JPH0980486A - 非線形抵抗素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＭＩＭ素子の電流−電圧特性における対称性
および急峻性を向上させ、さらにヒステリシス量を低減
することが求められている。 【解決手段】 下部電極層１２と、この下部電極層１２
の一部を陽極酸化して形成した絶縁体層１３と、この絶
縁体層１３上に設けられた上部電極層１５とを具備する
ＭＩＭ構造の非線形抵抗素子である。絶縁体層１３は、
その構成金属元素より原子価が小さい金属元素を含む層
から、絶縁体層１３に上記金属元素を拡散させた拡散層
１４を、上部電極層１５との界面側に有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＭＩＭ（金属／絶
縁体／金属）構造を有する非線形抵抗素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、液晶表示機器を用いた表示装置
は、時計、電卓、計測機器等の簡単な構造のものから、
パーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、さらには
ΟＡ用の端末機器、ΤＶ画像表示等の大容量情報表示ま
で、種々の用途に使用されている。こうした液晶表示装
置においては、マトリックス表示のマルチプレックス駆
動方式がー般に採用されてきた。しかし、この方式は液
晶自身の本質的な特性によって、表示部分（オン画素）
と非表示部分（オフ画素）のコントラスト比の点では 2
00本程度の走査線を有する場合でも不十分であり、さら
に走査線が 500本以上程度の大規模なマトリックス駆動
を行う場合にはコントラスト比の劣化が致命的であっ
た。

【０００３】そこで、マルチプレックス駆動方式の液晶
表示装置が有する欠点を解決するための開発が盛んに行
われている。その 1つとして個々の画素を直接駆動する
方式が挙げられ、この際のスイッチング素子としては薄
膜トランジスタが現在主流とされている。薄膜トランジ
スタを構成する半導体としては、これまで多結晶シリコ
ン、セレン化カドミウム、セレン化テルル等の種々の材
料が提案されてきたが、現在は非晶質シリコンが最も多
く研究されている。しかしながら、この種の液晶表示装
置を製造する際には、微細加工工程が数回必要であり、
工程が複雑で歩留りが悪くなると共に、その結果として
製品コストが高くなる等の欠点があった。 一方、スイ
ッチング素子列（アレイ）を用いた別の手段として、非
線形抵抗素子を用いたものがある。非線形抵抗素子は、
薄膜トランジスタの 3端子構造と比較して、 2端子構造
と基本的に構造が簡単であり、製造が容易という特徴を
有している。このため、製品歩留りの向上が期待でき、
製造工程数も削減できるため、製品コストの低下を図る
ことができる。

【０００４】非線形抵抗素子としては、薄膜トランジス
タと同様の材料を利用して接合形成したダイオード型、
酸化亜鉛を用いたバリスタ型、電極間に絶縁体を挟んだ
金属／絶縁体／金属構造を有するＭＩＭ型、金属電極間
に半導体の層を挟んだＭＳＩ型等が開発されている。こ
のうち、ＭＩＭ型は構造が簡単で、現在のところ最も実
用化が近いということができる。

【０００５】図６および図７に、一般的なＭＩΜ型の非
線形抵抗素子の構造を示す。このようなＭＩＭ素子にお
いては、まずガラス基板１上にスパッタリング法により
Ta膜を 200nm程度形成し、第１のフォトレジストを用い
てドライエッチング法によりTa膜のエッチングを行い、
信号電極（下部電極）２を形成する。次いで、倍号電極
２の表面に、陽極酸化法により陽極酸化層（絶縁体層）
３を所定の膜厚で形成する。その上にCr膜等を形成し、
このCr膜をパターニングしてＭＩＭ素子の上部電極４と
する。このようにして、Cr/TaO_x /Ta 構造（ＭＩＭ構
造）を形成した後、駆動用電極として ITO膜５を上部電
極４と一部が重なるように成膜およびパターニングし
て、ＭＩＭ素子が完成する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ΜＩＭ素子
に要求される一般的な特性としては、次の 3つが挙げら
れる。 1つは電流−電圧特性におけるオン電流とオフ電
流の比が十分に大きいことである。ＭＩＭ素子に流れる
電流（Ｉ）と電圧（Ｖ）との関係は、一般に次に示すプ
ール・フレンケル型に近いことが知られている。

【０００７】Ｉ＝ｋＶ exp（βＶ^1/2 ） ここで、ｋは比例定数であり、ΜＩＭ素子部の接合面積
に比例する。βは非線形性を表す係数である。β=0では
ＩはＶに比例し、ＶのＩに対する比である抵抗値Ｒ（＝
Ｖ／Ｉ）は一定であり、オーミックな特性を示す。β＞
0 ではＩはＶの増加と共に急激に増加する。すなわち、
抵抗ＲはＶの増加と共に急激に低下する。このＲの変化
はβが大きいほど急激である。従って、オン電流とオフ
電流の比を十分大きくとるには、βが大きいことが必要
となる。

【０００８】もう 1つは、電流−電圧特性の正電極側と
負電極側が対称であることである。ＭＩＭ素子では素子
の双方向ダイオード特性を利用し、交流駆動によって液
晶を動作させているので、その素子特性での正電圧およ
び逆電圧の対称性が重要となることが知られている。

【０００９】さらに、電流−電圧特性において、正電圧
側および負電圧側双方の昇圧および降圧時における電流
値の相違（以下、ヒステリシスと呼称す）が実際の表示
における残像や焼き付きと相関があることが知られてい
る。従って、この静特性におけるヒステリシス量を低減
させる必要がある。

【００１０】しかしながら、上述したような従来構造の
ＭＩＭ素子では、βが 3程度の電流−電圧特性のものが
多く、従ってクロストークによる画像ムラが生じやすい
という問題があった。さらに、中間調表示も困難であっ
た。また、 +Ｖおよび -Ｖの電圧を印加したときの素子
電流をＩ(+) 、Ｉ(-) とすると、従来構造の素子ではＩ
(+) ／Ｉ(-) の値が 1±0.8 と非常に悪いという欠点が
あった。そこで、特性を対称にするために、金属材料や
素子構造を変える試みがなされているが、素子対称性は
格段にはよくなっていない。このため、大面積表示にお
いては、残像や焼き付きが発生し、画質の低下を招いて
いた。さらに、昇圧および降圧時における電圧 Ｖ_u 、
Ｖ_d における電流値をＩ_u 、Ｉ_d とすると、（Ｉ_u −Ｉ
_d ）／Ｉ_u （ヒステリシス量と定義する）が3%程度と大
きく、これに起因して焼き付きが発生するという問題が
あった。

【００１１】このように、従来構造のＭＩＭ素子では、
β値が小さい、電流−電圧特性における対称性や急峻性
が不十分である、ヒステリシス量が大きい等の問題点を
改善することが課題とされていた。

【００１２】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、電流−電圧特性における対称性およ
び急峻性を向上させ、さらにヒステリシス量を低減した
ＭＩＭ構造の非線形抵抗素子を提供することを目的とし
ている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の非線形抵抗素子
は、下部電極層と、前記下部電極層の一部を陽極酸化し
て形成された絶縁体層と、前記絶縁体層上に設けられた
上部電極層とを具備する非線形抵抗素子において、前記
絶縁体層は、その構成金属元素より原子価が小さい金属
元素を含む層から前記絶縁体層に前記金属元素を拡散さ
せた拡散層を、前記上部電極層との間に有することを特
徴としている。

【００１４】以下、関連した実験結果に基いて本発明の
作用を説明する。図２は、ガラス基板上に膜厚 200nmの
Ta膜を下部電極としてスパッタ法により形成し、陽極酸
化により絶縁体層（酸化膜）を約70nm形成した後、メタ
ルマスクを用いてTi膜およびAu膜を上部電極として直径
100μm の大きさでそれぞれ形成した各試料に、大気中
で573K× 1時間の熱処理を施した後に測定した電流−電
圧特性である。また、図３はこれらの試料のうち、上部
電極としてTi膜を用いた試料のTi電極部分におけるオー
ジェ電子分光法による深さ方向の組成分析結果である。

【００１５】図３に見られる通り、Ti膜からなる上部電
極と陽極酸化膜との間にTiの拡散層の形成が確認され
た。同様に上部電極としてAu膜を用いた試料について、
Au電極部分で組成分析を行ったが、上記したような拡散
層の形成は認められなかった。図２に見られる通り、上
部電極としてTi膜を用いた試料では加熱前後で大きな変
化が見られ、ヒステリシス量が7%から3%へ、β値は 2か
ら 3.5へと変化し、特性の向上を示した。しかし、上部
電極としてAu膜を用いた試料では、電流の絶対値が上昇
したのみで、ヒステリシス量や急峻性に大きな変化は見
られなかった。

【００１６】これは次のように考えられる。まず、上部
電極がAuの場合の電流−電圧特性より、陽極酸化膜は n
型の伝導形式であることが分かる。従って、マジョリテ
ィのキャリアは電子であり、電子に対してショットキー
的な障壁が特に上部電極界面付近に形成されている。す
なわち、界面付近には多量の酸素空孔または格子間原子
による準位が生じているものと考えられる。この準位が
上部電極からのTi⁴⁺の拡散により補償（カウンタードー
プ）され、結果的にヒステリシスの低減および急峻性の
向上等の特性向上がもたらされたものと考えられる。こ
のように、陽極酸化膜からなる絶縁体層の構成金属元素
より原子価が小さい金属元素を含む層から、この金属元
素を絶縁体層に拡散させた拡散層を、絶縁体層内の上部
電極との界面側に形成することによって、電流−電圧特
性における対称性や急峻性を向上させることができ、さ
らにヒステリシス量を低減することが可能となる。

【００１７】なお、上記実験結果ではTi電極を形成した
後に加熱を行ったが、この方法の場合にはTi電極の酸化
も同時に起こってしまうため、ドーピング量に対応する
量の金属層を形成して加熱処理を行い、予め絶縁体層内
部に拡散層を形成した後に、上部電極を形成することが
好ましい。このようにすることによって、ドーパント金
属の比抵抗を考慮する必要がなくなる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。

【００１９】図１は、本発明の一実施形態によるＭＩＭ
構造を有する非線形抵抗素子（以下、ＭＩＭ素子と記
す）を示す断面図である。同図において、１１はガラス
基板等の絶縁性基板であり、このガラス基板１１上には
下部電極層１２が形成およびパターニングされている。

【００２０】この下部電極層１２は、ＭＩＭ素子を液晶
表示装置の駆動部等として用いる場合には信号電極とな
るものである。下地電極層１２には、陽極酸化膜が電流
−電圧特性において非線形性を示すバルブメタルと呼ば
れる金属元素、すなわちTa、Ti、Zr、Nb、Hf等を用いる
ことが望ましく、中でも非線形性の大きなTaが最も望ま
しい。

【００２１】下部電極層１２上には、陽極酸化膜からな
る絶縁体層１３が設けられている。この絶縁体層１３
は、下部電極層１２の一部を陽極酸化することにより形
成されたものであり、上述したようなバルブメタルと呼
ばれる金属元素等の酸化物からなるものである。この絶
縁体層１３は、厚さ50〜 100nm程度に形成することが好
ましい。絶縁体層１３の厚さが50nm未満であると、駆動
電圧に対して実効的な電解強度の増加により耐圧が十分
でなくなり、絶縁破壊を生じるおそれがあり、一方 100
nmを超えると非線形抵抗性が再現性よく得られないおそ
れがある。

【００２２】上述した絶縁体層１３上には、その構成金
属元素より原子価が小さい金属元素を含む層から、この
金属元素を絶縁体層１３に拡散させた拡散層１４が設け
られている。この拡散層１４は絶縁体層１３の一部を構
成するものであり、基本的には絶縁性を示すものであ
る。

【００２３】拡散層１４を構成する金属元素は、絶縁体
層１３の構成金属元素より原子価が小さい金属元素であ
れば、前述したように上部電極層１５との界面付近に形
成される酸素空孔や格子間原子による準位を補償（カウ
ンタードープ）することができるが、さらにイオン半径
が絶縁体層１３の構成金属元素と同等で、かつｄ電子を
持ち、その酸化物の比誘電率が絶縁体層１３を構成する
酸化物より小さいものが好ましい。

【００２４】すなわち、絶縁体層１３の構成金属元素と
同等のイオン半径を有する拡散元素を用いることで拡散
層１４の形成が容易となり、またｄ電子を持つ金属元素
は酸化・還元を受けやすいために、酸素空孔や格子間原
子による準位の補償を容易にかつ確実に行うことができ
る。さらに、拡散金属元素の酸化物の比誘電率が絶縁体
層１３を構成する酸化物より小さいということは、実効
的な絶縁体層１３の静電容量を下げることになる。外部
から印加された電圧は、ＭＩＭ素子と液晶画素の容量比
で分割されるため、これによって十分高い電圧をＭＩＭ
素子に印加することが可能となる。

【００２５】拡散金属元素としては、下部電極層１２を
構成する金属元素にもよるが、Fe、Co、Ni、Mn、Cr、
V、Zr、Ti、Nb、Mo、Hf、 W等が挙げられる。具体的に
は、例えば下部電極層１２がTaやNbからなり、絶縁体層
１３がその陽極酸化膜である場合には、Fe、Co、Ni、T
i、Zr、 V、Cr、Moを拡散金属元素として用いることが
好ましく、同様に下部電極層１２がTi、Zr、Hfからな
り、絶縁体層１３がその陽極酸化膜である場合には、F
e、Co、Ni、 V、Crを拡散金属元素として用いることが
好ましい。

【００２６】上述した拡散層１４における拡散金属元素
の量は、絶縁体層１３に対して 5〜30at% の範囲とする
ことが好ましい。拡散金属元素量が 5at% 未満である
と、酸素空孔や格子間原子による準位を十分に補償でき
ないおそれがあり、一方30at%を超えると、界面部分で
は絶縁体層１３よりも拡散金属の酸化物による電気伝導
性が主体となり、その結果として対称性、ヒステリシス
等の劣化を招く。また、拡散層１４の厚さは、絶縁体層
１３の膜厚の 50%以下とすることが望ましい。これは、
拡散層１４の厚さが厚すぎると対称性の悪化およびヒス
テリシス量の増加が生じ、画素の焼き付き原因となるた
めである。

【００２７】ここで、拡散層１４を形成する際に用いる
拡散金属を含む層は、後に詳述する上部電極層１５であ
ってもよいが、上部電極層１５とは別に拡散元素種およ
び拡散元素量に応じて形成した層（例えば拡散元素量に
応じた厚さを有する層）であることが好ましい。このよ
うに、拡散金属供給層を絶縁体層１３上に形成すると共
に熱処理を施し、予め絶縁体層１３内に拡散層１４を形
成しておくことによって、拡散元素量や厚さを容易に制
御することが可能となり、電流−電圧特性における対称
性や急峻性、またヒステリシス量等の特性をより一層向
上させることができ、さらに上部電極層１５の酸化によ
る特性劣化等を防止することもできる。拡散層１４を形
成するための熱処理は、上述した拡散金属供給層をスパ
ッタ法や蒸着法等で形成する際に同時に行ってもよい
し、また膜形成後に行ってもよい。成膜法に関しては、
拡散金属元素の拡散を低温で促進させるため、プラズマ
の効果が期待できるスパッタ法を用いることが望まし
い。また、拡散金属元素のイオンを含む溶液、あるいは
473〜573K程度の温度で分解可能な拡散金属元素の化合
物を、予め絶縁体層１３上に塗布しておき、これに熱処
理を加えることで拡散層１４を形成することもできる。

【００２８】上述したような拡散層１４上には、上部電
極層１５が形成されており、これらによってＭＩＭ素子
１６が構成されている。上部電極層１５の構成材料は、
特に限定されるものではないが、仕事関数が陽極酸化さ
れる下部電極層１２のそれと±1eV 以内であるものが好
ましい。具体的には比抵抗が低いAl等が用いられ、この
他にTi、Cr、Ta、 ITO等を用いてもよい。

【００２９】この実施形態のＭＩＭ素子１６は、駆動用
電極としての ITO膜１７等を、上部電極層１５と一部が
重なるように成膜およびパターニングする（例えば図６
に示した構造）ことによって、例えば液晶表示装置の駆
動用スイッチングアレイ等として用いられる。

【００３０】上述したようなＭＩＭ素子１６において
は、絶縁体層１３の上部電極層１５側界面における酸素
空孔や格子間原子による準位が、拡散層１４によって補
償（カウンタードープ）されているため、β値や電流−
電圧特性における対称性、急峻性等を向上させることが
できると共に、ヒステリシス量の低減を図ることが可能
となる。このような特性を有するＭＩＭ素子を駆動用ス
イッチングアレイとして用いた液晶表示装置では、クロ
ストークによる画像ムラ、残像、焼き付き等の発生が抑
制されるために、画質の向上を図ることが可能となる。
なお、ＭＩＭ素子の上述したような特性の向上は液晶表
示装置に限らず、非線形抵抗素子を用いる各種装置に対
して有効である。

【００３１】

【実施例】次に、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００３２】実施例 図１に示した構造を有するＭＩＭ素子を以下のようにし
て作製した。まず、例えばホウ珪酸ガラスからなるガラ
ス基板１１上に、膜厚 200nmのTa膜をスパッタ法により
形成した。次いで、フォトレジストを塗布法により全面
に形成し、第１のフォトマスクを用いて露光、現像処理
（フォトレジストのパタ−ニング）を行った後、CF₄ ＋
O₂ 混合ガスを用いたケミカルドライエッチングにより
Ta膜のエッチングを行って、Ta膜からなる下部電極層１
２を形成した。

【００３３】次に、上記フォトレジストを剥離した後、
下部電極層１２の表面を 0.1重量%のホウ酸アンモニウ
ム溶液を用いて、化成電圧 50Vにて陽極酸化処理した。
この陽極酸化処理によって、厚さ約70nmの陽極酸化膜(T
aO_x 膜）、すなわち絶縁体層１３を形成した。

【００３４】次いで、上記 TaO_x 膜からなる絶縁体層１
３上に、拡散金属供給層として厚さ1nmのTi膜をスパッ
タリング法により形成した。このとき、基板温度を423K
に保ち、 TaO_x 膜からなる絶縁体層１３へのTi拡散を促
進させて、Tiの拡散量が約15at% の拡散層１４を形成し
た。さらにこの上に、上部電極層１５としてAl膜を200n
mの膜厚でスパッタリング法により形成し、これを上部
電極形状にエッチングして、ＭＩＭ素子部を作製した。
具体的には、フォトレジストを全面に塗布した後、第２
のフォトマスクを用いて露光、現像処理し、Tiのエッチ
ング液であるアンモニア、過酸化水素水およびエチレン
ジアミン４酢酸の混合溶液を用いて、Ti膜およびAl膜を
エッチングした。その後、残ったフォトレジストの剥離
を行って、所望のＭＩＭ素子部を得た。

【００３５】以上のようにして形成したＭＩＭ素子の電
流−電圧特性を図４に示す。また、本発明との比較例と
して、同様にTa膜を形成し、これを陽極酸化した後、Cr
電極を形成した同サイズのＭＩＭ素子の特性も併記し
た。図４に見られる通り、この実施例のＭＩＭ素子は、
比較例と比べて電流密度が約 1.5倍になり、また急峻性
を示すβが 6と高く、これによりオン電流とオフ電流の
比が大きくとることが可能となる。

【００３６】さらに、上記実施例および比較例による各
ＭＩＭ素子の各電圧での対称性［（Ｉ(-) −Ｉ(+) ）／
Ｉ(+) ］およびヒステリシス量を図５に示す。図５から
明らかなように、比較例のＭＩＭ素子は、対称性が4%程
度、ヒステリシス量が3%程度であるのと比較し、実施例
によるＭＩＭ素子は、対称性が1%程度、ヒステリシス量
が1%以下と良好な値を示した。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の非線形抵抗素子によれば、陽極酸化による絶縁体層と
上部電極層との間に拡散層（複合酸化層）を形成するこ
とによって、電流−電圧特性における対称性および急峻
性を向上させ、さらにヒステリシス量を低減することが
可能となる。従って、このような非線形抵抗素子を例え
ば液晶表示装置の駆動部として用いることによって、焼
き付きやクロストーク等を大幅に低減することができ、
表示品質の向上を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態によるＭＩＭ素子の構造
を示す断面図である。

【図２】 上部電極としてTiおよびAuを形成した後に熱
処理した各ＭＩＭ素子の電流−電圧特性の測定結果を示
す図である。

【図３】 陽極酸化膜上にTi電極を形成した後に熱処理
を施したＭＩＭ素子のTi電極部分の深さ方向におけるオ
ージェ分析結果を示す図である。

【図４】 本発明の一実施例によるＭＩＭ素子の電流−
電圧特性の測定結果を従来例と比較して示す図である。

【図５】 本発明の一実施例によるＭＩＭ素子の電流−
電圧特性における対称性とヒステリシス量を従来例と比
較して示す図である。

【図６】 従来の液晶表示装置におけるＭＩＭ素子を示
す平面図である。

【図７】 図６に示すＭＩＭ素子のＡ−Ａ線に沿った断
面図である。

【符号の説明】

１１……ガラス基板 １２……下部電極層 １３……絶縁体層 １４……拡散層 １５……上部電極層 １６……ＭＩＭ素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下部電極層と、前記下部電極層の一部を
   陽極酸化して形成された絶縁体層と、前記絶縁体層上に
   設けられた上部電極層とを具備する非線形抵抗素子にお
   いて、 前記絶縁体層は、その構成金属元素より原子価が小さい
   金属元素を含む層から前記絶縁体層に前記金属元素を拡
   散させた拡散層を、前記上部電極層との間に有すること
   を特徴とする非線形抵抗素子。