WO2013008359A1

WO2013008359A1 - 液晶表示装置およびその製造方法

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Publication number: WO2013008359A1
Application number: PCT/JP2012/001588
Authority: WO
Inventors: 篠川　泰治; 佐藤　栄一
Original assignee: パナソニック株式会社
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2013-01-17
Also published as: CN103052908A; KR20130029776A; US20130016298A1; JPWO2013008359A1

Abstract

本発明に係る液晶表示装置は、液晶層を介して互いに対向配置される一対の透明基板と、透明基板のうち一方の透明基板（１）の液晶側の画素領域に形成したゲート電極（２）を覆うように形成されるゲート絶縁膜（３）と、ゲート絶縁膜（３）上に設けられた薄膜トランジスタからなるスイッチング素子と、スイッチング素子上に第１の絶縁膜（６）および第２の絶縁膜（７）を介して設けられた第１の電極（８）と、第１の電極（８）上に第３の絶縁膜（９）を介して設けられた第２の電極（１０）とを備え、第１の電極（８）と第２の電極（１０）との間に、一対の透明基板に平行な電界を発生させる液晶表示装置であって、第２の絶縁膜（７）は、Ｓｉ－Ｏ結合を有するＳＯＧ材料により構成している。

Description

液晶表示装置およびその製造方法

　本発明は、液晶表示装置に関し、特にＩＰＳ（Ｉｎ－Ｐｌａｎｅ－Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）方式と称される液晶表示装置およびその製造方法に関するものである。

　ＩＰＳ方式と称される液晶表示装置は、液晶を介して対向配置される一対の透明基板のうち、一方の透明基板の液晶側の各画素領域に、画素電極と、この画素電極との間に透明基板と平行な電界（横電界）を発生させる共通電極とを形成することにより構成されている。そして、画素電極と共通電極の間の領域を透過する光の量を、電界により液晶の駆動を制御して調整するように構成されている。このような液晶表示装置は、表示面に対して斜めの方向から観察しても表示に変化のない、いわゆる広視野角特性に優れたものとして知られている。

　従来、このような液晶表示装置においては、画素電極と共通電極は、光を透過させない導電層で形成していたが、近年、画素領域の周辺を除く領域の全域に透明電極からなる共通電極を形成し、この共通電極上に絶縁膜を介して帯状の画素電極を形成した構成のものが知られるようになった。

　このような構成の液晶表示装置は、横電界が画素電極と共通電極との間に発生するため、広視野角特性に優れているとともに、開口率が向上する特徴を有している（例えば、特許文献１参照）。

　一方、斜め電界方式の液晶表示装置が開発されている。この液晶表示装置は液晶層に電界を印加するための画素電極と共通電極を、それぞれ絶縁膜を介して異なる層に配置した構成を有する。この液晶表示装置は、ＩＰＳ方式の液晶表示装置よりも広視野角で、高コントラストであり、更に低電圧駆動ができると共により高透過率であるため、明るい表示が可能となるという特徴を有する。

　しかしながら、ドレイン信号線と画素電極の電位差により配向異常が生じるため、信号線近傍が表示に寄与しない領域となって開口率が低下し、また信号線と画素電極で生じるカップリング容量によりクロストーク等の表示品位の低下を招きやすいという問題点も有する。

　そこで、このような信号線電位の影響を少なくするため、層間樹脂膜を用いて、この層間樹脂膜上に画素電極や共通電極を配置した液晶表示装置が提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。

　しかしながら、さらに開口率（透過率）が高く、かつ安価に製造できる液晶表示装置およびその製造方法を供給することが求められていた。

特開平１１－２０２３５６号公報特開２００９－１２２２９９号公報特開２０１０－１４５４４９号公報

　本発明の液晶表示装置は、一対の透明基板とゲート絶縁膜とスイッチング素子と第１の電極と第２の電極とを備えている。一対の透明基板は、液晶層を介して互いに対向配置されている。ゲート絶縁膜は、一対の透明基板のうち一方の透明基板の液晶層側の画素領域に形成したゲート電極を覆うように形成される。スイッチング素子は、ゲート絶縁膜上に設けられた薄膜トランジスタからなる。第１の電極は、スイッチング素子上に絶縁膜を介して設けられている。第２の電極は、第１の電極上に絶縁膜を介して設けられている。液晶表示装置は、第１の電極と第２の電極との間に、一対の透明基板に平行な電界を発生させる。スイッチング素子上に設ける絶縁膜は、Ｓｉ－Ｏ結合を有するＳＯＧ（Ｓｐｉｎ　ｏｎ　Ｇｌａｓｓ）材料により構成している。

　また、本発明の液晶表示装置の製造方法は、一対の透明基板とゲート絶縁膜とスイッチング素子と第１の電極と第２の電極とを備え、第１の電極と第２の電極との間に、一対の透明基板に平行な電界を発生させる液晶表示装置の製造方法である。

　液晶表示装置の一対の透明基板は、液晶層を介して互いに対向配置される。ゲート絶縁膜は、一対の透明基板のうち一方の透明基板の液晶層側の画素領域に形成したゲート電極を覆うように形成される。スイッチング素子は、ゲート絶縁膜上に設けられた薄膜トランジスタからなる。第１の電極は、スイッチング素子上に絶縁膜を介して設けられている。第２の電極は、第１の電極上に絶縁膜を介して設けられている。液晶表示装置は、第１の電極と第２の電極との間に、一対の透明基板に平行な電界を発生させる。

　液晶表示装置の製造方法は、スイッチング素子上にＳｉ－Ｏ結合を有するＳＯＧ材料からなる絶縁膜を形成した後、絶縁膜上に第１の電極をパターニングして形成し、その後第１の電極上に絶縁膜を形成した後、複数の絶縁膜に一括してコンタクトホールを形成してスイッチング素子の電極の一部を外部に露出させ、スイッチング素子の電極と第２の電極を接続する。

　上記したように本発明によれば、低コストで開口率（透過率）の高い液晶表示装置を提供することがきるようになる。

図１は、本発明の一実施の形態による液晶表示装置の一画素分の要部構造を示す平面図である。図２は、図１において、スイッチング素子部分の２－２断面における概略断面図である。図３は、図１において、液晶層部分の３－３断面における概略断面図である。図４Ａは、本発明の一実施の形態による液晶表示装置の製造方法における製造工程の一例を示す断面図である。図４Ｂは、本発明の一実施の形態による液晶表示装置の製造方法における製造工程の一例を示す断面図である。図４Ｃは、本発明の一実施の形態による液晶表示装置の製造方法における製造工程の一例を示す断面図である。図４Ｄは、本発明の一実施の形態による液晶表示装置の製造方法における製造工程の一例を示す断面図である。図４Ｅは、本発明の一実施の形態による液晶表示装置の製造方法における製造工程の一例を示す断面図である。

　（実施の形態）
　以下、本発明の一実施の形態による液晶表示装置およびその製造方法について、図１～図４Ｅの図面を用いて説明する。

　図１は、本発明の一実施の形態による液晶表示装置の一画素分の要部構造を示す平面図である。図２は、図１において、スイッチング素子部分の２－２断面における概略断面図である。図３は、図１において、液晶層部分の３－３断面における概略断面図である。図に示す液晶表示装置は、アクティブマトリクス方式の液晶表示装置であり、複数の画素がマトリクス状に配置されている。

　図１、図２、図３に示すように、一対の透明基板１、１２は、液晶層１３を介して互いに対向配置されている。そして、ガラス基板等の絶縁性の透明基板１の液晶層１３側の画素領域には、複数のゲート電極２が直接、または下地層を介して所定のパターンで形成され、ゲート電極２を覆うようにゲート絶縁膜３が透明基板１上に形成されている。ゲート絶縁膜３上には、半導体膜４が形成され、そして半導体膜４上にソース／ドレイン電極５を形成することにより、スイッチング素子としての薄膜トランジスタが構成されている。

　ここで、半導体膜４としては、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏを含むＩｎＧａＺｎＯｘのアモルファス酸化物半導体により構成するのが望ましい。このＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏを含むＩｎＧａＺｎＯｘのアモルファス酸化物半導体膜の成膜方法としては、例えば、ＩｎＧａＯ_３（ＺｎＯ）_４組成を有する多結晶焼結体をターゲットとして、スパッタ法やレーザー蒸着法などの気相成膜法により形成することができる。

　ゲート電極２とソース／ドレイン電極５は、それぞれ信号線２ａ、５ａに接続され、それぞれの信号線は、ゲート絶縁膜３により絶縁された状態で交差するように形成されている。ゲート電極２は、走査信号線となる信号線２ａと一体に形成されている。ソース／ドレイン電極５の信号線５ａの一部は、映像信号線を兼ねており、両者が接続された構造となっている。ここで、ゲート電極２およびソース／ドレイン電極５およびそれぞれの信号線２ａ、５ａは、Ａｌ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ｐｂ、Ｃｕ、Ｓｉの単体金属、またはこれらの複合層（Ｔｉ／Ａｌなど）もしくは金属化合物層（ＭｏＷ，ＡｌＣｕなど）により形成される。本実施の形態においては、どちらもＣｒで構成したが、ゲート電極２とソース／ドレイン電極５は異なる材料で構成してもよい。

　また、ソース／ドレイン電極５、すなわちスイッチング素子の上には、第１の絶縁膜６、第２の絶縁膜７、共通電極としての第１の電極８、第３の絶縁膜９および画素電極としての第２の電極１０が順に積層形成されている。すなわち、第１の電極８は、スイッチング素子上に絶縁膜としての第１の絶縁膜６、第２の絶縁膜７を介して設けられている。また、第２の電極１０は、第１の電極８上に絶縁膜としての第３の絶縁膜９を介して設けられている。第２の電極１０は、３層の第１の絶縁膜６、第２の絶縁膜７および第３の絶縁膜９に一括して形成されたコンタクトホール１１を介して、薄膜トランジスタのソース／ドレイン電極５に接続されている。コンタクトホール１１は、壁面が第２の電極１０で覆われている。

　第２の電極１０と第１の電極８は、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　Ｏｘｉｄｅ）などの透明導電膜で形成され、第１の電極８には、第２の電極１０に印加される電位とは異なるコモン電位が供給されている。したがって、第１の電極８と第２の電極１０と第３の絶縁膜９とによって保持容量を構成しており、しかも透明な保持容量を形成できるので、透過表示時の開口率を大きくできる。

　ここで、第３の絶縁膜９としては、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜したシリコン窒化膜が好適である。シリコン窒化膜を用いれば、塗布型の有機または無機材料の絶縁膜を用いる場合や、シリコン酸化膜を用いる場合に比べて、誘電率が高くなることから、保持容量を大きくすることができる。第３の絶縁膜９は、高温で成膜することにより、緻密な膜とすることが望ましい。

　第２の絶縁膜７は、塗布型の有機または無機材料からなる絶縁膜で、Ｓｉ－Ｏ結合を有したＳＯＧ材料により構成している。第２の絶縁膜７にＳＯＧ材料を用いることで、後述するように、第１の絶縁膜６および第３の絶縁膜９を一括してドライエッチングが可能となり、製造工程を簡略化することができる。さらに、一般的なコータでの塗布工程で成膜することが可能であるため、真空装置で成膜する第１の絶縁膜６および第３の絶縁膜９のような無機絶縁膜に比べて、膜形成コスト自体も安価となる。また、無機絶縁膜を用いる場合に比べて厚く形成することが容易であるため、平坦性の向上や寄生容量を小さくすることが可能である。また、第２の絶縁膜７は、Ｓｉ－Ｏ結合を有したＳＯＧ材料により構成しており、耐熱性が高く、第３の絶縁膜９を２４０℃以上での高温成膜することが可能となり、より信頼性の高い第３の絶縁膜の形成が可能である。

　図３に示すように、画像の表示側には、透明基板１と対向するように、ガラス基板等からなる共通基板としての絶縁性の透明基板１２が配置され、これらの透明基板１と透明基板１２との間に、液晶層１３が配置されている。透明基板１の液晶層１３と接する面となる第２の電極１０上には、配向膜１４が形成され、また透明基板１２の液晶層１３と接する面側にも配向膜１４が配置されている。また、透明基板１２の配向膜１４が形成される内面には、カラーフィルタ１５、ブラックマトリクス１６が形成され、それらを覆うようにオーバーコート１７が形成され、このオーバーコート１７上に配向膜１４が形成されている。

　また、透明基板１および透明基板１２の外面には、偏光板１８が配置されている。尚、図１においては、偏光板１８は図示していない。また、必要に応じて、透明基板１、１２のうち少なくとも一方に、位相差板などを配置しても良い。

　ここで、本実施の形態による液晶表示装置では、第２の電極１０は線状の部分を有し、櫛歯状に形成されている。また、第１の電極８は、面状に形成されている。そして、液晶表示装置は、第２の電極１０と第１の電極８との間に発生させる一対の透明基板１、１２に平行な電界により、液晶層１３を駆動して表示を行う。

　次に、本発明の一実施の形態による液晶表示装置の製造方法の一例について、図４Ａ～４Ｅを用いて説明する。図４Ａ～４Ｅは、本発明の一実施の形態による液晶表示装置の製造方法における製造工程の一例を示す断面図である。

　まず、図４Ａに示すように、透明基板１を用意し、その表面の全域にたとえばスパッタリングによってＣｒなどからなる金属膜を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術を用いて金属膜を選択エッチングして、信号線とともに、ゲート電極２を形成する。

　次に、図４Ｂに示すように、ゲート電極２を含む透明基板１表面の全域に、例えばプラズマＣＶＤ法あるいはスパッタリング法等を用いて、ＳｉＮ膜からなるゲート絶縁膜３を形成する。この時の成膜条件は、成膜温度（基板温度）が３８０℃であり、膜厚は３００ｎｍとした。さらに、ゲート絶縁膜３の表面の全域に、例えばＣＶＤ法によってａ－Ｓｉ層、またはｎ型不純物がドーピングされたａ－Ｓｉ層を順次形成する。さらに、そのａ－Ｓｉ層の表面全域に、たとえばスパッタリング法によってＣｒ膜などの金属膜を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて該ａ－Ｓｉ層および金属膜を同時に選択エッチングし、薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下、「ＴＦＴ」と略記する）の半導体膜４と、ソース／ドレイン電極（信号線を含む）５をそれぞれ形成する。

　次に、図４Ｃに示すように、ソース／ドレイン電極５（チャネル領域）を含む透明基板１表面の全域に、プラズマＣＶＤ法あるいはスパッタリング法等を用いてＳｉＮからなる第１の絶縁膜６を形成する。さらに、第１の絶縁膜６表面の全面にＳｉ－Ｏ結合を有するＳＯＧ材料を塗布し、オーブン内での２５０℃で６０分のベークによる熱硬化処理を行うことで、第２の絶縁膜７を形成した。なお、ここで形成された第２の絶縁膜７の厚さは１．５～４．０μｍとすることが好ましい。第２の絶縁膜７の厚さが１．５μｍ未満であると、ＴＦＴ等の存在箇所で段差が生じるようになり、更には、以下の工程で形成される第１の電極８や第２の電極１０に段差が生じるようになるので、好ましくない。また、第２の絶縁膜７の厚さが４．０μｍを超えると、第２の絶縁膜７による光吸収率が大きくなって表示領域の明るさが低下するので好ましくない。

　さらに、第２の絶縁膜７表面の全域に、たとえばスパッタリング法によってＩＴＯ膜を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術を用いてＩＴＯ膜を選択エッチングし、厚さ５５ｎｍの第１の電極８を形成した。なお、第１の電極８は、液晶表示装置の額縁領域に配線されたコモン配線に電気的に接続される。

　次に、図４Ｄに示すように、第１の電極８を含む第２の絶縁膜７表面の全域に、プラズマＣＶＤ法あるいはスパッタリング法等を用いて、例えば絶縁性が良好なＳｉＮからなる第３の絶縁膜９を形成した。この時の成膜条件は、これよりも下層にある第２の絶縁膜７が耐熱温度の高いＳＯＧ材料であるため、成膜温度（基板温度）を２３０℃～３００℃にすることが可能であり、第２の絶縁膜が従来の樹脂膜である場合に比べて、より緻密で信頼性の高い第３の絶縁膜９を形成することが可能である。

　また、このときにプラズマＣＶＤによる成膜時の材料ガスである（ＳｉＨ₄）とアンモニア（ＮＨ₃）のガス流量比を、絶縁膜の通常のバルク層形成の場合には１：６とし、途中から、アンモニア（ＮＨ₃）のガス流量を増やして例えば１：１６とすることにより、絶縁膜の表面近傍が、それ以外の部分（バルク層）よりもエッチレートが速い膜とすることが望ましい。絶縁膜の表面近傍のエッチレートがそれ以外の部分よりも速い部分の膜厚は、絶縁膜の膜厚の５％以上、３０％以下（望ましくは８％から１２％程度）であることが望ましい。このように、表面近傍にエッチレートの速い膜（後退層）を形成することによって、コンタクトホール１１を形成する時に順テーパ形状とすることができる。

　第３の絶縁膜９の厚さは、ＴＦＴのチャネル領域、ソース／ドレイン電極の耐湿性および絶縁性を確保するため、１００ｎｍ以上にするとよい。なお、第３の絶縁膜９の厚さが１０００ｎｍを超えると、第１の電極８と第２の電極１０との間に生じる容量が小さくなるので、液晶に十分な書き込み電圧を印加することができなくなると共に、液晶分子を駆動するために必要な電圧が高くなるので好ましくない。

　次に、ドライエッチング処理により、ソース／ドレイン電極５を覆う第１の絶縁膜～第３の絶縁膜の３層の絶縁膜を一括して貫通するように、各画素にコンタクトホール１１を形成し、ソース／ドレイン電極５の一部を再度外部に露出させる。エッチングガスとしてＳＦ₆、ＣＨＦ₃、ＣＦ₄などとＯ₂の混合ガスを用い、ドライエッチングした。このように、３層を一括してエッチングすることで、第２の絶縁膜として感光性の樹脂材料を用い、フォトリソグラフィ技術によってパターニング（コンタクトホール形成）を行う従来の液晶表示装置に比べて、フォトリソ工程や、露光工程負荷（露光、光反応処理）などの製造工程を低減でき、低コスト化が可能となる。

　さらに、ＳｉＮなどの無機絶縁膜である第１の絶縁膜および第３の絶縁膜に挟まれた、第２の絶縁膜がＳｉ－Ｏ結合を有するＳＯＧ材料であるため、ドライエッチング処理後に各層の段差は発生せず、フォトレジストとの選択比が２．５以上、エッチングレートが５００ｎｍ／ｍｉｎ以上、さらに、プラズマによる絶縁膜へのダメージも発生しないため、安定したパターニングが可能である。

　図４Ｅに示すように、コンタクトホール１１の形成後、第３の絶縁膜９の表面全体およびコンタクトホール１１を覆うようにＩＴＯにより透明導電性材料を被覆し、フォトリソグラフィ法およびエッチング法によって、第２の電極（画素電極）１０を形成した。膜厚は７５ｎｍとした。この際、透明導電性材料の一部がコンタクトホール１１内に成膜され、これにより第２の電極（画素電極）１０とソース／ドレイン電極５、すなわちスイッチング素子とが電気的に接続される。

　なお、本実施の形態では、第３の絶縁膜９としてＳｉＮ膜を用いたが、ＩＴＯ上の白濁を確実に回避するために少なくともＩＴＯと接触する第３の絶縁膜９をＳｉＯ₂やＳｉＯＮ等の酸素を含む絶縁膜を用いてもよい。

　また、ソース／ドレイン電極５の上に第１の絶縁膜６を形成した場合について説明したが、信頼性の要求度等により第１の絶縁膜６は必ずしも必要な層ではなく、ソース／ドレイン電極５の上に直接第２の絶縁膜７を形成した構成でも、本発明により保持容量を大きくする効果は奏することができる。なお、このような構造の場合も、第２の絶縁膜７としてＳＯＧ材料を用いることで、樹脂材料の場合よりも高い信頼性を得ることができる。さらに、絶縁膜として、ＳｉＮを形成する場合について説明しているが、これに限られず、ＳｉＯ₂、ＳｉＯやＳｉＮを含む積層膜、例えばＳｉＯ₂とＳｉＮの２層構造とすることもできる。

　本発明によれば、低コストで開口率（透過率）の高い液晶表示装置を提供する上で有用な発明である。

　１，１２　　透明基板
　２　　ゲート電極
　３　　ゲート絶縁膜
　４　　半導体膜
　５　　ソース／ドレイン電極
　６　　第１の絶縁膜
　７　　第２の絶縁膜（Ｓｉ－Ｏ結合を有するＳＯＧ材料）
　８　　第１の電極
　９　　第３の絶縁膜
　１０　　第２の電極
　１１　　コンタクトホール
　１３　　液晶層

Claims

液晶層を介して互いに対向配置される一対の透明基板と、
前記一対の前記透明基板のうち一方の前記透明基板の前記液晶層側の画素領域に形成したゲート電極を覆うように形成されるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられた薄膜トランジスタからなるスイッチング素子と、
前記スイッチング素子上に絶縁膜を介して設けられた第１の電極と、
前記第１の電極上に絶縁膜を介して設けられた第２の電極と
を備え、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に、前記一対の前記透明基板に平行な電界を発生させる液晶表示装置であって、前記スイッチング素子上に設ける前記絶縁膜は、Ｓｉ－Ｏ結合を有するＳＯＧ（Ｓｐｉｎ　ｏｎ　Ｇｌａｓｓ）材料により構成している液晶表示装置。
前記スイッチング素子上の前記絶縁膜および前記第１の電極上の前記絶縁膜は、
　　前記絶縁膜に一括して形成したコンタクトホールを有し、
　　前記コンタクトホールを介して、前記第２の電極が前記スイッチング素子と電気的に接続されている請求項１に記載の液晶表示装置。
前記スイッチング素子上の前記絶縁膜および前記第１の電極上の前記絶縁膜は、
　　前記絶縁膜に一括してドライエッチングにより形成したコンタクトホールを有し、
　　前記コンタクトホール内の壁面が前記第２の電極で覆われている請求項１に記載の液晶表示装置。
液晶層を介して互いに対向配置される一対の透明基板と、
前記一対の前記透明基板のうち一方の前記透明基板の前記液晶層側の画素領域に形成したゲート電極を覆うように形成されるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられた薄膜トランジスタからなるスイッチング素子と、
前記スイッチング素子上に絶縁膜を介して設けられた第１の電極と、
前記第１の電極上に絶縁膜を介して設けられた第２の電極と
を備え、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に、前記一対の前記透明基板に平行な電界を発生させる液晶表示装置の製造方法であって、
前記スイッチング素子上にＳｉ－Ｏ結合を有するＳＯＧ（Ｓｐｉｎ　ｏｎ　Ｇｌａｓｓ）材料からなる前記絶縁膜を形成した後、
前記絶縁膜上に前記第１の電極をパターニングして形成し、
その後前記第１の電極上に前記絶縁膜を形成した後、
前記複数の絶縁膜に一括してコンタクトホールを形成して前記スイッチング素子の電極の一部を外部に露出させ、
前記スイッチング素子の電極と前記第２の電極を接続する液晶表示装置の製造方法。