JPH06289433A - Ｍｉｍ型非線形素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ＭＩＭ型非線形素子の新しい構造と製造工程を
提案することで製造コストを低減することを目的とす
る。 【構成】ＭＩＭ型非線形素子の製造方法でレジストの露
光工程を２回にすることでスループットと歩留まりを向
上させる。一回目の露光工程のレジストでＭＩＭの素子
部を一括にエッチングし、２回目は画素領域と第二の金
属膜のエッチングを行う。本発明では陽極酸化工程が２
工程になるが、信頼性よく行うために第二の金属膜の堆
積の際には、第一の金属膜と導電接続しないように基板
内での選択堆積を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＭＩＭ型非線形素子及び
その製造方法に関し、特に、そのＭＩＭ型非線形素子を
低コストで作製できる構造およびその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、アクティブマトリクス方式の液
晶表示装置においては、画素領域ごとに非線形素子を設
けてマトリクスアレイを形成した一方側の基板と、カラ
ーフィルタが形成された他方側の基板との間に液晶を充
填しておき、各画素領域ごとの液晶の配向状態を制御し
て、所定の情報を表示する。ここで、非線形素子として
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などの３端子素子または金
属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）型非線形素子などの２端子
素子を用いるが、液晶表示素子に対する画面の大型化お
よび低コスト化などの要求に対応するにはＭＩＭ型非線
形素子を用いた方式が製造工程が短いために有利であ
る。しかも、ＭＩＭ型非線形素子を用いた場合には、マ
トリクスアレイを形成した一方側の基板に走査線を設
け、他方側の基板には信号線を設けることができるの
で、３端子素子の不良の大きな原因となっている走査線
と信号線のクロスオーバー短絡が発生しないというメリ
ットもある。

【０００３】このようなＭＩＭ型非線形素子を用いたア
クティブマトリクス方式の液晶表示パネルにおいては、
図４に示すように、各画素領域２で各走査線４と各信号
線５との間にＭＩＭ型非線形素子１（図中、バリスタの
符号で示す。）と液晶表示素子３（図中、コンデンサの
符号で示す。）が直列接続された構成として表され、走
査線４および信号線５に印加された信号に基づいて、液
晶表示素子３を表示状態および非表示状態あるいはその
中間状態に切り換えて表示動作を制御する。

【０００４】また、このようなＭＩＭ型非線形素子の一
般的な構造を断面図の図５（ｄ）を用いて述べる。ＭＩ
Ｍ型非線形素子１は、透明基板５１の表面側に形成され
て、走査線４を介して走査回路側に導電接続するＴａ原
子を主成分としＴａ原子以外の不純物原子を含んだ金属
膜５２と、その表面側の金属酸化膜５３と、その表面側
に形成されて画素電極５５に導電接続するＣｒ膜５４と
から構成されている。金属酸化膜５３は、Ｔａ膜の表面
に膜厚が均一で、しかもピンホールがない状態で形成さ
れるように、金属膜５２に対する陽極酸化によって形成
される。

【０００５】この構造を実現する一般的なプロセス例は
以下のようになる。

【０００６】１．ガラス基板上に、Ｔａ膜をスパッタリ
ングで堆積し、熱酸化をすることで、約１０００ÅのＴ
ａ₂Ｏ₅膜を形成する工程と、 ２．次に、図５（ａ）に示すように、コスパッタリング
法や電子ビーム蒸着法でＴａ原子を主成分としＴａ原子
以外の不純物原子を含んだ第一の金属膜を約５０００Å
堆積し、パターニングする工程と、 ３．次に、図５（ｂ）に示すように、例えばクエン酸の
希薄水溶液を化成液とし３０Ｖで陽極酸化し、第一の金
属膜の表面側に酸化膜を形成する工程と、 ４．次に、図５（ｂ）の状態の基板を真空中で４００〜
６００℃の温度で１〜２時間熱処理する工程と、 ５．次に、図５（ｃ）に示すように、第二の金属膜とな
るＣｒを１５００Å程スパッタリング法で堆積し、パタ
ーニングする工程と、 ６．次に、画素電極となるＩＴＯ膜をスパッタリング法
で約２０００Å堆積し、パターニングする工程から従来
はなっていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＭＩＭ
型非線形素子を用いた液晶表示装置の製造工程において
は、第一の金属電極層，第二の金属電極層及び画素電極
と３つの膜それぞれにレジストを塗布して加工する必要
がある。アクティブマトリクス方式の液晶表示装置は、
ＴＦＴ方式とＭＩＭ方式に大別されるが、ＭＩＭ方式は
素子基板の対向基板側にも膜の加工が１回必要であるた
めに、歩留まりを低下させスループットを落とすレジス
トの露光工程が３回もあると、露光工程が５回程度であ
るＴＦＴ方式に対して圧倒的に安く基板を提供すること
が難しい。そこで、ＭＩＭ型非線形素子の電気的特性を
劣化させることなく素子基板のレジスト露光工程を２回
にすることが望まれる。

【０００８】レジスト露光工程を２回にする方法の１つ
として特開昭６１−２５０６７６に示されているよう
に、シリコン膜の上にＩＴＯ膜を形成して不活性ガス中
でアニールするとシリコン膜とＩＴＯ膜の界面に酸化膜
が形成されるので、露光の回数はシリコン膜とＩＴＯ膜
の２回でＭＩＭ型非線形素子が完了するというものであ
る。ところが、シリコン−二酸化シリコン−ＩＴＯのＭ
ＩＭ型非線形素子では液晶表示装置を駆動するのに適し
た電気特性は得られないばかりでなく、シリコン膜の配
線抵抗は金属膜に比べてかなり高いので画面全面を表示
するには不適当である。

【０００９】もう１つの方法として特開昭６０−１６４
７２４に示されているように、第二の金属膜を１００Å
程度に薄くして画素電極膜と同時に加工するというもの
である。ところが、金属膜と画素電極膜が重なっている
のでＭＩＭ型非線形素子を形成した基板の透過率が悪く
なるために、液晶表示装置の表示輝度が得られなくな
る。また、電気特性が第二の金属膜の膜厚に敏感なため
に画面内での均一性が得られないという問題点がある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで、透明基板の表面
側でマトリクスアレイを構成する各画素領域は、透明基
板の上に第一の金属膜を形成し、その表面側には第一の
金属酸化膜を形成し、第一の金属酸化膜の表面側には第
二の金属膜を形成し、前記第一の金属膜の側面には第二
の金属酸化膜を形成し、前記第二の金属膜の表面側と側
面かつ第一及び第二の金属酸化膜の側面かつ透明基板上
には透明導電膜が形成されたことを特徴とするＭＩＭ型
非線形素子の構造及びその製造方法を提供する。このＭ
ＩＭ型非線形素子は、 １）透明基板の表面側に第一の金属膜を堆積する工程
と、 ２）次に、第一の金属膜の表面側を酸化し第一の金属酸
化膜を堆積する工程と、 ３）次に、第一の金属膜と第一の金属酸化膜が堆積され
た透明基板を１５０℃以上の温度で熱処理する工程と、 ４）次に、第二の金属膜を堆積する工程と、 ５）次に、第一の金属膜と第一の金属酸化膜と第二の金
属膜を一度のレジスト露光で所定の形状に加工する工程
と、 ６）次に、第一の金属膜の側面を酸化し第二の金属酸化
膜を堆積する工程と、 ７）次に、画素電極となる透明導電膜を堆積して、所定
の形状に加工する工程と、 ８）次に、前記透明導電膜をエッチングマスクとして、
第二金属膜を加工する工程からなる。上記工程において
レジストを露光する工程は、第一の金属膜，第一の金属
酸化膜及び第二の金属膜を一度に加工する工程と、透明
導電膜を加工する工程の２工程となる。また、第二の金
属膜は二度目の加工が必要になるが、この加工マスクは
透明導電膜とする。第二の金属酸化膜は、第一の金属酸
化膜よりも絶縁性の高い材料とし、主たるＭＩＭ型非線
形素子をなす部分は電気的安定性を向上させるために、
第一の金属膜−第一の金属酸化膜−第二の金属膜となる
ようにする。さらに、第一の金属膜，第一の金属酸化膜
および第二の金属膜は、同一のエッチング材料でエッチ
ングされる膜にすると一度に加工ができるので生産性が
向上する。また、第二の金属酸化膜を陽極酸化法で堆積
する場合は酸化膜を成長させるために、第二の金属膜は
第一の金属膜と直接接することはないように選択的に堆
積する必要がある。

【００１１】

【実施例】以下、本発明について、実施例に基づき詳細
に説明する。

【００１２】図１には、本発明の液晶表示素子の上面図
を示す。ＭＩＭ型非線形素子１は、走査線４上の一部に
作られており、４はＭＩＭ型非線形素子の第一の金属膜
と同じ材料で形成されている走査線であり、画素電極は
１６で示してある。

【００１３】図１に於いて、ＭＩＭ型非線形素子が作ら
れているＡＡ´及びＭＩＭ型非線形素子が作られていな
いＢＢ´線上での断面図をそれぞれ図２（ａ），（ｂ）
に示す。１１はガラスや石英などの透明基板であり、１
１ａはスパッタリング法で堆積したりタンタル（Ｔａ）
膜を熱酸化して堆積したタンタル酸化膜（ＴａＯ_X）で
あり、１２はＴａ膜またはＴａ原子を主成分とする陽極
酸化が可能な合金膜である。１３は金属膜１２を陽極酸
化して作製した第一の金属酸化膜であり、１４は金属膜
でその種類はどのようなプロセスを採用するかで決定さ
れる。１５は金属膜１２の側面に作られた第二の金属酸
化膜であり、１６は画素電極である。

【００１４】図３には、図２の構造を実現するためのプ
ロセスを示す。

【００１５】図３（ａ）は、表面にＴａＯ_X膜が着いた
透明基板の表面側に第一の金属膜１２を堆積して、その
表面を陽極酸化して第一の酸化膜１３を形成し１５０℃
以上の熱処理を施し、第二の金属膜１４を堆積したとこ
ろである。

【００１６】第一の金属膜は主にＴａ原子からなり、不
純物を添加した合金膜を使用する際でも陽極酸化が可能
な程度の不純物添加量にすべきである。前記陽極酸化を
するときには、第一の金属膜１２で形成される走査線４
への外部信号を入れる端子部分は酸化されるべきではな
い。ＭＩＭ型非線形素子を形成した出来上がり基板は、
図６のように走査線４が一列に並びその両側に外部信号
入力端子６１がある構成になっている。従って、特開昭
５８−７０５５５に示されているように端子６１部分は
陽極酸化工程で酸化されないように、ディスペンサー等
の装置を用いてレジストなどの有機膜を６２の部分に塗
布してやればよい。そして、酸化工程が終了後レジスト
などを剥離する。

【００１７】さらに、第二の金属膜１４の堆積は、第一
の金属膜１２と導電接続がなされないようにすべきであ
る。つまり、２回目の陽極酸化工程において、基板内で
化成液に浸されていない第一の金属膜１２部分と第二の
金属膜１４と電気的接続があると、第一の金属膜１２と
陰極の間に電圧がかからず、第二の金属膜との間にかか
るので第二の金属酸化膜１５が成長しなくなるからであ
る。

【００１８】次に、所定の形状に加工したレジストをマ
スクにして第一の金属膜１２，第一の金属酸化膜１３，
第二の金属膜１４を図３（ｂ）に示すように一度に加工
する。第一の金属膜１２の主成分はＴａであり、第一の
金属酸化膜１３のそれはＴａＯｘであり、両方の膜をエ
ッチングできる材料としてはフッ化水素酸のみであるの
で、第二の金属膜１４もＭｏ，Ｔｉ，Ｗなどフッ化水素
酸でエッチングされる金属にすると一度に３層膜を加工
できるのでスループットが上がり低コスト化に対して好
ましい。第二の金属膜１４がフッ化水素酸でエッチング
されない金属の場合は、２回に分けて同じレジストで異
なるエッチング液を用いて加工することになる。

【００１９】次に、図３（ｃ）のように第一の金属膜１
２の側面を酸化して第二の金属酸化膜１５を形成する。
第二の金属酸化膜１５の形成方法には２種類あるので各
々について説明する。

【００２０】１つは、陽極酸化法を用いて形成すればよ
い。図２（ｂ）に示されているように、液晶の配向状態
を制御するＭＩＭ型非線形素子１は、第一の金属膜−第
一の金属酸化膜−第二の金属膜からなる第一のＭＩＭ型
非線形素子２１と第一の金属膜−第二の金属酸化膜−Ｉ
ＴＯ膜で形成されている画素電極からなる第二のＭＩＭ
型非線形素子２２が並列に配置されることになる。とこ
ろで、ＩＴＯ膜が電極になると電圧−電流特性が不安定
になり好ましくないので、第二の金属酸化膜は第一の金
属酸化膜よりも絶縁性の大きい材料にして、ＭＩＭ型非
線形素子１に流れる電流の大部分は、第一のＭＩＭ型非
線形素子２１を流れるようにすればよい。例えば、陽極
酸化の化成液を第一の金属酸化膜作製の際はリン酸に
し、第二の金属酸化膜作製の際はクエン酸にすればよ
い。ここで、第二の金属酸化膜の膜厚を第一の金属酸化
膜よりも厚くするために、化成電圧や電流密度を第一の
酸化膜作製時よりも大きくする方法も考えられるが、第
二の金属膜の膜剥がれを起こすことがあるので用いるべ
き手段ではない。もう１つの第二の金属酸化膜の作製方
法は、酸素雰囲気中での熱酸化法を用いることである。
４５０〜５００℃の酸素雰囲気中で熱処理すると、あと
は時間を制御すれば所定の膜厚の金属酸化膜を得ること
ができる。この場合、酸化工程で第二の金属膜は酸化さ
れると画素電極との電気的導通が取れなくなるので、
金，白金等５００℃程度の温度で酸化されにくい金属を
用いるのが簡単なプロセスになるので好ましい。もし酸
化されるような金属を第二の金属膜に用いたときには、
その酸化膜をエッチングして使用すればよい。次に、図
３（ｄ）に示すように第二の金属膜１４と導電接続させ
た画素電極となるＩＴＯ膜などの透明導電膜１６を堆積
し、この上にレジストを所定の形状に加工しマスクにし
てＩＴＯ膜をエッチングする。ここで、ＩＴＯ膜のエッ
チング液は、下地膜に金属膜が使われている部分がある
ので、金属膜をエッチングしにくい臭化水素酸水溶液を
用いるのが望ましい。この段階でＭＩＭ型非線形素子は
完成したが、図１の走査線４上に第二の金属膜１４が残
っていて同一走査線上の素子が短絡した状態になってい
る。従って、ＩＴＯ膜のエッチング後は加工されたＩＴ
Ｏ膜をマスクにして走査線４上にあってＭＩＭ型非線形
素子１を形成していない部分６の第二の金属膜をエッチ
ングする。以上のようにレジストの露光工程が２工程で
液晶駆動用のＭＩＭ型非線形素子が完成する。

【００２１】この工程を経て作製されたＭＩＭ型非線形
素子を用いた基板が図１であるが、素子が走査線の上に
形成されているので開口率が大きくでき明るい液晶表示
装置ともなり得る。また、図２のようなＭＩＭ型非線形
素子は、主に電流が流れる部分が２１となり第一の金属
膜１２の表面側だけを使用するものであり側面を使用し
ないので基板内で均一な電気特性になる。つまり、第一
の金属膜１２をエッチングすると図７のような形状とな
り側面部分７２の長さｌの制御が難しく、ＭＩＭ型非線
形素子の電圧−電流特性及び容量が基板内で異なること
になり液晶表示装置の表示ムラの大きな原因となってい
た。しかし、本発明では表面側７１の部分だけがＭＩＭ
非線形素子になり素子の大きさを基板内で均一にできる
のでこの表示ムラがほとんどなくなった。

【００２２】特開昭６１−２５０６７６では第二の金属
膜１４と画素電極１６の機能をＩＴＯ膜だけにして、レ
ジストの露光工程が２工程でできる図１のような構造の
表示パネルを提案しているが、ＩＴＯ膜が第二の金属膜
となるＭＩＭ型非線形素子では、第一の金属膜にプラス
電圧を印加した場合とマイナス電圧を印加した場合で電
圧−電流特性が異なる，電圧印加時の経時変化が大きく
なる，低温及び高温での特性の変化が大きい等の問題点
があり、液晶駆動素子として用いるのは不適当である。

【００２３】もう１つ、レジストの露光工程が２工程で
できる構造として、特開昭６０−１６４７２４で示され
ているように第二の金属膜の膜厚を１００Å程度にし
て、第二の金属膜とＩＴＯ膜を同時に加工する方法が提
案されている。しかし、画素部分の透過率が低下する，
電圧印加時の経時変化が大きくなるなどの問題をかかえ
ているため本発明の構造よりも液晶表示素子としての性
能が低くなっている。

【００２４】ＭＩＭ型非線形素子の電圧−電流特性は、
第一の金属膜にＴａ膜を用いる場合は、膜質，どのよう
な不純物を添加するか，第一の金属酸化膜を作製すると
きの陽極酸化の化成液の種類，第二の金属膜の種類等に
よって大きく変化することがわかっている。しかしなが
ら、本発明の構造では、第二の金属膜の種類はとるべき
プロセスによって制限を受けるが、前記の他の要素につ
いてはプロセスの制約を受けずに目的とする条件を採用
することが可能である。

【００２５】

【発明の効果】以上のとおり本発明において、ＭＩＭ型
非線形素子を図２のような構造にすることで、２回のレ
ジスト露光工程を行うだけで素子が完成するので、低コ
ストなアクティブマトリクス型の液晶表示装置を提供で
きる。本構造は、ＭＩＭ型非線形素子をなす部分の材料
を変える必要がなくまた、各膜の物性値を変える必要も
ないので電気特性は変わらない。第二の金属酸化膜を陽
極酸化法で作製する場合は、第一の金属膜と第二の金属
膜の電気的絶縁がなされていれば膜作製が可能となり、
本発明の製造工程を採用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＭＩＭ型非線形素子の上面図。

【図２】本発面のＭＩＭ型非線形素子の断面図。

【図３】本発面のＭＩＭ型非線形素子の製造工程を表す
図。

【図４】アクティブマトリクス方式の液晶表示装置の等
価回路図。

【図５】従来のＭＩＭ型非線形素子の製造工程を表す
図。

【図６】本発明のＭＩＭ型非線形素子の製造工程におい
て、選択陽極酸化の方法を示す図。

【図７】従来のＭＩＭ型非線形素子の第一の金属層のエ
ッチング形状を示した断面図。

【符号の説明】

１ ＭＩＭ型非線形素子 ２ 画素領域 ３ 液晶表示素子 ４ 走査線 ５ 信号線 ６ ＭＩＭ型非線形素子のない走査線領域 １１，５１ 透明基板 １１ａ，５１ａ ＴａＯ_X膜 １２，５２ 第一の金属膜 １３，５３ 第一の金属酸化膜 １４，５４ 第二の金属膜 １５，５５ 第二の金属酸化膜 １６ 画素電極 ２１ 第一のＭＩＭ型非線形素子 ２２ 第二のＭＩＭ型非線形素子 ６１ 外部信号入力端子 ６２ 陽極酸化工程の際に有機膜を塗布する
領域 ７１ 第一の金属層がエッチングされた際に
テ−パとなる部分 ７２ 第一の金属層のエッチングされない部
分

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】透明基板の上に第一の金属膜が形成され、
   前記第一の金属膜の表面側には第一の金属酸化膜が形成
   され、前記第一の金属酸化膜の表面側には第二の金属膜
   が形成され、前記第一の金属膜の側面には第二の金属酸
   化膜が形成され、前記第二の金属膜の表面側と側面かつ
   第一及び第二の金属酸化膜の側面かつ透明基板上には透
   明導電膜が形成されることを特徴とするＭＩＭ型非線形
   素子。
2. 【請求項２】請求項１記載のＭＩＭ型非線形素子の製造
   方法は、 １）透明基板の表面側に第一の金属膜を堆積する工程
   と、 ２）次に、第一の金属膜の表面側を酸化し第一の金属酸
   化膜を堆積する工程と、 ３）次に、第一の金属膜と第一の金属酸化膜が堆積され
   た透明基板を１５０℃以上の温度で熱処理する工程と、 ４）次に、第二の金属膜を堆積する工程と、 ５）次に、第一の金属膜と第一の金属酸化膜と第二の金
   属膜を一度のレジスト露光で所定の形状に加工する工程
   と、 ６）次に、第一の金属膜の側面を酸化し第二の金属酸化
   膜を堆積する工程と、 ７）次に、透明導電膜を堆積して、所定の形状に加工す
   る工程と、 ８）次に、前記透明導電膜をエッチングマスクとして、
   第二金属膜を加工する工程からなることを特徴とするＭ
   ＩＭ型非線形素子の製造方法。
3. 【請求項３】前記第二の金属酸化膜は、前記第一の金属
   酸化膜よりも絶縁性の高い材料とすることを特徴とする
   請求項１記載のＭＩＭ型非線形素子。
4. 【請求項４】請求項２記載のＭＩＭ型非線形素子の製造
   方法において、第二の金属膜は第一の金属膜と導電接続
   することはないように選択的に堆積することを特徴とす
   るＭＩＭ型非線形素子の製造方法。