JPH095795A

JPH095795A - Ｍｉｍ型非線形素子、薄膜トランジスタ、及びそれらの製造方法、並びに液晶表示装置

Info

Publication number: JPH095795A
Application number: JP15652595A
Authority: JP
Inventors: Takashi Inoue; 孝井上
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1995-06-22
Filing date: 1995-06-22
Publication date: 1997-01-10

Abstract

(57)【要約】【目的】ＭＩＭ型非線形素子の電圧印加時の電流値変化
を少なくし、それを用いた液晶表示装置の焼き付きを低
減する。薄膜トランジスタのスイッチング特性をよくす
るとともにトランジスタ特性のばらつきをを小さくし、
液晶表示装置を高画質化する。【構成】陽極酸化膜作製時の温度を４０〜１００℃にし
て、タンタル酸化膜の成長率を１．９ｎｍ／Ｖ以上にす
ることで、化成液中に存在するアニオン種の入り込む酸
化膜中領域を酸化膜厚の４５％以下にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、陽極酸化膜を用いたＭ
ＩＭ型非線形素子、薄膜トランジスタ及びそれらの製造
方法に関する。また、それらの素子を用いた液晶表示装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】陽極酸化法は、金属表面上に酸化膜を作
製する一つの方法であり、基板内に均一な膜をスループ
ットよく形成することができるため、幅広く用いられて
いる。例えば、電解コンデンサのキャパシタの作製やア
ルミニウム膜のメッキなどの分野には古くから使われて
いる。最近では、半導体の容量、薄膜トランジスタ（Ｔ
ＦＴ）のゲート絶縁膜の一部や、ＭＩＭ型非線形素子の
絶縁膜などのマイクロデバイス分野にも利用されてきて
いる。薄膜トランジスタやＭＩＭ型非線形素子を液晶駆
動用の能動（スイッチング）素子としたアクティブマト
リクス方式の液晶表示パネルは、小さくて軽くしかも消
費電力が少なくきれいなカラー表示ができるディスプレ
イとしてさまざまなところで使用されている。

【０００３】アクティブマトリクス方式の液晶表示装置
は、画素領域ごとに非線形素子を設けてマトリクスアレ
イを形成した一方の基板と、カラーフィルタが形成され
た他方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
るものである。非線形素子としては薄膜トランジスタな
どの３端子素子またはＭＩＭ型非線形素子などの２端子
素子を用いるものがある。

【０００４】ＭＩＭ型非線形素子を用いた方式は製造工
程が短いために、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有利である。
しかも、ＭＩＭ型非線形素子を用いた方式は、マトリク
スアレイを形成した一方の基板に走査線を設け、他方の
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利点もある。

【０００５】これに対して、薄膜トランジスタは書き込
み特性や保持特性に優れているために画質が優れてい
る，画素の高密度化が可能である等の利点がある。

【０００６】図３は液晶表示パネルの等価回路である
が、この図３にも示されるように、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、各画素領域３で各走査線３１と各信号線３２
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２（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
３１および信号線３２に印加された信号に基づいて、液
晶表示素子２を表示状態、非表示状態又は中間状態に切
り換えて表示動作を制御する。

【０００７】図４（ａ）に示すように、ＭＩＭ型非線形
素子１において、ＭＩＭ型非線形素子の第一の金属膜と
第二の金属膜への印加電圧Ｖ_NLと前記の２つの金属膜の
間を流れる電流Ｉ_NLとは非線形性の関係を有している。
ＭＩＭ型非線形素子１のしきい値電圧をＶ_th、液晶表示
素子２のしきい値電圧をＶ_b、表示状態となる電位を
（Ｖ_b＋△Ｖ）とすると、図４（ｂ）に示すように選択
期間では、所定の画素領域３における走査線３１と信号
線３２との間の電位差Ｖ（単位画素への印加電圧）を
（Ｖ_b＋Ｖ_th）とすることによって、液晶表示素子２を
非表示状態とする事ができ、走査線３１と信号線３２と
の間の電位差Ｖを（Ｖ_b＋Ｖ_th＋△Ｖ）とすることによ
って、液晶表示素子２を表示状態とする事ができる。一
方、非選択期間では単位画素に印加する電位Ｖを、液晶
表示素子２に残留した電位に対して概ね近接する様に設
定しその差がＭＩＭ型非線形素子のしきい値電圧Ｖ_th以
下であれば、非選択期間内でＭＩＭ型非線形素子１は常
に遮断状態となり、選択期間に定められた状態をそのま
ま維持する事になる。

【０００８】以上は、ＭＩＭ型非線形素子の容量が十分
小さく、電圧−電流特性の非線形性が十分高い理想的な
ＭＩＭ型非線形素子１を得る事ができ、ＭＩＭ型非線形
素子に信号を与える配線の抵抗が十分に低くできた場合
の最も基本的な動作例である。

【０００９】特開昭５２−１４９０９０号公報に述べら
れているような一般的な構造をＭＩＭ型非線形素子の平
面図である図２（ａ）と、ＡＡ´の断面図である図２
（ｂ）を用いて述べる。ＭＩＭ型非線形素子１は、透明
基板１１の表面側に形成され、走査線３１を介して走査
回路側に導電接続するＴａ原子を主成分とした第一の金
属膜１２と、その表面側の絶縁膜である金属酸化膜１３
と、その表面側に形成されて画素電極１５に導電接続す
るＣｒからなる第二の金属膜１４とから構成されてい
る。金属酸化膜１３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、第一
の金属膜１２の陽極酸化によって形成される。

【００１０】このようなＭＩＭ型非線形素子の製造方法
として以下に示す３つ製造方法が提案されている。第一
の方法は、特開昭６０−３０１８８号公報に開示されて
いるように、ＭＩＭ型非線形素子を構成する３層を連続
スパッタで形成する方法である。第二の方法は、特開昭
６３−４８５２８号公報に開示されているように、ＭＩ
Ｍ型非線形素子の第二の金属膜を堆積する前に、図２に
おいて絶縁膜１３をドライエッチングする方法である。
第三の方法は、特開平３−４６６３３号公報に開示され
ているように、ＭＩＭ型非線形素子の第一の金属膜を陽
極酸化して絶縁膜を形成する前に、第一の金属膜の表面
を化学的にエッチングする方法である。

【００１１】次に、薄膜トランジスタを用いたアクティ
ブマトリクス方式の液晶表示パネルにおいては、トラン
ジスタをオンオフさせたときの流れる電流値の差を大き
くとれるので、液晶表示パネルとしたときにコントラス
トを大きくできる，液晶の応答速度を速くできる等の長
所があり液晶表示装置の主流技術となりつつある。薄膜
トランジスタを駆動素子に用いた液晶表示装置は、図１
２（ａ）の平面図に示されるように走査線１２２と信号
線１２７が同一基板内に直交して配置され、その各々の
交点に半導体層１２５を設けて薄膜トランジスタを形成
し、画素電極１２８の電位を制御している。（フラット
パネルディスプレイ｀９０ｐ１４６〜１５５：日経Ｂ
Ｐ社）薄膜トランジスタを用いたアクティブマトリクス基板の
製造方法を、図１２（ａ）のＡＡ´上の断面図である図
１２（ｂ）を用いて説明する。透明基板１２１の上にゲ
ート電極となる金属膜１２２を形成後、その表面にゲー
ト絶縁膜の一部となる金属膜１２２に対する陽極酸化膜
１２３を堆積する。次に、ゲート絶縁膜をなすＳｉＮ膜
１２４とシリコン膜１２５と該シリコン膜のエッチング
ストッパーとなるＳｉＮ膜を連続で同じ装置内で堆積す
る。次に、電極となるｎ型のシリコン膜１２７を堆積し
薄膜トランジスタになるようにシリコン膜の島を形成す
る。次に、画素電極となるＩＴＯ膜１２８を形成後、Ａ
ｌなどからなる電極１２９を形成して基板が完成する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＭＩＭ型非線形素子１を用いた液晶表示パネルにおいて
は、数時間同じ絵を表示したのちに、パネル全面を同じ
色にすると前に表示していた絵が薄く見えるという問題
点があった。以後この現象を焼き付きと呼ぶことにす
る。

【００１３】この問題点を解消する手段として、特開昭
５７ー１９６５８８号公報に開示されているように、Ｍ
ＩＭ型非線形素子の酸化膜を３００℃以上に保った状態
で酸素プラズマ処理で堆積する方法があるが、この方法
では、膜厚の基板内での均一性が得られないのであまり
好ましくない。また、特開昭６３ー４８５２８号公報に
開示されているように、陽極酸化膜の上層部を除去して
から第二の金属膜を形成する方法あるが、酸化膜の除去
を基板内で均一にすることが難しい，これらの酸化膜の
除去はドライエッチングになるのでガラス基板へのダメ
ージが発生し好ましい技術ではなかった。

【００１４】また、従来の薄膜トランジスタを用いた液
晶表示パネルにおいては、薄膜トランジスタのリーク電
流が多いために点欠陥の原因になったり、信号線と走査
線の短絡を招いて線欠陥の原因になるという問題点があ
った。さらに、従来の技術で示した薄膜トランジスタ作
製プロセスでは、ゲート絶縁膜中に含まれる不純物の影
響でしきい値がずれ駆動電圧が高くなるなどの問題点も
あった。

【００１５】本発明は、簡単な工程で焼き付きのないＭ
ＩＭ型非線形素子を用いた液晶表示パネルを提供するこ
とを目的とする。

【００１６】また、本発明は、点欠陥や線欠陥がなく低
い駆動電圧の薄膜トランジスタを用いた液晶表示パネル
を提供することを目的とする。

【００１７】また、本発明は、簡単な工程で焼き付きの
ないＭＩＭ型非線形素子の製造方法を提供することを目
的とする。

【００１８】また、本発明は、点欠陥や線欠陥がなく低
い駆動電圧の薄膜トランジスタの製造方法を提供するこ
とを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】請求項１のＭＩＭ型非線
形素子の製造方法は、金属膜を製造する金属膜製造工程
と、該金属膜を陽極酸化して１．９ｎｍ／Ｖ以上の成長
率で絶縁膜を製造する絶縁膜製造工程と、導電膜を製造
する導電膜製造工程と、を有することを特徴とする。

【００２０】請求項２のＭＩＭ型非線形素子の製造方法
は、金属膜を製造する金属膜製造工程と、該金属膜を４
０℃以上１００℃以下の温度の化成液中で陽極酸化して
絶縁膜を製造する絶縁膜製造工程と、導電膜を製造する
導電膜製造工程と、を有することを特徴とする。

【００２１】請求項３のＭＩＭ型非線形素子の製造方法
は、金属膜を製造する金属膜製造工程と、該金属膜を４
０℃以上１００℃以下の温度の化成液中で陽極酸化して
１．９ｎｍ／Ｖ以上の成長率で絶縁膜を製造する絶縁膜
製造工程と、導電膜を製造する導電膜製造工程と、を有
することを特徴とする。

【００２２】請求項４のＭＩＭ型非線形素子の製造方法
は、エチレングリコールを用いた溶媒中で前記絶縁膜製
造工程を行うことを特徴とする。

【００２３】請求項５のＭＩＭ型非線形素子の製造方法
は、５０℃以上８０℃以下の温度の化成液中で前記絶縁
膜製造工程を行うことを特徴とする。

【００２４】請求項６のＭＩＭ型非線形素子の製造方法
は、前記絶縁膜製造工程は、前記金属膜を陽極酸化し
て、陽極酸化の化成液中に含まれるアニオン種を含む領
域の厚みがその膜厚の４５％以下である絶縁膜を製造す
ることを特徴とする。

【００２５】請求項７のＭＩＭ型非線形素子は、上記し
た請求項１乃至請求項６のいずれかの請求項に記載のＭ
ＩＭ型非線形素子の製造方法によって製造されたことを
特徴とする。

【００２６】請求項８のＭＩＭ型非線形素子は、金属膜
と、該金属膜を陽極酸化して得られる絶縁膜であって陽
極酸化の化成液中に含まれるアニオン種を含む領域の厚
みがその膜厚の４５％以下である絶縁膜と、導電膜と、
を積層した構造を有することを特徴とする。

【００２７】請求項９のＭＩＭ型非線形素子は、前記金
属膜がタンタル原子を含む金属膜であることを特徴とす
る。

【００２８】請求項１０のＭＩＭ型非線形素子は、前記
金属膜が配線膜をも兼ねていることを特徴とする。

【００２９】請求項１１の液晶表示装置は、上記した請
求項７乃至請求項１０のいずれかの請求項に記載のＭＩ
Ｍ型非線形素子をスイッチング素子として用いたことを
特徴とする。

【００３０】請求項１２の薄膜トランジスタの製造方法
は、ゲート金属膜を製造するゲート金属膜製造工程と、
該ゲート金属膜を陽極酸化して１．９ｎｍ／Ｖ以上の成
長率でゲート絶縁膜を製造するゲート絶縁膜製造工程
と、シリコン膜を製造するシリコン膜製造工程と、を有
することを特徴とする。

【００３１】請求項１３の薄膜トランジスタの製造方法
は、ゲート金属膜を製造するゲート金属膜製造工程と、
該ゲート金属膜を４０℃以上１００℃以下の温度の化成
液中で陽極酸化してゲート絶縁膜を製造するゲート絶縁
膜製造工程と、シリコン膜を製造するシリコン膜製造工
程と、を有することを特徴とする。

【００３２】請求項１４の薄膜トランジスタの製造方法
は、ゲート金属膜を製造するゲート金属膜製造工程と、
該ゲート金属膜を４０℃以上１００℃以下の温度の化成
液中で陽極酸化して１．９ｎｍ／Ｖ以上の成長率でゲー
ト絶縁膜を製造するゲート絶縁膜製造工程と、シリコン
膜を製造するシリコン膜製造工程と、を有することを特
徴とする。

【００３３】請求項１５の薄膜トランジスタの製造方法
は、エチレングリコールを用いた溶媒中で前記ゲート絶
縁膜製造工程を行うことを特徴とする。

【００３４】請求項１６の薄膜トランジスタの製造方法
は、５０℃以上８０℃以下の温度の化成液中で前記ゲー
ト絶縁膜製造工程を行うことを特徴とする。

【００３５】請求項１７の薄膜トランジスタの製造方法
は、前記ゲート絶縁膜製造工程は、前記金属膜を陽極酸
化して、陽極酸化の化成液中に含まれるアニオン種を含
む領域の厚みがその膜厚の４５％以下であるゲート絶縁
膜を製造することを特徴とする。

【００３６】請求項１８の薄膜トランジスタは、上記し
た請求項１２乃至請求項１７のいずれかの請求項に記載
の薄膜トランジスタの製造方法によって製造されたこと
を特徴とする。

【００３７】請求項１９の薄膜トランジスタは、金属膜
と、該金属膜を陽極酸化して得られる絶縁膜であって陽
極酸化の化成液中に含まれるアニオン種を含む領域の厚
みがその膜厚の４５％以下であるゲート絶縁膜と、シリ
コン膜と、を積層した構造を有することを特徴とする。

【００３８】請求項２０の薄膜トランジスタは、前記金
属膜がタンタル原子を含む金属膜であることを特徴とす
る。

【００３９】請求項２１の薄膜トランジスタは、前記金
属膜が配線膜をも兼ねていることを特徴とする。

【００４０】請求項２２の液晶表示装置は、上記した請
求項１８乃至請求項２１のいずれかの請求項に記載の薄
膜トランジスタをスイッチング素子として用いたことを
特徴とする。

【００４１】

【作用】出願人は、ＭＩＭ型非線形素子をスイッチング
素子として用いた液晶表示パネルの焼き付きの原因を調
査したところ、焼き付き現象は、ＭＩＭ型非線形素子の
第一の金属層と第二の金属層との間に電圧を印加すると
流れる電流値がその電圧印加時間とともに増加していく
ことと関連があることが明らかになった。すなわち、長
時間（１時間以上）液晶表示パネルで表示していた部分
と未表示の部分とでは、ＭＩＭ型非線形素子の電圧−電
流特性が異なり、同じ色をだしてもコントラストが異な
ってしまい、その結果、焼き付き現象として認識される
のである。

【００４２】さらに、出願人は、ＭＩＭ型非線形素子の
第一の金属層と第二の金属層との間に電圧を印加すると
流れる電流値がその電圧印加時間とともに増加していく
原因を調べたところ、陽極酸化膜の膜質と関係があるこ
とを確認した。すなわち、出願人がＴａの陽極酸化膜の
膜質を調査したところ、図１に示されるように、含まれ
る元素の異なる２層構造を有していることが確認され
た。このことは、表面技術４３（１９９２）１７０に記
されているように、膜質の異なった２層構造をした膜に
なるＡｌの陽極酸化膜の場合と同様である。図１では、
第一の金属膜または走査線となる金属膜を１２で表し、
１２に対する陽極酸化膜を１３で表し、そのうち金属膜
１２に近い側の化成液中に存在するアニオン種が含まれ
ない部分を１３ａ，表面側でアニオン種が含まれる部分
を１３ｂで表している。そして、ＭＩＭ型非線形素子に
この陽極酸化膜を用いる際には、アニオン種が含まれて
いない部分１３ａの膜厚を厚くすると、電圧を印加して
も電流値の変化が小さくなることがわかった。

【００４３】請求項１のＭＩＭ型非線形素子の製造方法
は、金属膜を製造する金属膜製造工程と、該金属膜を陽
極酸化して１．９ｎｍ／Ｖ以上の成長率で絶縁膜を製造
する絶縁膜製造工程と、導電膜を製造する導電膜製造工
程と、を有するため、陽極酸化膜中にアニオン種が取り
込まれる領域の厚みを絶縁膜の膜厚の４５％以下にで
き、その結果、電圧印加時の電流値変化の少ないＭＩＭ
型非線形素子を製造することができる。

【００４４】請求項２のＭＩＭ型非線形素子の製造方法
は、金属膜を製造する金属膜製造工程と、該金属膜を４
０℃以上１００℃以下の温度の化成液中で陽極酸化して
絶縁膜を製造する絶縁膜製造工程と、導電膜を製造する
導電膜製造工程と、を有するため、陽極酸化膜中にアニ
オン種が取り込まれる領域の厚みを絶縁膜の膜厚の４５
％以下にでき、その結果、電圧印加時の電流値変化の少
ないＭＩＭ型非線形素子を製造することができる。

【００４５】請求項３のＭＩＭ型非線形素子の製造方法
は、金属膜を製造する金属膜製造工程と、該金属膜を４
０℃以上１００℃以下の温度の化成液中で陽極酸化して
１．９ｎｍ／Ｖ以上の成長率で絶縁膜を製造する絶縁膜
製造工程と、導電膜を製造する導電膜製造工程と、を有
することであるから、請求項１，２の記載の製造方法よ
りもアニオン種が取り込まれる領域の厚みを薄くするこ
とができ、その結果、電圧印加時の電流値変化の少ない
ＭＩＭ型非線形素子を製造することができる。

【００４６】請求項４のＭＩＭ型非線形素子の製造方法
は、エチレングリコールを用いた溶媒中で前記絶縁膜製
造工程を行うため、一定時間ＭＩＭ型非線形素子に電圧
を印加した際に生じる電流値変化を効果的に抑制するこ
とができる。

【００４７】請求項５のＭＩＭ型非線形素子の製造方法
は、５０℃以上８０℃以下の温度の化成液中で前記絶縁
膜製造工程を行うため、アニオン種の取り込み量を一定
にして、陽極酸化溶液の蒸発を少なくし、製造マージン
を大きくできるという作用を有する。

【００４８】請求項６のＭＩＭ型非線形素子の製造方法
は、前記絶縁膜製造工程は、前記金属膜を陽極酸化し
て、陽極酸化の化成液中に含まれるアニオン種を含む領
域の厚みがその膜厚の４５％以下である絶縁膜を製造す
る工程を有するため、電圧を印加した際に生じる電流値
変化の少ないＭＩＭ型非線形素子を製造することができ
る。

【００４９】請求項７のＭＩＭ型非線形素子は、上記し
た請求項１乃至請求項６のいずれかの請求項に記載のＭ
ＩＭ型非線形素子の製造方法によって製造されたもので
あるため、電圧を印加した際に生じる電流値変化の少な
いＭＩＭ型非線形素子であり、液晶表示装置のスイッチ
ング素子として用いたときには、焼き付き現象を起きに
くくすることができる。

【００５０】請求項８のＭＩＭ型非線形素子は、金属膜
と、該金属膜を陽極酸化して得られる絶縁膜であって陽
極酸化の化成液中に含まれるアニオン種を含む領域の厚
みがその膜厚の４５％以下である絶縁膜と、導電膜と、
を積層した構造を有するため、電圧を印加した際に生じ
る電流値変化の少ないＭＩＭ型非線形素子であり、液晶
表示装置のスイッチング素子として用いたときには、焼
き付き現象を起きにくくすることができる。、請求項９
のＭＩＭ型非線形素子は、前記金属膜がタンタル原子を
含む金属膜であるため、液晶を駆動するに適した電圧−
電流特性を有するとともに、その陽極酸化膜も安定かつ
均一で、破壊されにくい。

【００５１】請求項１０のＭＩＭ型非線形素子は、前記
金属膜が配線膜をも兼ねているため、ＭＩＭ型非線形素
子の製造工程を短くできるという作用を有する。

【００５２】請求項１１の液晶表示装置は、上記した請
求項７乃至請求項１０のいずれかの請求項に記載のＭＩ
Ｍ型非線形素子をスイッチング素子として用いたため、
焼き付き現象の少ない、例えば１時間以上の長時間、表
示していても焼き付きが認識されない優れた液晶表示装
置である。

【００５３】また、配線膜と兼用するゲート金属膜−該
ゲート金属膜の陽極酸化膜を含むゲート絶縁膜−シリコ
ン層からなる逆スタガード構造の薄膜トランジスタにお
いても、陽極酸化の化成液中に存在するアニオン種が含
まれる領域は、該絶縁膜の厚さの４５％以下である薄膜
トランジスタを作製すれば、絶縁膜の絶縁特性を向上さ
せることができる。図１のように、ゲート絶縁膜や走査
線と信号線の層間絶縁膜を走査線１２の陽極酸化膜１３
とした場合、アニオン種がない部分１３ａの膜厚が厚く
なれば、走査線と信号線の短絡を減少させることがで
き、あわせてゲート絶縁膜の不純物を減らしたことによ
り、電圧ー電流特性のしきい値を小さくでき駆動電圧の
低減を図ることができる。陽極酸化膜でアニオン種が含
まれない部分１３ａの膜厚を厚くする方法は、陽極酸化
時の温度を高くするか、酸化膜の成長率を大きくすると
達成されることもわかった。具体的には、陽極酸化の化
成液中に含まれるアニオン種が含まれない領域を陽極酸
化膜の厚さの半分以上の厚さにするためには、化成時の
温度を４０℃以上にするか酸化膜の成長率を１．９ｎｍ
／Ｖ以上にすると達成できる。

【００５４】請求項１２の薄膜トランジスタの製造方法
は、ゲート金属膜を製造するゲート金属膜製造工程と、
該ゲート金属膜を陽極酸化して１．９ｎｍ／Ｖ以上の成
長率でゲート絶縁膜を製造するゲート絶縁膜製造工程
と、シリコン膜を製造するシリコン膜製造工程と、を有
するため、陽極酸化膜中にアニオン種が取り込まれる領
域を、膜厚の４５％以下にでき、その結果、絶縁性の低
下を抑制することができ、その結果、絶縁膜の膜厚を小
さくでき低しきい値の薄膜トランジスタを製造すること
ができる。

【００５５】請求項１３の薄膜トランジスタの製造方法
は、ゲート金属膜を製造するゲート金属膜製造工程と、
該ゲート金属膜を４０℃以上１００℃以下の温度の化成
液中で陽極酸化してゲート絶縁膜を製造するゲート絶縁
膜製造工程と、シリコン膜を製造するシリコン膜製造工
程と、を有するため、陽極酸化膜中にアニオン種が取り
込まれる領域を、膜厚の４５％以下にでき、その結果、
絶縁性の低下を抑制することができ、その結果、絶縁膜
の膜厚を小さくでき低しきい値の薄膜トランジスタを製
造することができる。

【００５６】請求項１４の薄膜トランジスタの製造方法
は、ゲート金属膜を製造するゲート金属膜製造工程と、
該ゲート金属膜を４０℃以上１００℃以下の温度の化成
液中で陽極酸化して１．９ｎｍ／Ｖ以上の成長率でゲー
ト絶縁膜を製造するゲート絶縁膜製造工程と、シリコン
膜を製造するシリコン膜製造工程と、を有することであ
るから、請求項１２，１３の記載の製造方法よりもアニ
オン種が取り込まれる領域を少なくすることができ、そ
の結果、絶縁性の低下を抑制することができ、その結
果、絶縁膜の膜厚を小さくでき低しきい値の薄膜トラン
ジスタを製造することができる。

【００５７】請求項１５の薄膜トランジスタの製造方法
は、エチレングリコールを用いた溶媒中で前記ゲート絶
縁膜製造工程を行うため、一定時間駆動した時のしきい
値のずれ効果的に抑制することができる。

【００５８】請求項１６の薄膜トランジスタの製造方法
は、５０℃以上８０℃以下の温度の化成液中で前記ゲー
ト絶縁膜製造工程を行うため、アニオン種の取り込み量
を一定にして、陽極酸化溶液の蒸発を少なくし、製造マ
ージンを大きくできる。

【００５９】請求項１７の薄膜トランジスタの製造方法
は、前記金属膜を陽極酸化して、陽極酸化の化成液中に
含まれるアニオン種を含む領域の厚みがその膜厚の４５
％以下であるゲート絶縁膜を製造するゲート絶縁膜製造
工程を有するため、絶縁膜の絶縁性の低下を抑制するこ
とができ、その結果、絶縁膜の膜厚を小さくでき低しき
い値の薄膜トランジスタを製造することができる。

【００６０】請求項１８の薄膜トランジスタは、上記し
た請求項１２乃至請求項１７のいずれかの請求項に記載
の薄膜トランジスタの製造方法によって製造されたた
め、絶縁膜の絶縁性が高く、その結果、絶縁膜の膜厚を
小さくでき低しきい値の薄膜トランジスタである。

【００６１】請求項１９の薄膜トランジスタは、金属膜
と、該金属膜を陽極酸化して得られる絶縁膜であって陽
極酸化の化成液中に含まれるアニオン種を含む領域の厚
みがその膜厚の４５％以下であるゲート絶縁膜と、シリ
コン膜と、を積層した構造を有するため、絶縁膜の絶縁
性が高く、その結果、絶縁膜の膜厚を小さくでき低しき
い値の薄膜トランジスタである。

【００６２】請求項２０の薄膜トランジスタは、前記金
属膜がタンタル原子を含む金属膜であるため、耐薬品性
に優れ、その陽極酸化膜も安定かつ均一で、破壊しにく
い。

【００６３】請求項２１の薄膜トランジスタは、前記金
属膜が配線膜をも兼ねているため、薄膜トランジスタの
製造工程を短くでき、安価な薄膜トランジスタである。

【００６４】請求項２２の液晶表示装置は、上記した請
求項１８乃至請求項２１のいずれかの請求項に記載の薄
膜トランジスタをスイッチング素子として用いたため、
点欠陥、線欠陥ともに少なく、駆動電圧の小さい優れた
液晶表示装置である。

【００６５】

【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。

【００６６】実施例１では陽極酸化膜中のアニオン種が
含まれない部分を厚くする方法を述べ、実施例２では前
記陽極酸化膜を用いたＭＩＭ型非線形素子およびそれを
用いた液晶表示パネルの優れた点を述べ、実施例３では
前記陽極酸化膜を用いた薄膜トランジスタおよびそれを
用いた液晶表示パネルの優れている点を述べる。

【００６７】〔実施例１〕陽極酸化が可能な金属は、タ
ンタル（Ｔａ），アルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔ
ｉ），亜鉛（Ｚｎ），ニオブ（Ｎｂ），ジルコニウム
（Ｚｒ），ハフニウム（Ｈｆ）などがあり、これらの陽
極酸化膜は図１のように、化成液中の酸素が酸化膜中を
通って金属膜１２と反応して生成される部分の１３ａ
（膜厚ｌ₂：金属膜１２の元素と酸素だけで構成されて
いる部分）と金属原子が酸化膜中を通って化成液中の酸
素と反応して生成される部分の１３ｂ（膜厚ｌ₁：金属
膜１２の元素と酸素および化成液中に含まれるアニオン
種で構成されている部分）ができる。前記金属は同じ条
件で陽極酸化しても、膜厚ｌ₁と膜厚ｌ₂の比が異なるの
で、以下に各々の金属について成膜方法を述べる。陽極
酸化は図５のように基板を液層の中に入れて素子基板を
プラスにし、対向基板をマイナスの電位にする。図５
（ａ）は初期状態で、酸化が終了すると図５（ｂ）のよ
うに浴槽に浸されている金属膜表面は酸化される。５１
は陰極で、１１はガラス基板，１２は金属膜，１３は作
製された陽極酸化膜である。陽極酸化方法は最初に低電
流法で行い、定電圧印加状態になってからは３０分〜４
時間ぐらい放置した。

【００６８】まず第一に、Ｔａ原子を９０ｗｔ％以上含
んだ金属膜（純粋なＴａ膜も含む）について述べる。図
６は、横軸を陽極酸化膜の化成温度にし、縦軸に単位電
圧当たりの酸化膜の成長率を示したものです。化成液の
温度が、０〜４０℃では成長率は大きくなるが４０℃を
越えると変化は少なくなる。４０℃以上で陽極酸化した
ときの酸化膜の成長率は１．９ｎｍ／Ｖ以上である。０
℃以下では、溶液が凍ってしまい酸化膜を作製できなく
なり、１００℃を越えると溶液の濃度を十分に制御でき
なくなり好ましくない。

【００６９】図７は横軸を陽極酸化膜の化成温度にし、
縦軸に酸化膜の比誘電率を示したものです。比誘電率
は、ＪＪＡＰ３０（１９９１）３７２９にあるように
低温ではかなり小さくなるが、本発明では、２３℃以上
の化成温度ではほぼ一定になり、室温以上の温度で陽極
酸化することによって変化することはない。

【００７０】ところで、ＭＩＭ型非線形素子の電圧−電
流特性は以下に示すプールフレンケルの伝導式で近似さ
れている。

【００７１】

【数１】

【００７２】つまり、β値は２３℃以上の温度で陽極酸
化すれば化成電圧を変化させて膜厚を調節すればεも一
定となり他の値はすべて定数であるので一定値となり電
圧−電流特性は変化することはない。

【００７３】図８は横軸を陽極酸化膜の化成温度にし、
縦軸をｌ₁／酸化膜膜厚（ｌ₁＋ｌ₂）の比を示したもの
である。化成温度が高くなるほど純粋な酸化膜部分の膜
厚が厚くなっている様子がわかる。純粋な酸化膜の割合
を大きくすると酸化膜の成長率も速くなっていることが
わかる。

【００７４】ここで、不純物として含まれる元素は、タ
ングステン，シリコン，ニオブ，モリブデン，アルミニ
ウムなどである。これらの元素が１０％以内で含まれる
と電圧−電流特性が変化しうるが、ｌ₁／酸化膜膜厚の
比には影響を及ぼさない。また、陽極酸化時の電流密度
をあまりに大きくすると、膜質が変化してｌ₁とｌ₂の境
界がはっきりしなくなることがある。具体的には、１ｍ
Ａ／ｃｍ²以下の電流密度で陽極酸化を行えば同じ膜質
になりｌ₁／酸化膜膜厚の比には影響を及ぼさない。以
上のように、陽極酸化時の温度を４０℃以上にするか陽
極酸化膜の成長率を１．９ｎｍ／Ｖ以上にすればｌ₁／
ｌ₁＋ｌ₂を４５％以下にすることができる。

【００７５】第二に、Ｔａ原子を９０％以上含んだ金属
膜以外について述べる。陽極酸化膜の化成温度と純粋な
酸化膜の割合は、Ｔａ原子を含んだ金属膜と同様で図８
のような傾向を示す。例えば、Ａｌ原子を含んだ金属膜
の場合は、化成温度が８０℃以上で純粋な酸化膜の割合
がほとんど変化しなくなる。Ｔｉ、Ｎｂ原子を９０％以
上含んだ金属膜は、Ｔａ原子を９０％以上含んだ金属膜
と同様の傾向を示す。

【００７６】以上は、陽極酸化の溶媒として水を用いた
ものであるが、有機溶媒を用いても同様の結果が得られ
る。有機溶媒のなかで安定した酸化膜を作製できるの
は、エチレングリコールになる。

【００７７】〔実施例２〕以下では、Ｔａ原子を９０％
以上含んだ金属膜を第一の金属膜とし第二の金属膜をＩ
ＴＯ膜にしたＭＩＭ型非線形素子と、これを用いた液晶
表示パネルの特徴を述べる。図９は横軸をｌ₁／酸化膜
膜厚にして、縦軸を液晶が全面書き込みの状態で１／２
５７デューティーにし１００時間駆動したとき、保持期
間にリーク電流（素子に４Ｖ印加したときに流れる電流
値）として流れる量の駆動前後での電流値の変化をプロ
ットしたものである。室温で陽極酸化したＭＩＭ型非線
形素子（ｌ₁／酸化膜厚が０．５）は、リーク電流が１
００時間駆動すると初期状態の３６倍になるが、３８℃
以上（ｌ₁／酸化膜厚が０．４５以下）で陽極酸化する
と５倍程度とかなり改善される。ここでは、第二の金属
膜にＩＴＯ膜という透明導電膜を用いたが、金属膜にす
ると１００時間駆動後の電流値は初期値の数％増加と少
なくなるが、化成温度を高くするとその増加量は小さく
なる。

【００７８】次に、リーク電流の増加が少なくなると液
晶表示パネルにどのような効果をもたらすかを説明す
る。（液晶のモードはノーマリーホワイトとする）液晶表示パネルを駆動していて、リーク電流が増加する
ということは、ＭＩＭ型非線形素子の素子抵抗が小さく
なることを意味する。さて、図１０のような画面の中心
にある四角形１０１を黒（液晶をオン状態）にし、周辺
部１０２を白（液晶をオフ状態）にした表示を続ける
と、四角形１０１部分のＭＩＭ型非線形素子の抵抗は周
辺部１０２よりも低くなる。このとき四角形１０１にあ
るＭＩＭ型非線形素子の電圧−電流特性は周辺部１０２
よりも低抵抗になり、より小さな電圧で液晶を制御する
のに必要な情報を書き込めることになる。この後全面に
同じ絵を表示しても四角形１０１の部分が周辺部１０２
より少し黒くなって焼き付きとして認識されることにな
る。

【００７９】ＭＩＭ型非線形素子のリーク電流の増加に
起因する焼き付きは、前記リーク電流の増加率を小さく
して焼き付きを見えなくする方法で対応した。上述した
リーク電流の増加率を小さくすると、同じ絵を表示して
いても焼き付きが認識されるまでの時間を長くできる。
例えば、１００時間駆動したときに、リーク電流の増加
が３６倍（室温で陽極酸化した場合）になると、１０分
同じ絵を表示していると焼き付きが認識されるが、５倍
ならば１時間同じ絵を表示したときに焼き付きが認識さ
れる。

【００８０】上述のように、１時間同じ絵を表示して焼
き付きが認識できる程度であれば、パソコンのモニター
として液晶表示パネルを用いるときには、焼き付き防止
用のソフトを走らせるようにすれば、焼き付きを防止で
きる。また、前記ＭＩＭ型非線形素子を用いた液晶表示
パネルを使用する前に１０時間程度全面同じ色の絵を表
示しておけば、１０００時間の使用で初めて焼き付きが
認識されるようになった。このように、金属酸化膜１３
を陽極酸化法で作製するときの温度を４０℃以上にした
り、酸化膜の成長率を１．９ｎｍ／Ｖ以上にして、不純
物のない酸化膜の膜厚の割合を５５％以上にすれば、１
００時間駆動したときの電流値の増加を５倍以内にする
ことができ、少しの工夫で焼き付きが発生しない液晶表
示パネルを作製することができる。以上は、ＭＩＭ型非
線形素子の第一の金属膜をＴａ原子を９０％以上含む金
属膜を用いた場合であるが、他の金属膜でも定性的には
同様の傾向がある。さらに、第二の金属膜はＩＴＯ膜の
場合について述べたが、他の金属膜を用いると電流値の
増加は小さくなるので、焼き付きが認識されるまでの時
間が長くなる。

【００８１】次に、陽極酸化の化成液溶媒にエチレング
リコールを用いる場合について述べる。水溶液を用いる
ときとは異なった振る舞いをするところがある。特徴と
して、図１１に示すように一定時間駆動（１０時間前
後）するとリーク電流の増加が無くなる。陽極酸化時の
温度は５０℃以上にしたときに前記の効果が現れ、温度
の上限は、溶媒の蒸発の少ない８０℃以下がよい。この
場合一定時間全面同じ色の絵を表示しておけば、その後
は焼き付きが発生しないパネルを作製できる。

【００８２】〔実施例３〕以下では、液晶のスイッチン
グ素子としてゲート酸化膜を陽極酸化膜にした薄膜トラ
ンジスタを用いた場合について図１，図１２で説明す
る。陽極酸化膜１３は、化成液中のアニオン種が含まれ
る１３ｂの膜厚が厚くなるとゲート絶縁膜の絶縁性が低
下し、走査線と信号線の短絡につながりやすくなり線欠
陥が発生して歩留まりを低下してしまう。また、線欠陥
を防止するためにゲート絶縁膜の膜厚を厚くすると、ト
ランジスタのスイッチング特性が悪くなりきれいな表示
画像が得られなくなる。さらに、ゲート酸化膜中の不純
物はトランジスタの電気特性をばらつかせるので、表示
画像にムラを発生させたり駆動電圧の上昇を招く。つま
り、ゲート絶縁膜の純度が悪くなると、製品歩留まりは
低下し液晶表示パネルの高画質化は難しくなる。従っ
て、実施例１で記述したように、金属酸化膜１３を陽極
酸化法で作製するときの温度を４０℃以上にしたり、酸
化膜の成長率を１．９ｎｍ／Ｖ以上にして、化成液中の
アニオン種が含まれる酸化膜の膜厚の割合を４５％以下
にすれば、欠陥が少なくスイッチング特性の優れた薄膜
トランジスタを作製できるので、高画質な液晶表示パネ
ルを作製できる。

【００８３】

【発明の効果】以上の通り、陽極酸化膜作製時の温度を
４０〜１００℃にして酸化膜の成長率を１．９ｎｍ／Ｖ
以上にすることで、陽極酸化の化成液中に含まれるアニ
オン種が、作製された酸化膜中に含まれる領域を４５％
以下にすることができる。

【００８４】その結果、ＭＩＭ型非線形素子を用いた液
晶表示装置の焼き付きを低減することができる。

【００８５】さらに、化成液溶媒をエチレングリコール
にして、使用前に一定時間液晶を駆動すると、その後は
焼き付きが全く発生しない液晶表示装置を提供できる。

【００８６】また、薄膜トランジスタを用いた液晶表示
パネルでは、欠陥が少なくスイッチング特性の優れた薄
膜トランジスタを作製でき、高画質な液晶表示装置を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＭＩＭ型非線形素子や薄膜トランジス
タに用いる陽極酸化膜の断面図。

【図２】（ａ）は、本発明のＭＩＭ型非線形素子を用い
たマトリィクスアレイの上面図。（ｂ）は、本発面のＭ
ＩＭ型非線形素子の断面図。

【図３】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４】（ａ）は、従来のＭＩＭ型非線形素子の印加電
圧と電流値の関係を示す図。（ｂ）は、液晶表示素子の
単位画素への印加電圧と明るさの関係を示す図。

【図５】陽極酸化の方法を示す図。

【図６】陽極酸化膜の化成温度と酸化膜の成長率の関係
を示す図。

【図７】陽極酸化膜の化成温度と比誘電率の関係を示す
図。

【図８】陽極酸化膜の化成温度と酸化膜中に占めるアニ
オン種の含まれる酸化膜厚の割合を示す図。

【図９】陽極酸化膜の化成温度とＭＩＭ型非線形素子の
リーク電流増加量の関係を示す図。

【図１０】液晶表示パネルの表示例を示す図。

【図１１】ＭＩＭ型非線形素子を用いた液晶表示パネル
の駆動時間と該ＭＩＭ型非線形素子のリーク電流量の関
係を示す図。

【図１２】（ａ）は、本発明の薄膜トランジスタを用い
たマトリィクスアレイの上面図。（ｂ）は、本発面の薄
膜トランジスタで（ａ）におけるＡＡ´の断面図。

【符号の説明】

１ＭＩＭ型非線形素子２液晶表示素子３画素領域１１，１２１透明基板１１ａＴａＯ_X膜１２，１２２第一の金属膜１３，１２３金属酸化膜１３ａ化成液中のアニオン種を含ま
ない領域１３ｂ化成液中のアニオン種を含む
領域１４第二の金属膜１５，１２８画素電極３１走査線３２信号線５１陰極１０１黒色の表示領域１０２白色の表示領域１２４ＳｉＮ膜１２５シリコン膜１２７Ｎ型シリコン膜１２９アルミニウム膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属膜を製造する金属膜製造工程と、該金
属膜を陽極酸化して１．９ｎｍ／Ｖ以上の成長率で絶縁
膜を製造する絶縁膜製造工程と、導電膜を製造する導電
膜製造工程と、を有することを特徴とするＭＩＭ型非線
形素子の製造方法。
【請求項２】金属膜を製造する金属膜製造工程と、該金
属膜を４０℃以上１００℃以下の温度の化成液中で陽極
酸化して絶縁膜を製造する絶縁膜製造工程と、導電膜を
製造する導電膜製造工程と、を有することを特徴とする
ＭＩＭ型非線形素子の製造方法。
【請求項３】金属膜を製造する金属膜製造工程と、該金
属膜を４０℃以上１００℃以下の温度の化成液中で陽極
酸化して１．９ｎｍ／Ｖ以上の成長率で絶縁膜を製造す
る絶縁膜製造工程と、導電膜を製造する導電膜製造工程
と、を有することを特徴とするＭＩＭ型非線形素子の製
造方法。
【請求項４】エチレングリコールを用いた溶媒中で前記
絶縁膜製造工程を行うことを特徴とする請求項１乃至請
求項３のいずれかの請求項に記載のＭＩＭ型非線形素子
の製造方法。
【請求項５】５０℃以上８０℃以下の温度の化成液中で
前記絶縁膜製造工程を行うことを特徴とする請求項４に
記載のＭＩＭ型非線形素子の製造方法。
【請求項６】前記絶縁膜製造工程は、前記金属膜を陽極
酸化して、陽極酸化の化成液中に含まれるアニオン種を
含む領域の厚みがその膜厚の４５％以下である絶縁膜を
製造することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいず
れかの請求項に記載のＭＩＭ型非線形素子の製造方法。
【請求項７】請求項１乃至請求項６のいずれかの請求項
に記載のＭＩＭ型非線形素子の製造方法によって製造さ
れたことを特徴とするＭＩＭ型非線形素子。
【請求項８】金属膜と、該金属膜を陽極酸化して得られ
る絶縁膜であって陽極酸化の化成液中に含まれるアニオ
ン種を含む領域の厚みがその膜厚の４５％以下である絶
縁膜と、導電膜と、を積層した構造を有することを特徴
とするＭＩＭ型非線形素子。
【請求項９】前記金属膜がタンタル原子を含む金属膜で
あることを特徴とする請求項７又は請求項８記載のＭＩ
Ｍ型非線形素子。
【請求項１０】前記金属膜が配線膜をも兼ねていること
を特徴とする請求項７又は請求項８記載のＭＩＭ型非線
形素子。
【請求項１１】請求項７乃至請求項１０のいずれかの請
求項に記載のＭＩＭ型非線形素子をスイッチング素子と
して用いたことを特徴とする液晶表示装置。
【請求項１２】ゲート金属膜を製造するゲート金属膜製
造工程と、該ゲート金属膜を陽極酸化して１．９ｎｍ／
Ｖ以上の成長率でゲート絶縁膜を製造するゲート絶縁膜
製造工程と、シリコン膜を製造するシリコン膜製造工程
と、を有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造
方法。
【請求項１３】ゲート金属膜を製造するゲート金属膜製
造工程と、該ゲート金属膜を４０℃以上１００℃以下の
温度の化成液中で陽極酸化してゲート絶縁膜を製造する
ゲート絶縁膜製造工程と、シリコン膜を製造するシリコ
ン膜製造工程と、を有することを特徴とする薄膜トラン
ジスタの製造方法。
【請求項１４】ゲート金属膜を製造するゲート金属膜製
造工程と、該ゲート金属膜を４０℃以上１００℃以下の
温度の化成液中で陽極酸化して１．９ｎｍ／Ｖ以上の成
長率でゲート絶縁膜を製造するゲート絶縁膜製造工程
と、シリコン膜を製造するシリコン膜製造工程と、を有
することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１５】エチレングリコールを用いた溶媒中で前
記ゲート絶縁膜製造工程を行うことを特徴とする請求項
１２乃至請求項１４のいずれかの請求項に記載の薄トラ
ンジスタの製造方法。
【請求項１６】５０℃以上８０℃以下の温度の化成液中
で前記ゲート絶縁膜製造工程を行うことを特徴とする請
求項１５に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項１７】前記ゲート絶縁膜製造工程は、前記金属
膜を陽極酸化して、陽極酸化の化成液中に含まれるアニ
オン種を含む領域の厚みがその膜厚の４５％以下である
ゲート絶縁膜を製造することを特徴とする請求項１２乃
至請求項１６のいずれかの請求項に記載の薄膜トランジ
スタの製造方法。
【請求項１８】請求項１２乃至請求項１７のいずれかの
請求項に記載の薄膜トランジスタの製造方法によって製
造されたことを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項１９】金属膜と、該金属膜を陽極酸化して得ら
れる絶縁膜であって陽極酸化の化成液中に含まれるアニ
オン種を含む領域の厚みがその膜厚の４５％以下である
ゲート絶縁膜と、シリコン膜と、を積層した構造を有す
ることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【請求項２０】前記金属膜がタンタル原子を含む金属膜
であることを特徴とする請求項１８又は請求項１９記載
の薄膜トランジスタ。
【請求項２１】前記金属膜が配線膜をも兼ねていること
を特徴とする請求項１８又は請求項１９記載の薄膜トラ
ンジスタ。
【請求項２２】請求項１８乃至請求項２１のいずれかの
請求項に記載の薄膜トランジスタをスイッチング素子と
して用いたことを特徴とする液晶表示装置。