KR100505515B1 - 2단자형비선형소자와그제조방법및액정표시패널 - Google Patents
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Abstract
전류-전압 특성의 시간 경과에 따른 변화가 작은 MIM형 비선형 소자 및 이를 사용한 고화질의 액정 표시 패널을 제공하며, 또한, 상기 MIM형 비선형 소자의 제조 방법을 제공한다.
MIM형 비선형 소자는 기판(30)상에 적층된 제 1 도전막(29), 절연막(24) 및 제 2 도전막(26)을 포함한다. 그리고 SIMS로 얻어지는 원소 분석에 있어서, 제 1 도전막과 절연막과의 경계 영역의 수소 스펙트럼은 그 피크 강도보다 한 자릿수 작은 강도에서 깊이 방향의 두께가 10nm 이상이다. 또, MIM형 비선형 소자는 제 1 도전막(22)이 열이탈 스펙트럼에서 수소 스펙트럼의 피크 온도가 300℃ 이상이다.
MIN형 비선형 소자는, 예를 들면, 이하의 공정을 포함하는 제조 방법에 의해서 제조된다. (a) 기판 상에 제 1 도전막을 형성하는 공정, (b) 상기 제 1 도전막을 불활성 가스 속에서 300℃ 이상의 온도로 열처리하는 공정, (c) 상기 제 1 도전막을 양극산화함에 따라 상기 제 1 도전막의 표면에 절연막을 형성하는 공정 및 (d) 상기 절연막의 표면에 제 2 도전막을 형성하는 공정.
Description
(기술분야)
본 발명은 스위칭 소자에 쓰이는 2단자형 비선형 소자 및 2단자형 비선형 소자의 제조 방법, 상기 2단자형 비선형 소자를 사용하는 액정 표시 패널에 관련된다.
(배경기술)
액티브 매트릭스 방식의 액정 표시 장치는, 화소 영역마다 스위칭 소자를 두고 매트릭스 어레이를 형성한 액티브 매트릭스 기판과, 예를 들면 컬러 필터를 둔 대향 기판 사이에 액정을 충전하고, 각 화소 영역마다의 액정 배향 상태를 제어하여, 소정의 화상 정보를 표시하는 것이다. 스위칭 소자로선 일반적으로 박막 트랜지스터(TFT) 등의 3단자 소자 또는 금속-절연체-금속(MIM 소자)형 비선형 소자(이하 「MIM 소자」라고 한다) 등의 2단자 소자가 사용되고 있다. 그리고, 2단자 소자를 사용한 스위칭 소자는 3단자 소자에 비해서 크로스오버 단락의 발생이 없고 제조 공정을 간단히 할 수 있다는 점에서 우수하다.
MIM 소자를 사용한 액정 표시 장치에서, 콘트라스트가 높고, 또한 표시 얼룩, 잔상 및 스틱킹 등의 현상을 인식할 수 없는 고화질의 액정 표시 패널을 실현하기 위해선, MIM 소자의 특성이 이하의 조건을 만족하는 것이 중요하다.
(1) MIM 소자의 용량이 액정 표시 패널의 용량에 비해 충분히 작을 것.
(2) MIM 소자의 전류-전압 특성의 시간에 따른 변화가 충분히 작을 것.
(3) MIM 소자의 전류-전압 특성의 대칭성이 양호할 것.
(4) MIM 소자의 전류-전압 특성의 급준성(high steepness)이 충분히 클 것.
(5) MIM 소자의 소자 저항이 넓은 전압 범위에서 충분히 일정(uniform)할 것.
즉, 콘트라스트를 높이기 위해선, MIM 소자의 용량이 액정 표시 패널의 용량에 대해 충분히 작고, 또한 MIM 소자의 전류-전압 특성의 급준성이 충분히 클 것이 필요하다. 표시 얼룩을 인식할 수 없도록 하기 위해선, MIM 소자의 소자 저항이 넓은 전압 범위에서 충분히 일정할 것이 필요하다. 잔상을 인식할 수 없도록 하기 위해서는, MIM 소자의 전류-전압 특성의 시간에 따른 변화가 충분히 작을 것이 필요하다. 또한, 스틱킹을 인식할 수 없도록 하기 위해선, MIM 소자의 전류-전압 특성의 시간에 따른 변화가 충분히 작고, 또한 MIM 소자의 전류-전압 특성의 대칭성이 양호할 것이 필요하다.
여기에서, 「잔상(after image)」이란, 어느 화상을 수분 표시한 후에 상이한 화상을 표시했을 때, 이전에 표시하고 있던 화상이 인식되는 현상이다. 또, 「스틱킹(sticking)」은, 어느 화상을 몇 시간 표시한 후에 상이한 화상을 표시했을 때, 이전에 표시하고 있던 화상이 인식되는 현상이다. 또한, 「전류-전압 특성의 대칭성이 좋다는 것」은, 일정 전압에서, 제 1 도전막에서 제 2 도전막으로 전류를 흘렸을 때와, 제 2 도전막에서 제 1 도전막으로 전류를 흘렸을 때의, 전류의 절대값의 차가 충분이 작아지는 것이다.
MIM 소자의 기술을 개시한 문헌으로는 이하의 것이 예시된다.
(a) 예를 들면, 특개소 52-149090 호 공보에서, 탄탈륨으로 이루는 제 1 도전막과, 이 제 1 도전막이 양극산화(陽極酸化)되어 형성되는 금속 산화막으로 된 절연막과, 이 절연막의 표면에 형성된 크롬으로 된 제 2 도전막으로 구성된 MIM 소자가 개시되어 있다. 상기 절연막은 제 1 도전막의 표면을 양극산화해서 형성됨에 따라, 핀홀이 없는 균일한 막두께로 형성되어 있다. 또, 특개소 57-122478 호 공보에선 양극산화의 화성액(전해액)으로서, 묽은 구연산 수용액을 사용하는 것이 개시되어 있다.
상기 기술에서는, 상술한 MIM 소자의 특성 중 (2) 내지 (5)의 각 특성에서 반드시 충분히 양호하다고 할 수는 없다. 즉, 전류-전압 특성의 시간 경과에 따른 변화, 대칭성 및 급준성 등의 점에서 불충분하며, 또한 소자 저항이 넓은 전압 범위에서 충분히 일정하지 않았다. 따라서, MIM 소자를 사용한 액정 표시 패널에선, 넓은 온도 범위에서 콘트라스트를 높게 유지하는 것이 곤란하고, 표시 얼룩도 발생하기 쉽다는 문제가 있었다.
(b) 국제 공개된 국제출원 PCT/JP 94/00204(국제공개번호 WO 94/18600)에선 MIM 소자의 제 1 도전막으로, 탄탈륨에 텅스텐을 첨가한 합금막을 사용한 구조가 개시되어 있다.
상기 기술에서, MIM 소자의 제 1 도전막을 탄탈륨으로 바꿔서 탄탈륨과 텅스텐 등의 특정 원소와의 합금막으로 했기 때문에, 상술한 특성 (2) 및 (3), 즉, MIM 소자의 전류-전압 특성의 시간 경과에 따른 변화 및 대칭성 등의 점이, 상기 문헌 (a)의 기술에 비해서 개선된 것이기 때문에, 잔상을 인식할 수 없는 레벨로 될 수 있고, 또한, 넓은 온도 범위에서 콘트라스트를 높게 유지할 수 있게 되었다. 그러나 이 기술에서도 고온 시 콘트라스트 특성이 요구되는 용도에선 마진이 불충분하다는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은, 상술한 MIM 소자에 요구되는 특성 (1) 내지 (5)에 우수하며, 특히, 전류-전압 특성의 급준성이 충분히 크고, 또한, 전류-전압 특성의 시간 경과에 따른 변화가 작고 신뢰성이 높은 2단자 비선형 소자, 및 이를 사용한 콘트라스트가 높고 표시 얼룩이나 스틱킹이 없는 고화질의 액정 패널을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기 우수한 특성을 갖는 2단자형 비선형 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
본 발명에 관한 2단자형 비선형 소자(이하, 「MIM형 비선형 소자」라고 한다)는, 기판 상에 적층된 제 1 도전막과, 절연막과, 제 2 도전막을 포함하는 2단자형 비선형 소자에 있어서, 세슘 1차 이온의 조사에 의한 2차 이온 질량 분석법(SIMS)으로 얻어진 원소 분석에서, 상기 제 1 도전막과 상기 절연막의 경계 영역의 수소 스펙트럼은, 그 피크 강도보다 한 자릿수 작은 강도에서, 깊이 방향의 두께가 10nm 이상인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 관한 MIM형 비선형 소자는, 기판 상에 적층된 제 1 도전막과, 절연막과, 제 2 도전막을 포함하는 2단자형 비선형 소자에 있어서, 상기 제 1 도전막은, 열이탈 스펙트럼에서, 수소 스펙트럼의 피크 온도가 300℃ 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 관한 MIM형 비선형 소자는, 제 2 도전막이 금속에 한정되지 않고 ITO 등의 도전막을 포함한다.
상기 MIM형 비선형 소자는, 특히, 전류-전압 곡선의 시간 경과에 따른 변화를 현저히 줄일 수 있고, 장기에 걸쳐서 높은 신뢰성을 유지할 수 있다. 본 발명의 MIM형 비선형 소자가 이 같은 작용 효과를 달성하는 메카니즘은 반드시 분명한 것은 아니지만, 이유의 하나로서, 이하의 것이 생각된다. 즉, 본 발명의 MIM형 비선형 소자에서, 절연막은, 제 1 및 제 2 도전막에 인접한 상하의 반도체층과, 이들 반도체층간에 있으며 이들 반도체층보다 밴드갭이 큰 절연체층으로 구성된 3층으로 나누어져 있다고 생각된다. 그리고, 전류-전압 특성의 시간 경과에 따른 변화는, 절연체층의 미결정이 전압을 인가하므로써 서서히 파괴되는 것이 원인의 하나라고 생각된다. 본 발명의 MIM형 비선형 소자에선, 상술같이, 절연체층과 도전막, 특히 제 1 도전막과의 사이에 특정의 막두께로 수소를 포함하는 반도체층이 존재함으로써, 절연체층에 인가되는 실효 전압이 작아지고, 그 결과, 전류-전압 특성의 시간 경과에 따른 변화가 작아진다고 생각된다.
본 발명에 관한 MIM형 비선형 소자의 제조 방법은,
(a) 기판 상에 제 1 도전막을 형성하는 공정과,
(b) 상기 제 1 도전막을 불활성 가스 속에서 300℃ 이상의 온도로 열처리하는 공정과,
(c) 상기 제 1 도전막을 양극산화함으로써, 상기 제 1 도전막의 표면에 절연막을 형성하는 공정과,
(d) 상기 절연막의 표면에 제 2 도전막을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제조 방법에 의하면, 상술한 본 발명에 관한 MIM형 비선형 소자를 간단한 열처리 공정을 실시하는 것에 의해 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 액정 표시 패널은, 상술한 MIM형 비선형 소자를 구비한 것을 특징으로 하고, 보다 구체적으로는, 투명한 기판과, 상기 기판 상에 소정의 패턴으로 배치된 하나의 신호선과, 이 신호선에 소정의 피치로 접속된 본 발명의 MIM형 비선형 소자와, 이 MIM형 비선형 소자에 접속된 화소 전극을 구비한 제 1 기판과, 상기 화소 전극에 대향하는 위치에 다른 하나의 신호선을 구비한 제 2 기판과, 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 봉입된 액정층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 액정 표시 패널에 의하면, 콘트라스트가 높고 스틱킹 등이 발생하기 어렵고, 따라서 고품질의 화상 표시가 가능하며 폭넓은 용도에 적용할 수 있다.
(발명의 실시의 형태)
이하, 본 발명의 양호한 실시 형태에 대해서 도면을 참조로 설명한다.
(MIM형 비선형 소자 및 액정 표시 패널)
도 1은 본 발명의 MIM형 비선형 소자를 사용한 액정 구동 전극의 1단위를 모식적으로 도시하는 평면도이며, 도 2는 도 1의 A-A 선을 따른 부분을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
MIM형 비선형 소자(20)는 절연성 및 투명성을 갖는 기판, 예를 들면, 유리, 플라스틱 등으로 된 기판(제 1 기판)(30)과, 이 기판(30)의 표면에 형성된 절연막(31)과, 탄탈륨 또는 탄탈륨 합금으로 된 제 1 도전막(22)과, 이 제 1 도전막(22)의 표면에 양극산화에 의해서 형성된 절연막(24)과, 이 절연막(24)의 표면에 형성된 제 2 도전막(26)으로 구성되어 있다. 그리고, 상기 MIM형 비선형 소자(20)의 제 1 도전막(22)은 신호선(주사선 또는 데이터선)(12)에 접속되며, 제 2 도전막(26)은 화소 전극(34)에 접속된다.
상기 절연막(31)은, 예를 들면 산화 탄탈륨으로 구성되어 있다. 상기 절연막(31)은 제 2 도전막(26)의 퇴적 후에 행해지는 열처리에 의해 제 1 도전막(22)의 박리가 생기지 않는 것과, 기판(30)으로부터 제 1 도전막(22)으로의 불순물 확산을 방지하는 것을 목적으로 형성되고 있으므로, 이들이 문제되지 않는 경우에는 반드시 필요한 것은 아니다.
상기 제 1 도전막(22)은, 탄탈륨 단체, 또는 탄탈륨을 주성분으로 하고, 이것에 주기율표에서 6, 7 및 8족에 속하는 원소를 포함시킨 합금막으로 해도 좋다. 합금에 첨가되는 원소로선, 예를 들어, 텅스텐, 크롬, 몰리브덴, 레늄, 이트륨(yttrium), 랜탄(lanthanum), 디스프로륨(dysprosium) 등이 바람직하다. 특히, 상기 원소로선 텅스텐이 바람직하고, 그 함유 비율은 예를 들어 0.1 내지 6 원자% 일 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제 1 도전막(22)은, 열이탈 스펙트럼에서, 수소 스펙트럼의 피크 온도가 300℃ 이상, 바람직하게는 300 내지 400 ℃일 것이 바람직하다. 또한, 열이탈 스펙트럼의 측정 방법에 대해선 후에 상세히 기술한다.
상기 절연막(24)은 후에 상세히 기술하듯이, 화성액 중에서 양극산화하는 것에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제 2 도전막(26)은 특별히 한정되지 않으나, 통상 크롬으로 구성된다. 또, 상기 화소 전극(34)은 ITO막 등의 투명 도전막으로 구성된다.
그리고, 본 발명에서 특징적인 것은, 세슘 1차 이온의 조사에 의한 2차 이온 질량 분석법(SIMS)으로 얻어지는 원소 분석에서 상기 제 1 도전막(22)과 상기 절연막(24)의 경계 영역에서 수소 스펙트럼은 그 피크 강도 Ip(구체적으로 예를 들면 대수로 나타내어지는 2차 이온 카운트수)보다 한 자리수 낮은 강도 Ih(Ip/10)에서의 깊이 방향의 두께가 10nm 이상, 바람직하게는 15nm 이상이다. 즉, 상기 제 1 도전막(22)과 상기 절연막(24)의 계면 부근의 특정 영역에 수소가 존재하는 것이 중요하다.
또, 도 3에 도시하듯이 제 2 도전막 및 화소 전극은, 동일 투명 도전막(36)에 의해서 구성되어도 좋다. 이같이 제 2 도전막 및 화소 전극을 단일막으로 형성함으로써 막 형성에 필요한 제조 공정을 줄일 수 있다.
다음에, 상기 MIM형 비선형 소자(20)를 사용한 액정 표시 패널의 일례에 대해 설명한다.
도 4는 상기 MIM형 비선형 소자(20)를 사용한 액티브 매트릭스 방식의 액정 표시 패널 등가 회로의 일례를 도시한다. 이 액정 표시 패널(10)은 주사 신호 구동 회로(100) 및 데이터 신호 구동 회로(110)를 포함한다. 액정 표시 패널(10)에는 신호선, 즉, 복수의 주사선(12) 및 복수의 데이터선(14)이 설치되며, 상기 주사선(12)은 상기 주사 신호 구동 회로(100)에 의해, 상기 데이터선(14)은 상기 데이터 신호 구동 회로(110)에 의해서 구동된다. 그리고, 각 화소 영역(16)에서, 주사선(12)과 신호선(14) 사이에 MIM형 비선형 소자(20)와 액정 표시 요소(액정층)(40)가 직렬로 접속되어 있다. 또한, 도 4에서는, MIM형 비선형 소자(20)가 주사선(12)측에 접속되며, 액정 표시 요소(40)가 데이터선(14) 측에 접속되어 있지만, 이와는 반대로 MIM형 비선형 소자(20)를 데이터선(14)측에, 액정 표시 요소(40)를 주사선(12) 측에 설치하는 구성도 좋다.
도 5는 상기 실시 형태에 관한 액정 표시 패널의 구조의 일례를 모식적으로 도시하는 사시도이다. 이 액정 표시 패널(10)은 2개의 기판, 즉 제 1 기판(30)과 제 2 기판(32)이 대향하여 설치되며, 이들 기판(30, 32)간에 액정이 봉입되고, 액정 표시 요소(액정층)(40)가 형성된다. 상기 제 1 기판(30) 상에는 상술한 바와 같이 절연막(31)이 형성된다. 상기 절연막(31)의 표면에는 신호선(주사선)(12)이 복수 설치되어 있다. 그리고 제 2 기판(32)에는 상기 주사선(12)과 교차하게 데이터선(14)이 직사각형 모양으로 복수개 형성되어 있다. 또한, 화소 전극(34)은 MIM형 비선형 소자(20)를 통해 주사선(12)에 접속되어 있다.
그리고, 주사선(12)과 신호선(14)에 인가된 신호에 기초하여, 액정 표시 요소(40)를 표시 상태, 비표시 상태 또는 그 중간 상태로 절환해서 표시 동작을 제어한다. 표시 동작의 제어 방법에 대해서는, 일반적으로 사용하는 방법을 적용할 수 있다.
도 13 및 도 14는 MIM형 비선형 소자의 다른 실시 형태를 도시한다. 도 13은 상기 실시 형태의 MIM형 비선형 소자를 사용한 액정 구동 전극의 1단위를 모식적으로 도시하는 평면도이며, 도 14는 도 13의 B-B 선에 따른 부분을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
이 MIM형 비선형 소자(40)는 백―투―백(back-to-back) 구조를 갖는 점에서 상술한 MIM형 비선형 소자(20)와 다르다. 즉, MIM형 비선형 소자(40)는 제 1 의 MIM형 비선형 소자(40a)와 제 2 의 MIM형 비선형 소자(40b)를 극성을 반대로 하여 직렬로 접속한 구조를 갖는다.
구체적으로는 절연성 및 투명성을 갖는 기판, 예를 들면, 유리, 플라스틱 등으로 된 기판(제 1 기판)(30)과, 이 기판(30)의 표면에 형성된 절연막(31)과 탄탈륨 또는 탄탈륨 합금으로 된 제 1 도전막(42)과, 상기 제 1 도전막(42)의 표면에 양극산화에 의해 형성된 절연막(44)과, 상기 절연막(44)의 표면에 형성되고 상호 이간된 2개의 제 2 도전막(46a, 46b)으로 구성되어 있다. 그리고, 상기 제 1 의 MIM형 비선형 소자(40a)의 제 2 도전막(46a)은 신호선(주사선 또는 데이터선)(48)에 접속되며, 상기 제 2 의 MIM형 비선형 소자(40b)의 제 2 도전막(46b)은 화소 전극(45)에 접속되어 있다. 또한, 상기 절연막(44)은 도 1 및 도 2에 도시한 MIM형 비선형 소자(20)의 절연막(24)에 비해서 막 두께가 얇게 설정되며, 예를 들어, 약 반 정도로 형성되어 있다.
또, 제 1 도전막(42), 절연막(44) 및 제 2 도전막(46a, 46b) 등의 각 구성 요소의 구체적인 특성, 구성 등은, 상기 MIM형 비선형 소자(20) 경우와 동일하므로 기재를 생략한다.
(MIM형 비선형 소자의 제조 프로세스)
다음에 예를 들어, 도 2에 도시하는 MIM형 비선형 소자(20)의 제조 방법에 대해서 설명한다.
MIM형 비선형 소자(20)는 예를 들어 다음과 같은 프로세스에 의해서 제조된다.
(a) 우선, 기판(30)상에 산화 탄탈륨으로 된 절연막(31)이 형성된다. 절연막(31)은 예를 들어, 스패터링법으로 퇴적한 탄탈륨막을 열산화하는 방법, 또는 산화 탄탈륨으로 된 타겟을 사용한 스패터링이나 코스패터링법에 의해서 형성할 수 있다. 이 절연막(31)은 제 1 도전막(22)의 밀착성을 향상시키고, 또한 기판(30)으로부터 제 1 도전막(22)으로 불순물의 확산을 방지하기 위해서 설치되는 것으로, 예를 들어, 50 내지 200 nm 정도의 막 두께로 형성된다.
이어서, 절연막(31)상에 탄탈륨 또는 탄탈륨 합금으로 된 제 1 도전막(22)이 형성된다. 제 1 도전막의 막 두께는 MIM형 비선형 소자의 용도에 따라 적절한 값이 선택되며 통상 100 내지 500 nm 정도로 된다. 제 1 도전막은 스패터링법이나 전자 빔 증착법으로 형성할 수 있다. 탄탈륨 합금으로 된 제 1 도전막을 형성하는 방법으로서는, 혼합 타깃을 사용한 스패터링법, 코스패터링법 또는 전자빔 증착법 등을 사용할 수 있다. 탄탈륨 합금에 포함되는 원소로서는, 주기율표에서 6, 7 및 8족의 원소, 바람직하기는 텅스텐, 크롬, 몰리브덴, 레늄 등의 상술한 원소를 선택할 수 있다.
상기 제 1 도전막(22)은 일반적으로 사용되는 포토리소그래피 및 에칭 기술에 의해서 패터닝된다. 그리고 제 1 도전막(22)의 형성 공정과 동일한 공정으로 신호선(주사선 또는 데이터선)(12)이 형성된다.
(b) 이어서, 불활성 가스, 예를 들어, 아르곤 등의 0족 원소 가스 또는 질소 가스의 분위기 속에서 300℃ 이상, 바람직하기는 300 내지 400℃의 온도 조건하에서 열처리가 행해진다. 열처리에 필요한 시간은 제 1 도전막의 막 두께, 어닐링 노의 열용량, 웨이퍼의 처리개수, 웨이퍼의 기판 유리 두께, 설정 온도 등에 의해서 좌우되지만, 예를 들면 10 내지 120 분 정도이다.
상기 열처리를 행함으로써 상술같이 상기 제 1 도전막(22)과 상기 절연막(24)의 경계 영역에 특정 폭(막 두께) 이상으로 수소를 분포시킬 수 있고, 또한 상기 제 1 도전막(22)에서 수소의 이탈 온도를 제어할 수 있다.
(c) 이어서, 양극산화법을 이용하여 상기 제 1 도전막(22)의 표면을 산화시키고, 절연막(24)을 형성한다. 이때, 신호선(12)의 표면도 동시에 산화되고 절연막이 형성된다. 상기 절연막(24)은 그 용도에 따라 바람직한 막 두께가 선택되며, 예를 들면 20 내지 70 nm 정도로 된다.
양극산화에 사용되는 화성액은 특히 한정되지 않으나, 예를 들면 0.01 내지 0.1 중량%의 구연산 수용액을 사용할 수 있다.
(d) 이어서, 크롬, 알루미늄, 티타늄, 몰리브덴 등의 금속막을 예를 들면 스패터링법에 의해서 퇴적시킴으로써, 제 2 도전막(26)이 형성된다. 제 2 도전막은, 예를 들면 막 두께 50 내지 300 nm로 형성되며, 그후 통상 사용되고 있는 포토리소그래피 및 에칭 기술을 사용하여 패터닝된다. 이어서, ITO 막을 스패터링법에 의해서 막 두께 30 내지 200 nm로 퇴적시키고, 통상 사용되는 포토리소그래피 및 에칭 기술을 사용하여 소정 패턴의 화소 전극(34)이 형성된다.
또한, 도 3에 도시하는 MIM형 비선형 소자(20)에서는, 제 2 도전막과 화소 전극이 동일한 ITO 막 등의 투명 도전막(36)에 의해서 형성된다. 이 경우, 제 2 도전막과 화소 전극을 동일 공정에서 형성할 수 있기 때문에 제조 프로세스를 보다 간단히 할 수 있다.
(실시예)
이하에 본 발명의 구체적인 실시예 및 비교예를 들어, 더욱 상세하게 설명한다.
(실시예 1)
본 실시예에선 도 13 및 도 14에 도시한 백―투―백 구조의 MIM형 비선형 소자를 사용하였다. 구체적으로는, 유리 기판 상에 스패터링법으로 막두께 150nm의 탄탈륨막(0.2 원자%의 텅스텐을 포함)을 퇴적하고, 다시 패터닝하여 제 1 도전막을 형성한다. 이어서 질소 분위기 중에서 350℃로 30분간에 걸쳐 열처리(프리어닐)한다. 이어서, 0.05 중량%의 구연산 수용액을 화성액으로 사용하고 전류 밀도 0.04 mA/cm2로 전압 15V에 이르기까지 정전류(定電流) 전해를 행하고, 상기 탄탈륨막의 양극산화를 행했다. 그 결과, 두께 약 30nm의 산화 탄탈륨막이 형성된다.
또한, 질소 분위기 하에서, 320℃로 30분간에 걸쳐 열처리를 실시한 후, 대기 분위기 중에 냉각하고, 양극산화막(절연막)을 안정화시킨 후, 이 절연막 상에 스패터링법에 의해 크롬을 막 두께 100nm로 퇴적시키고, 다시 패터닝하여 제 2 도전막을 형성하고, 다시 제 1 도전막의 소자를 형성하는 부분과 신호선을 이루는 부분을 분리하여 MIM형 비선형 소자를 제작한다.
(비교예 1)
실시예(1)에서의 열처리(프리어닐)하지 않은 다른 것은, 실시예(1)과 마찬가지로 해서 MIM형 비선형 소자를 제작한다.
다음에 실시예(1) 및 비교예(1)의 MIM형 비선형 소자에 관해서 행한 실험예에 대해서 말한다.
(a) SIMS
실시예 1;
우선, 상기 절연막 및 제 1 도전막에 포함되는 각종 원자의 프로파일을 구하기 위해 행한, 세슘이온 에칭에 의한 SIMS의 결과를 도 6에 도시한다. 도 6에서 가로축은, 제 1 도전막 및 절연막에서 절연막 표면으로부터의 깊이를 도시하며, 세로축은 2차 이온의 카운트수를 대수로 나타낸다. 또한, 도 6에서 부호 a로 도시된 라인은 수소 스펙트럼의 피크를 지나는 라인이며, 편의적으로 제 1 도전막과 절연막과의 경계를 나타내고 있다.
도 6에서 제 1 도전막(Ta 막)과 절연막(TaOx 막)과의 경계 영역에서의 수소 스펙트럼은 피크가 비교적 완만한 범종형을 이루며, 피크 강도 Ip보다 한 자릿수 작은 강도 Ih에서, 깊이 방향의 두께가 약 18nm인 것이 확인되었다. 또한, SIMS의 측정에서는, 샘플의 양극산화막(절연막)이 너무 얇으면 절연막과 제 1 도전막의 계면의 데이터를 얻기 어렵게 되므로, 양극산화막의 막 두께를 70nm 정도로 설정하고 있다. 그리고 양극산화막의 막 두께를 변화시켜도 계면의 상황은 변화하고 있지 않음을 확인하고 있다.
비교예 1;
비교예 1에 관해서 행한, 마찬가지의 SIMS의 결과를 도 7에 도시한다. 도 7에서, 제 1 도전막(Ta 막)과 절연막(TaOx 막)의 경계 영역에서 수소 스펙트럼은, 피크가 급격한 3각 형상을 이루며, 피크 강도 Ip보다 한자릿수 작은 강도 Ih에서, 깊이 방향의 두께가 약 7nm인 것이 확인되었다.
(b) 열이탈 스펙트럼
실시예 1;
다음에 제 1 도전막(Ta 막)에 대해서 행한 열이탈 스펙트럼(TDS)법에 의한 측정에 대해서 설명한다. 이 측정은, 도 10에 도시한 열이탈 스펙트럼 측정 장치(500)를 사용해서 행한다.
상기 열이탈 스펙트럼 측정 장치(500)는, 진공실(510) 내에 4중극 질량 분석계(502)와 적외선 히터(504)를 구비하고 있으며, 시료(520)의 뒷면으로부터 적외선 히터(504)로 시료(520)를 가열하고, 시료(520)에서 나오는 가스를 4중극 질량 분석계(502)로 계측하고 열이탈 스펙트럼을 얻는 것이다. 시료(520)의 온도 제어는, 제어성의 문제로부터 시료(520)의 뒷면의 열전쌍 TC1을 사용하여 행한다. 또, 시료(520)의 표면 온도를 측정하기 위해, 시료(520)의 표면 측에도 열전쌍 TC2을 설치한다. 시료(520)에 사용한 석영 기판(522)은 열전도가 나쁘고 그 두께도 1.1mm로 두껍기 때문에, 열전쌍 TC1과 TC2 사이의 온도차가 생겼다. 그러나, 실제의 MIM형 비선형 소자 작성 프로세스의 온도는 열전쌍 TC2에서의 온도와 거의 같아진다. TDS의 측정에는, 기판으로서 석영 유리를 사용하고 있다. 이것은 1000℃의 고온까지 측정하기 때문에, 기판의 내열 온도를 높게 한 것에 의한다. 또한, 기판을 통상의 무알칼리 유리로 바꿔도 MIM형 비선형 소자의 전류-전압 특성이 동일하다는 것을 확인하고 있다.
측정에 사용한 시료(520)는, 도 11에 도시하듯이, 우선 두께 1.1mm의 석영 기판(522) 상에 스패터링법에 의한 두께 200nm의 탄탈륨막(0.2 원자%의 텅스텐을 포함)(524)을 형성하고, 상술한 프리어닐을 행한 것이다. 즉, 도 11에 도시하는 적층체를 열처리노에서, 질소 분위기 중에서 350℃까지 승온시키고, 질소 분위기 중에서 30분간에 걸쳐 350℃에 유지함으로써 프리어닐을 행하고, 다시 1.0℃/분의 속도로 200℃까지 강온시키고, 그후 상기 적층체를 열처리노로부터 꺼내어 열이탈 스펙트럼 측정용의 시료로 한다.
이 시료(520)를 사용하여 열이탈 스펙트럼을 측정한다. 그 결과를 도 8에 도시한다. 도 8에서 가로축은 온도로서 제어용의 열전쌍 TC1의 온도를 나타내며, 세로축은 수소에 상당하는 질량 2(H2)의 가스의 계측 값의 강도를 도시한다. 도 8에 도시하는 스펙트럼에서는 피크 P1이 얻어진다. 상술한 바와 같이 열전쌍 TC1과 TC2의 온도에는 차가 있으므로, 시료(520)의 표면 온도를 구하면, 피크 P1의 열전쌍 TC2에 의한 온도는 약 400℃이고, 스펙트럼의 열전쌍 TC2에 의한 하한 온도는 약 300℃이다.
또한, 스펙트럼의 전 온도 영역의 적분 강도로 수소의 분자수를 구한 바, 1.76×1016개/cm2이다.
비교예 1;
또, 비교예 1에 대해 행한, 마찬가지의 열이탈 스펙트럼의 결과를 도 9에 도시한다. 도 9에 도시하는 스펙트럼에서는, 피크 P2가 얻어진다. 피크 P2의 열전쌍 TC2에 의한 온도는 약 290℃이다.
또한, 스펙트럼의 전 온도 영역에서의 적분 강도로 수소의 분자수를 구한 바, 1.16×1016개/cm2이다.
(c) 시프트값
실시예 1;
또한, 실시예 1의 MIM형 비선형 소자에서의 전류-전압 특성의 시간 경과에 따른 변화를 보기 위해, 시간 경과에 따른 변화의 지표인 시프트값을 구하면 2%이다. 또한, 이 시프트값은 1초마다 극성이 바뀌는 구형파의 전압을 MIM형 비선형 소자에 인가했을 때, 아래와 같은 식으로 나타나는 값 Is로 정의되는 것이다. 이때, 상기 인가 전압은 전류가 액정 표시 패널의 1화소당 1×10-7A 흐르게 설정된다.
Is = {(I100-I0)/I0}100 (%)
상기 식에서 I0는 초기(1초)의 전류값의 절대값을 나타내고, I100은 100초 후의 전류값의 절대값을 나타낸다. 또한 실용상, 스틱킹을 방지하기 위해, 시프트값은 -5 내지 +5 %, 보다 양호하게는 -2 내지 +2 %의 범위에 포함된 것이 바람직하다.
비교예 1;
비교예 1에 대해서 마찬가지로 시프트값을 구하면 4%이다.
또한, 프리어닐을 행한 본 발명의 시료 및 프리어닐을 행하지 않는 비교용 시료를 복수 작성하고 그들의 시프트값을 구한다. 그 결과를 도 12에 도시한다.
도 12에서 가로축은 MIM형 비선형 소자에 4V의 전압을 인가했을 때 소자를 흐르는 전류값을 대수로 나타내고, 세로축은 시프트값을 나타낸다. 도 12에서 프리어닐을 행함으로써, 시프트값 및 충분한 콘트라스트를 얻기 위해 필요한 유지 전류의 양자를 만족하는 경향이 분명히 확인되었다. 또한, 충분한 콘트라스트를 얻기 위해 필요한 유지 전류는, 선택 기간에 들어간 신호가, 유지 기간 내에 변동하지 않기 위한 전류값을 말한다. 이 유지 전류는, 실용상, 예를 들면 4V의 전압을 MIM형 비선형 소자에 인가했을 때, 그 소자에 흐르는 전류값이 1×10-11A, 보다 양호하게는 4×10-12A 이하일 것이 바람직하다.
(d) 비선형 계수
실시예 1;
실시예 1의 MIM형 비선형 소자의 전류-전압 특성을 측정하고, 급준성을 나타내는 비선형 계수(β값)를 산출하면 4.7이다.
비교예 1;
마찬가지로 비교예 1의 β값을 구하면 4.7이다.
또한, 실시예 1의 MIM형 비선형 소자를 사용하여 액정 표시 패널을 제작한 바, 0 내지 80 ℃의 온도 범위에서 100 이상의 콘트라스트를 얻을 수 있고, 또한 표시 얼룩도 인정되지 않았다.
본 발명에 의하면, 상술한 MIM 소자에 요구되는 특성 (1) 내지 (5)에 우수하며, 특히, 전류-전압 특성의 급준성이 충분히 크고, 또한, 전류-전압 특성의 시간 경과에 따른 변화가 작고 신뢰성이 높은 2단자 비선형 소자, 및 이를 사용한 콘트라스트가 높고 표시 얼룩이나 스틱킹이 없는 고화질의 액정 패널이 제공된다.
도 1은 본 발명의 MIM형 비선형 소자를 적용한 액정 표시 패널의 요부를 도시하는 평면도.
도 2는 도 1의 A-A 선에 따른 단면도.
도 3은 본 발명의 MIM형 비선형 소자의 다른 구성예를 도시하는 단면도.
도 4는 본 발명의 액정 표시 패널의 등가 회로를 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 액정 표시 패널을 도시하는 사시도.
도 6은 본 발명의 실시예에 관한 MIM형 비선형 소자에 대해 구한 SIMS의 스펙트럼을 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 비교예에 관한 MIM형 비선형 소자에 대해 구한 SIMS의 스펙트럼을 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 관한 MIM형 비선형 소자의 제 1 도전막에 대해 구한 열이탈 스펙트럼을 도시하는 도면.
도 9는 본 발명의 비교예에 관한 MIM형 비선형 소자의 제 1 도전막에 대해 구한 열이탈 스펙트럼을 도시하는 도면.
도 10은 열이탈 스펙트럼을 구하기 위한 장치를 개략적으로 도시하는 도면.
도 11은 열이탈 스펙트럼을 구하기 위한 시료를 개략적으로 도시하는 도면.
도 12는 MIM형 비선형 소자에 정전압을 인가했을 때의 전류값과 시프트값과의 관계를 도시하는 도면.
도 13은 본 발명의 MIM형 비선형 소자를 적용한 액정 표시 패널의 요부를 도시하는 평면도.
도 14는 도 13의 B-B 선에 따른 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 액정 표시 패널 12 : 주사선
14 : 데이터 선 16 : 화소 영역
20 : MIM형 비선형 소자 22 : 제 1 도전막
24 : 절연막 26 : 제 2 도전막
30 : 제 1 기판 32 : 제 2 기판
34 : 화소 전극 40 : 액정 표시 요소
100 : 주사 신호 구동 회로 110 : 데이터 신호 구동 회로
Claims (4)
- 기판 상에 적층된 제 1 도전막과, 절연막과, 제 2 도전막을 포함하는 2단자형 비선형 소자에 있어서,세슘 1차 이온의 조사(照射)에 의한 2차 이온 질량 분석법(SIMS)으로 얻어진 원소 분석에서, 상기 제 1 도전막과 상기 절연막의 경계 영역에서의 수소 스펙트럼은 깊이 방향의 두께가 10nm에서 강도가 그 피크 강도보다 한 자릿수 작은 강도 이상인 것을 특징으로 하는, 2단자형 비선형 소자.
- 기판 상에 적층된 제 1 도전막과, 절연막과, 제 2 도전막을 포함하는 2단자형 비선형 소자에 있어서,상기 제 1 도전막은 열이탈 스펙트럼에서, 수소 스펙트럼의 피크 온도가 300℃ 내지 400℃인 것을 특징으로 하는, 2단자형 비선형 소자.
- 2단자형 비선형 소자의 제조 방법에 있어서,(a) 기판 상에 제 1 도전막을 형성하는 공정과,(b) 상기 제 1 도전막을 불활성 가스 속에서 300℃ 내지 400℃의 온도로 열처리하는 공정과,(c) 상기 제 1 도전막을 양극산화(陽極酸化)함에 따라, 상기 제 1 도전막의 표면에 절연막을 형성하는 공정과,(d) 상기 절연막의 표면에 제 2 도전막을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 2단자형 비선형 소자의 제조 방법.
- 투명한 기판, 상기 기판 상에 미리 결정된 패턴으로 배치된 한쪽의 신호선, 상기 신호선에 미리 결정된 피치로 접속된 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 2단자형 비선형 소자, 및 상기 2단자형 비선형 소자에 접속된 화소 전극을 구비한 제 1 기판과,상기 화소 전극에 대향하는 위치에 다른 한쪽의 신호선을 구비한 제 2 기판과,상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판의 사이에 봉입된 액정층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 액정 표시 패널.
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