JPH0682756A

JPH0682756A - 電気光学装置の画像表示方法

Info

Publication number: JPH0682756A
Application number: JP3169306A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎; Akira Mase; 晃間瀬; Masaaki Hiroki; 正明廣木; Yasuhiko Takemura; 保彦竹村
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1991-06-14
Filing date: 1991-06-14
Publication date: 1994-03-25
Anticipated expiration: 2011-12-11
Also published as: JP2562745B2

Abstract

(57)【要約】【目的】電気光学装置の階調表示に関して、精密で素
子間のばらつきによる影響の少ない階調表示方式を提供
する。【構成】アクティブマトリクス型電気光学装置におい
て、その制御電極に周期的に，パルスを印加し、出入力
端の他端に電圧を印加し、あるいは電圧を切りながら、
画素に電圧のかかる時間を任意に制御することによって
視覚的な階調表示を得る表示方式。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の利用分野】本発明は、駆動用スイッチング素子
として薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴという）を使用し
た液晶電気光学装置における画像表示方法において、特
に中間的な色調や濃淡の表現を得るための階調表示方法
に関するものである。本発明は、特に、外部からいかな
るアナログ信号をもアクティブ素子に印加することな
く、階調表示をおこなう、いわゆる完全デジタル階調表
示に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】液晶組成物はその物質特性から、分子軸
に対して水平方向と垂直方向に誘電率が異なるため、外
部の電界に対して水平方向に配列したり、垂直方向に配
列したりさせることが容易にできる。液晶電気光学装置
は、この誘電率の異方性を利用して、光の透過光量また
は散乱量を制御することでＯＮ／ＯＦＦ、すなわち明暗
の表示をおこなっている。液晶材料としては、ＴＮ（ツ
インステッド・ネマティック）液晶、ＳＴＮ（スーパー
・ツインステッド・ネマティック）液晶、強誘電性液
晶、ポリマー液晶あるいは分散型液晶とよばれる材料が
知られている。液晶は外部電圧に対して、無限に短い時
間に反応するのではなく、応答するまでにある一定の時
間がかかることが知られている。その値はそれぞれの液
晶材料に固有で、ＴＮ液晶の場合には、数１０ｍｓｅ
ｃ、ＳＴＮ液晶の場合には数１００ｍｓｅｃ、強誘電性
液晶の場合には数１０μｓｅｃ、分散型あるいはポリマ
ー液晶の場合には数１０ｍｓｅｃである。

【０００３】液晶を利用した電気光学装置のうちでもっ
とも優れた画質が得られるものは、アクティブマトリク
ス方式を用いたものであった。従来のアクティブマトリ
クス型の液晶電気光学装置では、アクティブ素子として
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用い、ＴＦＴにはアモル
ファスまたは多結晶型の半導体を用い、１つの画素にＰ
型またはＮ型のいずれか一方のみのタイプのＴＦＴを用
いたものであった。即ち、一般にはＮチャネル型ＴＦＴ
（ＮＴＦＴという）を画素に直列に連結している。そし
て、マトリクスの信号線に信号電圧を流し、それぞれの
信号線の直交する箇所に設けられたＴＦＴに双方から信
号が印加されるとＴＦＴがＯＮ状態となることを利用し
て液晶画素のＯＮ／ＯＦＦを個別に制御するものであっ
た。このような方法によって画素の制御をおこなうこと
によって、コントラストの大きい液晶電気光学装置を実
現することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなアクティブマトリクス方式では、明暗や色調といっ
た、階調表示をおこなうことは極めて難しかった。従
来、階調表示は液晶の光透過性が、印加される電圧の大
きさによって変わることを利用する方式が検討されてい
た。これは、例えば、マトリクス中のＴＦＴのソース・
ドレイン間に、適切な電圧を周辺回路から供給し、その
状態でゲイト電極に信号電圧を印加することによって、
液晶画素にその大きさの電圧をかけようとするものであ
った。

【０００５】しかしながら、このような方法では、例え
ば、ＴＦＴの不均質性やマトリクス配線の不均質性のた
めに、実際には液晶画素にかかる電圧は、各画素によっ
て、最低でも数％も異なってしまった。これに対し、例
えば、液晶の光透過度の電圧依存性は、極めて非線型性
が強く、ある特定の電圧で急激に光透過性が変化するた
め、たとえ数％の違いでも、光透過性が著しく異なって
しまうことがあった。そのため、実際には１６階調を達
成することが限界であった。例えば、ＴＮ液晶材料にお
いては、光透過性が変化する、いわゆる遷移領域は、
１．２Ｖの幅しかなく、１６階調を達成せんとする場合
には、７５ｍＶもの小さな電圧の制御ができる必要があ
り、そのため、製造歩留りは著しく低くなった。

【０００６】このように階調表示が困難であるというこ
とは、液晶ディスプレー装置が従来の一般的な表示装置
であるＣＲＴ（陰極線管）と競争してゆく上で極めて不
利であった。本発明は従来、困難であった階調表示を実
現させるための全く新しい方法を提案することを目的と
するものである。

【０００７】

【問題を解決するための手段】さて、液晶にかける電圧
をアナログ的に制御することによって、その光透過性を
制御することが可能であることを先に述べたが、本発明
人らは、液晶に電圧のかかっている時間を制御すること
によって、視覚的に階調を得ることができることを見出
した。

【０００８】例えば、代表的な液晶材料であるＴＮ（ツ
イステッド・ネマチック）液晶を用いた場合において、
例えば、図１においては、各種のパルス波形が示されて
いるが、このような波形電圧を液晶画素に印加すること
によって、明るさを変化させることが可能であることを
見出した。すなわち、図１の“１”、“２”、・・・
“１５”という順番で段階的に明るくすることができ
る。すなわち、図１の例では１６階調の表示が可能であ
る。このとき、“１”では、１単位の長さのパルスが印
加される。また、“２”では、２単位の長さのパルスが
印加される。“３”では、１単位のパルスと２単位のパ
ルスが印加され、結果として３単位の長さのパルスが印
加される。“４”では、４単位の長さのパルスが印加さ
れる。“５”では、１単位のパルスと４単位のパルスが
印加され、“６”では、２単位のパルスと４単位のパル
スが印加される。さらに、８単位の長さのパルスを用意
することによって、１５単位の長さのパルスを結果とし
て得ることができる。

【０００９】すなわち、１単位、２単位、４単位、８単
位という４種類のパルスを適切に組み合わせることによ
って、２⁴＝１６階調の表示が可能となる。さらに、１
６単位、３２単位、６４単位、１２８単位というよう
に、多くのパルスを用意することによって、それぞれ、
３２階調、６４階調、１２８階調、２５６階調という高
度階調表示が可能となる。例えば、２５６階調表示を得
るには、８種類のパルスを用意すればよい。

【００１０】また、図１の例では、画素に印加される電
圧の持続時間は、最初Ｔ₁、次が２Ｔ₁、その次が４Ｔ
₁というように等比数列的に増大するように配列した例
を示したが、これは、例えば、図３のように、最初にＴ
₁、次に８Ｔ₁、その次が２Ｔ₁、最後に４Ｔ₁として
もよい。このように配列せしめることにより、表示装置
にデータを伝送する装置の負担を減らすことができる。

【００１１】本発明を実施せんとすれば、液晶材料とし
ては、ＴＮ液晶やＳＴＮ液晶、強誘電性液晶、分散型
（ポリマー）液晶が適してる。また、１単位のパルス幅
は、どの液晶材料を選択するかによって微妙に異なる
が、ＴＮ液晶材料の場合には、１０ｎｓｅｃ以上が適し
ていることが明らかになった。

【００１２】本発明を実施するには、例えば、図４に示
すような、薄膜トランジスタを使用したマトリクス回路
を組めばよい。図４に示した回路は従来のＴＦＴを利用
したアクティブマトリクス型表示装置に用いられた回路
と同じである。

【００１３】図では画素のキャパシタと並列に人為的に
キャパシタが挿入されている。このとき挿入されたキャ
パシタは、画素の自然放電によって、画素の電圧が低下
することを抑制する効果を有する。画素の電圧降下のば
らつきは、画素のばらつきに依存する。特に本発明のよ
うに、画素に印加される電圧が一定のものとして階調表
示をおこなおうとする発明においては画質の低下を招く
ものである。しかしながら、このように画素に並列にキ
ャパシタを挿入することにより、画素のばらつきによる
電圧降下は著しく抑えることができ、高画質を得ること
ができる。

【００１４】また、液晶セル等の画素に、例えばテトラ
フルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド等の有
機強誘電性材料を含有せしめることにより、画素の静電
容量を増大せしめ、よって画素の放電の時定数を増大せ
しめることによって、このような人為的なキャパシタを
もうけることなく、安定で再現性の優れた動作をさせる
こともできる。

【００１５】もちろん、画素の放電が充分に小さけれ
ば、このような人為的なキャパシタはなくても構わな
い。特に、過大な静電容量の存在は、充電あるいは放電
の動作に時間がかかり、本発明を実施するにおいて望ま
しいものではない。画素の放電を小さくするには、例え
ば、薄膜トランジスタのＯＦＦ抵抗を充分大きくし、リ
ーク電流を減らすことと、液晶等の画素自身の電極間抵
抗を充分大きくすることが必要である。特に後者の目的
のためには、画素電極を、窒化珪素、あるいは酸化珪素
等、酸化タンタル、酸化アルミニウムの絶縁性材料で被
覆してしまうことが有効である。

【００１６】このような回路において、各薄膜トランジ
スタのゲイト電圧やソース・ドレイン間電圧をコントロ
ールすることによって、画素に印加される電圧のＯＮ／
ＯＦＦを制御することが可能である。この例では、マト
リクスは４８０×６４０ドットであるが、煩雑さをさけ
るため、ｎ行ｍ列近傍のみを示した。これとおなじもの
を上下左右に展開すれば、完全なものが得られる。この
回路を用いた動作例を図２に示す。

【００１７】信号線Ｘ_1,Ｘ_2,..Ｘ_n,Ｘ_n+1,..Ｘ₄₈₀（以
下、Ｘ線と総称する）は、各ＴＦＴのゲイト電極に接続
されている。そして、図２に示すように、順番に矩形パ
ルス信号が印加されてゆく。一方、信号線Ｙ_1,Ｙ_2,..Ｙ
_m,Ｙ_m+1,..Ｙ₆₄₀（以下、Ｙ線と総称する）は、各ＴＦ
Ｔのソース（あるいはドレイン電極）に接続されている
が、これには、やはり、複数のパルスからなる信号が印
加されてゆく。このパルス列には、１単位の時間Ｔ₁中
に、６４０個の情報が含まれている。

【００１８】以下では、４つの画素Ｚ_n,m、Ｚ_n+1,m、
Ｚ_n,m+1、Ｚ_n+1,m+1に注目するが、ゲイト電極とソー
ス電極の双方に信号が来ないかぎり、画素の電圧は変化
しないので、この４つの画素に関しては、信号線Ｘ_n,Ｘ
_n+1およびＹ_m,Ｙ_m+1に注目すればよい。

【００１９】図に示すように、矩形パルスがＸ_nに印加
された場合を考える。今、４つの画素Ｚ_n,m、
Ｚ_n,m+1、Ｚ_n+1,m、Ｚ_n+1,m+1に注目しているとすれ
ば、Ｙ_mおよびＹ_m+1のそのときの状態に注目すればよ
い。このとき、Ｙ_mには信号があり、Ｙ_m+1には信号が
ないので、結局、画素Ｚ_n,mは電圧状態、Ｚ_n,m+1は非
電圧状態になる。そして、Ｙ線に加える電圧よりも早
く、Ｘ線のパルスを切ることにより、画素の電圧状態
は、画素のキャパシタによって維持されるので、画素Ｚ
_n,mは電圧状態を維持する。以後、次にＸ_nに信号が印
加されるまで、基本的にはそれぞれの画素の状態が持続
する。

【００２０】ついで、Ｘ_n+1にパルスが印加される。図
に示されているように、そのときにはＹ_mは非電圧状
態、Ｙ_m+1は電圧状態であるため、画素Ｚ_n+1,mは非電
圧状態、画素Ｚ_n+1,m+1は電圧状態となり、先に述べた
のと同様にそれぞれの状態を維持し続ける。

【００２１】次に、先にＸ_nにパルスが印加されてか
ら、時間Ｔ₁後に信号線Ｘ_nに２回目のパルスが印加さ
れたときには、Ｙ_mおよびＹ_m+1は、それぞれ、非電圧
状態、電圧状態であるので、画素Ｚ_n,mは非電圧状態
に、画素Ｚ_n,m+1は電圧状態に、それぞれ、状態が変化
する。さらに、Ｘ_n+1にパルスが印加される。図に示さ
れているように、そのときにはＹ_mもＹ_m+1も電圧状態
であるため、画素Ｚ_n+1,mもＺ_n+1,m+1は電圧状態とな
る。このとき、画素Ｚ_n+1,m+1は電圧状態を継続するこ
とになる。

【００２２】その後、時間２Ｔ₁後に、３回目の信号が
Ｘ_nに印加される。そのときには、Ｙ_mもＹ_m+1も電圧
状態であるため、画素Ｚ_n,mは非電圧状態から電圧状態
に変化し、画素Ｚ_n,m+1は電圧状態を継続することとな
る。さらに、Ｘ_n+1にパルスが印加される。そのときに
はＹ_mもＹ_m+1も非電圧状態であるため、画素Ｚ_n+1,m
もＺ_n+1,m+1は非電圧状態となり、いずれも電圧状態が
終了する。

【００２３】その後、時間４Ｔ₁後に、４回目の信号が
Ｘ_nに印加される。そのときには、Ｙ_mもＹ_m+1も非電
圧状態であるため、画素Ｚ_n,mも画素Ｚ_n,m+1も電圧状
態から非電圧状態へ変化する。さらに、Ｘ_n+1にパルス
が印加されるが、やはりＹ_mもＹ_m+1も非電圧状態であ
るため、画素Ｚ_n+1,mもＺ_n+1,m+1は非電圧状態のまま
である。

【００２４】このようにして、１周期が完了する。この
間、各Ｘ線には４個のパルスが印加され、各Ｙ線には、
３×４８０＝１４４０の情報信号が印加されている。ま
た、この１周期の時間は８Ｔ₁であり、Ｔ₁としては、
例えば、１０ｎｓｅｃ〜１０ｍｓｅｃが適当である。そ
して、各画素に注目してみれば、画素Ｚ_n,mには時間Ｔ
₁のパルスと４Ｔ₁のパルスが印加され、視覚的には５
Ｔ₁のパルスが印加されたものと同じ効果が得られる。
すなわち、“５”の明るさが得られる。同様に、画素Ｚ
_n,m+1、画素Ｚ_n+1,m、Ｚ_n+1,m+1には、結局、
“２”、“６”、“３”の明るさが得られる。

【００２５】以上の例では、８階調の表示が可能である
が、さらに多くのパルス信号を加えることによって、よ
り高階調が可能である。例えば、１周期中に、さらに各
Ｘ線に５回のパルスを加え、各Ｙ線には３８４０の情報
信号を印加することにより、２５６階調もの高階調表示
を達成することができる。

【００２６】さらに、高階調表示をおこなおうとすれ
ば、図２から明らかなように、極めて高速のスイッチン
グが必要とされる。例えば、２５６階調を実現するに
は、動画は、毎秒３０枚以上繰り出される必要があるの
で、２５６Ｔ₁＜３０ｍｓｅｃ。したがって、Ｔ₁＜１
００μｓｅｃである。したがって、例えば、Ｘ線（ゲイ
ト電極に接続している）には、４８０列の場合には、幅
２００ｎｓｅｃ以下のパルスが印加される必要がある。
図３の例では、ＮＭＯＳのＴＦＴのみを用いたが、動作
速度を上げる目的で、ＣＭＯＳ回路を有する回路を画素
に接続してもよい。例えば、ＣＭＯＳインバータ回路、
ＣＭＯＳ変形インバータ回路、ＣＭＯＳ変形バッファー
回路、あるいはＣＭＯＳ変形トランスファー回路等を用
いても構わない。

【００２７】以上の説明では、説明をわかりやすくする
ために、信号を非電圧状態と電圧状態というように明確
に区別したが、これは、液晶やＴＦＴのしきい値電圧以
下であるか、あるいは以上であるかという問題だけであ
るので、絶対にゼロである必要はない。

【００２８】また、画素の対向電極に適切なバイアス電
圧を印加することによって、画素材料にかかる実質的な
電圧を変化させることは可能である。例えば、画素の対
向電極に、適切な電圧を印加することにより、画素材料
に印加される電圧の向きを、正負両方取りうるようにす
ることもできる。このような操作は、例えば、強誘電性
液晶においては必要である。

【００２９】

【実施例】

『実施例１』本実施例では図４に示すような回路構成
を用いた液晶表示装置を用いて、壁掛けテレビを作製し
たので、その説明を行う。またその際のＴＦＴは、レー
ザーアニールを用いた多結晶シリコンとした。

【００３０】この回路構成に対応する実際の電極等の配
置構成を１つの画素について、図５に示している。ま
ず、本実施例で使用する液晶パネルの作製方法を図６を
使用して説明する。図６（Ａ）において、石英ガラス等
の高価でない７００℃以下、例えば約６００℃の熱処理
に耐え得るガラス５０上にマグネトロンＲＦ（高周波)
スパッタ法を用いてブロッキング層５１としての酸化珪
素膜を１０００〜３０００Åの厚さに作製する。プロセ
ス条件は酸素１００％雰囲気、成膜温度１５℃、出力４
００〜８００Ｗ、圧力０．５Ｐａとした。タ−ゲットに
石英または単結晶シリコンを用いた成膜速度は３０〜１
００Å／分であった。

【００３１】この上にシリコン膜をプラズマＣＶＤ法に
より珪素膜５２を作製した。成膜温度は２５０℃〜３５
０℃でおこない、本実施例では３２０℃とし、モノシラ
ン(SiH₄)を用いた。モノシラン(SiH₄)に限らず、ジシラ
ン(Si₂H₆) またトリシラン(Si₃H₈) を用いてもよい。こ
れらをＰＣＶＤ装置内に３Ｐａの圧力で導入し、１３．
５６ＭＨｚの高周波電力を加えて成膜した。この際、高
周波電力は０．０２〜０．１０Ｗ／ｃｍ²が適当であ
り、本実施例では０．０５５Ｗ／ｃｍ²を用いた。ま
た、モノシラン(SiH₄)の流量は２０ＳＣＣＭとし、その
時の成膜速度は約１２０Å/ 分であった。シリコン膜は
純然たる真性半導体であっても、また、ホウ素をジボラ
ンを用いて１×10¹⁵〜１×10¹⁸cm^-3の濃度として成膜中
に添加してもよい。またＴＦＴのチャネル領域となるシ
リコン層の成膜にはこのプラズマＣＶＤだけでなく、ス
パッタ法、減圧ＣＶＤ法を用いても良く、以下にその方
法を簡単に述べる。

【００３２】スパッタ法で行う場合、スパッタ前の背圧
を１×10^-5Ｐａ以下とし、単結晶シリコンをタ−ゲット
として、アルゴンに水素を２０〜８０％混入した雰囲気
で行った。例えばアルゴン２０％、水素８０％とした。
成膜温度は１５０℃、周波数は１３．５６ＭＨｚ、スパ
ッタ出力は４００〜８００Ｗ、圧力は０．５Ｐａであっ
た。

【００３３】減圧気相法で形成する場合、結晶化温度よ
りも１００〜２００℃低い４５０〜５５０℃、例えば５
３０℃でジシラン(Si₂H₆) またはトリシラン(Si₃H₈) を
ＣＶＤ装置に供給して成膜した。反応炉内圧力は３０〜
３００Ｐａとした。成膜速度は５０〜２５０Å/ 分であ
った。

【００３４】これらの方法によって形成された被膜は、
酸素が５×10²¹cm^-3以下であることが好ましい。結晶化
を助長させるためには、酸素濃度を７×10¹⁹cm^-3以下、
好ましくは１×10¹⁹cm^-3以下とすることが望ましいが、
少なすぎると、バックライトによりオフ状態のリ−ク電
流が増加してしまうため、この濃度を選択した。この酸
素濃度が高いと、結晶化させにくく、レーザーアニ−ル
温度を高くまたはレーザーアニ−ル時間を長くしなけれ
ばならない。水素は４×10²⁰cm^-3であり、珪素４×10²²
cm^-3として比較すると１原子％であった。

【００３５】また、ソ−ス、ドレインに対してより結晶
化を助長させるため、酸素濃度を７×10¹⁹cm^-3以下、好
ましくは１×10¹⁹cm^-3以下とし、ピクセル構成するＴＦ
Ｔのチャネル形成領域のみに酸素をイオン注入法により
５×10²⁰〜５×10²¹cm^-3となるように添加してもよい。

【００３６】上記方法によって、アモルファス状態の珪
素膜を５００〜５０００Å、本実施例では１０００Åの
厚さに成膜した。

【００３７】その後、フォトレジスト５３をマスクＰ１
を用いてソース・ドレイン領域のみ開孔したパターンを
形成した。その上に、プラズマＣＶＤ法によりｎ型の活
性層となる珪素膜５４を作製した。成膜温度は２５０℃
〜３５０℃でおこない、本実施例では３２０℃とし、モ
ノシラン(SiH₄)とモノシランベースのフォスフィン(P
H₃) ３％濃度のものを用いた。これらをＰＣＶＤ装置内
５Ｐａの圧力でに導入し、１３．５６ＭＨｚの高周波電
力を加えて成膜した。この際、高周波電力は０．０５〜
０．２０Ｗ／ｃｍ²が適当であり、本実施例では０．１
２０Ｗ／ｃｍ²を用いた。

【００３８】この方法によって出来上がったｎ型シリコ
ン層の比導電率は２×１０^-1〔Ωｃｍ^-1〕程度となっ
た。膜厚は５０Åとした。このようにして、図６（Ａ）
を得た。その後リフトオフ法を用いて、レジスト５３を
除去し、ソース・ドレイン領域５５、５６を形成した。
このようにして図６（Ｂ）を得た。

【００３９】その後、図６（Ｃ）に示すようにＸｅＣｌ
エキシマレーザーを用いて、ソース・ドレイン・チャネ
ル領域をレーザーアニールすると同時に、活性層にレー
ザードーピングを行なった。この時のレーザーエネルギ
ーは、閾値エネルギーが１３０ｍＪ／ｃｍ²で、膜厚全
体が溶融するには２２０ｍＪ／ｃｍ²が必要となる。し
かし、最初から２２０ｍＪ／ｃｍ²以上のエネルギーを
照射すると、膜中に含まれる水素が急激に放出されるた
めに、膜の破壊が起きる。そのために低エネルギーで最
初に水素を追い出した後に溶融させる必要がある。本実
施例では最初１５０ｍＪ／ｃｍ²で水素の追い出しを行
なった後、２３０ｍＪ／ｃｍ²で結晶化をおこなった。

【００４０】その後、マスクＰ３を用いて珪素膜５２を
エッチング除去し、Ｎチャネル型薄膜トランジスタ用ア
イランド領域６３を形成した。さらに、この上に酸化珪
素膜６４をゲイト絶縁膜として５００〜２０００Å、例
えば１０００Åの厚さに形成した。これはブロッキング
層としての酸化珪素膜の作製と同一条件とした。この成
膜中に弗素を少量添加し、ナトリウムイオンの固定化を
させてもよい。

【００４１】この後、この上側にリンが１〜５×10²¹cm
^-3の濃度に入ったシリコン膜またはこのシリコン膜とそ
の上にモリブデン(Mo)、タングステン(W),MoSi₂または
WSi₂との多層膜を形成した。これを第４のフォトマスク
Ｐ４にてパタ−ニングしてＮＴＦＴ用のゲイト電極６６
を得た。（図６（Ｄ））ゲイト電極の大きさとしては、
例えばチャネル長７μｍとし、ゲイト電極の構成として
リンド−プ珪素を厚さ０．２μｍ、その上にモリブデン
を厚さ０．３μｍとした。

【００４２】同時に、図６（Ｄ’）に示すように、ゲイ
ト配線６５とそれに並行して配置された配線６８もパタ
ーニングした。

【００４３】また、ゲート電極材料としては、上記材料
以外に、例えばアルミニウム（Ａｌ）も使用することが
できる。アルミニウムを用いた場合には、これを第４の
フォトマスクＰ４にてパタ−ニング後、その表面を陽極
酸化することで、セルファライン工法が適用可能なた
め、ソース・ドレインのコンタクトホールをよりゲート
に近い位置に形成することが出来るため、移動度、スレ
ッシュホールド電圧の低減からさらにＴＦＴの特性を上
げることができる。

【００４４】かくすると、４００℃以上にすべての工程
で温度を加えることがなくＣ／ＴＦＴを作ることができ
る。そのため、基板材料として、石英等の高価な基板を
用いなくてもよく、本発明の大画面の液晶表示装置にき
わめて適したプロセスであるといえる。

【００４５】さらに、層間絶縁物６９を前記したスパッ
タ法により酸化珪素膜の形成として行った。この酸化珪
素膜の形成はＬＰＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法
を用いてもよい。例えば０．２〜０．６μｍの厚さに形
成し、その後、第５のフォトマスクＰ５を用いて電極用
の窓７９を形成した。その後、さらに、これら全体にア
ルミニウムを０．３μｍの厚みにスパッタ法により形成
し第６のフォトマスクＰ６を用いてリ−ド７４およびコ
ンタクト７３を作製した。こうして図６（Ｅ）と
（Ｅ’）を得た。

【００４６】その後、表面を平坦化用有機樹脂７７、例
えば透光性ポリイミド樹脂を塗布形成し、再度の電極穴
あけを第７のフォトマスクＰ７にて行った。さらに、こ
れら全体にＩＴＯ（インジウム酸化錫）を０．１μｍの
厚みにスパッタ法により形成し第８のフォトマスクＰ８
を用いて画素電極７１を形成した。このＩＴＯは室温〜
１５０℃で成膜し、２００〜４００℃の酸素または大気
中のアニ−ルにより成就した。こうして、図６（Ｆ）と
（Ｆ’）を得た。

【００４７】図６（Ｆ’）のＡ−Ａ’断面図を図６
（Ｇ）に示す。実際には、この上に液晶材料をはさん
で、対向電極が設けられ、図に示すように対向電極と電
極７１の間に静電容量が生じる。それと同時に配線６８
と電極７１の間にも静電容量が生じる。そして、配線６
８を対向電極と同電位に保つことによって、図３に示し
たように、液晶画素に並列に容量が挿入された回路を構
成することができる。特に本実施例のように配置するこ
とによって、配線６８はゲイト配線６５と平行であるの
で、２配線間の寄生容量が少なく、したがって、ゲイト
配線を伝わる信号の減衰や遅延を減らす効果がある。

【００４８】また、このようにして形成された配線６８
は、接地して使用される場合には、各マトリクスの終端
に設けられる保護回路の接地線として使用できる。保護
回路は、図９に示されるような、周辺の駆動回路と画素
の間に設けられ、図１０および図１１で示されるような
回路をいう。いずれも画素の配線に過大な電圧がかかる
とＯＮ状態となり、電圧を取り去る作用を有する。これ
らの保護回路は、シリコンのようなドーピングされた、
あるいはドーピングされていない半導体材料や、ＩＴＯ
のような透明導電材料、あるいは通常の配線材料を用い
て構成される。したがって、画素の回路を形成するとき
に同時に形成することが可能である。

【００４９】このことは、例えば、図１０の各保護回路
が、ＮＴＦＴやＰＴＦＴ、あるいはそれらをあわせたＣ
／ＴＦＴで構成されていることから明らかであろう。ま
た、図１１の保護回路はＴＦＴは使用されていないが、
ダイオードは、例えばＰＩＮ接合によって構成され、ま
た、特にツェナー特性を重視するダイオードはＮＩＮ、
ＰＩＰ、ＰＮＰあるいはＮＰＮといった構造を有し、い
ちいち説明するまでもなく、本実施例で示した作製方法
を援用することによって作製されうることは自明であ
る。

【００５０】以上のようにして得られたＴＦＴの電気的
な特性は移動度は８０（cm²/Vs）、Ｖthは５．０（Ｖ）
であった。上記の様な方法に従って作製された液晶電気
光学装置用の一方の基板を得ることが出来た。この液晶
表示装置の電極等の配置の様子を図５に示している。か
かる構造を左右、上下に繰り返すことにより、６４０×
４８０、１２８０×９６０といった大画素の液晶表示装
置とすることができる。本実施例では１９２０×４００
とした。この様にして第１の基板を得た。

【００５１】他方の基板の作製方法を図７に示す。ガラ
ス基板上にポリイミドに黒色顔料を混合したポリイミド
樹脂をスピンコート法を用いて１μｍの厚みに成膜し、
第９のフォトマスクＰ９を用いてブラックストライプ８
１を作製した。その後、赤色顔料を混合したポリイミド
樹脂をスピンコート法を用いて１μｍの厚みに成膜し、
第１０のフォトマスクＰ１０を用いて赤色フィルター８
３を作製した。同様にしてマスクＰ１１、Ｐ１２を使用
し、緑色フィルター８５および青色フィルター８６を作
製した。これらの作製中各フィルターは３５０℃にて窒
素中で６０分の焼成を行なった。その後、やはりスピン
コート法を用いて、レベリング層８９を透明ポリイミド
を用いて製作した。

【００５２】その後、これら全体にＩＴＯ（インジュー
ム酸化錫）を０．１μｍの厚みにスパッタ法により形成
し第１３のフォトマスクＰ１３を用いて共通電極９０を
形成した。このＩＴＯは室温〜１５０℃で成膜し、２０
０〜３００℃の酸素または大気中のアニ−ルにより成就
し、第２の基板を得た。

【００５３】前記基板上に、オフセット法を用いて、ポ
リイミド前駆体を印刷し、非酸化性雰囲気たとえば窒素
中にて３５０℃１時間焼成を行った。その後、公知のラ
ビング法を用いて、ポリイミド表面を改質し、少なくと
も初期において、液晶分子を一定方向に配向させる手段
を設けた。

【００５４】その後、前記第一の基板と第二の基板によ
って、ネマチック液晶組成物を挟持し、周囲をエポキシ
性接着剤にて固定した。基板上のリードにＴＡＢ形状の
駆動ＩＣと共通信号、電位配線を有するＰＣＢを接続
し、外側に偏光板を貼り、透過型の液晶電気光学装置を
得た。これと冷陰極管を３本配置した後部照明装置、テ
レビ電波を受信するチューナーを接続し、壁掛けテレビ
として完成させた。従来のＣＲＴ方式のテレビと比べ
て、平面形状の装置となったために、壁等に設置するこ
とも出来るようになった。この液晶テレビの動作は図２
に示したものと、実質的に同等な信号を液晶画素に印加
することにより８階調表示が可能であることが確認され
た。このとき、Ｔ₁＝４ｍｓｅｃ、Ｘ線およびＹ線のパ
ルス幅（あるいは最小パルス幅）は、それぞれ、５μｓ
ｅｃ、８μｓｅｃとした。

【００５５】『実施例２』本実施例では図４に示すよ
うな回路構成を用いた液晶表示装置を用いて、壁掛けテ
レビを作製したので、その説明を行う。またその際のＴ
ＦＴは、レーザーアニールを用いた多結晶シリコンとし
た。

【００５６】以下では、ＴＦＴ部分の作製方法について
図８にしたがって記述する。図８（Ａ）において、石英
ガラス等の高価でない７００℃以下、例えば約６００℃
の熱処理に耐え得るガラス１００上にマグネトロンＲＦ
（高周波) スパッタ法を用いてブロッキング層１０１と
しての酸化珪素膜を１０００〜３０００Åの厚さに作製
する。プロセス条件は酸素１００％雰囲気、成膜温度１
５℃、出力４００〜８００Ｗ、圧力０．５Ｐａとした。
タ−ゲットに石英または単結晶シリコンを用いた成膜速
度は３０〜１００Å／分であった。

【００５７】この上にプラズマＣＶＤ法により珪素膜１
０２を作製した。成膜温度は２５０℃〜３５０℃で行
い、本実施例では３２０℃とし、モノシラン(SiH₄)を用
いた。モノシラン(SiH₄)に限らず、ジシラン(Si₂H₆) ま
たトリシラン(Si₃H₈) を用いてもよい。これらをＰＣＶ
Ｄ装置内に３Ｐａの圧力で導入し、１３．５６ＭＨｚの
高周波電力を加えて成膜した。この際、高周波電力は
０．０２〜０．１０Ｗ／ｃｍ²が適当であり、本実施例
では０．０５５Ｗ／ｃｍ²を用いた。また、モノシラン
(SiH₄)の流量は２０ＳＣＣＭとし、その時の成膜速度は
約１２０Å/ 分であった。この珪素膜は真性半導体で
も、また、ホウ素をジボランを用いて１×10¹⁵〜１×10
¹⁸cm^-3の濃度として成膜中に添加してもよい。またＴＦ
Ｔのチャネル領域となるシリコン層の成膜にはこのプラ
ズマＣＶＤだけでなく、スパッタ法、減圧ＣＶＤ法を用
いても良く、以下にその方法を簡単に述べる。

【００５８】スパッタ法で行う場合、スパッタ前の背圧
を１×10^-5Ｐａ以下とし、単結晶シリコンをタ−ゲット
として、アルゴンに水素を２０〜８０％混入した雰囲気
で行った。例えばアルゴン２０％、水素８０％とした。
成膜温度は１５０℃、周波数は１３．５６ＭＨｚ、スパ
ッタ出力は４００〜８００Ｗ、圧力は０．５Ｐａであっ
た。

【００５９】減圧気相法で形成する場合、結晶化温度よ
りも１００〜２００℃低い４５０〜５５０℃、例えば５
３０℃でジシラン(Si₂H₆) またはトリシラン(Si₃H₈) を
ＣＶＤ装置に供給して成膜した。反応炉内圧力は３０〜
３００Ｐａとした。成膜速度は５０〜２５０Å/ 分であ
った。

【００６０】これらの方法によって形成された被膜は、
酸素が５×10²¹cm^-3以下であることが好ましい。結晶化
を助長させるためには、酸素濃度を７×10¹⁹cm^-3以下、
好ましくは１×10¹⁹cm^-3以下とすることが望ましいが、
少なすぎると、バックライトによりオフ状態のリ−ク電
流が増加してしまうため、この濃度を選択した。この酸
素濃度が高いと、結晶化させにくく、レーザーアニ−ル
温度を高くまたはレーザーアニ−ル時間を長くしなけれ
ばならない。水素は４×10²⁰cm^-3であり、珪素４×10²²
cm^-3として比較すると１原子％であった。

【００６１】また、ソ−ス、ドレインに対してより結晶
化を助長させるため、酸素濃度を７×10¹⁹cm^-3以下、好
ましくは１×10¹⁹cm^-3以下とし、ピクセル構成するＴＦ
Ｔのチャネル形成領域のみに酸素をイオン注入法により
５×10²⁰〜５×10²¹cm^-3となるように添加してもよい。
上記方法によって、アモルファス状態の珪素膜を５００
〜５０００Å、本実施例では１０００Åの厚さに成膜し
た。

【００６２】その後、フォトレジスト１０３をマスクＰ
１を用いてＮＴＦＴのソース・ドレイン領域となるべき
領域のみ開孔したパターンを形成した。そして、レジス
ト１０３をマスクとして、リンイオンをイオン注入法に
より、２×１０¹⁴〜５×１０¹⁶ｃｍ^-2、好ましくは２×
１０¹⁶ｃｍ^-2だけ、注入し、ｎ型不純物領域１０４を形
成した。その後、レジスト１０３は除去された。

【００６３】その後、図８（Ｂ）に示すように、珪素膜
１０２上に、厚さ５０〜３００ｎｍ、例えば、１００ｎ
ｍの酸化珪素被膜１０７を、上記のＲＦスパッタ法によ
って形成した。そして、ＸｅＣｌエキシマレーザーを用
いて、ソース・ドレイン・チャネル領域をレーザーアニ
ールによって、結晶化・活性化した。この時のレーザー
エネルギーは、閾値エネルギーが１３０ｍＪ／ｃｍ
²で、膜厚全体が溶融するには２２０ｍＪ／ｃｍ²が必
要となる。しかし、最初から２２０ｍＪ／ｃｍ²以上の
エネルギーを照射すると、膜中に含まれる水素が急激に
放出されるために、膜の破壊が起きる。そのために低エ
ネルギーで最初に水素を追い出した後に溶融させる必要
がある。本実施例では最初１５０ｍＪ／ｃｍ²で水素の
追い出しを行なった後、２３０ｍＪ／ｃｍ²で結晶化を
おこなった。さらに、レーザーアニール終了後は酸化珪
素膜１０７は取り去った。

【００６４】また、この結晶化は、その他に熱アニール
法によりおこなうことも可能である。その際には、４５
０〜７００度Ｃの温度、好ましくは５５０〜６００度Ｃ
の温度で、１２〜７０時間、例えば２４時間、非酸化性
雰囲気、例えば、水素あるいは窒素雰囲気、にて加熱処
理をおこなえばよい。

【００６５】その後、フォトマスクＰ３によって、アイ
ランド状のＮＴＦＴ領域１１１を形成した。この上に酸
化珪素膜１０８をゲイト絶縁膜として５００〜２０００
Å例えば１０００Åの厚さに形成した。これはブロッキ
ング層としての酸化珪素膜の作製と同一条件とした。こ
の成膜中に弗素を少量添加し、ナトリウムイオンの固定
化をさせてもよい。

【００６６】この後、この上側にリンが１〜５×10²¹cm
^-3の濃度に入ったシリコン膜またはこのシリコン膜とそ
の上にモリブデン(Mo)、タングステン(W),MoSi₂または
WSi₂との多層膜を形成した。これを第４のフォトマスク
Ｐ４にてパタ−ニングして、図７(D) に示すように、Ｎ
ＴＦＴ用のゲイト電極１０９を形成した。例えばチャネ
ル長７μｍ、ゲイト電極としてリンド−プ珪素を０．２
μｍ、その上にモリブデンを０．３μｍの厚さに形成し
た。図には示されていないが、実施例１の場合と同様に
ゲイト配線とそれに平行な配線も形成した。

【００６７】この配線の材料としては、上記の材料以外
にも、例えばアルミニウム（Ａｌ）を用いることも可能
である。アルミニウムを用いた場合、これを第４のフォ
トマスクＰ４にてパタ−ニング後、その表面を陽極酸化
することで、セルファライン工法が適用可能なため、ソ
ース・ドレインのコンタクトホールをよりゲートに近い
位置に形成することが出来るため、移動度、スレッシュ
ホールド電圧の低減からさらにＴＦＴの特性を上げるこ
とができる。

【００６８】さらに、図８（Ｅ）において、層間絶縁物
１１３を前記したスパッタ法により酸化珪素膜の形成と
して行った。この酸化珪素膜の形成はＬＰＣＶＤ法、光
ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法を用いてもよい。例えば０．２
〜０．６μｍの厚さに形成し、その後、第５のフォトマ
スクＰ５を用いて電極用の窓１１７を形成した。その
後、さらに、これら全体にアルミニウムを０．３μｍの
厚みにスパッタ法により形成し第６のフォトマスクＰ６
を用いてリ−ド１１６およびコンタクト１１４を作製し
た後、表面を平坦化用有機樹脂１１９、例えば透光性ポ
リイミド樹脂を塗布形成し、再度の電極穴あけを第７の
フォトマスクＰ７にて行った。さらに、これら全体にＩ
ＴＯ（インジウム酸化錫）を０．１μｍの厚みにスパッ
タ法により形成し第８のフォトマスクＰ８を用いて画素
電極１１８を形成した。このＩＴＯは室温〜１５０℃で
成膜し、２００〜４００℃の酸素または大気中のアニ−
ルにより成就した。

【００６９】以上のようにして得られたＴＦＴの電気的
な特性は移動度は９０（cm²/Vs）、Ｖthは４．８（Ｖ）
であった。

【００７０】上記の様な方法に従って作製された液晶電
気光学装置用の一方の基板を得ることが出来た。他方の
基板の作製方法は実施例１と同じであるので省略する。
その後、前記第一の基板と第二の基板によって、ネマチ
ック液晶組成物を挟持し、周囲をエポキシ性接着剤にて
固定した。基板上のリードにＴＡＢ形状の駆動ＩＣと共
通信号、電位配線を有するＰＣＢを接続し、外側に偏光
板を貼り、透過型の液晶電気光学装置を得た。これと冷
陰極管を３本配置した後部照明装置、テレビ電波を受信
するチューナーを接続し、壁掛けテレビとして完成させ
た。従来のＣＲＴ方式のテレビと比べて、平面形状の装
置となったために、壁等に設置することも出来るように
なった。この液晶テレビの動作は図２に示したものと、
実質的に同等な信号を液晶画素に印加することにより、
１２８階調の表示が可能であることが確認された。

【００７１】

【発明の効果】本発明では、従来のアナログ方式の階調
表示に対し、デジタル方式の階調表示を行うことを特徴
としている。その効果として、例えば６４０×４００ド
ットの画素数を有する液晶電気光学装置を想定したばあ
い、合計２５６，０００個のＴＦＴすべての特性をばら
つき無く作製することは、非常に困難を有し、現実的に
は量産性、歩留りを考慮すると、１６階調表示が限界と
考えられているのに対し、本発明のように、全くアナロ
グ的な信号を加えることなく純粋にデジタル制御のみで
階調表示することにより、２５６階調表示以上の階調表
示が可能となった。完全なデジタル表示であるので、Ｔ
ＦＴの特性ばらつきによる階調の曖昧さは全くなくな
り、したがって、ＴＦＴのばらつきが少々あっても、極
めて均質な階調表示が可能であった。したがって、従来
はばらつきの少ないＴＦＴを得るために極めて歩留りが
悪かったのに対し、本発明によって、ＴＦＴの歩留りが
さほど問題とされなくなったため、ＴＦＴの歩留りは向
上し、作製コストも著しく抑えることができた。

【００７２】例えば６４０×４００ドットの２５６，０
００組のＴＦＴを３００ｍｍ角に作成した液晶電気光学
装置に対し通常のアナログ的な階調表示を行った場合、
ＴＦＴの特性ばらつきが約±１０％存在するために、１
６階調表示が限界であった。しかしながら、本発明によ
るデジタル階調表示をおこなった場合、ＴＦＴ素子の特
性ばらつきの影響を受けにくいために、２５６階調表示
まで可能になりカラー表示ではなんと１６，７７７，２
１６色の多彩であり微妙な色彩の表示が実現できてい
る。テレビ映像の様なソフトを映す場合、例えば同一色
からなる『岩』でもその微細な窪み等から微妙に色合い
が異なる。自然の色彩に近い表示を行おうとした場合、
１６階調では困難を要する。本発明による階調表示によ
って、これらの微細な色調の変化を付けることが可能に
なった。

【００７３】本発明の実施例では、シリコンを用いたＴ
ＦＴを中心に説明を加えたが、ゲルマニウムを用いたＴ
ＦＴも同様に使用できる。とくに、単結晶ゲルマニウム
の電子移動度は３６００ｃｍ²／Ｖｓ、ホール移動度は
１８００ｃｍ²／Ｖｓと、単結晶シリコンの値（電子移
動度で１３５０ｃｍ²／Ｖｓ、ホール移動度で４８０ｃ
ｍ²／Ｖｓ）の特性を上回っているため、高速動作が要
求される本発明を実行する上で極めて優れた材料であ
る。また、ゲルマニウムは非晶質状態から結晶状態へ遷
移する温度がシリコンに比べて低く、低温プロセスに向
いている。また、結晶成長の際の核発生率が小さく、し
たがって、一般に、多結晶成長させた場合には大きな結
晶が得られる。このようにゲルマニウムはシリコンと比
べても遜色のない特性を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による駆動波形の例を示す。

【図２】本発明による駆動波形の例を示す。

【図３】本発明による駆動波形の例を示す。

【図４】本発明によるマトリクス構成の例を示す。

【図５】実施例による素子の平面構造を示す。

【図６】実施例によるＴＦＴのプロセスを示す。

【図７】実施例によるカラーフィルターの工程を示
す。

【図８】実施例によるＴＦＴのプロセスを示す。

【図９】保護回路の接続例を示す。

【図１０】保護回路の例を示す。

【図１１】保護回路の例を示す。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成５年７月３０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による駆動波形の例を示す。

【図２】本発明による駆動波形の例を示す。

【図３】本発明による駆動波形の例を示す。

【図４】本発明によるマトリクス構成の例を示す。

【図５】実施例による素子の平面構造を示す。

【図６】実施例によるＴＦＴのプロセスを示す。

【図７】実施例によるＴＦＴのプロセスを示す。

【図８】実施例によるカラーフィルターの工程を示
す。

【図９】実施例によるＴＦＴのプロセスを示す。

【図１０】保護回路の接続例を示す。

【図１１】保護回路の例を示す。

【図１２】保護回路の例を示す。

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図８】

【図１１】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

【図１２】

【図７】

【図９】

【図１０】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者竹村保彦神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、Ｎ本の信号線Ｘ_1,Ｘ_2,..Ｘ_n,..
Ｘ_Nと、それに直交するＭ本の信号線Ｙ_1,Ｙ_2,..Ｙ_m,..
Ｙ_Mとによってマトリクス状に形成された配線と、各マ
トリクスの交差点領域には、少なくとも１つのＮチャネ
ル型薄膜トランジスタあるいは、Ｐチャネル型薄膜トラ
ンジスタと、各信号線の交差点領域に設けられた画素Ｚ
_11,Ｚ₁₂,...Ｚ_mn,...Ｚ_MNとを有し、各薄膜トランジス
タの出力端子は各画素を構成する静電装置の電極の一方
に接続され、該薄膜トランジスターの制御電極は信号線
Ｘ_1,Ｘ₂,..Ｘ_n,..Ｘ_Nに、入力端子は信号線Ｙ_1,Ｙ_2,..
Ｙ_m,..Ｙ_Mに接続された電気光学装置において、任意の
信号線Ｘ_nに印加されるパルスにおいて、ｉ番目と（ｉ
＋１）番目のパルスの間隔は、２^i-1Ｔ₁（ｉは有限な
自然数、Ｔ₁は定数）で表されることを特徴とする電気
光学装置の画像表示方法。