JP3086142B2

JP3086142B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP3086142B2
Application number: JP29323494A
Authority: JP
Inventors: 昌浩足立; 康彦伊藤; 伸二島田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1994-11-28
Filing date: 1994-11-28
Publication date: 2000-09-11
Anticipated expiration: 2015-09-11
Also published as: JPH08152650A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スイッチング素子とし
て薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴと称する）を用いた
液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】上述した薄膜トランジスタを用いた液晶
表示装置として、従来、図５に示すものが知られてい
る。この液晶表示装置は、対向する一対の基板の間に液
晶が封入された構成であり、一方（下側）の基板は、ガ
ラスや石英などの絶縁性基板５３ａの上に複数の透明な
画素電極５１とＴＦＴ５２とがマトリクス状に形成さ
れ、複数のゲートライン５７と複数のデータライン５９
とが互いに交差し、間に設けられた層間絶縁膜により絶
縁分離されている。上記ＴＦＴ５２のドレイン電極５６
は画素電極５１に接続され、ゲート電極はＴＦＴをオン
オフさせる走査信号を供給するゲートライン５７に接続
され、ソース電極５８はＴＦＴを介して画素電極に映像
信号を入力するデータライン５９に接続されている。

【０００３】この一方の基板と対向する他方（上側）の
基板は、対向電極５４、ブラックストライプ（遮光層）
５１２が形成された対向側基板５３ｂとが、数μｍの間
隙を隔てて貼り合わせられている。なお、ブラックスト
ライプ５１２の形成のない部分は画素開口部５１３を形
成している。

【０００４】両基板の間隙には液晶材料が封入されてお
り、両基板の液晶側には液晶分子を配向させるための配
向膜５５が形成されてラビング処理されている。更に、
両基板の液晶とは反対側の外部には偏光板５１１が設け
られている。

【０００５】このような液晶表示装置を用いて表示を行
う場合、ある走査タイミングで画素電極に印加された電
圧が、次の走査タイミングまで画素電極に充分保持され
ている必要がある。通常、画素電極と対向電極との間の
液晶容量は充分ではないため、画素電極に並列に電荷保
持用コンデンサ（以下、補助容量と称する）が形成され
る。図５の液晶表示装置においては、ゲートライン５７
とは別に補助容量ライン５１０が設けられ、画素電極５
１と補助容量ライン５７との重畳部に、間に形成された
絶縁膜を誘電体として補助容量が形成されている。この
補助容量は、例えば特開昭６３−７０８３２号公報に開
示されているように、別の補助容量ラインを設けずに、
ゲートラインを補助容量ラインとして兼用し、ゲートラ
イン５７と画素電極５１との重畳部に形成してもよい。

【０００６】この液晶表示装置の駆動においては、図６
に示すように、ゲートラインに走査パルス信号６１を順
次入力すると共に、データラインに映像信号６２を入力
することにより、画素電極に映像信号を入力していく。
これにより液晶に印加する電圧６３を映像信号に応じて
変化させ、液晶の電気光学特性を利用して画素の光透過
率を変化させて映像を表示する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなＴＦＴに
おいては、ゲート電極とドレイン電極との間に寄生容量
Ｃｇｄを有するので、ゲート信号がオン信号からオフ信
号に変わる瞬間にオン信号とオフ信号との電位差が生じ
て画素電極の電位が、図６の６４にて示す分だけシフト
する。このシフト量は、液晶の容量値をＣｌｃ、補助容
量の容量値をＣｓとすると、Ｃｇｄ／（Ｃｇｄ＋Ｃｌｃ
＋Ｃｓ）の量に比例する。この場合において、液晶が誘
電率異方性を有するため、Ｃｌｃは液晶印加電圧により
変動する。従って、画素電極電位のシフト量は、映像信
号により変化してＤＣ（直流）成分が生じる。一般に液
晶にＤＣ電圧が印加されると、フリッカが生じて表示品
位を低下させる。また、配向膜／液晶界面での電気２重
層の形成が原因と考えられる残像が生じる。

【０００８】また、上記液晶容量が印加電圧により変化
するために、映像のレスポンス特性が悪くなると言う現
象が知られている。この現象は、ＪＡＰＡＮＤＩＳＰ
ＬＡＹ ’８９ＤＩＧＥＳＴの４１６頁〜４１７頁に
記載されているように、電荷保存の条件が成り立つＴＦ
Ｔのオフ期間に、液晶の容量変化により液晶容量に与え
られた電圧が変化するために起こるものである。

【０００９】これらの問題に対しては、補助容量の容量
値を大きくして液晶容量の変動による影響を小さくする
ことが効果的である。しかし、単に補助容量の容量値を
大きくするだけではＴＦＴの充電能力が不足するので、
画像のコントラストが低下する等、表示特性の悪化を招
くと言う問題がある。また、補助容量の容量値を大きく
すると補助容量の形成面積が大きくなり、画素開口部
（図５の５１３）が小さくなるので、開口率が低下して
画像が暗くなるという問題がある。

【００１０】本発明は上記従来技術の問題点を解決すべ
くなされたものであり、液晶容量の電圧による変化の影
響を少なくすると共に、ＴＦＴの充電能力を十分確保
し、さらに、開口率を高くできる液晶表示装置を提供す
ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の液晶表示装置
は、間に液晶を挟持する一対の基板の一方に、該液晶に
電圧を印加するための画素電極および該画素電極をスイ
ッチングするための薄膜トランジスタがマトリクス状に
設けられ、該薄膜トランジスタを走査するための複数の
走査線と、該薄膜トランジスタを介して該画素電極に映
像信号を供給する複数のデータ線とが互いに交差し、か
つ、絶縁分離して設けられ、該一対の基板の他方に対向
電極が形成されている液晶表示装置において、該薄膜ト
ランジスタの半導体層が移動度１０ｃｍ²／Ｖ・Ｓ以上
の多結晶シリコンからなり、かつ、該画素電極と該走査
線または補助容量線とが層間絶縁膜を間に挟んで一部対
向するように形成され、該層間絶縁膜の該画素電極と該
走査線または該補助容量線との対向部分に設けたスルー
ホールに高誘電体薄膜を充填して補助容量が形成されて
おり、該補助容量の容量値が該画素電極と該対向電極と
の間に形成される液晶容量の容量値の１０倍以上とさ
れ、そのことにより上記目的が達成される。

【００１２】本発明の液晶表示装置において、前記高誘
電体薄膜が比誘電率２０以上である構成とするのが好ま
しい。

【００１３】本発明の液晶表示装置において、前記高誘
電体薄膜が、酸化タンタル、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃、
（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃、ＢａＴｉＯ₃、Ｓｒ
ＴｉＯ₃、Ｂａ_1-xＳｒ_xＴｉＯ₃（０＜Ｘ＜１）、Ｂａ₄
Ｔｉ₃Ｏ₁₂、Ｂｉ₂ＷＯ₆、Ｂｉ₂ＷＯ₃およびＳｒＴａＯ
のうちの１または２種類以上の材料を含んだもので構成
される。

【００１４】本発明の液晶表示装置において、前記高誘
電体薄膜が、比誘電率２０以上の材料を６００℃以下の
温度で成膜して形成された構成とされる。

【００１５】

【作用】本発明においては、補助容量の容量値が、画素
電極と対向電極との間に形成される液晶容量の容量値の
１０倍以上（望ましくは２０倍以上）であるので、液晶
容量の電圧による変化の影響を少なくすることができ
る。また、ＴＦＴの半導体層が移動度１０ｃｍ²／Ｖ・
Ｓ以上の多結晶シリコンからなるので、補助容量の容量
値を大きくしても、ＴＦＴの充電能力を十分なものにす
ることができる。

【００１６】高誘電体薄膜として比誘電率２０以上の材
料を用いると、補助容量値を大きくすると共に、開口率
を高くすることができる。このような材料として、酸化
タンタル、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）、ＰＬＺ
Ｔ（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）、ＢａＴｉ
Ｏ₃、ＳｒＴｉＯ₃、Ｂａ_1-xＳｒ_xＴｉＯ₃（０＜Ｘ＜
１）、Ｂａ₄Ｔｉ₃Ｏ₁₂、Ｂｉ₂ＷＯ₆、Ｂｉ₂ＷＯ₃および
ＳｒＴａＯのうちの１または２種類以上を含む材料を用
いることができる。

【００１７】走査線を補助容量線として兼用して、高誘
電体薄膜材料を層間絶縁膜に形成されたスルーホールに
充填し、これを誘電体として画素電極と走査線との重畳
部に補助容量を形成してもよく、別に補助容量線を形成
して補助容量線と画素電極との重畳部に補助容量を形成
してもよい。

【００１８】高誘電体薄膜の成膜を６００℃以下の温度
で行うと、ガラス基板を用いても歪みが生じず、高品質
な液晶表示装置を得ることができる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら説明する。

【００２０】図１は、本発明の一実施例である液晶表示
装置の一方の基板（ＴＦＴ形成側基板）を示す平面図で
ある。このＴＦＴ形成側基板は、絶縁性基板の上に複数
の透明な画素電極１１とＴＦＴ１０とがマトリクス状に
形成され、ＴＦＴ１０をオンオフさせる走査信号を供給
する複数のゲートライン２２と、ＴＦＴを介して画素電
極１１に映像信号を入力する複数のデータライン１３と
が互いに交差して、間に設けられた層間絶縁膜（図示せ
ず）により絶縁分離されている。

【００２１】ＴＦＴ１０の半導体層２１は移動度１０ｃ
ｍ²／Ｖ・Ｓ以上の多結晶シリコンからなり、半導体層
２１の２領域部分がドレイン領域とソース領域とになっ
ている。ＴＦＴ１０のドレイン領域は層間絶縁膜のコン
タクトホール１２において接続線１４を介して画素電極
１１に接続され、ゲート電極はゲートライン２２から分
岐され、ソース領域は層間絶縁膜のコンタクトホール１
２においてデータライン１３に接続されている。

【００２２】また、隣接する画素電極１１に対応するゲ
ートライン２２は補助容量ラインとして兼用され、画素
電極１１とゲートライン２２とが対向する重畳部には、
層間絶縁膜のスルーホール３１に高誘電体薄膜４１が充
填され、これを誘電体として画素電極１１に並列に補助
容量が形成されている。この高誘電体薄膜４１は、比誘
電率２０以上の高誘電体薄膜材料からなり、補助容量の
容量値は、画素電極１１と対向電極との間に形成される
液晶容量の容量値の１０倍以上、望ましくは２０倍以上
とされている。

【００２３】この基板は、対向電極、ブラックストライ
プが形成された対向側基板と数μｍの間隙を隔てて貼り
合わせられ、間隙に液晶材料が封入されている。両基板
の内側には液晶分子を配向させるための配向膜が形成さ
れてラビング処理されており、両基板の外側には偏光板
が各々設けられている。

【００２４】この液晶表示装置は、例えば以下のように
して作製することができる。まず、約６００℃の熱処理
に耐える歪み点温度の高いガラス基板上に、Ｓｉ₂Ｈ₆ガ
スを用いたＬＰＣＶＤ（ＬｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅＣ
ｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｕｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ）により約４５０℃の基板温度でアモルファスシリコ
ン膜を成膜する。これをＮ₂雰囲気中、６００℃で約２
０時間アニールして固相成長させることにより多結晶シ
リコン膜とする。さらに、エキシマレーザーアニールに
よりこの多結晶シリコン膜を溶融・再結晶化させること
により、多結晶シリコン膜の結晶性を向上させて高移動
度とする。その後、この多結晶シリコンをエッチングし
て図２に示すような島状の半導体層２１を形成する。

【００２５】次に、この半導体層２１上に、プラズマＣ
ＶＤ法によりゲート絶縁膜となるＳｉＯ₂膜を約１００
ｎｍ成膜する。その上に膜厚約２５０ｎｍ程度の多結晶
シリコン膜を成膜し、これをパターニングしてゲートラ
イン２２を形成する。

【００２６】この状態の基板に対して、自己整合的に不
純物元素（Ｎｃｈの場合はリン、Ｐｃｈの場合はボロ
ン）を１×１０¹⁵ｉｏｎ／ｃｍ²、４０ｋｅＶ程度の条
件でイオン注入し、５５０℃で不純物イオンを活性化さ
せる。この工程によりゲートライン２２直下を除く半導
体層２１に不純物イオンが注入されてソース領域および
ドレイン領域が形成され、ゲートライン２２直下の半導
体層２１はチャネル部となる。それと共に、多結晶シリ
コンからなるゲートライン２２にも不純物イオンが注入
されてゲートライン２２が低抵抗化される。さらに低抵
抗化する必要がある場合には、このように不純物イオン
が注入された多結晶シリコンからなるゲートラインの上
にアルミニウム等の金属配線を重畳してもよい。

【００２７】次に、膜厚５００ｎｍ程度のＳｉＯ₂膜か
らなる層間絶縁膜を成膜し、図３に示すようにゲートラ
イン２２上の層間絶縁膜部分に、補助容量に必要なサイ
ズのスルーホール３１を貫通状態に形成する。このスル
ーホール３１のサイズは用いる誘電体材料および液晶容
量により異なるようにできる。なお、スルーホール３１
は、貫通状態に形成する必要は必ずしも無く、底部に層
間絶縁膜が残っていてもよい。つまり、層間絶縁膜も誘
電率を有し、その誘電率と後述する高誘電体薄膜である
酸化タンタルの誘電率との関係により補助容量に必要な
誘電率を設計すればよい。

【００２８】その後、酸化タンタルをスパッタリング法
により成膜し、ドライエッチングを行う。これにより、
図４に示すように、層間絶縁膜のスルーホール３１より
縦横の各々に約２μｍ程度大きいパターンである、酸化
タンタルからなる高誘電体薄膜４１がスルーホール３１
中に充填して形成される。

【００２９】次に、酸素雰囲気中、５５０℃でアニール
処理を行って、酸化タンタルからなる高誘電体薄膜４１
のリーク電流を低減させる。このようにして形成した酸
化タンタル膜の比誘電率は２０〜２５であり、従来より
補助容量の誘電体として用いられる酸化シリコン膜の比
誘電率約３．５に比べて高誘電体である。よって、上述
のように小さいサイズの補助容量を形成しても補助容量
の値を大きくすることができる。

【００３０】その後、透明導電膜であるＩＴＯ（Ｉｎｄ
ｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）をスパッタリングにより
成膜し、エッチングにより図１に示すようにパターニン
グして画素電極１１を形成する。これにより、この画素
電極１１と隣接する画素に対応するゲートライン２２を
補助容量ラインとして兼用し、ゲートライン２２と画素
電極１１とが一部対向する部分の間に形成された高誘電
体薄膜４１を誘電体として補助容量が形成される。

【００３１】さらに、ソース領域およびドレイン領域上
の層間絶縁膜部分にコンタクトホール１２を形成後、例
えばアルミニウム等を成膜してパターニングすることに
よりデータライン１３およびドレイン領域と画素電極１
１との接続線１４を形成する。さらにその上に窒化シリ
コン膜を成膜し、周辺駆動回路との接続端子部をエッチ
ングにより除去して保護膜を形成する。

【００３２】その後、この基板上と、対向電極、ブラッ
クストライプが形成された対向側基板上とに、液晶分子
を配向させるための配向膜を形成してラビング処理を行
い、両基板を数μｍの間隙を隔てて貼り合わせ、基板間
隙に液晶材料を封入して液晶パネルとする。この液晶パ
ネルの両側に偏光板を設けることにより、本実施例の液
晶表示装置が完成する。

【００３３】このようにして得られた液晶表示装置は、
補助容量の容量値が液晶容量の容量値の１０倍以上と大
きいので、液晶容量が電圧により変化することから生じ
る影響が少なかった。また、ＴＦＴを構成する半導体層
の移動度が１０ｃｍ²／Ｖ・Ｓと高移動度であるので、
補助容量の容量値を大きくしてもＴＦＴの充電能力を十
分確保することができた。さらに、補助容量の誘電体材
料として比誘電率２０以上の高誘電体材料を用いてお
り、補助容量面積を大きくすることなく補助容量の容量
値を大きくすることができるので、開口率を高くするこ
とができた。

【００３４】上記実施例においては、補助容量の誘電体
として酸化タンタルを用いたが、本発明はこれに限られ
ず、他の材料を用いてもよい。特に、比誘電率２０以上
の高誘電体薄膜材料を用いると、補助容量値を大きくす
ると共に、開口率を高くすることができるので望まし
い。例えば、酸化タンタル、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＢａＴ
ｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃、Ｂａ_1-xＳｒ_xＴｉＯ₃（０＜Ｘ＜
１）、Ｂａ₄Ｔｉ₃Ｏ₁₂、Ｂｉ₂ＷＯ₆、Ｂｉ₂ＷＯ₃および
ＳｒＴａＯのうち、少なくとも１種類以上を含む材料を
用いることができる。このような誘電率の高い材料を補
助容量として用いる技術としては、特開平５−６３１６
８号にペロブスカイト型酸化物を補助容量により構成す
ることが開示されているが、より小さい補助容量面積で
補助容量値の大きさを確保するための手段である。した
がって、補助容量値を従来より大きくし、かつ駆動用の
ＴＦＴとして移動度の高い多結晶シリコンＴＦＴを用い
た本発明とは、技術的に異なる。

【００３５】上記実施例ではスパッタリング法により高
誘電体薄膜を成膜したが、蒸着法で行ってもよい。成膜
をガラス基板の歪み点よりも低い６００℃以下の温度で
行うと、ガラス基板を用いても歪みが生じない。同様の
理由からリーク電流を低減するためのアニール処理も６
００℃以下の温度で行うのが望ましい。

【００３６】スルーホール中に酸化タンタルを充填する
工程は、スルーホール形成後、酸化タンタル膜をスパッ
タリング法により成膜してドライエッチングしてもよ
く、層間絶縁膜上にレジストの塗布・露光・現像を行っ
てスルーホールを形成するためのレジストパターンを形
成した後、レジストパターンの上から酸化タンタルをス
パッタリング法により成膜してリフトオフしてもよい。
また、酸化タンタルのリーク電流を低減させるために、
酸素雰囲気中、５５０℃でアニール処理を行ったが、酸
化タンタルのスパッタリング時にチャンバー内に窒素を
流して酸化タンタル中に窒素を含有させてもよく、ある
いは、ターゲット材料として酸化タンタルの代わりにタ
ンタルを用い、スパッタリング後の酸素雰囲気中、５５
０℃のアニール処理により酸化タンタルとしてもよい。

【００３７】上記実施例では、ゲートラインを補助容量
線として兼用して、高誘電体薄膜材料を層間絶縁膜に形
成されたスルーホールに充填し、これを誘電体として画
素電極とゲートラインとの重畳部に補助容量を形成した
が、ゲートラインとは別に補助容量線を形成し、補助容
量線と画素電極とを両電極として重畳部に補助容量を形
成してもよい。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、補助容量の容量値が、画素電極と対向電極と
の間に形成される液晶容量の容量値の１０倍以上、望ま
しくは２０倍以上である。よって、液晶容量の電圧によ
る変化の影響を殆ど無視できる程度に少なくすることが
でき、レスポンス特性の悪化、フリッカおよび残像の発
生等を軽減できる。この場合、ＴＦＴが充電するべき負
荷容量は大きくなるが、ＴＦＴのチャネル部となる活性
層として移動度１０ｃｍ²／Ｖ・Ｓ以上の高移動度の多
結晶シリコンを用いているので、ＴＦＴの充電能力を十
分なものにすることができる。また、補助容量の誘電体
として比誘電率２０以上の高誘電体薄膜材料を用いる
と、補助容量の面積が小さくても補助容量値を大きくす
ることができる。よって、開口率を高くして、明るく表
示品位の高い液晶表示装置とすることができる。さら
に、高誘電体薄膜材料の成膜を６００℃以下の温度で行
うと、ガラス基板を用いても歪みが生じず、高品質な液
晶表示装置を低コストで得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である液晶表示装置の一方の
基板を示す平面図である。

【図２】実施例の液晶表示装置の製造工程を示す平面図
である。

【図３】実施例の液晶表示装置の製造工程を示す平面図
である。

【図４】実施例の液晶表示装置の製造工程を示す平面図
である。

【図５】従来の液晶表示装置を示す斜視図である。

【図６】液晶表示装置の駆動方法を示す図である。

【符号の説明】

１０ＴＦＴ１１画素電極１２層間絶縁膜のコンタクトホール１３データライン１４接続線２１島状の半導体層２２ゲートライン３１層間絶縁膜のスルーホール４１高誘電体薄膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平６−82821（ＪＰ，Ａ) 特開平５−53141（ＪＰ，Ａ) 特開平６−181313（ＪＰ，Ａ) 特開平６−167720（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/136

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】間に液晶を挟持する一対の基板の一方
に、該液晶に電圧を印加するための画素電極および該画
素電極をスイッチングするための薄膜トランジスタがマ
トリクス状に設けられ、該薄膜トランジスタを走査する
ための複数の走査線と、該薄膜トランジスタを介して該
画素電極に映像信号を供給する複数のデータ線とが互い
に交差し、かつ、絶縁分離して設けられ、該一対の基板
の他方に対向電極が形成されている液晶表示装置におい
て、該薄膜トランジスタの半導体層が移動度１０ｃｍ²／Ｖ
・Ｓ以上の多結晶シリコンからなり、かつ、該画素電極
と該走査線または補助容量線とが層間絶縁膜を間に挟ん
で一部対向するように形成され、該層間絶縁膜の該画素
電極と該走査線または該補助容量線との対向部分に設け
たスルーホールに高誘電体薄膜を充填して補助容量が形
成されており、該補助容量の容量値が該画素電極と該対
向電極との間に形成される液晶容量の容量値の１０倍以
上とされている液晶表示装置。
【請求項２】前記高誘電体薄膜が比誘電率２０以上で
ある請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項３】前記高誘電体薄膜が、酸化タンタル、Ｐ
ｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）
Ｏ₃、ＢａＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃、Ｂａ_1-xＳｒ_xＴｉＯ₃
（０＜Ｘ＜１）、Ｂａ₄Ｔｉ₃Ｏ₁₂、Ｂｉ₂ＷＯ₆、Ｂｉ₂
ＷＯ₃およびＳｒＴａＯのうちの１または２種類以上の
材料を含んだものからなる請求項１または２に記載の液
晶表示装置。
【請求項４】前記高誘電体薄膜が、比誘電率２０以上
の材料を６００℃以下の温度で成膜して形成されている
請求項１、２または３に記載の液晶表示装置。