JPH11121755A - 薄膜半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】製造コストを増大させることなく光リーク電流
を低減する。 【解決手段】薄膜半導体装置は透明な絶縁基板３８上に
形成されるシリコン半導体層４０と、シリコン半導体層
４０内に離間して形成されるソースおよびドレイン領域
４０ｓ，４０ｄと、ソースおよびドレイン領域４０ｓ，
４０ｄ間に位置するシリコン半導体層４０の部分をチャ
ネル領域として覆うゲート４１絶縁膜と、ゲート絶縁膜
４１上に形成されるゲート電極とを備え、さらに絶縁基
板３８およびシリコン半導体層４０間に形成され、絶縁
基板３８に入射しチャネル領域に向う可視光を絶縁基板
３８との屈折率差により干渉させこの可視光の短波長成
分について光透過率を低下させる透明な下地絶縁層部３
４，３５とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示装置にお
いて画素に選択的に駆動電圧を印加するスイッチング素
子として絶縁基板上に形成される薄膜半導体装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、液晶表示装置において多数の画素
を高密度で配列して高機能で高精細な表示画像を得るた
めの研究開発が盛んである。一般的な液晶表示装置は、
液晶層がアレイ基板および対向基板間に保持される構造
を有する。アレイ基板では、複数の画素電極がガラス板
上にマトリクス状に配置され、複数の走査線がこれら画
素電極の行に沿ってそれぞれ形成される、複数の信号線
がこれら画素電極の列に沿ってそれぞれ形成される。こ
れら走査線は走査線駆動回路により駆動され、信号線は
信号線駆動回路により駆動される。対向基板では、対向
電極がアレイ基板側の複数の画素電極全体に対向するよ
うに形成される。液晶層はこれら画素電極および対向電
極間の電位差に対応する光透過率分布に設定される。

【０００３】例えばアクティブマトリクス型液晶表示装
置では、各画素がガラス板上にスイッチング素子として
形成される薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を介して独立に
駆動される。この構成は隣接する画素電極間でクロスト
ークを生じることなく高コントラストの透過画像を表示
でき、大画面化も容易であるという理由から特に注目さ
れている。

【０００４】ところで、上述のＴＦＴは従来アモルファ
スシリコン薄膜を用いたアモルファスシリコンＴＦＴで
構成されていたが、現在ではこのアモルファスシリコン
薄膜よりも電子移動度の高いポリシリコン薄膜を用いた
ポリシリコンＴＦＴで構成することもできるようになっ
ている。このポリシリコンＴＦＴはより小さな素子サイ
ズでアモルファスシリコンＴＦＴと同様の性能を得るこ
とができるため、画素電極の開口率はこのポリシリコン
ＴＦＴの利用によって向上する。さらに、このポリシリ
コンＴＦＴは画素電極のマトリクスアレイと共通のガラ
ス板上において走査線および信号線駆動回路を構成する
ためにも利用できるため、これら駆動回路が駆動用ＩＣ
として実装される配線基板をアレイ基板から独立して設
ける必要がなくなる。これは、駆動用ＩＣの実装工程を
省略して液晶表示装置の製造コストを低減し、さらに画
素電極のマトリクスアレイに対応する表示領域の外側に
位置する余分な額縁領域を縮小することを可能にする。
このような特徴はポリシリコンＴＦＴの普及を促進する
要因となっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】液晶プロジェクタ等で
は、液晶表示装置が液晶層の光透過率分布を制御するこ
とにより液晶層を透過する照明光を画像として表示す
る。アモルファスシリコンＴＦＴは、一般にゲート電極
がシリコン薄膜およびガラス板間に配置される逆スタガ
ー構造を持つ。この構造では、ゲート電極がガラス板側
から入射してアモルファスシリコン薄膜の活性領域（チ
ャネル領域）に向う照明光を遮光するため、アモルファ
スシリコン薄膜がポリシリコン薄膜の約１０倍という高
い光感度を持つにもかかわらず、光リーク電流がこの活
性領域に発生しにくい。これに対し、ポリシリコンＴＦ
Ｔは一般にシリコン薄膜がゲート電極およびガラス板間
に配置されるスタガー構造を持つ。この構造では、ゲー
ト電極がガラス板側から入射してポリシリコン薄膜の活
性領域（チャネル領域）に向う照明光を遮光できないた
め、ポリシリコンＴＦＴは光リーク電流がアモルファス
シリコンＴＦＴよりも発生し易いという欠点を有する。
この欠点の解決策として、ポリシリコン薄膜の遮光層を
絶縁基板側に形成することが考えられる。しかし、この
解決策は、ポリシリコンＴＦＴの製造プロセス温度に耐
えられる遮光層を選定することが容易でないことと、遮
光層を露光・現像・エッチングするプロセスの追加に伴
う製造コストの増大を考慮すると、採用し難い。本発明
の目的は、液晶表示装置の製造コストを増大させること
なく光リーク電流を低減できる薄膜半導体装置を提供す
ることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、透明な
絶縁基板上に形成されるシリコン半導体層と、シリコン
半導体層内に離間して形成されるソースおよびドレイン
領域と、ソースおよびドレイン領域間に位置するシリコ
ン半導体層の部分をチャネル領域として覆うゲート絶縁
膜と、ゲート絶縁膜上に形成されるゲート電極と、絶縁
基板およびシリコン半導体層間に形成され、絶縁基板に
入射しチャネル領域に向う可視光を絶縁基板との屈折率
差により干渉させこの可視光の短波長成分について光透
過率を低下させる透明な下地絶縁層部とを備えることを
特徴とする薄膜半導体装置が提供される。

【０００７】薄膜半導体装置は、さらに下地絶縁層部が
絶縁基板およびシリコン半導体層間において積層され互
いに異なる屈折率を持つ複数の絶縁層を含むことを特徴
とする。

【０００８】薄膜半導体装置は、さらに複数の絶縁層の
１層が窒化シリコンおよび酸化シリコンの一方を主成分
とすることを特徴とする。上述した薄膜半導体装置で
は、下地絶縁層部が絶縁基板およびシリコン半導体層間
に形成される。絶縁基板が可視光で照明されると、この
可視光は絶縁基板および下地絶縁層部を透過してチャネ
ル領域に向う。ここで、下地絶縁層部は可視光を絶縁基
板との屈折率差によって干渉させ、可視光の長波長成分
よりもチャネル領域で光リーク電流を発生し易い可視光
の短波長成分について光透過率を低下させる。従って、
この光リーク電流による表示品質の劣化を防止すること
が可能である。さらに遮光層のように画素の開口に対応
して下地絶縁層部をパターニングする必要が無いため、
製造コストの増大も抑えることができる。

【０００９】また、複数の絶縁層の１層が窒化シリコン
および酸化シリコンを主成分とする場合には、ナトリウ
ムや金属イオン等の不純物が絶縁基板からシリコン半導
体層に浸透するのを防ぐこともできる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態に係る
アクティブマトリクス型の液晶表示パネルを図面を参照
して説明する。図１はこの液晶表示パネル３０の部分的
な断面構造を示す。液晶表示パネル３０は、液晶層３９
がアレイ基板３２および対向基板３３間に保持される構
造を有する。アレイ基板３２は、マトリクス状に配置さ
れる複数の画素電極４７、これら画素電極４７の行に沿
ってそれぞれ形成される複数の走査線４２、これら画素
電極４７の列に沿ってそれぞれ形成される複数の信号線
４４、並びに複数の走査線４２および複数の信号線４４
の交差位置付近にスイッチング素子としてそれぞれ形成
される複数のポリシリコン薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）
３１、並びに複数の画素電極４７を全体的に覆う配向膜
３６を含む。これら走査線４２および信号線４４はアレ
イ基板３２において画素電極４７のマトリクスアレイに
対応した表示画面の周囲に形成される図示しない走査線
駆動回路および信号線駆動回路によりそれぞれ駆動され
る。各ポリシリコンＴＦＴ３１は走査線駆動回路から対
応走査線４２を介して供給される走査信号により駆動さ
れたときに導通し、信号線駆動回路から供給される映像
信号によって駆動される対応信号線４４の電位を対応画
素電極４７に設定する。

【００１１】対向基板３３は、アレイ基板３２側の複数
の画素電極４７全体に対向するように形成される対向電
極６２およびこの対向電極６２を全体的に覆う配向膜３
７を含む。液晶層３９は液晶組成物であるネマチック型
液晶で構成され、複数の画素電極４７および対向電極６
２間の電位差に対応する光透過率分布に設定される。

【００１２】この液晶表示パネル３０は以下のように製
造される。アレイ基板の形成工程では、屈折率１．５２
程度のガラス板、屈折率１．４６の石英板等で構成され
る厚さ０．７−１．１ｍｍ程度の絶縁基板３８が図１に
示すように用意され、屈折率１．８５の窒化シリコン膜
３４がこの絶縁基板３８上にＣＶＤ法により５００オン
グストロームの厚さで形成され、屈折率１．５５の酸化
シリコン膜３５が７５０オングストロームの厚さでこの
窒化シリコン膜３４上に形成される。次にシリコン半導
体層４０が、アモルファスシリコン膜をこの酸化シリコ
ン膜３５上に形成し、このアモルファスシリコン膜をレ
ーザーアニール法により多結晶化してポリシリコン膜を
形成し、さらにこのポリシリコン膜をマトリクス状に配
列された島としてパターニングすることにより形成され
る。続いて、半導体層４０がゲート絶縁膜となる第１絶
縁層４１で覆われ、さらに走査線４２がこのゲート絶縁
膜に対応する部分においてゲート電極を構成するように
第１絶縁層４１上に形成される。ゲート電極の形成後、
不純物がこのゲート電極をマスクに用いて半導体層４０
に注入され、ゲート電極に対してセルフアラインされた
ソース領域４０ｓおよびドレイン領域４０ｄを形式す
る。このとき、シリコン半導体層４０はこれらソース領
域４０ｓおよびドレイン領域４０ｄ間に位置する部分に
おいて活性領域（チャネル領域）を構成する。第１絶縁
層４１およびゲート電極は第２絶縁層４３で覆われ、さ
らにソース電極４８およびドレイン電極４６が絶縁層４
１および４２の各々を貫通するコンタクトホールを介し
てソース領域４０ｓおよびドレイン領域４０ｄに接続さ
れるように絶縁層４３上に形成される。ここで、ドレイ
ン電極４６は絶縁層４３上に形成される信号線４４の一
部を構成する。ソース電極４８、ドレイン電極４６およ
び絶縁層４３は第３絶縁層５１で覆われる。画素電極４
７はインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）からなり、絶縁層５
１を貫通するコンタクトホール４９を介してソース電極
４８に接続されるように絶縁層５１上に形成される。

【００１３】尚、ポリシリコンＴＦＴ３１がｎチャネル
型の場合には、このＴＦＴ３１がチャネル領域とソース
およびドレイン領域４０ｓ，４０ｄ間に形成される低不
純物濃度領域（ｎマイナス領域）５０を持つＬＤＤ（Ｌ
ｉｇｈｔｌｙ ＤｏｐｅｄＤｒａｉｎ）構造であること
が望ましい。ｎマイナス領域５０の不純物注入はソース
・ドレイン領域４０ｓ，４０ｄの不純物注入とは独立に
行われる。また、走査駆動回路および信号線駆動回路の
各々は例えばｎチャネルＴＦＴおよびｐチャネルＴＦＴ
を組合わせたＣＭＯＳ構造で構成される。この場合、こ
れらｎチャネルＴＦＴおよびｐチャネルＴＦＴの形成で
は、ソース領域４０ｓおよびドレイン領域４０ｄの不純
物注入がｎチャネルＴＦＴおよびｐチャネルＴＦＴの各
々について独立に行われる。

【００１４】対向基板３３の形成工程では、アレイ基板
３２と同様に屈折率１．５２程度のガラス板、屈折率
１．４６の石英板等で構成される厚さ０．７−１．１ｍ
ｍ程度の絶縁基板４５が用意され、クロム（Ｃｒ）等の
遮光材からなる遮光層６１がアレイ基板３２上のポリシ
リコンＴＦＴ３１と対向するように絶縁基板４５上に形
成され、さらにＩＴＯからなる対向電極６２がスパッタ
法によりを遮光層６１および絶縁基板４５を覆って形成
される。プロジェクタ用の液晶表示パネル３０では、対
向基板３３がカラーフィルタを必要としないため上述の
ような構成となる。もしカラーフィルタが必要な場合に
は、赤、緑および青のカラーフィルタ層が遮光層６１の
形成後に形成され、続いて対向電極６２を形成される。
また、遮光層６１はＣｒ等の金属層以外に黒色レジスト
等の有機層を用いて構成されてもよい。

【００１５】アレイ基板３２および対向基板３３の貼合
せ工程では、ポリイミドが配向膜３６および３７として
画素電極４７および対向電極６２を覆うようにアレイ基
板３２および対向基板３３上に印刷塗布され、さらにラ
ピング処理される。次に、スペーサが液晶層３９のセル
厚制御部材として対向基板３３側に散布される。アレイ
基板３２側では、紫外線硬化型のシール剤が走査線駆動
回路および信号線駆動回路を含む有効表示領域の周囲に
液晶注入口を残して設定されるシール領域にディスペン
サを用いて印刷塗布される。この後、対向基板３３が位
置合せを行ってアレイ基板３２上に重ねられ、両基板３
２および３３がこれらの間隙が均一となるように加圧さ
れ、紫外線の照射がシール剤を硬化させるために行われ
る。これにより、液晶層３９の空セルが形成される。

【００１６】次いで、ネマチック型液晶が基板３２およ
び３３間の空セル内に液晶注入口から注入され、この後
液晶注入口が封止される。液晶表示パネル３０はこの後
液晶層３９に対して反対側となる基板３２および３３の
表面に偏光板（図示せず）をそれぞれ貼付けて完成す
る。

【００１７】上述の液晶表示パネル３０では、半導体層
４０の下地絶縁層が窒化シリコン膜３４と酸化シリコン
膜３５から構成される二層構造を有する。窒化シリコン
膜３４は緻密であるため、ナトリウムや金属イオン等の
不純物が絶縁基板３８から半導体層４０に浸透すること
を防止する。また、窒化シリコン膜３４はガラス板およ
び石英板等の絶縁基板３８と異なる屈折率を有し、さら
に酸化シリコン膜３５はこの窒化シリコン膜３４と異な
る屈折率を持つ。このため、可視光が絶縁基板３８に入
射し半導体層４０に向う場合にこの可視光が図２に示す
ように透過経路での屈折率差によって干渉し、光透過率
が可視光の短波長成分について低下する。

【００１８】図３は半導体層４０を構成するポリシリコ
ン膜の吸収係数と可視光の波長との関係を示す。図３を
参照すると、ポリシリコン膜は比較的短い波長の可視光
を吸収し易く、この吸収に伴って光リーク電流が流れ
る。

【００１９】

【表１】

【００２０】上記の表１並びに図４は下地絶縁層構成に
よる透過率変化を示す。具体的には、絶縁基板３８とし
て屈折率１．５２のガラス板を用い、このガラス板上に
形成される窒化シリコン膜３４の厚さを５００オングス
トロームに固定した状態で酸化シリコン膜３５の厚さを
変化させ、これら窒化シリコン膜３４および酸化シリコ
ン膜３５を透過してポリシリコンの半導体層４０へ到達
する可視光に対する下地絶縁層の光透過率を酸化シリコ
ン膜３５の厚さ毎に調べた結果である。絶縁基板３８を
照明する可視光の青の輝線スペクトルが４４０ｎｍ付近
であることを考えると、４４０ｎｍを中心とする４００
〜５００ｎｍ付近の光透過率が５００ｎｍより長波長側
の光透過率よりも小さくすることで光リーク電流量を低
減できる。酸化シリコン膜３５の厚さは７５０オングス
トローム付近に設定されることが最も好ましい。

【００２１】例えば酸化シリコン膜３５厚さを１２５０
オングストロームに設定した場合と７５０オングストロ
ームに設定した場合とを比較すると、５００ｎｍ以上の
長波長領域では、光透過率が７５０オングストロームの
場合よりも１２５０オングストロームの場合に低くなる
が、５００ｎｍ以下の領域では逆に１２５０オングスト
ロームの場合よりも７５０オングストロームの場合に高
くなる。実際に照明光を液晶表示パネル３０に照射して
行われた光リーク特性評価でも、酸化シリコン膜の厚さ
が１２５０オングストロームの場合に７５０オングスト
ロームの場合の１．３倍大きい光リーク電流が発生する
ことが確認された。さらに、酸化シリコン膜３５の厚さ
が７５０オングストローム付近でばらついても、これが
短波長側の光透過率にあまり大きく影響しないため、特
性を均一化できる。もし、絶縁基板３８からのナトリウ
ムや金属イオン等の不純物が半導体層４０に浸透するの
を防ぐ効果のためだけの理由で窒化シリコン膜３４を単
層で形成した場合は、表１で明らかなようにポリシリコ
ンの半導体層４０のチャネル領域に到達する光によって
光リーク電流が発生し易くなる。

【００２２】上述の実施形態では、シリコン半導体層４
０の下地絶縁層として窒化シリコン膜３４と酸化シリコ
ン膜３５の２層を絶縁基板３８上に形成したが、もちろ
ん多層構成として光透過率が短波長側で低くなるように
下地絶縁層の屈折率と膜厚を絶縁基板３８に対して最適
化すればよい。絶縁基板および下地絶縁層間の屈折率差
は０．１以上に設定することが好ましい。この条件を満
足すれば、下地絶縁層の材料を様々に変更してもよい。

【００２３】また、照明光は一般に液晶表示パネル３０
に表示される画像を見る直視型の場合にアレイ基板３２
側から照射され、液晶表示パネル３０から投射される画
像を見る投射型の場合に対向基板３３側から照射され
る。投射型の場合には、強い照明光が高輝度の画像を得
るために用いられる。この場合、光が液晶表示パネル３
０を透過した後フレネルレンズや投射レンズ等の光学部
品の表面反射してシリコン半導体層４０のチャネル領域
に入射したり、アレイ基板３２の界面反射でシリコン半
導体層４０のチャネル領域に入射することによって光リ
ーク電流が発生するという問題がある。従って、上述し
た構成の下地絶縁層を設けることが望ましい。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、液晶表示装置の製造コ
ストを増大させることなく光リーク電流を低減できる薄
膜半導体装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る液晶表示パネルの構
造を部分的に示す断面図である。

【図２】可視光が透過経路での屈折率差によって干渉す
る様子を示す図である。

【図３】ポリシリコン膜の吸収係数と可視光の波長との
関係を示す特性グラフである。

【図４】下地絶縁層構成による透過率変化を示すグラフ
である。

【符号の説明】

３０…液晶表示パネル ３２…アレイ基板 ３３…対向基板 ３４…窒化シリコン膜 ３５…酸化シリコン膜 ３６，３７…配向膜 ３８…絶縁基板 ３９…液晶層 ４０…シリコン半導体層 ４０ｄ…ドレイン領域 ４０ｓ…ソース領域 ４５…ガラス板 ４７…画素電極 ６２…対向電極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明な絶縁基板上に形成されるシリコン
   半導体層と、 前記シリコン半導体層内に離間して形成されるソースお
   よびドレイン領域と、 前記ソースおよびドレイン領域間に位置する前記シリコ
   ン半導体層の部分をチャネル領域として覆うゲート絶縁
   膜と、 前記ゲート絶縁膜上に形成されるゲート電極と、 前記絶縁基板および前記シリコン半導体層間に形成さ
   れ、前記絶縁基板に入射し前記チャネル領域に向う可視
   光を前記絶縁基板との屈折率差により干渉させこの可視
   光の短波長成分について光透過率を低下させる透明な下
   地絶縁層部とを備えることを特徴とする薄膜半導体装
   置。
2. 【請求項２】 前記下地絶縁層部は前記絶縁基板および
   前記シリコン半導体層間において積層され互いに異なる
   屈折率を持つ複数の絶縁層を含むことを特徴とする請求
   項１に記載の薄膜半導体装置。
3. 【請求項３】 前記複数の絶縁層の１つは窒化シリコン
   および酸化シリコンの一方を主成分とすることを特徴と
   する請求項１に記載の薄膜半導体装置。