JPH02271321A - 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。

〔従来技術〕

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。

しかし、絶縁膜として陽極酸化膜を用いたＭＩＭ素子に
おいては、１）絶縁膜が下部金属の陽極酸化膜に限られ
るため、その物性値の制御、ひいてはＭＩＭ素子特性の
制御を任意に行なうことは不可能である。２）比誘電率
が高いため、液晶表示装置のスイッチング素子として用
いる場合、ＭｒＭ素子／液晶容量〈ｌ／１０という制約
から素子面積を小さくする必要があり、このため高度の
微細加工が要求される等の欠点を有している。

また絶ｔ＃膜として気相法によるＳｉＮｘ又はＳｉＯｘ
膜を用いたＭＩＭ素子の場合は以上のような欠点は解消
されるものの、３）画素電極又はバスライン電極となる
透明導電膜（通常ＩＴＯ膜）中の成分がＳｉＮｘ又はＳ
ｉＯｘ中に拡散、混入して素子特性を劣化させるという
欠点がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の第一の目的は従来の気相法による絶縁膜を用い
た場合の欠点であるＭＩＭ素子特性の劣化を防止し得る
液晶表示装置を提供することである。

本発明の第二の目的は従来の陽極酸化膜の欠点を除去し
、ＭＩＭ素子特性の制御が自由に行なえる上、高度の微
細加工を必要としない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
列に接続せしめた液晶表示装置において、前記非線形抵
抗素子が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絶縁膜を挟んだ構造のＭＩＭ素
子からなり、前記絶縁膜が気相法で形成され、且つ前記
第一及び第二導体の少くとも一方が少くとも２層構造で
あることを特徴とするものである。

従来の気相法を用いて絶縁膜を形成するタイプのＭＩＭ
素子の典型例を第６図及び第７図に示す０両方とも絶縁
基板１上のバスラインとなる第一導体２と画素電極とな
る第二導体３の間に気相法で作製された絶縁膜４（材料
としてはＳｉＮｘ、ＳｉＯｘ等）が配置された構成とな
っている１表示装置の必要上、画素電極となる第二導体
３は透明導電膜（一般にはＩＴＯ）が使用されるが、Ｉ
　Ｔ　Ｏ（Ｉｎ、Ｏ。

〜ＳｎＯ，混合系）の成分であるＩｎは絶縁膜４中に拡
散、混入し易く、このため素子特性が劣化してしまう、
特に第６図、第７図のごとく画素電極が絶縁膜の下層と
なっている場合は、気相に存在するイオン及び電子によ
るボンバードの結果、Ｉｎの拡散は著しいものとなる。

更に、バスラインとなる第一導体は金属等でもよいが、
マスク数の低減等を考えると、透明導電膜である方がよ
く、この場合第二導体３と同様の問題が起こる。

本発明の層構成によればこの問題を解決できる。透明導
電膜の材料としては、ＩＴＯ。

Ｉｎ、０．　、　ＳｎＯ，、ＺｎＯ等があるが、気相法
で作成される絶縁膜ではＩｎが最も拡散し易く、Ｓｎが
最も拡散し難い、これには■ＳｎＯ，が化学的に安定で
ある、■拡散（固相−固相反応速度）は原子価の小さい
ものの方が大きい、という２つの理由が考えられる０本
発明は以上の原理に基づくもので、第二導体３あるいは
第一導体２の絶縁体と接する側には拡散し難いＳｎＯ２
を、絶縁膜と接しない側をＩＴＯ，Ｉｎ、０．。

ＺｎＯ等で作製する、即ち、２層構造とすることで達せ
られる。但しＳｎＯ２だけでは抵抗値が高く、電極とし
て十分機能しない、あるいは絶縁膜と接する側は半透明
の金＠（ＡＱ、Ｎｉ。

Ｐｔ、Ａｕ、　Ａｇ、　Ｃｕ、　Ｍｏ、　Ｔａ、　Ｔｉ
等）で構成しても同様の効果を有する。

また絶縁膜の材料にＳｉＮｘ、ＳｉＯｘ等を用いた場合
には成膜温度が３００℃程度と高いため、用いる基板材
質に耐熱性のあるものが要求される上、ダスト等による
ピンホールが発生し易く１歩留りが低下するという問題
がある。なお絶縁膜が陽極酸化膜の場合も３００〜５０
０℃程度の熱処理が必要であるため、同様に基板材質に
は耐熱性が要求される。

本発明では気相法による絶縁膜として硬質炭素膜を用い
ることによりこれらの問題も解決し、理想的な絶縁膜と
して利用できる。即ち本発明のＭＩＭ素子に用いられる
絶縁膜としては硬質炭素膜が好ましい、この絶縁膜は炭
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
及び微結晶質の少な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６１−２７５
８１９号で示されるＭＳＩ素子（Ｍｅｔａｌ−８ｅｍｉ
−Ｉ　ｎ５ｕｌａｔｏｒ）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ν）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えばＣＨ４
，Ｃ，Ｈ，、Ｃ，Ｈ，、Ｃ４Ｈ工。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１例えば、アルコール類、ケ
トン類、エーテル類、エステル類、Ｃｏ、　Ｃｏ、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
なうため、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　０．１〜５０１／ｃＪ 圧　　　カニ１０−３〜１０Ｔｏｒｒ 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）及び微結晶質（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。

（以下余白） 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（Ｅｇｏｐｔ）　：分光特性から
吸収係数（α）を求め、　（αｈｖ）”＝Ｂ（ｈｙ−Ｅ
ｇｏｐｔ）の関係より決定。

膜中水素量（Ｃ）Ｉ）　：赤外吸収スペクトルから、２
９００ｃｍ−”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Ｃ）Ｉ：１ｌ Ａ−ｆα−・ｄＷ Ｓ　Ｐ３／Ｓ　Ｐ”比：赤外吸収スペクトルを、ｓｐ’
、　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ＳＦ３の混成
軌道とＳＦ３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。ｓｐ’結合とＳＰ
２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
〜３１５０ａ１１−１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Ｓ　Ｐ３／Ｓ　Ｐ”を知ること
ができる。

また、ＸＩＸ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出力が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もっている。

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。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、Ｏｓ　ｌ　Ａ　
Ｑ　、ｏ、　、　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１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Ｃ
ＬＣＤ　　：　ＣＭＬＭ＝１０　：　１程度必要である
。） また、前述したように素子急峻性β侃 ｆτゴ 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Ｉｏｎとオフ電流Ｉ　ｏｆｆ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０
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（カラー化）、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
はハロゲン原子を含有させることができる。これら不純
物の量は周期率表筒■族元素について１ま全構成原子に
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５原子％以下、窒素原子の量は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３５原子％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、
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。

いずれにしても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１００〜８０００人、比抵抗が
１０″〜１０１３Ω・Ｇ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素子部の段差（セルギャップ差）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６０００Å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′〜１０１２Ω・国であることがいっそう好ましい
。

さらには、硬質炭素膜のピンホールによる素子の欠陥数
は膜厚の減少に伴なって増加し、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１０％を越える）ことから、膜厚は３
００Å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が起こり難くす
るため、及びより低デユーティ比（望ましくは１　／１
０００以下）で駆動するために膜厚は４０００Å以下で
あることが更に望ましい、従って硬質炭素膜の膜厚は３
００〜４０００人、比抵抗は１０？〜１０１１Ω・ｌで
あることが更に好ましい。

本発明の実施例を第１〜５図によって更に詳しく説明す
る。

第１図（ａ）、（ｂ）及び第２図はサンドイッチ型ＭＩ
Ｍ素子の斜視図、第３図〜５図はコプレナー型ＭＩＭ素
子の斜視図である。実施例のバリエーションはバスライ
ンとなる第一導体２と画素電極となる第二導体３のどち
らが絶縁膜４に対して上部に来るかによって決まり、そ
れ以外の点は、材料、作製法ともに概ね同じなので、第
１図（ａ）、（ｂ）を代表例として説明する。

まず絶縁基板１（材料としてはガラス板、プラスチック
板又はフレキシブルなプラスチックフィルム等）に画素
電極となる第二導体３を形成する。具体的には絶縁膜と
接しない側３２をまず形成する。材料はＩＴＯ、Ｉｎ、
　Ｏ，。

ＺｎＯ，ＳｎＯ２等の透明導電体であり、蒸着、スパッ
タリング等の方法で形成する。さらに。

その上に絶縁膜と接する側３１を積層する。材料はＳｎ
Ｏ，あるいは半透明金属である。金属の種類はＡＱ　、
　Ｎｉ＋　Ｃｒ、　ＮｉＣｒ、　Ｐｔ、　Ａｇ、　Ａｕ
、　Ｃｕ。

Ｎｏ、　Ｔｉ、　Ｔａ等であり、形成法は３２と同様で
ある０次にウェット又はドライエツチングにより所定の
パターンにパターニングして第二導体とした。その上に
プラズマＣＶＤ法、イオンビーム法等により絶縁膜４（
好ましくは硬質炭素膜）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パターニングして絶縁膜とした
。

さらに、その上にバスラインとなる第一導体２を形成す
る。具体的には絶縁膜と接する側２１をまず形成する。

材料はＳｎＯ□あるいは半透明金属である。金属の種類
はＡｊｌ　、　Ｎｉ、　Ｃｒ。

ＮｉＣｒ、　Ｐｔ、　Ａｇ、　Ａｕ、　Ｃｕ、　Ｍｏ、
　Ｔｉ、　Ｔａ等であり。

形成法は３２と同様、蒸着、スパッタリング等である。

さらに絶縁膜と接しない側２２を積層しく材料は上記の
金属又はＩＴＯ，Ｉｎ、０３．ＺｎＯ，ＳｎＯ，等の透
明導電体である。）、パターニングし、素子が完成する
。なお第２〜５図はすべて積層としているが、上部電極
になった側は（この場合は第１図（ａ））特に２層とす
ることがない場合は、絶縁膜と接しない側の材料で単層
とすればよい。

こ＼で下部電極、上部電極及びその他の電極の厚さは通
常、いずれも１００〜数千人の範囲である。また絶縁膜
の厚さは１００〜ｇｏｏｏ人。

望ましくは２００〜６０００人、さらに望ましくは３０
０〜４０００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、周基板間に常法
により液晶層を形成すればよい。

〔発明の作用効果〕

本発明の液晶表示装置はＭＩＭ素子の構成を以上のよう
にしたので、絶縁膜をＳｉＮｘ。

ＳｉＯｘ等で形成しても素子特性を劣化させることがな
く、特性が安定化し、且つ特性の対称性は向上する。ま
た気相法による絶縁膜を使用したので、ＭＩＭ素子特性
の制御が自由に行なえる上、高度の微細加工も必要なく
なる。

更に絶縁膜を硬質炭素膜で形成した場合は成膜或いは膜
処理に要する高温加熱が不要となるため、基板材質の選
択の自由度、従ってデバイス設計上の自由度が拡大する
上、ピンホールの発生も殆んどなくなるので、量産時の
歩留り（低欠陥率）が著しく向上し、また硬質炭素膜の
利点によって均一な特性、高速駆動、優れた耐圧、閾値
電圧、及び経済性を有するマトリックス型ＭＩＭ素子を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１〜５図は本発明の液晶表示装置に用いられるＭＩＭ
素子の一例の斜視図、第６〜７図は従来の気相法による
絶縁膜を用いたＭＩＭ素子の一例の斜視図、第８〜９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１０図は前記硬質炭素膜のガウス分布を示す。 １・・・絶縁膜 ２・・・第一導体（バスライン電極となる）３・・・第
二導体（画素電極となる） ４・・・絶縁膜 第１図 （ａ） 第４図 第２図 第６図 第７関 第８図 第９図 ラマンスペクトル （波数） 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、液晶層を支持する２枚の絶縁基板の少くとも一方の
   基板の各画素に非線形抵抗素子を直列に接続せしめた液
   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
   の間に絶縁膜を挟んだ構造のＭＩＭ素子からなり、前記
   絶縁膜が気相法で形成され、且つ前記第一及び第二導体
   の少くとも一方が少くとも２層構造であることを特徴と
   する液晶表示装置。 ２、前記ＭＩＭ素子の絶縁膜が硬質炭素膜であることを
   特徴とする請求項１の液晶表示装置。