘ等からなる絶縁膜を設け。

更にその上に上部電極としてｉ、Ｃｒ等の金属電極を設
けたものが知られている。

しかし絶縁膜に金属酸化物を用いたＭＩＭ素子（特開昭
５７−１９６５１１９号、同６１−２３２６８９号、同
６２−５２３３３号等）の場合１Ｍ１＃膜は下部金属電
極の陽極酸化又は熱酸化により形成するため、工程が複
雑であり、しかも高温熱処理を必要としく陽極酸化法で
も不純物の除去等を確実にするため、高温熱処理が必要
）、また膜制御性（膜質及び膜厚の均−性及び再現性）
に劣る上、基板が耐熱材料に限られること、及び絶縁膜
は物性が一定な金属酸化物からなることから、デバイス
の材料やデバイス特性を自由に変えることができず、設
計上の自由度が狭いという欠点がある。これはＭＩＭ素
子を組込んだ装置、例えば液晶表示装置等からの仕様を
十分に満たすデバイスを設計、作製することが不可能で
あることを意味する。またこのように膜制御性が悪いと
、素子特性としての電流（Ｉ）電圧（Ｖ）特性、特にＩ
−Ｖ特性やＩ−Ｖ特性の対称性（プラスバイアス時とマ
イナスバイアス時との電流比ｒ−／Ｉヤ）のバラツキが
大きくなるという問題も生じる。その他、ＭＩＭ素子を
液晶表示装置（ＬＣＤ）用として使用する場合、液晶部
容量（ＣＬＣＤ）　／　Ｍ　Ｉ　Ｍ容量（ＣＭＩＮ）比
は１０以上が必要なので、ＭＩＭ容量は小さい方が望ま
しいが、金属酸化物膜の場合は誘電率が大きいことから
、素子容量も大きくなり、このため素子容量、従って素
子面積を小さくするための微細加工を必要とする。また
この場合、液晶材料封入時のラビング工程等で絶縁膜が
機械的損傷を受けることにより、微細加工とも相まって
歩留り低下を来たすという問題もある。

更に高容量化（大面積化）した場合には、これらの問題
は生じないが、素子のショート、断線、或いは画素電極
上の欠陥、ダストによる液晶配向不良等に起因する画素
欠陥が発生し易く、これにより表示品質の低下を来たす
ことになる。

これを防止するため特開昭６２−５９９２７号では画像
を少くとも２つに分割して各々ＭＩＭ素子等のスイッチ
ング素子に接続しているが、画素部を分割すると、前記
容量比範囲からはずれる恐れがある。この点からもＭＩ
Ｍ容量はできるだけ小さい方が望ましい。

一方、絶縁膜にＳｉＯｘやＳｉＮｘを用いたＭＩＭ素子
（特開昭６１−２７５８１９号）の場合、絶縁膜は製造
上の問題は特になく、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法等
の気相法で成膜するが、基板温度が通常３００℃程度必
要であるため、低コスト基板は使用できず、また大面積
化の際、基板温度分布のため膜厚、膜質が不均一になり
易いという欠点がある。またこの絶縁膜は物性が大きく
変化する非晶質材料からなるが、光劣化や光導電（光に
よる抵抗変化）の問題があるので、やはりデバイスの特
性設計上の自由度は狭くなる。

また従来のＭＩＭ素子に用いられる絶縁膜は耐圧及び閾
値電圧に不足していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的はＭＩＭ素子の絶縁膜として硬質炭素膜を
用い、且つ画素電極を分割することにより、低温（室温
付近）でしかも簡単な工程で膜制御性及び機械的強度に
優れた低誘電率の絶縁膜を形成でき、従って広範囲での
デバイス設計が可能で、しかも素子特性のバラツキが少
なく、閾値電圧及び耐圧に優れ、且つ画素欠陥を目立た
なくして量産歩留りを向上し得る安価なＭＩＭ素子を用
いた液晶表示装置を提供することである。

〔発明の構成・動作〕

本発明の液晶表示装置は液晶層を支持する２枚の絶縁基
板の少なくとも一方の基板の各画素に非線形抵抗素子を
直列に接続してなる液晶表示装置において、前記非線形
抵抗素子はバスライン電極としての第一導体と画素電極
としての第二導体との間に形成された硬質炭素膜からな
るＭＩＭ素子であり、且つ前記画素電極は、各々ＭＩＭ
素子に接続された少なくとも２つの要素に分割されてい
ることを特徴とするものである。

このように本発明の液晶表示装置は非線形抵抗素子とし
て絶縁膜が硬質炭素膜からなるＭＩＭ素子を用いたこと
を第一の特徴としている。

このＭＩＭ素子に使用される絶縁膜は炭素原子及び水素
原子を主要な組織形成元素として非晶質及び微結晶質の
少くとも一方を含む硬質炭素膜（ｉ−Ｃ膜、ダイヤモン
ド状炭素膜、アモルファスダイヤモンド膜、ダイヤモン
ド薄膜とも呼ばれる。）からなっている。硬質炭素膜の
一つの特徴は気相成長膜であるため、後述するようにそ
の諸物性が成膜条件によって広範囲に制御できることに
ある。従って、絶縁膜といってもその抵抗値は半絶縁体
から絶縁体領域までをカバーしており、この意味では本
発明のＭＩＭ素子は特開昭６１−２７５８１９号で示さ
れるＭＳＩ素子（Ｍｅｔａｌ−５ｅｍｉ−Ｉｎｓｕｌａ
ｔｏｒ）としても位置付けられるものである。

このような硬質炭素膜を形成するためには有機化合物ガ
ス、特に炭化水素ガスが用いられる。

この原料における相状態は常温常圧において必ずしも気
相である必要はなく、加熱或は減圧等により溶融、蒸発
、昇華等を経て気化し得るものであれば、液相でも固相
でも使用可能である。

原料ガスとしての炭化水素ガスについては例ばＣＨ４，
Ｃ，Ｈ，、Ｃ，Ｈ，、Ｃ，Ｈ，。等のパラフィン系炭化
水素、Ｃ，Ｈ，等のアセチレン系炭化水素、オレフィン
系炭化水素、ジオレフィン系炭化水素、さらには芳香族
炭化水素などすべての炭化水素を含むガスが使用できる
。

さらに、炭化水素以外でも、例えば、アルコール類、ケ
トン類、エーテル類、エステル類、ｃｏ、　ｃｏｌ等の
炭素元素を含む化合物であれば使用できる。

本発明における原料ガスからの硬質炭素膜の形成方法と
しては、成膜活性種が、直流、低周波、高周波、或いは
マイクロ波等を用いたプラズマ法により生成されるプラ
ズマ状態を経て形成される方法が好ましいが、大面積化
、均一性向上、低温成膜の目的で、低圧下で堆積を行う
ため、磁界効果を利用する方法がさらに好ましい。

またこの活性種は高温熱分解によって形成できる。その
他にも、イオン化蒸着法、或いはイオンビーム蒸着法等
により生成されるイオン状態を経て形成されてもよいし
、真空蒸着法、或いはスパッタリング法等により生成さ
れる中性粒子から形成されてもよいし、さらには、これ
らの組み合わせにより形成されてもよい。

こうして作製される硬質炭素膜の堆積条件の一例はプラ
ズマＣＶＤ法の場合、概ね次の通りである。

ＲＦ出カニ　０，１〜５０　Ｗ／ａｉ”圧　　　カニ　
１０−’〜１０　　Ｔｏｒｒ堆積温度：室温〜９５０℃ このプラズマ状態により原料ガスがラジカルとイオンと
に分解され反応することによって。

基板上に炭素原子Ｃと水素原子Ｈとからなるアモルファ
ス（非晶質）及Ｖ微結品質（結晶の大きさは数１０人〜
数μｍ）の少くとも一方を含む硬質炭素膜が堆積する。

なお、硬質炭素膜の諸物性を表−１に示す。

表−１ 注）測定法： 比　　抵　　抗　（ρ）：コプレナー型セルによるＩ−
Ｖ特性より求める。

光学的バンドギャップ二分光特性から吸収係数（α）を
求め。

（Ｅｇｏｐｔ）　　　　　（ａ　ｈ　ｖ　）”＝β（ｈ
　ｖ　−Ｅｇｏｐｔ）の関係より決定。

膜中水素量　（ＣＭ） ：赤外吸収スペクトルから２９００Ｃ！ｍ−’付近のピ
ークを積分し、吸収断面 積Ａを掛けて求める。すなわち ＳＰ”　／ＳＰ”　　比　　：赤外吸収スペクトルをＳ
Ｐ”　／ＳＰ”にそれぞれ帰属されるガウス関数に 分解し、その面積比より求める。

ビッカース硬度　（Ｈ）二マイクロビッカース計による
。

屈　　折　　率　（ｎ）：エリプソメーターによる。

欠陥密度　：　ＥＳＲによる。

こうして形成される硬質炭素膜はＩＲ吸収法及びラマン
分光法による分析の結果、夫々、第８図及び第９図に示
すように炭素原子がＳＰ３の混成軌道とｓｐ”の混成軌
道とを形成した原子間結合が混在していることが明らか
になっている。

ＳＰ３結合とＳＰ２結合との比率は、ＩＲスペクトルを
ピーク分離することで概ね推定できる。ＩＲスペクトル
には、２８００〜３１５０ｃｍ＊−”に多くのモードの
スペクトルが重なって測定されるが、夫々の波数に対応
するピークの帰属は明らかになっており、第１０図のよ
うにガウス分布によってピーク分離を行ない、夫々のピ
ーク面積を算出し、その比率を求めればＳＰ”／ＳＰ”
を知ることができる。

またＸ線及び電子回折分析によればアモルファス状態（
ａ−Ｃ：Ｈ）、及び／又は約５０人〜数μｍ程度の微結
晶粒を含むアモルファス状態にあることが判っている。

一般に量産に適しているプラズマＣＶＤ法の場合にはＲ
Ｆ比出力小さいほど膜の比抵抗値および硬度が増加し、
低圧力なほど活性種の寿命が増加するために基板温度の
低温化、大面積での均一化が図れ、且つ比抵抗及び硬度
が増加する傾向にある。更に、低圧力ではプラズマ密度
が減少するため、磁場閉じ込め効果を利用する方法は膜
質の向上には特に効果的である。

さらに、この方法は常温〜１５０℃程度の比較的低い温
度条件でも同様に良質の硬質炭素膜を形成できるという
特徴を有しているためＭＩＭ素子製造プロセスの低温化
には最適である。従って使用する基板材料の選択自由度
が広がり、基板温度をコントロールし易くするために、
大面積に均一な膜が得られる、という特徴を持っている
。また硬質炭素膜の構造、物性は表−１に示したように
、広範囲に制御可能であるため、デバイス特性を自由に
設計できる利点もある６さらには、膜の誘電率も３〜５
と従来のＭＩＭ素子に使用されていたＴａ、Ｏ，、ＡＱ
２０．　、　ＳｉＮｘと比較して小さいため、同じ電気
容量を持った素子を作る場合、素子サイズが大きくてす
むので、それほど微細加工を必要とせず、歩留りが向上
する（駆動条件の関係からＬＣＤとＭＩＭ素子の容量比
はＣＬＣＤ　：　ＣｙＩＭ＝１０　：　１程度必要であ
る。

また・前述は１う１°素子急峻性β−旨コであるため、
誘電率εが小さければ急峻性は大きくなり、オン電流Ｉ
ｏｎとオフ電流Ｉｏｐｐとの比が大きくとれるようにな
る。このため低デユーティ比でのＬＣＤ駆動が可能とな
り、高密度のＬＣＤが実現できる。さらに、膜の硬度が
高いため、液晶材料封入時のラビング工程による損傷が
少なく、この点からも歩留りが向上する。

以上の点から硬質炭素膜を使用することで、低コスト、
階調性（カラーイヒ）、高密度ＬＣＤ等が実現できる。

以上のような硬質炭素膜には必要に応じて抵抗値の制御
、あるいは膜の安定性、耐熱性の向上、さらに硬度の向
上のために、不純物として周期律表第■族元素、同第■
族元素、同第■族元素、アルカリ金属元素、アルカリ土
類金属元素、窒素原子、酸素原子、カルコゲン系元素又
はハロゲン原子をドープ含有させることができる。この
不純物ドープにより素子の安定性及びデバイス設計の自
由度はいっそう増大する。これら不純物の量は全構成原
子に対し５原子％以下、同じく第■族元素の量は３５原
子％以下、同じく第■族元素の量は５原子％以下、アル
カリ金属元素の量は５原子％以下、アルカリ土類金属元
素の量は５ｆｊＫ子％以下、窒素光子の量は５原子％以
下、酸素原子の量は５原子％以下、カルコゲン系元素の
量は３５原子％以下、またハロゲン元素の量は３５ｉ子
％以下である。なおこれら元素又は原子の量は元素分析
の常法２例えばオージェ分析によって測定することがで
きる。

またこの量は原料ガスに含まれる他の化合物の量や成膜
条件等で調節可能である。

なお硬質炭素膜の膜厚範囲は、駆動電圧と破壊電圧との
関係より膜厚が１００〜ａｏｏｏ人、比抵抗が１０６〜
１０ｍ３Ω０の範囲であることが望ましい、なお駆動電
圧と耐圧（絶縁破壊電圧）とのマージンを考慮すると膜
厚は２００Å以上であることが望ましく、また、画素部
とＭＩＭ素子部間の段差（セルギャップ）に起因する色
ムラが実用上問題とならないようにするには膜厚は６０
００Å以下であることが望ましいことから、硬質炭素膜
の膜厚は２００〜６０００人、比抵抗は５×１０“〜１
０″″Ω国であることが更に望ましい、また硬質炭素膜
のピンホールによる素子の欠陥数は膜厚の減少にともな
って増加し、３００Å以下では特に顕著になること（欠
陥率は１％を越える）、及び膜厚の面内分布の均一性（
ひいては素子特性の均一性）が確保できなくなる（膜厚
制御の精度は３０人程度が限度で、膜厚のバラツキが１
０％を越える）ことから、膜厚は３００Å以上であるこ
とがいっそう望ましい、また、ストレスによる硬質炭素
膜の剥離を起こり難くするため、及び更に低デユーティ
比（望ましくは１／１０００以下）で駆動するために、
膜厚は４０００Å以下であることがいっそう望ましい、
従って硬質炭素膜の膜厚は３００〜４０００人、比抵抗
は１０７〜１０１１Ωｌであることが更に好ましい。

本発明で使用されるＭＩＭ素子は絶縁膜が以上のような
硬質炭素膜からなるものであるが、更にこのＭＩＭ素子
においては画素電極が少くとも２つの要素に分割されて
各々素子に接続されている。このような本発明のＭＩＭ
素子の構成を従来品を参照して図面によって説明する。

第１図は従来例の平面図、第２〜５図は本発明の実施例
である。第１図の従来例においては画素電極５が単一で
あり、それに１つの素子部が接続されており、この素子
が断線、ショート等により機能しなければ、画素（画素
電極５の部分に相当）全体が表示されず欠陥となる。

第２図は本発明の一実施例である０画素電極５が２つの
要素５′に分割されており、各要素毎にＭＩＭ素子から
なる一スイッチング素子６が接続されている０画素電極
５の分割の仕方はこの例では、横方向の櫛形状となって
いるが、これに限られるものではなく、第３〜５図のよ
うな構成でもよい、要するに正常な動作での表示状態が
画素電極５全体に平均化されて表現できる形状であれば
よい、これにより偶発的な画素欠陥に対して見掛上１歩
留りの低下を小さくすることができる。第３図及び第４
図は分割様式の異なる本発明の別の実施例である。

また画素電極の分割数も上記例のように２つに限定され
るものではなく、第５図のように３つ或いはそれ以上で
あってもよい。

次に本発明に使用されるスイッチング素子の作成法に関
して説明する。

本発明のＭＩＭ素子を作るには例えば第６図に示すよう
に、まず画素電極５となる透明電極パターンが形成され
た絶縁基板１上に蒸着、スパッタリング等の方法で補助
電極４用導体薄膜を形成し、ウェット又はドライエツチ
ングにより所定のパターンにバターニングして補助電極
４とし、その上にプラズマＣＶＤ法、イオンビーム法等
により硬質炭素膜３を被覆後、ドライエツチング、ウェ
ットエツチング又はレジストを用いるリフトオフ法によ
り所定のパターンにバターニングして絶縁膜とし、次に
その上に蒸着、スパッタリング等の方法により上部電極
を兼ねたバスライン２となる導体薄膜を被覆し、所定の
パターンにバターニングして上部電極２を形成し、最後
に補助電極４の不要部分を除去して画素電極５′を露出
させる。または、第７図に示すように、補助電極４の形
状以外は第６図の場合と同様に、基板１上に下部電極を
兼ねるバスライン２、絶縁膜３及び上部電極となる補助
電極４を形成した後、蒸着、スパッタリング等の方法に
より透明電極用薄膜を形成し、ついでその一部が補助電
極４にかかるようにパターン化して、画素電極と接続す
ればよい。

更にＭ’ＩＭ素子の構成はこれに限られるものではなく
、ＭＩＭ素子の作成後、最上層に透明電極を設けたもの
、透明電極が上部又は下部電極を兼ねた構成のもの、下
部電極の側面にＭＩＭ素子を形成したもの等、種々の構
成が可能である。

なお下部電極、上部電極及び画素電極の厚さはいずれも
数百〜数千人の範囲である。また硬質炭素膜の厚さは１
００〜８０００人、望ましくは２００〜６０００人、さ
らに望ましくは３００〜４０００人の範囲である。

以上のようなＭＩＭ素子を有する基板を用いて本発明の
液晶表示装置を作るにはこの基板とストライプ状の共通
電極が形成された第二の基板を用意し１両基板間に常法
により液晶層を形成すればよい。

〔発明の作用効果〕

以上のように本発明によれば、非線形抵抗素子であるＭ
ＩＭ素子の絶縁膜に硬質炭素膜を用いることにより、下
記１）〜５）のような効果が得られる。

１）　プラズマＣＶＤ法等の気相合成法で作製されるた
め、成膜条件によって物性が広範に制御でき、従ってデ
バイス設計上の自由度が大きい。

２）硬質でしかも厚膜にできるため、機械的損傷を受は
難く、また厚膜化によるピンホールの減少も期待できる
。

３）室温付近の低温においても良質な膜を形成できるの
で、基板材質に制約がないし、また大面積化に適してい
る。

４）膜厚、膜質の均一性に優れているため、薄膜デバイ
ス用として適している。

５）　誘電率が低いので、高度の微細加工技術を必要と
せず、またＭＩＭの急峻性も高くできるので、バネ、ル
の大面積化に有利である。

更にこのＭＩＭ素子基板の画素を少くとも２つの要素に
分割したことにより、下記６）のような効果が得られる
。

６）画素欠陥を目立たなくすることができるので量産歩
留りが改善される結果、安価な液晶表示装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の液晶表示装置に用いられる非線形抵抗素
子としてＭＩＭ素子を有する基板の平面図、第２〜５図
は夫々本発明の液晶表示装置に用いられる、ＭＩＭ素子
を有する基板の平面図、第６〜７図は本発明のＭＩＭ素
子を有する基板の作製法についての説明図、第８図及び
第９図は夫々本発明のＭＩＭ素子に用いられる硬質炭素
膜系絶縁膜のＩＲスペクトル及びラマンスペクトルを示
し、また第１Ｏ図は前記硬質炭素膜のガウス分布を示す
。 １・・・絶縁基板　　　　　　　　２・・・バスライン
電極３・・・硬質炭素膜の絶縁膜　　　４・・・補助電
極５・・・画素電極　　　　　　　　５′・・・画素電
極の１要素６・・・ＭＩＭ素子 第７図 第８図 第９図 第１０図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、液晶層を支持する２枚の絶縁基板の少なくとも一方
   の基板の各画素に非線形抵抗素子を直列に接続してなる
   液晶表示装置において、前記非線形抵抗素子はバスライ
   ン電極としての第一導体と画素電極としての第二導体と
   の間に形成された硬質炭素膜からなるＭＩＭ素子であり
   、且つ前記画素電極は、各々ＭＩＭ素子に接続された少
   なくとも２つの要素に分割されていることを特徴とする
   液晶表示装置。