KR100330431B1 - 비선형저항소자및그제조방법및액정표시장치 - Google Patents
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Abstract
본 고안은 TFT 또는 액정표시기를 사각, 육각 또는 원형의 적은 조각으로 하여금 급힐 수 있는 배선판 상하에 전극부를 착설하고 고착한 후에 절연 고무 등 합성수지제 방수막을 부착하고 투명 절연 및 방수 코팅수지를 TFT 액정 표시부위에 입힌 구조로 정보의 내용을 둥근 기둥 및 사각기둥 등의 곡면이 있는 벽에 용이하게 장착하여 사용 할 수 있는 뛰어난 고안인 것이다.
Description
제1도는 제2도전막으로서 크롬막을 사용했을 때의 탄탈룸막에 첨가되는 텅스텐의 농도와 MIM소자의 전류밀도와의 관계를 나타낸 도면,
제2도는 제2도전막으로서 ITO막을 사용했을 때의 탄탈룸막에 첨가되는 텅스텐의 농도와 MIM소자의 전류밀도와의 관계를 나타낸 도면,
제3도는 제2도전막으로서 크롬을 사용했을 때의 탄탈룸막에 첨가되는 텅스텐의 농도와 활성화 에너지와의 관계를 나타낸 도면,
제4도는 제2도전막으로서 ITO막을 사용했을 때의 탄탈룸막에 첨가되는 텅스텐의 농도와 활성화 에너지와의 관계를 나타낸 도면,
제5도는 전류주입을 실행했을 경우 혹은 전류주입을 실행하지 않았을 경우의 정전압 구동에 있어서 시간과 MIM소자의 전류밀도와의 관계를 나타낸 도면,
제6도는 제5도의 곡선에서 구해지는 시간과 전류밀도의 차와의 관계를 나타낸 도면,
제7도는 식(2)의 상수B 및 n을 구하기 위해 시간과 전류밀도의 차와의 관계를 나타낸 도면,
제8도는 제2도전막으로서 크롬을 사용했을 때의 탄탈룸막에 첨가되는 텅스텐의 농도와 식(2)의 상수B와의 관계를 나타낸 도면,
제9도는 제2도전막으로서 ITO를 사용했을 때의 탄탈룸막에 첨가되는 텅스텐의 농도와 식(2)에 있어서 상수B와의 관계를 나타낸 도면,
제10도는 식(3)을 유도하기 위해 시간과 MIM소자의 전류밀도의 차와의 관계를 나타낸 도면,
제11도는 제10도에 나타낸 곡선에서 구해진 시간(t1/5)와 MIM소자의 전류밀도의 차와의 관계를 나타낸 도면,
제12도는 제2도전막으로서 크롬을 사용했을 때의 탄탈룸막에 첨가되는 텅스텐의 농도와 식(3)에 있어서 계수(S)와의 관계를 나타낸 도면,
제13도는 제2도전막으로서 ITO를 사용했을 때의 탄탈룸막에 첨가되는 텅스텐의 농도와 식(3)에 있어서 계수(S)와의 관계를 나타낸 도면,
제14도는 탄탈룸막에 0.4%의 텅스텐을 첨가했을 때의 시간과 MIM소자의 전류값의 차의 기울기와의 관계를 나타낸 도면,
제15도는 절연막에 있어서 TSC측정에 의한 바이어스온도와 활성화 에너지와의 관계를 나타낸 도면,
때의 어닐링시간과 전류밀도와의 관계를 나타낸 도면,
제26도는 제2어닐링처리에 있어서 분위기의 가스의 종류를 바꾸었을 때의 전압과 전류와의 관계를 나타낸 도면,
제27도는 실시예1의 MIM소자에 인가하는 전압의 극성을 바꾸었을 때의 전압과 전류밀도와의 관계를 나타낸 도면,
제28도는 비교용의 MIM소자에 인가하는 전압의 극성을 바꾸었을 때의 전압과 전류밀도와의 관계를 나타낸 도면,
제29도는 전류주입을 실행했을 경우 혹을 전류주입을 실행하지 않았을 경우의 정전압 구동에 있어서 시간과 MIM소자의 전류밀도와의 관계를 나타낸 도면,
제30도는 전류주입을 실행한 경우 혹은 전류주입을 실행하지 않은 경우의 정전압구동에 있어서 시간과 비교예의 MIM소자의 전류밀도와의 관계를 나타낸 도면,
제31도는 실시예2에 있어서 양극산화의 전해액으로서 텅스텐산 암모늄수용액을 사용했을 때의 전압과 전류와의 관계를 나타낸 도면,
제32도는 본발명의 실시예3의 제조공정을 모식적으로 나타낸 단면도,
제33도는 본발명의 실시예3의 제조공정을 모식적으로 나타낸 단면도,
제34도는 본발명의 실시예3의 MIM소자를 모식적으로 나타낸 단면도(제35도에 있어서 B-B선을 따라 절단한 단면),
제35도는 제34도에 나타낸 MIM소자를 사용한 전극기판을 구성하는 단위전극을 모식적으로 나타낸 평면도,
제36도는 본발명의 MIM소자를 사용한 액티브 매트릭스방식의 구동회로를 나타낸 도면,
제37도는 산소와 아르곤과의 유량비의 조건을 바꾼 스퍼터링에 의해 얻어진 ITO막의 표면의 주사전자현미경 사진,
제38도는 산소와 아르곤과의 유량비의 조건을 바꾼 스퍼터링에 의해 얻어진 ITO막의 표면의 주사전자현미경 사진,
제39도는 산소와 아르곤과의 유량비의 조건을 바꾼 스퍼터링에 의해 얻어진 ITO막의 표면의 주사전자현미경 사진,
제40도는 산소와 아르곤과의 유량비의 조건을 바꾼 스퍼터링에 의해 얻어진 ITO막의 표면의 주사전자현미경 사진,
제41도는 소자면적과 ON전압에 있어서 전류밀도의 차와의 관계를 나타낸 도면이다.
본 발명은 랩탑 컴퓨터, EWS(Engineering Workstation) 혹은 액정 텔레비전 등의 액정표시 장치의 화소 스위칭 소자로서 적합한 비선형 저항소자, 특히 MIM소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 랩탑 컴퓨터나 EWS 혹은 소형 텔레비젼등에 있어서는 소형화, 경량화 및 저소비전력화 등의 관점에서 종래의 CRT에서 액정표시장치로의 전환이 시도되고 있다.
상기 액정표시 장치의 화소 스위칭 소자로서는 폴리 실리콘 혹은 비결정질 실리콘을 사용한 3단자의 박막 트랜지스터(TFT)나 금속-절연막-금속으로 이루어지는 2단자의 비선형 저항소자(MIM)등이 사용되고 있다. TFT등의 3단자 소자는 제조시에 소자의 구조상에서 반복적인 박막의 형성이 필요하게 되기 때문에 제조공정이 복잡한 점과, 기판상에 신호선의 교점을 가지는 점등에 기인하여 소자의 결함이 발생하기 쉽고 제조능률이 저하된다는 난점이 있었다. 이것에 대해 MIM소자등의 2단자 소자는 3단자 소자에 비해 제조공정이 간편하고 제조능률이 높고 신호선의 교점을 갖지 않는 점으로부터 저비용화 및 대면적화에 유리하다고 해서 이점에 주목하여 현재 개량 및 개발이 진행되고 있다.
MIM소자는 절연체 박막을 2장의 도전성 박막에 의하여 샌드위치와 같은 구조를 하고 있으며 도전성 박막간의 전압-전류특성이 비선형성을 나타내는 것이다.
대표적인 MIM소자는 Ta-Ta2O5-Cr의 구조를 가진다. 상기 MIM소자는 통상 다음과 같은 방법으로 제조된다. 즉 우선 유리기판상에 스퍼터링으로 Ta박막을 형성한 후 타이밍신호선 및 MIM소자부분을 남겨두고 에칭을 실시한다. 다음으로 Ta박막의 표면에 양극산화법에 의해 Ta2O5절연막을 형성한다. 양극산화법에 의해 형성되는 절연막은 스퍼터링이나 CVD(화학적 기상성장)등에 의해 만들어진 절연막에 비해 핀홀이 적은 치밀한 막을 형성할 수 있다는 점에서 유리한 방법이다. 다음으로 Cr박막을 스퍼터링으로 형성한 후 패터닝(Patterning) 하고 다시 ITO의 투명 도전막으로 이루어지는 액정 구동용의 전극패턴이 형성된다.
이와 같은 MIM소자를 사용한 액정 패널에 있어서 높은 화질을 실현하기 위해서는 일반적으로 아래에 나타낸 특성을 만족시키는 것이 중요하다.
①소자의 용량이 액정의 용량에 대해 충분하게 작을 것.
②소자의 전압-전류 특성에 있어서 큰 비선형성을 가지고 ON전류와 OFF전류의 비가 충분하게 클 것.
③소자의 전압-전류특성이 정(+)전압측과 부(-)전압측에서 대칭적일 것.
또한 제조공정의 보다 간편함을 추구하는 기술로는 예들 들면 일본특개소57-122476호 공보에 개시된 것이 있다. 상기 기술에 있어서는 상부 전극으로서 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어지는 투명 도전막을 사용하고 있다. 이와 같이 상부 전극을 투명 도전막으로 함으로써 화소전극인 투명전극막을 형성할 때 상부 전극을 동시에 형성할 수 있고 따라서 상부 전극의 막 형성 및 그 에칭 공정을 줄일 수 있고 공정을 더욱 간편하게 하는 것이 가능하다. 그러나 ITO로 이루어지는 상부전극을 가지는 MIM소자에 있어서는 정전압측과 부전압측에서 그 전압-전류특성이 상당히 다르고 양호한 전류특성을 얻는 것이 곤란하다. 이와 같이 정부 인가전압에 대한 전압-전류특성의 비대칭성은 액정표시장치에 있어서 표시화면의 깜박임(flicker)이나 액정재료의 질저하의 원인이 된다.
ITO상부전극을 사용한 MIM소자를 액정표시장치에 적용하기 위해서는 예를 들면 MIM소자를 역방향으로 직렬로 접속하는 백-투-백(Back-to-Back)구조를 채용하여 정 · 부 인가전압에 대해 대칭인 전류특성을 얻는 방법과 구동방법을 제어해서 외부로부터의 인가전압값과 파형자체를 극성차에 맞춰 비대칭으로 하는 기술(Katsumi Aota, et al SID '91 DIGEST, P. 219, 1991)등이 제안되고 있다. 그러나 전자의 방법에서는 MIM소자의 제조공정에서의 비용을 현저히 중가시키고 또한 후자의 경우에는 외부 전원수의 증가나 구동IC의 대형화 및 고비용화를 초래한다. 또한 본 발명자에 의하면 종래의 MIM소자에 있어서 별도의 문제로서 전류주입에 의해 소자의 전압-전류특성이 시간이 흐름에 따른 변화를 발생하는 것을 확인하고 있다. 이와 같은 전압-전류특성의 시간의 흐름에 따른 변화가 크면 액정표시장치를 액티브 매트릭스법에 의해 구동하는 경우에 예를 들면 잔상이나 표시반점으로서 나타나는 경우가 있다.
본 발명의 목적은 상술한 MIM소자에 요구되는 일반적인 특성에 덧붙여 열이나 전류주입등의 영향에 의한 전압-전류특성의 시간의 흐름에 따른 변화를 억제하고 액정표시장치의 스위칭소자로서 적합한 비선형 저항소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 비선형 저항소자를 사용해서 구성되고 높은 화질를 장시간에 걸쳐 유지할 수 있는 액정표시장치를 제공하는데 있다.
특허청구범위 제1항에 기재한 본발명에 따른 비선형 저항소자는 기판상에 적층된 제1도전막, 절연막 및 제2도전막에서 구성되는 비선형 저항소자(MIM소자)로서 상기 제1도전막은 주성분의 금속에, 이 금속보다 원자가가 1 또는 2 큰 원소가 0.2∼6원자%의 비율로 첨가된 금속막이고 상기 절연막은 상기 제1도전막의 양극산화막인 것을 특징으로 한다.
상기 비선형 저항소자에 있어서 상기 제1도전막을 구성하는 금속으로서는 탄탈룸, 알루미늄 등을 사용할 수 있지만 특히 탄탈룸이 바람직하다. 또한 상기 제1도전막에 첨가되는 원소로서는 텅스텐, 크롬, 몰리브덴 및 레늄으로부터 선택된 적어도 하나의 종류인 것이 바람직하며, 특히 텅스텐이 바람직하다. 그리고 텅스텐은 산화텅스텐(WO3)의 화합물로 첨가되어 있어도 좋다. 또한 상기 제2도전막을 구성하는 물질로서는 크롬, 몰리브덴, 티탄, 알루미늄 및 투명도전막 등을 사용할 수 있지만 크롬 및 투명도전막이 바람직한데 특히 ITO로 이루어 지는 투명도전막이 바람직하다.
다음으로 본발명의 비선형 저항소자의 전류특성에 제1도전막의 첨가원소가 어떠한 영향을 주는지에 대해 검토한 결과에 대해 서술한다. 구체적으로는 제1도전막의 금속으로서 탄탈룸을 사용하고 첨가원소로서 텅스텐을 사용하고 텅스텐의 농도의 변화에 대해 MIM소자에 흐르는 전류가 어떠한 영향을 미칠지에 대해 조사한 것이다. 제1도는 제2도전막으로서 크롬을 사용한 소자의 전류특성을 나타내고 제2도는 제2도전막으로서 ITO를 사용한 소자의 전류특성을 나타낸다.
샘 플
본실험에 사용된 샘플은 이하와 같이 해서 형성된 것이다.
우선 유리기판상에 스퍼터링에 의해 막두께 약 3500Å의 탄탈룸박막 혹은 탄탈룸에 텅스텐이 포함되는 박막을 퇴적 (deposit)하여 제1도전막을 형성한다. 다음으로 0.01중량%의 구연산(citric acid) 수용액에 있어서 양극전압을 30V로 설정한 정전압법을 사용해 2시간의 양극산화를 실시하고 두께 약 530Å의 절연막을 형성한다. 다음으로 질소가스분위기에 노출시켜 온도 400℃에서 약 1시간의 어닐링처리를 실시한다. 그 후 스퍼터링에 의해 크롬 또는 ITO를 절연막상에 퇴적해서 제2도전막을 형성한다. 이 때 제2전극의 두께는 크롬이 1,500Å, ITO가 1000Å이다. 또한 질소상태하에서 온도 250℃로 1시간의 어닐링처리를 실시했다. 샘플로서는 텅스텐농도를 바꾼 여러종류를 준비한다. 또한 샘플의 사이즈는 4㎛×4㎛이다. 후술하는 각 실험에서 사용되는 샘플도 상기 방법에서 얻어진 것이다.
그리고 각 샘플에 대해 4V의 전압을 인가했을 때의 전류값 및 15V의 전압을인가했을 때의 전류값을 구했다. 통상 MIM소자를 사용한 액정표시장치에 있어서는 MIM소자에 인가되는 전압은 선택시에 10∼20V, 비선택시에서는 2∼6V이다. 본발명에 있어서는 이들 전압범위의 거의 중앙값을 선택하고 ON전압을 15V, OFF전압을 4V로 규정하고 그 때 흐르는 전압을 각각 ON전류 및 OFF전류로 정의한다.
제1 및 제2도에 있어서 A로 표시된 곡선은 4V의 전압을 인가했을 때의 결과를 나타내고 B로 표시된 곡선은 15V의 전압을 인가했을 때의 결과를 나타낸다. 또한 실선으로 나타낸 A1 및 B1은 제1도전막에 양의 바이어스 전압을 인가했을 때의 결과를 나타내고 파선으로 나타낸 A2 및 B2는 제1도전막에서 음의 바이어스전압을 인가했을 때의 결과를 나타낸 것이다.
제1도로부터, 특정의 농도범위의 텅스텐을 첨가함으로써 ON전류 및 OFF전류는 저하하고 특히 텅스텐농도가 낮은 경우에 그 결과가 현저하다는 것을 알았다. 이들 전류가 저하하는 텅스텐의 농도범위는 인가 전압에 따라 다르지만 4V 인가전압의 경우에는 약 3원자%이하, 15V 인가전압의 경우에는 약 3원자%이하이다. 특히 주목해야 할 것은 OFF전류의 저하이다.
OFF전류가 저하함으로써 비선택기간에 있어서 전하가 달아나기 어렵기 때문에 액정표시화상의 콘트라스트비가 상승한다. 또한 제1도에서 텅스텐농도가 0.2원자%보다 크면 정 ·부의 전압극성에 있어서 전압-전류곡선이 거의 완전하게 일치하고 있고 전류특성의 대칭성이 상당히 좋다는 것을 알 수 있다.
또한 제2도에서 제2도전막으로서 ITO를 사용한 경우에도 특정 농도범위의 텅스텐을 첨가함으로써 ON전류 및 OFF전류를 저하시키는 것을 알 수 있었다. 그리고제1도전막으로서 텅스텐을 첨가하지 않은 탄탈룸을 사용하고 제2도전막으로서 크롬을 사용한 경우에 비해서 ON전류의 경우에는 약 4원자%이하이고 OFF전류의 경우에는 약 4.5원자%이하로 전류밀도의 저하가 나타나고 특히 2원자%이하의 저농도에서의 저감효과가 크다는 것을 알 수 있었다. 단 제2도전막으로서 ITO를 사용한 경우에는 크롬을 사용한 경우와 비교해서 텅스텐농도가 낮을 경우에는 양의 바이어스전압을 인가했을 때와 음의 바이어스전압을 인가했을 때에 전류밀도에 차이가 나타나고 전압극성에 있어서 대칭성이 약간 떨어진다는 것을 알 수 있다. 특히 OFF전류에 있어서는 텅스텐의 농도가 0.5원자%보다 작을 때에 대칭성이 나쁘다.
이상의 관점에서 텅스텐을 첨가한 탄탈룸 박막을 양극산화함으로써 형성된 절연막은 텅스텐을 포함하지 않은 경우에 비해 OFF전류를 저하시킨다. 그리고 제2도전막으로서 크롬을 사용한 경우에는 최대가 약 3원자%, 제2도전막으로서 ITO를 사용한 경우에는 최대가 약 4.5원자%의 텅스텐을 첨가했을 때에 그 감소효과가 나타난다. 이러한 OFF전류의 감소는 액정표시화면의 콘트라스트를 상승시키기 때문에 화질의 향상에 기여한다.
특허청구범위 제8항에 기재한 비선형 저항소자는 기판상에 적층된 제1도전막, 절연막 및 제2도전막에서 구성되는 비선형 저항소자(MIM소자)이고 상기 제1도전막은 바람직하게는 주성분의 탄탄룸에 텅스텐이 첨가된 금속막이고 상기 절연막은 상기 제1도전막의 양극산화막이고 상기 제2도전막은 크롬막 및 투명도전막 중 어느 하나이고 또한 소자에 흐르는 전류밀도(J)는 근사적으로 하기식(1)에 나타내고 이 식 (1)과 같이 나타나며 활성화 에너지(Ea)가 0.534eV이하 인 것을 특징으로한다.
식(1) : J = Aexp (-Ea / kT)
여기서, A는 상수
k는 볼쯔만(Boltzmann)상수
T는 절대온도를 나타낸다.
통상 MIM소자는 온도변화에 대해 민감하여 예를들면 액정표시 장치의 백라이트에 의한 가열이나 고온의 장소에서의 사용에 의해 특성변화가 발생하고 표시화상의 콘트라스트의 저하등을 야기한다. 이것은 상기 식(1)에서 알 수 있듯이 소자의 전류값이 온도 의존성을 가지기 때문이다. 또한 전류밀도는 활성화 에너지(Ea)의 함수이기도 해서 활성화 에너지가 클수록 온도 의존성이 크고 활성화 에너지가 작을수록 온도의존성이 작다고 할 수 있다. MIM소자의 측정온도를 바꾸고 각각 전류-전압특성을 측정하고 임의의 전압에 있어서 전류값과 1/T와의 관계를 도표화(Plot)하면 그래프는 거의 직선이 되고 활성화 에너지 (Ea)는 상기 직선의 기울기로부터 구할 수 있다.
본발명자들의 연구에 의하면 실온 (약 22℃)∼80℃의 실사용범위에 있어서 전류밀도(J), 특히 OFF전류의 변화길이 1.5이내이면 액정표시장치에 있어서 표시특성상 문제가 없고 한편 상기 변화량이 1.5를 넘으면 표시특성, 특히 콘트라스트의 저하를 초래하는 것이 확인되었다.
또한 본발명자들은 탄탈룸에 텅스텐이 첨가된 제1도전막을 양극산화함으로써 얻어진 절연막에 있어서는 텅스텐을 참가하지 않는 경우에 비해 활성화 에너지가상당히 저하하는 것을 발견했다.
그리고 탄탈룸에 첨가하는 텅스텐의 농도와 활성화 에너지와의 관계를 실험에 의해 검토한 결과를 제3도 및 제4도에 도시했다. 샘플은 상술한 방법과 같은 방법으로 형성한 것이다. 제3도는 제2도전막으로서 크롬을 사용한 경우 제4도는 제2도전막으로서 ITO를 사용한 경우를 나타내고 제3도 및 제4도에 있어서 E4는 4V의 전압(OFF전압)을 인가한 경우 E15는 15V의 전압(ON전압)을 인가한 경우의 활성화 에너지와 텅스텐농도와의 관계를 나타낸다.
제3도 및 제4도로부터 인가하는 전압이 크면 클수록 활성화 에너지는 작아지고, 또한 각 전압에 있어서는 텅스텐의 저농도측에서 1개의 피크를 가지고 그 이후는 완만한 활성화 에너지가 감소해 가는 것을 알 수 있다.
그리고 ON전압(15V) 및 OFF전압(4V)중 어떤 경우에서도 활성화 에너지가 0.534eV 이하이기 위해서는 제2도전막으로서 크롬을 사용한 경우에는 텅스텐농도가 약 0.8원자% 이상인 것이 필요하고 제2도전막으로서 ITO를 사용한 경우에는 텅스텐농도가 약 1.2원자% 이상 필요한 것을 알았다.
이와 같이 텅스텐농도를 제어하여 상기 식(1)의 활성화 에너지(Ea)를 0.534eV이하로 함으로써 실제로 액정표시장치가 사용되는 온도범위에 있어서 표시특성에 가장 영향을 주는 OFF전류의 변화량이 약 1.5이내로 수용할 수 있다. 따라서 이 소자를 사용한 액정표시장치에 있어서는 실사용 온도범위에서의 콘트라스트의 저하를 억제할 수 있다.
특허청구범위 제12항에 기재한 비선형 저항소자는 기판상에 적층된 제1도전막, 절연막 및 제2도전막으로 구성되는 비선형 저항소자(MIM소자)이고 상기 제1도전막은 바람직하게는 주성분의 탄탈룸에 텅스텐이 첨가된 금속막이고 상기 절연막은 상기 제1도전막의 양극산화막이며 상기 제2도전막은 크롬막 및/또는 투명도전막 중 어느 하나이고 또한 소자에 1A/㎠의 전류밀도로 10초간의 전류주입을 실시한 후에 10V의 바이어스전압을 인가했을 때의 전류밀도를 J2, 전류주입을 실행하지 않고 10V의 바이어스전압을 인가했을 때의 전류밀도를 J1으로 하면 근사적으로 하기식(2)이 성립하고, 하기식(2)에 있어서 상수B 및 n에 대해 │B │≤ 0.2 및 n ≤0의 관계가 성립하는 것을 특징으로 한다.
식(2) : log (J2/ J1) = B × t1/n
여기서 t는 바이어스전압을 인가한 후의 경과시간(초)을 나타낸다.
본 발명자들의 연구에 의하면 상기 조건하에 있어서 식(2)이 근사적으로 성립하고 식 (2)에 있어서 상수B의 절대값이 0.2이하 및 n이 0이하의 관계가 성립함으로써 백색표시에서 중간상태 표시로 한 화소와 흑색표시에서 중간상태 표시로 한 화소와의 휘도의 차를 줄일 수 있고 이 휘도의 차를 인간의 시각에 잔상으로서 인식되지 않거나 혹은 실용상 문제가 없는 정도로 할 수 있다. 또한 상수B의 절대값이 0.1이하이면 예를들면 수μ초∼수m초의 단시간에 변화하는 동화표시의 경우에 잔상으로서 인식되지 않는 것이 확인되었다.
종래의 MIM소자를 사용한 액정표시장치에 있어서는 백색표시에서 중간상태표시로 바꾼 화소와 흑색표시에서 중간상태 표시로 바꾼 화소와의 사이에 휘도의 차가 발생하고 이 휘도의 차가 표시상 잔상으로서 인식되어 큰 문제의 하나로 되어 있었다. 상기 현상은 백색표시에서 중간상태 표시로 바뀐 화소의 MIM소자에 흐르는 전류와 흑색표시에서 중간상태 표시로 바뀐 화소의 MIM소자에 흐르는 전류가 다르기 때문에 발생한다. 그리고 이와 같이 전류값의 차는 예를들면 수μ초∼수m초의 절연막으로의 전류주입에 의해 절연막중의 트랩(trap)에 전하가 주입되어 전류전압 특성이 변화하는데 기인하는 것으로 생각된다.
다음으로 이 형상에 대해 실시한 실험결과에 대해 설명한다.
제5도는 1A/㎠의 전류주입을 10초간 실시한 후 10V의 바이어스전압을 연속적으로 인가한 경우의 시간과 전류밀도와의 관계(제5도에 있어서 b에 나타낸다) 및 전류주입을 실시하지 않고 10V의 바이어스전압을 연속적으로 인가한 경우의 시간과 전류밀도와의 관계(제5도에 있어서 a로 나타낸다)를 나타내고 있다.
제5도로부터 전류주입을 실시한 경우와 실시하지 않은 경우에서는 소자에 흐르는 전류값이 다르다는 것과 그 차이가 전압 인가의 초기에 현저하다는 것을 알 수 있고 그 차이는 상기한 잔상의 원인이 된다.
제6도는 제5도에 있어서 양자의 전류밀도의 차 (log (J2/ J1))를 시간에 대해 플로트한 것이다. 제6도로부터 전류주입을 실시한 경우의 전류밀도(logJ2)와의 전류주입을 실시하지 않은 경우의 전류밀도(logJ1)와의 차가 시간의 경과와 함께 작게 되는 것을 알 수 있다. 이와 같은 관계는 제1도전막으로서 탄탈룸, 제2도전막으로서 크롬을 사용한 경우뿐만 아니라 제2도전막으로서 ITO를 사용한 경우 및 제1도전막으로 탄탈룸에 텅스텐을 첨가한 경우등의 각 MIM소자에 있어서도 성립하는 것을 확인하고 있다.
상기식(2)의 로그를 취하면
식(5) : J2> J1일 때
식(6) : J1> J2일 때
가 성립한다. 예를 들면 J1> J2가 성립하는 몇가지 샘플에 대해 식(6)에 의거하여 도표화한 것이 제7도이다. 제7도에 있어서 횡축은 logt(초), 종축은 log {- log (J2/ J1)} 를 나타내고 따라서 종축의 절편은 log(-B)이고 직경의 기울기는 1/n을 나타내고 있다. 제7도에 있어서는 제1도전막과 제2도전막이 탄탈룸-크롬(a), 탄탈룸-ITO(b)및 0.4원자%의 텅스텐을 포함하는 탄탈룸-ITO(c)의 예를 나타내고 있다. 또한 제7도에서 각 샘플의 B 및 n의 수치를 나타낸다.
다음으로 제7도에 나타낸 그래프와 같은 그래프를 작성해서 상기 식(2)의 상수B와 텅스텐의 농도와의 관계를 구했다. 그 결과를 제8도 및 제9도에 나타낸다. 제8도 및 제9도에 있어서 횡축은 텅스텐의 농도(원자%)를 나타내고 종축은 상수B를 나타낸다. 제8도는 제2도전막으로서 크롬을 사용한 경우이고 제9도는 제2도전막으로서 ITO를 사용한 경우이다.
제8도로부터 제2도전막이 크롬의 경우에는 식(2)에 있어서 상수B의 절대값이 0.2이하이기 위해서는 텅스텐의 농도는 0.2원자% 이상이면 좋고, 바람직하게는 0.3원자% 이상이다. 또한 제9도로부터 제2도전막이 ITO의 경우에는 상기 상수B의 절대값이 0.2이하이기 위해서는 텅스텐의 농도는 0.3원자%이상인 것이 필요하고 또한 바람직하게는 0.6원자% 이상인 것이 요구된다. 다시 말해, 제1도전막의 텅스텐농도를 상기한 범위로 설정함으로써 식(2)에 있어서 상수는 절대값이 0.2이하, 바람직하게는 0.1이하가 되고 그 결과 액정표시장치에 있어서 시각적으로 장해가 되는 잔상을 발생하는 일이 없다.
특허청구범위 제16항에 기재한 비선형저항소자는 기판상에 적층된 제1도전막, 절연막 및 제2도전막에서 구성되는 비선형 저항소자(MIM소자)이고 상기 제1도전막은 바람직하게는 주성분의 탄탈룸에 텅스텐이 첨가된 금속막이고 상기 절연막은 상기 제1도전막의 양극산화막이고 상기 제2도전막은 크롬막 및 투명도전막중 적어도 한쪽이며 또한 소자에 소정 범위의 전압을 인가했을 때에 근사적으로 하기식(3)이 성립하고 식(3)에 있어서 계수S는 3.1×10-3이하인 것을 특징으로 한다.
식(3) : log(J / J0) = S × tl/m
여기서 t는 구동을 개시하고 나서의 경과된 시간(초)
J는 경과된 시간이 t초일 때의 전류밀도 (A/㎠)
J0는 경과된 시간 t가 1초일 때의 전류밀도 (A/㎠)
m은 1이상 바람직하게는 5를 나타낸다.
본발명자들의 연구에 의하면 MIM소자에 있어서 식(3)이 근사적으로 성립하고 식(3)에 있어서 계수S가 3.1×10-3이하인 경우에는 소자를 장시간 구동시켜도 그 특성변화 (log(J/J0))가 약 0.1이하가 되고 통상의 구동방법 예를 들면 액티브 매트릭스구동법 등으로 적어도 10,000 시간에 걸쳐 그 표시특성을 유지할 수 있는 것이 학인되었다. 또한 구체적으로 말하면 상기 특성변화가 약 0.1이하가 됨으로써 예를들면 수십분 이상에 걸쳐 장시간의 정지화상을 표시할 때에 문제가 되는 잔상을 방지할 수 있다. 이 잔상현상은 선택되어 있던 MIM소자의 전류전압특성이 장시간의 구동에 의해 변화하기 때문에 연속해서 임의의 계조표시를 했을 때 선택되어 있던 화소와 선택되어 있지 않았던 화소로 소자에 흐르는 전류전이 서로 다르고 그것에 따라 양자의 화소에 인가되는 전압이 다른 결과휘도의 차를 발생함으로써 야기되는 것이다.
다음으로 상기식(3)의 도입 방법 및 식(3)에 있어서 계수와 텅스텐의 농도와의 관계에 대해 검토한 결과에 대해 서술한다. 제10도는 전류밀도의 변화와 시간과의 관계를 나타내고 횡축은 logt를 종축은 log(J / J0)를 나타내고 있다. 제10도에 있어서 a에 나타낸 곡선은 제1도전막으로서 탄탈룸 제2도전막으로서 크롬을 사용한 소자의 측정결과를 나타내고 b에서 나타낸 곡선은 제1도전막으로서 탄탈룸에 0.7원자%의 텅스텐을 첨가한 것을 사용하고 제2도전막으로서 크롬을 사용한 소자의 측정결과를 나타낸다.
그리고 제11도는 제10도에 나타낸 곡선 a.b에서 구해진 것으로 횡축에 t1/5를, 종축에 log(J/J0)를 취하고 있다. 제11도에서 t1/5와 log(J/J0)가 거의 완전한 직선관계에 있고 식(3)이 성립하는 것이 확인되었다. 또한 제1도전막에 텅스텐을 첨가함으로써 전류밀도의 시간의 경과에 따른 변화 (log (J/J0)가 현저하게 작게 되고 따라서 전류특성 변화가 극히 작게 되는 것도 확인되었다.
상기식(3)의 전제조건에서 「소정 범위의 전압」이라 하는 것은 액정표시장치를 구동할 수 있는 만큼의 전류밀도가 얻어지는 전압범위이고 MIM소자의 전류전압특성에 따라서도 다르지만 일반적으로 10∼20V이다. 그리고 이 전압범위에서 MIM소자의 전류밀도는 일반적으로 1mA/㎠∼1A/㎠정도이지만 소비전력이나 구동IC의 내압으로부터 생각하면 바람직하게는 1mA/㎠ 정도이다.
그리고 다음으로 제11도에 있어서 직선의 기울기에 상당하는 S와 제1도전막에 첨가되는 텅스텐의 농도와의 관계를 더욱 상세하게 검토했다. 즉 상기식(3)에 있어서 전류밀도 J0가 1A/㎠, 0.1A/㎠, 0.01A/㎠ 및 0.001A/㎠가 되는 조건하에서 계수S와 제1도전막에 첨가되는 텅스텐의 농도와의 관계를 구했다. 그 결과를 제12및 제13도에 나타낸다. 제12도는 제2도전막으로서 크롬을 사용한 경우를 나타내고 제13도는 제2도전막으로서 ITO를 사용한 경우를 나타낸다.
제12도 및 제13도에서 텅스텐의 농도가 증가하는데 따라 계수S가 작게 되는것을 알 수 있다. 또한 계수 S는 전류밀도, 다시 말해 인가전압의 크기에도 의존하고 인가전압이 작아짐에 따라 계수S가 작아진다는 것을 알 수 있다. 그리고 계수S의 값이 3.1×10-3이하이기 위해서는 예를들면 전류값이 1mA/㎠(d)의 경우를 예로 들면 제2도전막이 크롬의 경우에는 약 0.3원자% 이상, 제2도전막이 ITO의 경우에는 약 0.7 원자% 이상인 것을 알 수 있다. 상기식(3)에 있어서 계수S를 3.1×10-3이하로 함으로써 예를 들면 액정표시장치를 듀티비 1/200∼1/2000, 구동전압 10∼20V의 조건에서 구동한 경우에 장시간 표시에 의한 패턴의 잔상을 발생하는 일이 없고 예를 들면 10,000 시간에 걸쳐 액정표시장치의 표시특성을 양호하게 유지 할 수 있다. 또한 특허청구범위 제21항에 기재한 비선형 저항소자에 있어서는 상기식(3)에 있어서 m이 5이고 또한 계수S가 3.1×10-3을 넘을 때에는 하기식(4)을 만족하도록 적어도 시간t초만큼 에이징을 실시하는 것이 필요하다. 여기서 에이징이라 하는 것은 기판전면에 배치된 MIM소자에 소정범위의 전압을 일정시간 인가하는 것을 의미한다.
식(4) : log (S/5) - (4/5) log t < -3.2
상기식(4)는 식(3)으로부터 아래와 같은 과정에 의해 구해진다.
식 (7)을 그래프로 나타낸 것이 제14도이다. 즉 제14도에 있어서 횡축은 logt를 나타내고 종축은 log {dlog(J/J0) /dt} 를 나타낸다. 제14도에 있어서 종축의 절편 (logt = 0)은 log(S/5)을 나타낸다. 따라서 계수 S가 3.1×10-3이 되기 위해서는
가 된다. 그리고 식(4)를 만족하는 에칭에 필요한 시간t는 제14도에서 구할 수 있다. 예를 들면 제14도에 있어서 직선 d(1mA/㎠)를 보면 t=1(초)에서는 상기식(7)의 값은 약 -3.0이 되고 상기식 (4)를 만족하지 않지만 t=2(초)에서는 약 -3.2가 된다. 따라서 에칭시간은 적어도 약 2초 필요하다는 것을 알 수 있다. 이와 같이 상기식(4)을 만족하도록 시간 t만큼 에칭을 실시함으로써 그후의 구동에 있어서는 상기식(3)을 만족할 수 있기 때문에 동일 화소에 있어서 동일한 패턴을 장시간 표시해도 패턴의 잔상을 발생하는 일 없이 양호한 표시특성을 유지하는 것이 가능하다. 또한 본발명자들의 연구에 의하면 본발명의 MIM소자에 있어서는 이와 같은 에칭을 실시함으로써 얻어진 특성은 장시간 유지할 수 있다는 것이 확인되었다.
또한 제1도전막에 텅스텐을 첨가하지 않은 경우에는 실온에서의 방치에 의해 에칭전의 특성으로 복귀해 버리고 에칭의 효과를 유지하는 것은 곤란하다는 것이 확인되었다.
본발명에 있어서는 상기 절연막(제1도전막의 양극산화막)에 있어서 열자격(熱刺激)전류(TSC전류)의 활성화 에너지가 0.7eV보다 작은 것이 바람직하다. 또한상기 TSC전류의 활성화 에너지가 0.3eV이하인 것이 더 바람직하다. 또한 이와 같은 구성을 얻기 위해서는 제1도전막에 텅스텐을 0.1∼6원자%의 비율로 첨가하는 것이 바람직하다. TSC전류의 활성화 에너지가 텅스텐을 첨가함으로써 작게 되는 이유는 반드시 확실하지는 않지만 텅스텐을 첨가함으로써 절연막중의 트랩단위가 낮게 되기 때문이라고 생각할 수 있다.
TSC전류의 활성화 에너지는 문헌 「 J. IEE Japan, Vol 108, No. 8, '88, P. 787 -792」 에 기재된 측정방법 및 근사식에 의해 구해진다.
제15도에 있어서 a에서 나타낸 영역의 측정점은 절연막이 탄탈룸만의 양극산화막의 것이고 b에서 나타낸 영역의 측정점은 탄탈룸에 2원자%의 텅스텐을 첨가한 막의 양극산화막의 것이다.
제15도로부터 텅스텐이 첨가된 양극산화막에 있어서는 TSC전류의 활성화 에너지가 현저하게 저하하고 있는 것을 알 수 있다. 또한 활성화 에너지는 바이어스온도에 그리 존재하지 않고 거의 일정하다. TSC전류의 활성화 에너지가 저하함으로써 상기식 (2)에 있어서 상수B의 값을 작게 할 수 있다. 이것은 상기식(2)에 있어서 B의 값이 절연막중에 트랩되는 전하에 의존하고 텅스텐을 첨가함에 의해 텅스텐을 첨가하지 않는 경우에 비교해서 상당히 낮은 트랩단위를 형성할 수 있고 따라서 절연막중에 주입되는 전하가 대폭으로 감소되고 그 결과 상수 B의 값을 작게 할 수 있는 것으로 생각할 수 있다.
특허청구범위 제29항에 기재한 비선형 저항소자의 제조방법은 (a)기판상에 주성분의 금속보다 원자가가 1또는 2 큰 원소를 0.2∼6원자%의 비율로 포함하는 금속막을, 바람직하게는 1500∼5000Å의 두께로 퇴적하여 제1도전막을 형성하는 공정, (b)상기 제1도전막의 표면에 양극산화법에 의해 바람직하게는 두께 300∼750Å의 절연막을 형성하는 공정 및 (c)상기 절연막의 표면에 바람직하게는 두께 300∼2,000Å의 제2도전막을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제조방법에 있어서 상기 제1도전막의 금속은 탄탈룸이 바람직하고 또한 탄탈룸보다 원자가가 큰 원소로서는 텅스텐, 몰리브덴, 크롬, 레늄, 산화텅스텐등이 바람직하고, 텅스텐이 더욱 바람직하다. 또한 상기 제2도전막은 크롬 및 투명도전막의 적어도 한쪽이 바람직하고 투명도전막이 보다 더 바람직하다.
상기 제조방법에 있어서는 상기 절연막의 형성후에 온도 300∼400℃의 제1어닐링처리를 실시하는 것이 바람직하다. 또한 이 제조방법에 있어서는 상기 제2도전막의 형성후에 온도 230∼260℃에서 적어도 산소를 포함하는 공기중에 노출시켜 제2어닐링처리를 실시하는 것이 바람직하다.
특히 제1어닐링처리에 있어서는 얻어진 MIM소자의 OFF전류가 그 처리온도에 의존하기 때문에 온도범위를 적정하게 설정하는 것이 중요하다. 통상은 양극산화후에 450℃정도의 열처리를 실시함으로써 양극산화막의 안정화를 도모하고 있지만 예를들면 기판으로서 종래의 비알카리유리를 대신해 값싼 소다유리를 사용함으로써 제조공정의 저비용화를 도모하기 위해서는 공정온도의 저감이 필요하게 되고 있다. 그러나 어닐링의 처리온도를 낮게 하면 소자의 OFF전류가 크게 되어 버리고 액정표시 장치에 있어서 콘트라스트의 저하를 초래한다. 예를들면 통상의 어닐링온도인 450℃에서 유리의 신축이나 깨짐등에 영향이 적은 300℃로 처리온도를 낮춤으로써탄탈룸을 사용한 MIM소자에 있어서는 약 2 단위 정도의 OFF전류의 상승이 보인다. 그러나 본발명자들의 연구에 의하면 탄탈룸에 텅스텐을 첨가함으로써 이 OFF전류의 상승을 억제하여 즉 처리온도를 약 450℃에서 약 300℃로 낮추어도 OFF전류의 변화를 약 1.5 단위 이내로 할수 있고 표시특성에 거의 영향을 부여하지 않는 것이 확인되었다.
다음으로 이것을 나타내기 위한 실험에 대해 설명한다. 이 실험에 있어서는 텅스텐의 농도 및 제1어닐링처리의 온도를 바꾸어 얻어진 복수의 소자샘플의 전류온도를 구한 것이다. 제16도 및 제17도는 제2도전막으로서 크롬을 사용한 경우의 데이터이고 제18도 및 제19도는 제2도전막으로서 ITO를 사용한 경우의 데이터이다. 제16도 및 제18도에 있어서 횡축은 텅스텐의 농도, 종축은 전류밀도(logJ)를 나타낸다. 또한 제17도 및 제19도에 있어서 횡축은 어닐링온도를 나타내고 종축은 전류밀도(logJ)를 나타낸다.
제16도 및 제18도에서 탄탈룸막에 텅스텐을 첨가함으로써 어느 농도범위에서 OFF전류(바이어스전압: 4V)가 저하하고 또한 어닐링온도의 변화에 대한 전류밀도의 변화량이 작게 되는 것을 알 수 있다.
구체적으로는 제16도로부터 텅스텐을 0.2원자%이상 첨가하면 어닐링온도를 450℃에서 300℃로 저하시킨 경우에도 전류밀도J의 변화량은 1.5 단위 정도로 유지된다(텅스텐을 첨가하지 않을 때는 2.5 단위에 가까움). 또한 어닐링온도를 400℃에서 300℃로 저하시킨 경우에는 전류밀도의 변화량은 1단위내로 안정시킬 수 있음을 알 수 있다.
제17도에서 OFF전류의 어닐링온도에 의한 의존성을 작게 할 수 있음을 알수 있다. 구체적으로는 텅스텐을 첨가하지 않는 경우(a)에는 곡선의 기울기는 크고 전류밀도(logJ)는 온도변화에 대해 크게 변화하는 것을 알 수 있다. 이것에 대해 탄탈룸에 텅스텐을 가하면 곡선(b)∼(f)의 기울기는 작게 되고 또한 텅스텐의 농도가 크게 됨에 따라 곡선의 기울기가 작게 되어 완만한 커브가 되고 그 결과 OFF전류는 어닐링온도에 의존하지 않는 것을 알 수 있다.
이상의 결과에서 탄탈룸에 텅스텐을 약 0.2원자%에서 6원자%의 비율로 첨가시킴으로써 제1어닐링처리에 있어서 어닐링온도를 300℃정도까지 낮출 수 있다. 단 어닐링온도가 300℃를 밑돌면 MIM소자에 있어서 바이어스전압을 인가했을 때에 그 극성이 변화하면 전압-전류특성에 비대칭성이 보이기 때문에 이 온도보다 저온에서의 어닐링처리는 바람직하지 않다. 한편 기판으로서 예를들면 값싼 소다유리를 사용한 경우에는 열팽창등의 특성을 고려하면 최고에서도 450℃이하, 바람직하게는 400℃이하의 온도로 어닐링처리하는 것이 바람직하다.
또한 제2도전막으로서 ITO를 사용한 경우에도 제18도 및 제19도에 나타낸 바와 같이 제2도전막으로서 크롬을 사용한 경우와 같은 경향이 보인다.
제18도에서 텅스텐의 농도가 0.2원자%이상이면 OFF전류의 변화량을 약1.5단위로 억제할 수 있다. 또한 제19도에서 어닐링온도가 약 350℃를 넘으면 곡선의 기울기가 완만하게 되고 OFF전류의 변화량이 보다 작게 되는 것을 알 수 있다. 따라서 제2도전막으로서 ITO를 사용한 경우에는 제1어닐링처리의 온도는 300℃이상, 바람직하게는 350℃이상이고 또한 450℃이하, 바람직하게는 400℃이하이다. 또한 이와 같은 어닐링처리를 가능하게 하기 위해서는 텅스텐의 농도는 0.4원자%이상인 것이 바람직하다. 단 제18도에서 알 수 있듯이 텅스텐의 농도가 너무 크면 OFF전류가 상승하기 때문에 텅스텐의 농도는 예를 들면 3원자%를 넘지 않는 것이 바람직하다.
또한 본발명의 제조방법에 있어서는 제2도전막의 형성공정 (공정c)에 있어서 제2도전막은 ITO의 박막으로 이루어지고 이 박막은 산소와 아르곤의 비(산소/아르곤)가 체적비로 5×10-5~1.2×10-2인 공기중에서 스퍼터링에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
제2도전막으로서 ITO박막을 사용한 경우에는 그 막질이 소자특성에 큰 영향을 끼친다. ITO막의 막질은 그 형성조건에 의존하고 구체적으로는 스퍼터링에 있어서 파워, 가스유량, 온도 및 압력등에 의해 결정된다.
본발명자들의 연구에 의하면 이들의 조건 중 스퍼터링에 있어서 가스조성이 MIM소자에 큰 영향을 주는 것이 확인되었다. 구체적으로는 산소와 아르곤과의 유량비를 상기 범위로 함으로써 상기 식(2)에 있어서 상수B의 절대값을 0.2이하로 하는 것이 가능하다.
제20도는 이러한 점을 확인하기 위해 실시한 실험예의 데이터를 나타낸 도면이다. 제20도에 있어서 횡축은 산소와 아르곤과의 유량비를 나타내고 종축은 상기식(2)의 상수 B를 나타낸다. 또한 이 실험에 있어서 스퍼터링의 조건은 파워 1.7kW, 온도 200℃, 압력 5×10-1Pa, 및 가스의 유량(아르곤:100sccm, 산소:0∼10sccm)이다. 제20도에서 가스의 유량비에 의해 상수B의 값이 불연속적으로 변화하는 것을 알 수 있다. 그리고 B의 값을 0.2이하로 하기 위해서는 산소와 아르곤과의 유량비를 상기 범위로 하는 것이 필요하다는 것을 알 수 있다. 또한 상기 유량비를 1.6×10-4~1.0×10-2로 함으로써 상기 상수B의 값을 0.1이하로 할 수 있기 때문에 더욱 바람직하다. 그리고 본발명자들의 연구에 의하면 산소와 아르곤과의 유량비가 ITO의 결정구조에 영향을 주는 것이 판명되었다. 구체적으로는 산소와 아르곤과의 유량비가 적정한 범위에서는 ITO가 다각형의 입상결정을 형성하고 단일결정에 있어서 장축과 단축과의 비(장축/단축)가 평균적으로 약 3∼1인 것이 확인되었다. 여기에 있어서 장축이라 하는 것은 결정형상의 중심을 통하는 축에서 가장 긴 축을 말하고 단축이라 하는 것은 결정형상의 중심을 지나는 축에서 가장 짧은 축을 말한다.
제37도 ∼제40도에 ITO막의 표면의 주사전자현미경(SEM) 사진을 나타낸다. 제37도는 산소와 아르곤과의 유량비가 4.0×10-4, 제38도는 산소와 아르곤과의 유량비가 5.0×10-3, 제39도는 산소와 아르곤과의 유량비가 1.0×10-2, 제40도는 산소와 아르곤과의 유량비가 4.0×10-2일 때 얻어진 ITO막 표면의 전자현미경 사진이다. 제37도 및 제38도의 경우는 산소와 아르곤과의 유량비가 바람직한 범위에 있고 명료한 다각형의 입상결정이 인정되었다. 이것에 대해 제39도는 산소와 아르곤과의 유량비가 본발명의 범위에 속하는 경계부근이고 장축과 단축과의 비가 큰 가늘고 긴 입상결정인 것이 확인되었다. 제40도는 산소와 아르곤과의 유량비가 본발명의범위보다 크고 역시 장축과 단축과의 비가 큰 가늘고 긴 입상결정인 것이 확인되었다.
이상 서술한 각 실험식 및 제조공정의 조건을 종합적으로 만족시키기 위해서는 상기 제2도전막이 크롬으로 형성되어 있는 경우에는 상기 제1도전막에 첨가되는 텅스텐의 농도는 0.2∼6원자%, 바람직하게는 0.3∼3원자%, 보다 바람직하게는 0.8∼3원자%이다. 또한 상기 제2도전막이 ITO에서 형성되어 있는 경우에는 상기 제1도전막에 첨가되는 텅스텐의 농도는 0.2∼6원자%, 바람직하게는 0.3∼4.5원자%, 보다 바람직하게는 0.5∼ 4.5원자%이다.
또한 본발명에 의하면 MIM소자의 전류특성에 대한 사이즈의존성을 작게 할 수 있다. 이것에 관해 이하에 설명한다.
액정표시장치의 고정밀화 및 대용량화가 요망되고 있는 가운데 구동용의 MIM소자에 있어서도 미세화가 요망되고 있다. 그런데 종래의 MIM소자(제1도전막으로서 텅스텐을 첨가하지 않은 탄탈룸막을 사용하고 있는 소자)에 있어서는 소자 사이즈의 의존성이 큰 것이 본발명자들에 의해 확인되었다. 즉 예를 들면 상술한 샘플의 사이즈 (4㎛×4㎛)의 소자와 2㎛×2㎛의 사이즈의 소자를 비교하면 후자는 전자보다 전류밀도에서 약 1단위 정도 작게 되고 따라서 더 큰 저항을 갖게 된다. 이 원인으로서 MIM소자의 평탄부의 저항과 측면부의 저항이 달라서 상기 측면부에서는 상기 평탄부에 비해 전류가 흐르기 어렵게 되고 소자의 사이즈를 작게 하면 측면부의 비율이 상대적으로 크게 되기 때문에 소자가 미세하게 됨에 따라 전류값이 작게 되는 것을 생각할 수 있다. 따라서 소자의 사이즈를 작게 한 경우 구동전압을 높게하거나 구동IC를 고내압의 것으로 하는 등 아직 개선할 여지가 많아서 현재로서는 소비 전력과 비용면에서는 바람직하지 않다.
그런데 본발명의 소자에 있어서는 제1도전막에 텅스텐을 첨가함으로써 상기한 바와 같은 사이즈 의존성을 대폭으로 감소시킬 수 있는 것이 본발명자들에 의해 확인되었다. 제41도에서는 소자면적과 ON전압(15V)에 있어서 전류밀도와의 관계를 나타내고 있다. 제41도에서는 4㎛×4㎛의 사이즈의 MIM소자에 흐르는 전류밀도(J(S=16))를 기준으로 하고 이 전류밀도와 각 소자의 전류밀도(Js)와의 비를 나타낸 것이다. 제41도에 있어서는 텅스텐을 포함하지 않는 것(라인a), 텅스텐의 농도를 바꾼 것(라인b∼e)가 나타나 있다.
이 도면에서 텅스텐을 포함하지 않는 소자의 경우 사이즈를 4㎛×4㎛에서 2㎛×2㎛로 작게 한 경우 전류밀도는 약 1 단위 정도 저하하고 있지만 예를들면 텅스텐을 2원자% 첨가한 경우에는 동일 조건에 있어서도 전류밀도의 저하는 불과 0.05 단위 정도이다. 또한 제41도에서 텅스텐의 농도가 높게 될수록 미세화에 따른 전류밀도의 저하는 작게 되는 것을 알 수 있다.
이와 같이 제1도전막에 텅스텐을 첨가함으로써 소자의 미세화에 의한 전류밀도의 저하를 억제할 수 있다.
본발명의 액정표시 장치는 투명한 기판, 이 기판상에 소정의 패턴으로 배열된 신호전극, 이 신호전극에 소정의 피치로 접속된 특허청구범위 제1항 내지 특허 청구범위 제29항의 어느 한항에 기재한 비선형 저항소자 및 이 비선형저항소자의제2도전막에 접속된 화소전극을 구비한 제1전극기판과 상기 화소전극에 대향하는 위치에 대한 신호전극을 구비한 제2전극기판과 상기 제1전극기판과 상기 제2전극기판과의 사이에 봉입된 액정층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
[발명을 실시하기 위한 바람직한 실시예]
이하, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위해, 그 적합한 실시예에 대해 설명한다.
(실시예 1)
제23도는 본발명을 적용한 MIM소자(100)의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다. 제24도는 본실시예의 MIM소자를 사용한 액정구동전극의 1단위를 나타낸 평면도이다. 제23도는 제24도에 있어서 A-A선을 따라 나타낸 것이다.
MIM소자(100)는 절연성 및 투명성을 가지는 기판, 예를 들면 유리, 플라스틱등으로 이루어지는 기판(10)과 이 기판(10)의 표면에 형성되고 탄탈룸에 텅스텐이 0.2∼6원자%(본실시예에 있어서는 약 2원자%)의 비율로 포함되고 1500∼5000Å의 막두께를 가지는 제1도전막(12)과 이 제1도전막(12)의 표면에 양극산화법에 의해 형성되고 300∼700Å의 막두께를 가지는 절연막(14)과 이 절연막(14)의 표면에 형성되고 300∼2000Å 정도의 막두께를 가지는 제2도전막(16)으로 구성되어 있다.
이 MIM소자(100)는 예를 들면 이하의 공정에 의해 제조된다.
(A)먼저 기판(10)상에 텅스텐이 소정의 농도로 포함되는 탄탈룸막을 퇴적시킨다. 이 때의 탄탈룸막의 막두께는 MIM소자의 용도에 의해 적합한 값이 선택되고 통상 1500∼5000Å (본실시예에 있어서는 3000Å)정도가 된다. 텅스텐이 포함되는탄탈룸막의 퇴적방법으로서는 혼합타게트를 사용한 스퍼터링 혹은 동시 스퍼터링등을 사용할 수 있는데 특히 전자가 바람직하다. 탄탈룸과 텅스텐의 혼합물 타게트에 있어서 양자의 혼합비는 형성해야 할 제1도전막에서의 양자의 조성비와 대응시켜 설정된다. 혼합물 타게트로서는 예를들면 탄탈룸과 텅스텐을 미소한 입자직경(예를 들면 500∼10000Å, 바람직하게는 1000∼3000Å, 본실시예에서는 2000Å정도)의 분말로 양자를 혼합하고 그것을 다시 300℃이상으로 소결시킨 것 혹은 탄탈룸과 텅스텐을 용융해서 합금화시킨 것 등을 사용할 수 있다. 이와 같이 스퍼터링의 타게트로서 혼합물 타게트를 사용함으로써 개별 타게트를 사용하는 동시 스퍼터링에 비해 제1도전막의 균질화, 구체적으로는 텅스텐의 집중현상을 없애고 그 분포를 균일하게 할 수 있다.
다음으로 상기 탄탈룸막을 일반적으로 사용되고 있는 광식각(photolithography) 및 에칭 기술에 의해 패터닝하고 제1도전막(12) 및 타이밍신호선(22)의 도전부(22a)를 형성한다(제21도, 제24도 참조). 패터닝은 예를 들면 레지스트를 기판(10)의 전면에 도포한 후 마스크를 사용해서 노광시켜 현상을 실시하고 레지스트 패턴을 형성한 후 에칭을 실시함으로써 달성된다. 에칭의 방법으로서는 CF4가스와 O2가스를 혼합해서 사용한 드라이에칭과, 불소산과 초산(硝酸)을 혼합한 에칭액에 의한 습식에칭법등이 사용된다.
(B) 다음으로 양극산화법을 사용해서 상기 제1도전막(12)의 상부를 산화시키고 절연막(14)및 타이밍신호선(22)의 절연부(22b)를 형성한다(제22도, 제24도 참조). 이 절연막(14)도 그 용도에 따라 바람직한 막두께가 되고 통상 300∼700Å 정도가 된다. 본실시예에 있어서는 0.01중량%의 구연산 수용액중에 있어서 30V의 정전압으로 약 2시간에 걸쳐 양극산화를 실시함으로써 약 530Å의 막두께의 절연막을 얻을 수 있었다.
(C)다음으로 온도 악 300∼400℃(본실시예에서는 400℃)의 온도에서 0.5∼2시간(본실시예에서는 1시간)에 걸쳐 제1어닐링처리를 실시했다. 이 어닐링처리는 통상 질소 가스, 아르곤 가스등의 불활성 가스 분위기에서 혹은 산소 가스나 아르곤-수소 분위기에서 행하여진다.
이 어닐링처리를 실시함으로써 상기 절연막(양극산화막)의 화학적 구조를 안정화할 수 있다. 본실시예에 있어서는 제1도전막(12)에 특정 농도의 텅스텐을 첨가함으로써 상기 어닐링처리의 온도를 통상의 온도(약450℃)보다 상당히 낮게 할 수 있다. 그 결과 예를 들면 소다유리를 기판으로 사용한 경우에도 열에 의한 팽창, 신축의 영향을 받기 어렵게 할 수 있다. 단 어닐링온도가 300℃보다 낮으면 MIM소자에 있어서 전류-전압곡선의 대칭성이 낮게 되기 때문에 바람직하지 않다.
(D) 다음으로 스퍼터링에 의해 ITO막을 300∼2000Å 정도 (본 실시예에서는 1000Å)의 박막으로 퇴적한 후 광식각 및 에칭기술을 사용해서 패터닝을 실시하고 제2도전막(16) 및 화소전극(20)을 형성한다(제23도, 24도 참조).
상기 스퍼터링의 조건은 전력 1.7KW, 온도 200℃, 압력 5×10-1Pa, 산소와 아르곤과의 유량비 5×10-3이다. 이와 같이 제2도전막(16)을 ITO에 의해 구성함으로써 제2도전막(16)의 형성과 화소전극(20)의 형성을 동일 공정으로 실행할 수 있기 때문에 제조공정을 보다 간략화할 수 있다.
(E) 그 후 온도 230∼260℃(본실시예에 있어서는 250℃)로 0.5∼4시간 (본실시예에서는 2시간)에 걸쳐 제2어닐링처리를 실시했다. 어닐링은 산소를 5∼100% 보다 바람직하게는 50∼100%의 비율을 포함하는 분위기중에서 실행하는 것이 바람직하다. 산소이외의 가스로서는 질소가스, 아르곤가스등이 사용된다.
다음으로 제2어닐링처리에 관한 실험결과를 설명한다. 제25도는 제2어닐링처리에 있어서 어닐온도 및 시간과 형성된 MIM소자와의 OFF전류와의 관계를 나타내고 있다. 실험의 샘플로서는 제2어닐링온도 이외의 조건은 본실시예의 공정에서 제조된 것을 사용하고 상기 제2어닐링처리는 50%의 산소를 포함하는 질소 분위기에서 실시했다. 제25도에 있어서 a는 어닐링 온도 200℃, b는 250℃, c는 300℃에서 어닐링처리를 실시했을 때의 각각의 OFF전류의 변화를 도시한 도표이다. 예를 들면 어닐링 온도가 200℃의 경우에는 어닐링 시간이 길어짐에 따라 OFF전류가 감소해 가지만 그 감소량은 작고 시간이 경과에 따라 계속 변화해서 안정되지 않는다.
어닐링온도가 300℃의 경우에는 어닐링 개시후 20∼30분정도에서 OFF전류가 일단 내려가고 그 이후는 계속 상승하고 역시 안정된 전류특성을 가지지 않는다. 또한 어닐링 온도가 250℃의 경우에는 약 1시간의 열처리에 의해 OFF전류가 크게 감소하고 그 이후는 거의 안정된 치수를 나타내고 있다.
이러한 경향은 230∼260℃의 범위에서 확인되었다.
또한 제2어닐링처리에 있어서의 분위기에 대하여 실시한 실험에 대해 서술한다. 제26도는 다른 분위기중에서 어닐링처리를 실시했을 때의 전압과 전류와의 관계를 나타내고 있다. 제26도에 있어서 a는 어닐링처리를 실시하지 않았을 경우 b는 질소가스 분위기에서 어닐링처리를 실시한 경우 및 c는 산소가스 분위기에서 어닐링처리를 실시한 경우의 결과를 나타낸다. 제26도에서 어닐링처리를 실시한 경우는 어닐링처리를 실시하지 않는 경우에 비해 소자의 OFF전류가 저하하고 또한 어닐링처리를 실시한 경우에서도 산소가스 분위기에서 실시한 어닐링에 의해 OFF전류는 질소가스 분위기중에서의 어닐링처리에 의한 것 보다 더욱 저하하는 것이 확인되었다. 이러한 OFF전류의 저하는 분위기중의 산소원자가 열처리에 의해 절연막 및 절연막-금속계면까지 확산하고 이들의 영역의 트랩을 채우는 것에 의한 것으로 생각할 수 있다.
이상과 같이 해서 얻어지는 MIM소자의 사이즈는 용도나 기능 등의 점에서 선택되지만 통상 1변이 1∼10㎛정도가 된다. 본실시예의 MIM소자(100)의 경우는 제24도에 있어서 S1, S2에서 나타낸 사이즈가 각각 4㎛이다.
다음으로 MIM소자(100)에 대해 실시한 특성시험의 결과에 대해 설명한다.
(1) 극성이 다른 전압을 인가했을 때의 대칭성
제27도는 본실시예의 MIM소자에 대해 측정한 전압-전류특성을 나타낸다.
제27도중 흑색원으로 플로트한 곡선 a는 +의 바이어스전압을 인가한 경우, 백색원의 플로트로 나타낸 곡선 b는 마이너스의 인가전압을 인가했을 때의 전압-전류밀도(logJ)곡선을 나타내고 있다. 제27도에서 본실시예의 MIM소자에 있어서는 극성이 다른 전압을 인가했을 때의 전압-전류곡선이 거의 완전하게 일치하고 극히 높은 대칭성을 가지는 것이 확인되었다. 이와 같은 결과가 얻어진 이유로서는 탄탈룸에 특정 농도의 텅스텐이 첨가된 금속막의 양극산화에 의해 절연막을 형성함으로써 제1도전막과 절연막과의 경계면의 장벽높이와 절연막과 제2도전막과의 경계면의 장벽높이가 거의 동일하게 된 것에 의한 것이라고 생각 할 수 있다.
또한 비교용의 샘플로서 본실시예의 MIM소자의 탄탈룸막에 텅스텐을 첨가하지 않은 것 이외는 본실시예와 동일한 방법에 의해 MIM소자를 형성하고 이 소자에 대해 동일한 전압-전류특성을 구했다. 그 결과를 제28도에 나타낸다. 제28도에서 탄탈룸막에 텅스텐을 첨가하지 않는 경우에는 (+)바이어스전압을 인가했을 때(라인a)와 (-)바이어스전압을 인가했을 때(라인b)에서는 그 전압-전류곡선이 상당히 크게 이동되어 있어 양호한 대칭성을 얻을 수 없다는 것이 확인되었다.
(2) 단시간의 특성변화에 대해
제29도는 상기식(2)을 본실시예의 MIM소자에 적용하고 제5도에 대응하는 시간과 전류와의 관계를 구한 도면이다. 제29도에 있어서 라인 a는 MIM소자에 약 1A/㎠의 전류주입을 10초간 실시한 후 인가전압을 10V로 유지한 경우의 전류값의 시간에 따른 변화를 나타내고 라인 b는 상기한 전류주입을 실행하지 않고 인가전압을 10V로 유지한 경우의 전류값의 시간에 따른 변화를 나타낸 것이다. 제29도에서 전류주입을 실시한 경우와 실시하지 않은 경우에서는 그 시간-전류곡선이 거의 완전하게 일치하고 있는 것이 확인되었다. 상기 실험결과를 검토한 결과 상기식(2)에 있어서 상수B는 0.04, n은 -1.64였다.
다음으로 비교를 위해 본실시예의 MIM소자에 있어서 탄탈룸막에 텅스텐을 첨가하지 않는 것 이외는 본실시예와 같은 제조방법으로 형성한 MIM소자에 대해 같은 측정을 실시했다. 그 결과를 제30도에 나타낸다. 제30도에 있어서 라인 a는 전류주입이 있던 경우 라인 b는 전류주입이 없던 경우의 결과를 나타낸다. 그 시간-전류특성으로부터 상기식(2)에 있어서 상수B 및 n을 구한 결과 B는 0.55, n은 -3.25였다. 이와 같이 상수B의 절대값이 0.2를 넘을 경우에는 액티브 매트릭스형 액정표시소자에 있어서 예를 들면 동화상을 표시하는 경우에 잔상이나 표시 얼룩을 발생한다.
(3) 장시간의 특성변화에 대해
본실시예의 MIM소자에 대해 상기식(3)에 의거해 계수S를 구한 결과 그 값은 5.01×10-4였다. 따라서 본실시예의 MIM소자에서는 1만시간의 구동에 있어서도 소자특성의 변화량(log(J/J0)은 약 1.63×10-2에서 멈추고 따라서 이 소자를 액정표시장치에 사용한 경우에는 장시간의 구동에 있어서도 잔상현상은 발견되지 않는다.
이 MIM소자에 의하면 예를들면 듀티비가 1/200∼1/2000, 구동전압이 10∼20V의 구동조건에서 적어도 10,000 시간에 걸쳐 액정표시 장치의 표시특성을 보증할 수 있다.
또한 비교를 위해 본실시예의 탄탈룸막에 텅스텐을 포함하지 않는 샘플에 대해 동일한 계수S를 구한 결과 1.41×10-2였다. 소자의 경우 10,000 시간의 구동에 있어서 소자특성의 변화량은 약 0.46이 되고 이 소자를 사용한 액정표시장치에서는장시간의 구동에 의해 잔상의 발생이 발견되었다.
(4) 에이징(aging)에 대해
또한 본발명의 실시예의 MIM소자에서도 첨가되는 텅스텐농도가 낮은 경우에는 (예를들면 0.4원자%), 상기식(3)에 있어서 S의 값을 만족할 수 없고 그 값은 5.62×10-3이다. 따라서 이 소자에 있어서는 상기식(4)를 만족하는 시간만큼 에이징을 실시하는 것이 필요하다. 이 경우에는 상기식(4)에서
logt> 0.3135
t> 2.06
이 되고 적어도 2.06초의 에이징이 필요하다. 이 시간만큼 에이징을 함으로써 그 후의 장시간의 구동에 있어서도 잔상은 발견되지 않았다. 또한 실제 사용 온도범위에서 방치해 두어도 에칭후의 특성은 그대로 유지되었다. 한편 상기 비교예의 경우에는 상기와 같은 에이징 시간을 구하면 적어도 506.7(초)이다. 또한 이 비교용 소자는 적어도 에이징 직후의 구동에 있어서는 잔상은 발견되지 않았다.
(5) 활성화 에너지에 대해
본실시예의 MIM소자에 대해 상기 식(1)에 의거 활성화 에너지(Ea)를 구한 바 그 값은 OFF전압에 있어서 0.42eV였다. 또한 이 MIM소자에 대해 열자격전류(TSC전류)의 활성화에너지를 구한 바 약 0.2eV였다. 이와 같이 상기식(1)에 있어서 활성화 에너지가 0.534eV이하이므로 MIM소자의 온도의존성을 작게 할 수 있고 따라서이 소자를 사용한 액정표시장치는 넓은 온도범위 예를들면 실용온도범위 (실온 ∼80℃)에 있어서 안정된 표시특성을 유지할 수 있다. 또한 TSC전류의 활성화 에너지를 0.7eV보다 작게 함으로써 MIM소자는 상기 식(2)에 있어서 계수B의 절대값을 0.2이하로 할 수 있고 이 소자를 액정표시장치에 사용한 경우에는 특히 동화상 표시에 있어서 문제가 되고 있던 잔상을 없앨 수 있다.
이상과 같이 본실시예의 MIM소자는 전압-전류특성에 있어서 비선형성 및 대칭성 등의 기본적 특성이 우수할 뿐만 아니라 열이나 전류주입에 의한 영향을 받지 않고 안정된 특성을 장시간에 걸쳐 유지할 수 있다. 또한 이 MIM소자는 제2도전막이 ITO로 형성되어 있기 때문에 제2도전막을 화소전극과 동시에 형성할 수 있고 과정을 간략화할 수 있다.
(실시예 2)
본실시예의 MIM소자는 상기 실시예1과 같은 기본적 구성을 가지기 때문에 구성의 기재를 생략한다. 본실시예의 MIM소자가 상기 실시예1의 MIM소자와 다른 점은 그 제조공정중 절연막의 형성에 있어서 전해액을 구연산수용액에서 텅스텐산 암모늄 수용액으로 바꾼 점에 있다. 즉 양극산화에 있어서 사용되는 전해액으로서 0.001~0.05중량%(본실시예에서는 0.005중량%)의 텅스텐산 암모늄 수용액을 사용했다. 양극산화에 있어서 그 밖의 조건은 실시예1과 같고 즉 20∼40V(본실시예에서는 30V)의 정전압법을 사용해서 0.5∼4시간(본실시예에 있어서는 2시간)에 걸쳐 양극산화를 실시했다.
본실시예의 MIM소자는 상기 실시예1의 MIM소자에 비해 전압-전류곡선에서 기울기 특성이 우수하다는 것이 확인되었다. 제31도에 양자의 전압-전류곡선을 나타낸다. 제31도에 있어서 라인a는 본실시예의 특성곡선을 나타내고 라인b는 양극산화의 전해액으로서 구연산을 사용한 경우의 특성곡선을 나타낸다. 제31도에서 양극산화에 있어서 텅스텐산 암모늄 수용액을 사용하면 구연산 수용액을 사용한 경우에 비해 소자의 전압-전류곡선의 기울기가 크고 액정층에 대한 기록특성이 보다 양호하게 되는 것이 확인되었다. 또한 양극산화에 있어서 사용되는 전해용액으로서 인산 수용액을 사용해도 같은 특성을 나타낸 것이 확인되고 있다.
(실시예 3)
본실시예의 MIM소자(400)은 상기 실시예1의 MIM소자를 구성하는 제2도전막 대신에 크롬, 알루미늄, 티탄, 몰리브덴등의 금속막(본실시예에서는 크롬막)을 사용하고 있다. MIM소자(400)의 제1도전막(12)및 절연막(14)의 형성방법 및 구성(제32도, 제33도 참조)은 상기 실시예1과 같기 때문에 그 상세한 설명을 생략한다. 상기 제2도전막(18)은 예를 들면 스퍼터링에 의해 막두께 500∼3000Å (본실시예에서는 1500Å)의 크롬막을 형성하고 그 후 통상 사용되고 있는 광식각 및 에칭기술을 사용해서 패터닝된다(제34도 참조). 이어서 ITO막을 스퍼터링등에 의해 막두께 300∼2000Å (본실시예에서는 500Å)에서 퇴적시키고 광식각 및 에칭기술을 사용해서 소정의 패턴을 형성해서 화소전극(20)을 형성한다(제34도, 제35도 참조). 이와 같이 해서 얻어진 MIM소자(400)는 상기 제2도전막(18)과 상기 화소전극(20)이 겹친 상태로 접속되어 있다.
이 MIM소자(400)에 있어서도 실시예1과 같은 각 특성에 있어서 양호한 결과가 얻어진다. 즉 이 소자에 있어서는 상기 식(2)에 있어서 상수B의 값은 0.001, n은 -0.78이다. 또한 상기식(3)에 있어서 계수S의 값은 2.24×10-5인 것을 확인했다. 그리고 OFF전류의 상기식(1)에 있어서 활성화 에너지는 0.40eV, 및 TSC전류의 활성화 에너지는 약 0.2eV인 것을 확인했다.
이상 본발명의 적합한 실시예에 대해 설명했지만 본발명은 이들에 한정되는 것이 아니고 발명의 요지의 범위내에서 여러가지의 개조나 변형이 가능하다. 예를 들면 제1도전막에 첨가되는 물질로서 텅스텐 대신에 몰리브덴, 니오븀, 레늄 및 WO3등을 사용해도 상기 실시예에 기재된 것과 동일한 현상이 발생한다.
제36도는 본발명의 MIM형 비선형 저항소자를 사용한 액티브 매트릭스방식의 액정표시장치의 등가회로를 나타낸다. 이 등가회로에 있어서는 각 화소영역 (300)에 있어서 타이밍신호선(주사선) X와 데이터신호선 Y와의 교점에 MIM소자(100,400)과 액정셀(200)이 직렬로 접속되어 있다. 그리고 타이밍신호선 X 및 데이터신호선 Y에 인가된 신호에 의거 액정셀(200)을 표시상태, 비표시상태 혹은 그 중간상태로 전환함으로써 표시동작을 제어한다.
본발명의 MIM형 비선형 저항소자는 이러한 액티브 매트릭스방식의 액정표시장치에 있어서 특히 유용하다.
본발명의 비선형 저항소자가 적용되는 액티브 매트릭스방식의 액정표시장치는 특히 그 구성에 있어서 한정되는 것이 아니지만 적어도 투명한 기판 이 기판상에 소정의 패턴으로 배설된 신호전극(타이밍 신호선, 데이터신호선), 이 신호전극에 소정의 피치로 접속된 본발명의 비선형 저항소자, 및 이 비선형 저항소자의 제2도전막에 접속된 화소전극을 구비한 제1전극기판과, 상기 화소전극에 대향하는 위치에 대향신호 전극을 구비한 제2전극기판과, 상기 제1전극기판과 상기 제2도전기판과의 사이에 봉입된 액정층을 포함하고 또한 편광판, 칼라필터등의 부재가 부가되어 표시패널을 구성한다.
본발명의 액정표시 장치는 모든 타입의 액정표시 기기에 적용할 수 있고 예를 들면 액정텔레비젼 비디오게임기등의 표시장치에 사용한 경우에는 표시성능이 높고 또한 동화상에 있어서 잔상이 없는 화상을 표시할 수 있다. 또한 본발명의 액정표시 장치를 퍼스널컴퓨터, 워크스테이션, OA기기 등의 표시수단에 사용한 경우에도 표시성능이 높고 고정패턴에 있어서 잔상이 없는 화상을 표시할 수 있다.
Claims (40)
- 기판상에 적층된 제1도전막, 절연막 및 제2도전막으로 구성되는 비선형 저항소자에 있어서,상기 제1도전막은 주성분 금속에, 이 금속 보다 원자가가 1또는 2큰 원소가 0.2∼6 원자%의 비율로 첨가된 금속막이고,상기 절연막은 상기 제1도전막의 양극산화막인 것을 특징으로 하는 비선형저항소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1도전막을 구성하는 주성분 금속은 탄탈룸인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1도전막에 첨가된 원소는 텅스텐, 크롬, 몰리브덴 및 레늄으로부터 선택되는 적어도 한 종류인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 제 3 항에 있어서,상기 원소는 텅스텐인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제2도전막은 크롬막 및 투명도전막중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제2도전막은 크롬으로 형성되고 또한 상기 제1도전막에 첨가된 원소는 텅스텐으로서 그 농도는 0.3∼6 원자%인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제2도전막은 투명도전막이고 또한 상기 제1도전막에 첨가된 원소는 텅스텐이고 그 농도는 0.3∼4.5원자%인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 기판상에 적층된 제1도전막, 절연막 및 제2도전막으로 구성되는 비선형 저항소자에 있어서,상기 절연막은 상기 제1도전막의 양극산화막이고,상기 제2도전막은 크롬막 및 투명도전막중 적어도 하나이며,또한 소자에 흐르는 전류밀도(J)는 근사적으로 하기식(1)이 성립하고,식(1) J = A ·exp (-Ea/kT)[여기서, A는 상수,k는 볼쯔만 상수(Boltzmann's constant),T는 절대온도]상기 식 (1)에 있어서 활성화 에너지 (Ea)가 0.534eV이하인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 제 8 항에 있어서,상기 제1도전막은 주성분의 탄탈룸에 텅스텐이 첨가된 금속막인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 제 8 항에 있어서,상기 제2도전막은 크롬으로 형성되고 또한 상기 제1도전막에 첨가된 텅스텐의 농도는 0.8∼6원자%인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 제 8 항에 있어서,상기 제2도전막은 투명도전막이고 또한 상기 제1도전막에 첨가된 텅스텐의 농도는 1.2∼6원자%인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 기판상에 적층된 제1도전막, 절연막 및 제2도전막으로 구성되는 비선형 저항소자에 있어서,상기 절연막은 상기 제1도전막의 양극산화막이고,상기 제2도전막은 크롬막 및 투명도전막 중 어느 하나이고 또한 소자에 1A/㎠의 전류밀도로 10초간의 전류주입을 실시한 후에 10V의 바이어스전압을 인가했을 때의 전류밀도를 J2, 전류주입을 실행하지 않고 10V의 바이어스전압을 인가했을 때의 전류밀도를 J1으로 하면 근사적으로 하기식(2)이 성립하고,식(2) log(J2/ J1) = B × tl/n[여기서, t는 바이어스전압을 인가한 후부터의 경과시간(초)]상기식 (2)에 있어서 상수B 및 n에 대해 │B │ ≤ 0.2 및 n ≤0의 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 제 12 항에 있어서,상기 제1도전막은 주성분인 탄탈룸에 텅스텐이 첨가된 금속막인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 제 12 항에 있어서,상기 제2도전막은 크롬으로 형성되고, 또한 상기 제1도전막에 첨가된 텅스텐의 농도는 0.2∼6원자%인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 제12항에 있어서,상기 제2도전막은 투명도전막이고 또한 상기 제1도전막에 첨가된 텅스텐의 농도는 0.3∼6원자%인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 기판상에 적층된 제1도전막, 절연막 및 제2도전막으로 구성되는 비선형 저항소자에 있어서,상기 절연막은 상기 제1도전막의 양극산화막이고,상기 제2도전막은 크롬막 및 투명도전막중 적어도 하나이고또한 소자에 소정 범위의 전압을 인가했을 때에 근사적으로 하기식(3)이 성립하고,식(3) log(J / J0) = S × tl/m[여기서 t는 구동을 개시하고 나서의 경과된 시간(초),J는 경과된 시간이 t초일 때의 전류밀도 (A/㎠),J0는 경과된 시간 t가 1초일 때의 전류밀도 (A/㎠),m ≥ 1]상기식(3)에 있어서 계수S는 3.1×10-3이하인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 제 16 항에 있어서,상기식(3)에 있어서 m은 5인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,상기 제1도전막은 주성분의 탄탈룸에 텅스텐이 첨가된 금속막인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,상기 제2도전막은 크롬으로 형성되며, 또한 상기 제1도전막에 첨가된 텅스텐의 농도는 0.3∼6 원자%인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,싱기 제2도전막은 투명도전막이고 또한 상기 제1도전막에 첨가된 텅스텐의 농도는 0.7∼6원자%인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 기판상에 적층된 제1도전막, 절연막 및 제2도전막으로 구성되는 비선형 저항소자에 있어서,상기 절연막은 상기 제1도전막의 양극산화막이고,상기 제2도전막은 크롬막 및 투명도전막중 적어도 어느 하나이고,또한 소자에 소정의 전압을 인가했을 때에 근사적으로 상기식(3)이 성립하고, 상기식(3)에 있어서 m이 5이고 또한 계수S가 3.1×10-3를 넘을 때에는 하기식(4)를 만족하도록 적어도 시간t초 만큼 에이징을 실시하는 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 제 21 항에 있어서,상기 제1도전막은 주성분의 탄탈룸에 텅스텐이 첨가된 금속막인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 기판상에 적층된 제1도전막, 절연막 및 제2도전막으로 구성되는 비선형 저항소자에 있어서,상기 절연막은 상기 제1도전막의 양극산화막이고상기 제2도전막은 크롬막 및 투명도전막중 적어도 어느 하나이고또한 상기 절연막에 있어서 열자격전류(TSC전류)의 활성화 에너지가 0.7eV보다 낮은 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 제 23 항에 있어서,상기 제1도전막은 주성분인 탄탈룸에 텅스텐이 첨가된 금속막인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 제 23 항에 있어서,상기 활성화 에너지가 0.3eV이하인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 제 23 항에 있어서,상기 제2도전막은 크롬으로 형성되며, 또한 상기 제1도전막에 첨가된 텅스텐의 농도는 0.2∼6원자%인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 제 23 항에 있어서,상기 제2도전막은 투명도전막이고 또한 상기 제1도전막에 첨가된 텅스텐의 농도는 0.2∼6원자%인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 기판상에 적층된 제1도전막, 절연막 및 제2도전막으로 구성되는 비선형 저항소자에 있어서,상기 절연막은 상기 제1도전막의 양극산화막이고,상기 제2도전막은 투명도전막이고,또한 상기 투명도전막은 입상의 결정구조를 가지고 단일결정의 표면형상에 있어서 장축과 단축과의 비(장축/단축)가 평균적으로 3∼1인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- 제 28 항에 있어서,상기 제1도전막은 주성분인 탄탈룸에 텅스텐이 0.2∼6원자%의 비율로 첨가된 금속막인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자.
- (a) 기판상에서, 주성분인 금속에 이 금속보다 원자가가 1 또는 2 큰 원소가 0.2∼6원자%의 비율로 포함되는 금속막을 퇴적시켜 제1도전막을 형성하는 공정;(b) 상기 제1도전막의 표면에 양극산화법에 의해 절연막을 형성하는 공정; 및(c) 상기 절연막의 표면에 제2도전막을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자의 제조방법.
- 제 30 항에 있어서,상기 제1도전막의 금속이 탄탈룸이고 또한 상기 원소가 텅스텐인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자의 제조방법.
- 제 30 항 또는 제 31 항에 있어서,상기 제2도전막이 크롬막 및 투명도전막중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자의 제조방법.
- 제 30 항에 있어서,공정(b)에 있어서 절연막의 형성후에 온도 300∼400℃의 제1어닐링처리를 실시하고 공정(c)에 있어서 크롬으로 이루어지는 제2도전막을 형성하는 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자의 제조방법.
- 제 30 항에 있어서,공정(b)에 있어서 절연막의 형성후에 온도 350∼450℃의 제1어닐링처리를 실시하고, 공정(c)에 있어서 투명도전막으로 이루어지는 제2도전막을 형성하는 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자의 제조방법.
- 제 30 항에 있어서,공정(c)에 있어서 제2도전막의 형성후에 적어도 산소를 포함하는 분위기에서 온도 230∼260℃의 제2어닐링처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자의 제조방법.
- 제 30 항에 있어서,공정(a)에 있어서 상기 제1도전막은 탄탈룸 및 텅스텐으로 이루어지는 소결체 또는 용융체를 타겟으로 한 스퍼터링에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자의 제조방법.
- (a)기판상에 금속막을 퇴적시키고 제1도전막을 형성하는 공정;(b)상기 제1도전막의 표면에 양극산화법에 의해 절연막을 형성하는 공정 ; 및(c)상기 절연막의 표면에 산소와 아르곤이 체적비(산소/아르곤) 5×10-5~1.2×10-2인 분위기에서 스퍼터링에 의해 투명도전막을 퇴적시켜 제2도전막을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자의 제조방법.
- 제 37 항에 있어서,상기 제1도전막은 주성분인 금속에 이 금속보다 원자가가 1 또는 2 큰 원소가 0.2∼6원자%의 비율로 포함되는 금속막인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자의 제조방법.
- 제 38 항에 있어서,상기 제1도전막을 구성하는 주성분인 금속은 탄탈룸이고 상기 원소는 텅스텐인 것을 특징으로 하는 비선형 저항소자의 제조방법.
- 투명한 기판과,상기 기판상에 소정의 패턴으로 설치된 신호전극과,상기 신호전극에 소정의 피치로 접속된 특허 청구범위 제1항 내지 제29항중 어느 한항에 기재한 비선형 저항소자 및상기 비선형 저항소자의 제2도전막에 접속된 화소전극을 구비한 제1전극기판과,상기 화소전극에 대향하는 위치에 대향 신호전극을 구비한 제2전극기판과,상기 제1전극기판과 상기 제2전극기판과의 사이에 봉입된 액정층을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
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