JP2757207B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は液晶表示装置に関し、詳しくは、OA機械やTV
用などで広く用いられている液晶表示装置に関する。

〔従来技術〕 液晶表示装置（LCD）は大型化、高コントラスト化と
ともに高デューテー表示がなされるようにするため、一
般に、各画素に少なくとも一つの能動素子（TFT、MIM
等）を有するアクティブ・マトリックス方式が採用され
ている。しかし、従来のアクティブ・マトリックス方式
を導入したLCDにおいては、画素面と同じ位置に能動素
子を配置していることから、単純マトリックス方式に比
べて、開口率が低いという欠点がある。

もっとも、そうした欠点を解消するための努力は当然
行なわれており、例えば能動素子を同一平面上に形成す
ることなくコンタクトホールを用いて表示画素とコンタ
クトをとり、表示画素面積を大きくする方法が提案され
ている（特開昭62−10626号公報）。だが、この方法に
よれば開口率が高まるものの、共通電極と表示画素とが
層間絶縁膜を介して存在せしめられているため、そこに
寄生の電気容量が発生し、この電気容量に起因して、駆
動電圧が上昇したり、更には、全体の容量も増えること
からデューティー比が大きくなった時応答性が遅くな
り、フリッカー等の表示むらの発生をもたらしたり、更
には、時として表示がなされなかったりする。といった
新たな問題を生じさせている。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は上記のごとき欠点・問題点を解消し、開口率
を大きくし、かつ、寄生容量をなくすことにより、高コ
ントラストで高デューティー表示の可能な液晶表示装置
の提供を目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、一対の基板間に液晶層が挟持され、
少なくとも一方の基板の内側に透明共通電極とそれぞれ
少なくとも１つの能動素子を介して接続された複数の透
明画素電極とが形成されている液晶表示装置において、
前記透明画素電極のうちのある画素電極の下に絶縁層を
介して前記透明共通電極が設けられ、該共通電極は前記
ある画素電極に隣接する画素電極と少なくとも１つの能
動素子を介して電気的に接続されていることを特徴とし
ている。

ちなみに、本発明者らは共通電極と画素電極との間に
容量が存在しても、その容量が液晶駆動に影響を与えな
いような接続手段を採用すれば、即ち、透明共通電極を
採用し、その上に駆動素子を配置し、層間絶縁膜を設
け、更に、前記透明共通電極と重ならないように透明画
素電極を設けるようにすれば、先に触れたごとき寄生容
量をつくることなく開口率を上げることのできることを
確めた。本発明はこれによりなされたものである。

以下に本発明を添付の図面に従がいながら詳細に説明
するが、それに先立って、本発明装置の理解をしやすく
するために、従来における液晶表示装置についていま一
度触れておくことにする。

第８図は従来の液晶表示装置の代表的な一例の模式図
であり、ここでは、開口率を上げるための共通電極を透
明なもの（透明共通電極22,23）とし、能動素子25を設
け、その上に層間絶縁層を形成し、最上層に表示画素を
設けるようにしている。そして、能動素子25と透明画素
電極26,26′とはスルーホールを用いて連続されてい
る。なお、図中、21は基板、24は絶縁層、26及び26′は
透明画素電極、27は補助電極を表わしている。

ここにみられる液晶表示装置によれば、これまで能動
素子が設けられていた部分も表示画素となったため開口
率が上がり、表示品質は向上する。しかし、この構成の
液晶表示装置においては、共通透明電極22,23が絶縁層2
4を介して透明画素電極26,26′と重なっているため、こ
の部分が寄生容量をもってしまうことが避けられない。

液晶表示装置は、本来、液晶部−能動素子部間で回路
は閉じていなければならず、従って、例えば能動素子に
MIM素子を用いたときの等価回路は第９図のように表わ
される。しかるに、第８図に示した構造の液晶表示装置
は、寄生容量（Cp）をもち、しかも、その寄生容量（C
p）は能動素子に並列につながっており、その等価回路
は第10図のように表わされる。

液晶部−能動素子部間に寄生容量が存在するようであ
ると、能動素子の設計が勢い複雑になるばかりでなく、
回路全体の容量が増えるため、液晶表示装置の走査線数
を増加させたようなとき（換言すれば、信号線の時間の
短い場合）には、寄生容量に起因して信号がなまり、良
好な表示が行なえなかったり、フリッカーの原因となっ
たりする。

これに対して、本発明に係る液晶表示装置は、第１図
又は第２図に模式図的に示したごとき構成を有してい
る。これら図面から明らかなように、本発明装置におい
ても透明共通電極2,3と透明画素電極6,6′,6″との間に
は絶縁層４が介在していることから寄生容量は認められ
るが、この寄生容量は能動素子５に並列につながっては
おらず、即ち、液晶部−能動素子部の接続は寄生容量が
駆動に影響を与えるようにはなされていない。これを更
にくだいて説明すると、透明共通電極２と透明画素電極
６′との間（透明共通電極３と透明画素電極６″等との
関係についても同じ）で寄生容量をもつが、透明画素電
極６′に加わる信号は透明共通電極２を通して印加され
ることから、結局、この寄生容量は駆動には何等影響を
与えないことになる。

実際に本発明に係る液晶表示装置をつくるには従来か
ら知られている素材、製法等がそのまま利用される。

まず、絶縁性透明基板としてはガラス板、プラスチッ
ク板、フレキシブルなプラスチックフィルム等が使用さ
れる。この透明基板上には共通電極配線が透明電極材料
（ITO、ZnO:Al、ZnO:Siなど）をスパッタリング法、蒸
着法、CVD法などの方法により数100Å〜数μｍの厚さで
堆積させ、所定のパターンにパターニングすることによ
って形成する。次いで、能動素子を作製した後、層間絶
縁膜を形成し、能動素子と電気的にコンタクトがとれる
ように、能動素子の電極上のみスルーホールとしてパタ
ーニングする。画素電極として透明電極材料をスパッタ
リング法、蒸着法、CVD法等の方法を用いて、数100Å〜
数μｍ堆積させ、所定のパターンにパターニングする。
このようにして、アクティブ・マトリックス基板が作製
される。

前記の能動素子としては、ａ−Si（アモルファスシリ
コン）、poly−Si等を利用したTFT素子や絶縁層に硬質
炭素膜、SiN_X、SiC、Ta₂O₅、Al₂O₃などを用いたMIM素
子、MSI素子、更には、PINダイオード、バックトウバッ
クダイオード、バリスタ等が用いられる。

前記の層間絶縁膜としてはSiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃、硬質
炭素膜、ポリイミド、ポリエステル、エポキシ樹脂、ポ
リアミド、PVDC、PVDE、PVA、シリコーン樹脂、フルオ
ロカーボン等を用い、CVD法、スパッタリング法、蒸着
法、塗布法（スピンコート、ロールコート等）等などで
製膜する。膜厚は、数100Åから数μｍまでくらいが適
当である。この層間絶縁膜としてはポリイミド、ポリエ
ステル、エポキシ樹脂等の感光性ポリマーが低温（UV照
射）で合成でき、しかもパターニングのためフォトリソ
工程が省略できる点で好ましい。特に、耐熱性電気特性
の点で、ポリイミド（例えば東レ社製フォトニース）の
使用が好ましい。

また、能動素子に用いる電極には透明電極材料を用い
るのが望ましいが、能動素子の素子面積は通常20μｍ以
下と小さい為、必ずしも透明電極材料でなくてもよい。
従って、例えば、ITO、ZnO:Al、In₂O₃、SnO₂、Pt、Ni、
Ag、Al、Au、Cu、Cr、Ti、Ｗ、Mo、Ta等の導電性薄膜を
スパッタリング法、蒸着法等の方法により製膜すること
ができる。

なお、前記の能動素子については、TFTのように三端
素子や、導体−絶縁体−導体（MIM）素子のような二端
子素子があるが、その構造、作製方法の容易さからMIM
素子が有利である。特にMIM素子の絶縁層に硬質炭素膜
を使用した場合、硬質炭素膜の製造方法及び膜質より大
面積にかつ欠陥の少ない高品質の液晶表示装置の作製が
可能となるため特に望ましい。

硬質炭素膜は炭素原子及び水素原子を主要な組織形成
元素として非晶質及び微結晶の少なくとも一方を含む硬
質炭素膜（ｉ−Ｃ膜、ダイヤモンド状炭素膜、アモルフ
ァスダイヤモンド膜、ダイヤモンド薄膜とも呼ばれる）
からなっている。

硬質炭素膜の一つの特長は気相成長膜であるがため
に、後述するように、その諸物性が製膜条件によって広
範囲に制御できることである。従って、絶縁膜といって
もその抵抗値は半絶縁体〜絶縁体領域までをカバーして
おり、この意味では本発明で好ましく用いられるMIM素
子は、特開昭61−275819号公報に記載されているところ
のMSI素子（Metal−Semi−insulator）や、SIS素子（半
導体−絶縁体−半導体からなる素子であり、ここでの半
導体は不純物を高濃度にドープさせたものである）等を
含めて位置付けられるものである。

上記のMIM素子の電流−電圧特性は第３図のように示
され、近似的には下記の伝導式で表わされる。

Ｉ＝κexp（βＶ^1/2） …（１） I:電流 V:印加電圧 κ：導電係数 β：プールフレン
ケル係数 n:キャリヤ密度 μ：キャリヤモビリティ q:電子の電
荷量 Φ：トラップ深さ ρ：比抵抗 d:硬質炭素の膜
厚 k:ボルツマン定数 T:雰囲気温度 ε₀:真空誘電率
ε₁:硬質炭素の誘電率 硬質炭素膜中には、さらに物性制御範囲を広げるため
に、構成元素の一つとして少なくとも周期律表第III族
元素を全構成原子に対し５原子％以下、同じく第IV族元
素を35原子％以下、同じく第Ｖ族元素を５原子％以下、
アルカリ金属元素を５原子％以下、窒素原子を５原子％
以下、酸素原子を５原子％以下、カルコゲン系元素を35
原子％以下、また、ハロゲン元素を35原子％以下含有さ
せてもよい。なお、これら元素の量は元素分析の常法、
例えばオージェ分析によって測定することができる。こ
れらの元素の量は原料ガスに含まれる他の化合物の量や
成膜条件等で調節可能である。

こうした硬質炭素膜を形成するためには有機化合物ガ
ス、特に炭化水素ガスが用いられる。これら原料におけ
る相状態は常温常圧において必ずしも気相である必要は
なく、加熱或は減圧等により溶融、蒸発、昇華等を経て
気化し得るものであれば、液相でも固相でも使用可能で
ある。

原料ガスとしての炭化水素ガスについては、例えばCH
₄、C₂H₆、C₃H₈、C₄H₁₈等のパラフィン系炭化水素、C₂H₄
等のアセチレン系炭化水素、オレフィン系炭化水素、ア
セチレン系炭化水素、ジオレフィン系炭化水素、さらに
は芳香族炭化水素などすべての炭化水素を少なくとも含
むガスが使用可能である。

さらに、炭化水素以外でも、例えば、アルコール類、
ケトン類、エーテル類、エステル類、CO、CO₂等少なく
とも炭素元素を含む化合物であれば使用可能である。

これら原料ガスからの硬質炭素膜の形成方法として
は、成膜活性種が直流、低周波、高周波、或いはマイク
ロ波等を用いたプラズマ法により生成されるプラズマ状
態を経て形成される方法が好ましいが、より大面積化、
均一性向上、低温製膜の目的で、低圧下で堆積を行なう
ため、磁界効果を利用する方法がさらに好ましい。ま
た、高温におれる熱分解によっても活性種を形成でき
る。

その他にも、イオン化蒸着法、或いはイオンビーム蒸
着法等により生成されるイオン状態を経て形成させても
よいし、真空蒸着法、或いはスパッタリング法等により
生成される中性粒子から形成されてもよいし、さらに
は、これらの組み合わせにより形成されてもよい。

こうして作製される硬質炭素膜の堆積条件の一例はプ
ラズマCVD法の場合、概ね、次の通りである。

RF出力:0.1〜50W/cm² 圧 力:10^-3〜10Torr 堆積温度：室温〜950℃（このような広い範囲を採用
できるが、好ましくは室温〜300℃であり、更に好まし
くは室温〜150℃である。） このプラズマ状態により原料ガスがラジカルとイオン
とに分解され反応することによって、基板上に炭素原子
Ｃと水素原子Ｈとからなるアモルファス（非晶質）及び
微結晶質（結晶の大きさは数10Å〜数μｍ）の少くとも
一方を含む硬質炭素膜が堆積する。硬質炭素膜の諸特性
を表−１に示す。

注）測定法； 比抵抗（ρ）：コプレナー型セルによるＩ−Ｖ特性より
求める。

光学的バンドギャップ（Egopt）：分光性から吸収係数
（α）を求め、（αｈν）^1/2＝Ｂ（ｈν−Egopt）の関
係より決定する。

膜中水素量（C_H）：赤外吸収スペクトルから2900cm^-1付
近のピークを積分し、吸収断面積Ａをかけて求める。

C_H＝Ａ・∫α（ｗ）/w・dw SP³/SP²比：赤外吸収スペクトルを、SP³、SP²にそれぞ
れ帰属されるガウス関数に分解し、その面積比より求め
る。

ピッカース硬度（Ｈ）：マイクロビッカース計による。

屈折率（ｎ）：エリプソメーターによる。

欠陥密度:ESRによる。

こうして形成される硬質炭素膜はIR吸収法及びラマン
分光法による分析の結果、夫々、第４図及び第５図に示
すように、炭素原子がSP³の混合軌道とSP²の混合軌道と
を形成した原子間結合が混在していることが明らかにな
っている。SP³結合とSP²結合との比率は、IRスペクトル
をピーク分離することで概ね推定できる。IRスペクトル
には、2800〜3150cm^-1に多くのモードのスペクトルが重
なって測定されるが、夫々の波数に対応するピークの帰
属は明らかになっており、第６図の如くガウス分布によ
ってピーク分離を行ない、夫々のピーク面積を算出し、
その比率を求めればSP³/SP²比を知ることができる。

また、Ｘ線及び電子線回析分布によればアモルファス
状態（ａ−C:H）あるいは数10Å〜数μｍ程度の微結晶
粒を含むアモルファス状態にあることが判っている。

一般に量産に適しているプラズマCVD法の場合には、R
F出力が小さいほど膜の比抵抗値および硬度が増加し、
低圧力なほど活性種の寿命が増加するために基板温度の
低温化、大面積での均一化が図れ、かつ、比抵抗及び硬
度が増加する傾向が認められる。更に、低圧力ではプラ
ズマ密度が減少するため、磁場閉じ込め効果を利用する
方法は、比抵抗の増加には特に効果的である。

さらに、この方法は常温〜150℃程度の比較的低い温
度条件でも同様に良質の硬質炭素膜を形成できるという
特徴を有しているため、MIM素子製造プロセスの低温化
には最適である。従って、使用する基板材料の選択自由
度が広がり、基板温度をコントロールし易いために大面
積に均一な膜が得られるという特長をもっている。ま
た、硬質炭素膜の構造、物性等は表−１に示したよう
に、広範囲に制御可能であるため、デバイス特性を自由
に設計できる利点もある。さらには、膜の誘電率も３〜
５と従来MIMに使用されていたTa₂O₅、Al₂O₃、SiN_Xと比
較して小さいため、同じ電気容量をもった素子を作る場
合、素子サイズが大きくてすむので、それほど微細加工
を必要とせず、歩留まりが向上する（駆動条件の関係か
らLCDとMIM素子との容量比はC_LCD:C_MIM:10:1程度必要で
ある）。更にまた、硬質炭素膜の硬度が高いため、液晶
材料封入時のラビング工程による損傷が少なく、この点
からも歩留まりが向上する。

液晶駆動用MIM素子の絶縁膜として用いられる硬質炭
素膜は、膜厚が100〜8000Å、比抵抗が10⁶〜10¹³Ω・cm
の範囲であることが望ましい。

加えて、駆動電圧と耐圧（絶縁破壊電圧）とのマージ
ンを考慮すると、硬質炭素膜の膜厚は200Å以上である
ことが望ましく、また、画素部とMIM素子部の段差（セ
ルギャプ差）に起因する色ムラが実用上問題とならない
ようにするには膜厚は6000Å以下であることが望ましい
ことから、硬質炭素膜の膜厚は200〜6000Å、比抵抗は
５×10⁶〜10¹²Ω・cmであることがより好ましい。

さらには、硬質炭素膜のピンホールによる素子の欠陥
数は膜厚の減少にともなって増加し、300Å以下では特
に顕著になること（欠陥率は１％を超える）、及び、膜
厚の面内分布の均一性（ひいては素子特性の均一性）が
確保できなくなる（膜厚制御の精度は30Å程度が限度
で、膜厚のバラツキが10％を超える）ことから、膜厚30
0Å以上であることがより望ましい。また、膜ストレス
による硬質炭素膜の剥離が起こりにくくするため、及び
より低デューティ比（望ましくは1/1000以下）で駆動す
るために、膜厚は4000Å以下であることが一層望まし
い。したがって、硬質炭素膜の膜厚は300〜4000Å、比
抵抗は10⁷〜10¹¹Ω・cmであることがさらに好ましい。

更にまた、先に触れたように、素子急峻性 であるため、誘電率εが小さければ急峻性は大きくな
り、オン電流Ionとオフ電流I_OFFの比が大きくとれるよ
うになる。このため、より低デューティ比でのLCD駆動
が可能となり、高密度のLCDが実現できる。さらに膜の
硬度が高いため、液晶材料封入時のラビング工程による
損傷が少なくこの点からも歩留まりが向上する。以上の
点を考慮すれば、硬質炭素膜を使用することで低コス
ト、階調性（カラー化）、高密度LCDが実現できる。

MIM素子の作製方法は透明基板上に透明共通電極材料
を堆積、パターニング後、蒸着、スパッタリング等の方
法で下部電極用金属薄膜を形成し、ウェット又はドライ
エッチングにより所定のパターンにパターニングして下
部電極とし、その上にプラズマCVD法、イオンビーム法
等により硬質炭素膜を被覆した後、ドライエッチング、
ウェットエッチング又はレジストを用いるリフトオフ法
により所定のパターンにパターニングして絶縁膜とし、
次に、その上に蒸着、スパッタリング等の方法により上
部電極用金属薄膜を被覆し、所定のパターンにパターニ
ングして上部電極を形成すればよい。MIM素子の構造の
概略を第７図に示す。

MIM素子の構成はこれに限られるものでなく、下部電
極をもうけず、透明共通電極を下部電極としたものや、
下部電極側面にMIM素子を形成したもの等種々の変形が
可能である。また、第２図のように能動素子との接続部
を画素中にもってこないよう構成にすればより開口率が
高くなり表示品質の向上となる。この様な構成のときも
素子面積の小さなMIM素子に有効であり、電極の側面にM
IM素子を持つラテラル構造では見かけ上の素子面積が小
くなる為より有効である。

〔実施例〕

次に実施例を示すが、本発明はこれらに限定される訳
ではない。

実施例１ 透明基板にパイレックス基板を用い、マグネトロンス
パッタ法によりITOを約800Å堆積させ、パターン化して
共通電極とした。次に、能動素子として硬質炭素膜を用
いたMIM素子を以下の様に作製した。即ち、共通電極上
にAlを蒸着法により約1000Å厚に堆積後パターン化して
下部電極を形成した。その上に硬質炭素膜を約800Å厚
に堆積後ドライエッチングによるパターン化した。更
に、硬質炭素絶縁膜上にNiを蒸着法により約1000Å厚に
堆積後パターン化して上部電極を形成し、MIM素子とし
た。

次にポリイミド膜を約1.5μｍ厚に塗布（MIM素子の上
部電極の一部の上だけポリイミド膜が存在しないように
パターニングした。表示画素電極としてITOをマグネト
ロンスパッタ法により約1200Å厚に堆積後、パターニン
グした。この時、表示画素電極と透明共通電極とは重な
らないパターンでパターニングを行なった。

次に、他方の透明基板としてパイレックス基板上にIT
Oをスパッタ法により約1000Å厚に堆積後、ストライプ
状にパターン化して共通画素電極とした。

続いて、次に両基板上に配向膜としてポリイミド膜を
形成し、ラビング処理を行なった。これらの基板を各画
素電極側を内側にして対向させ、ギャップ材を介して貼
合せ、更にこうして形成されたセル内に市販の液晶材料
を封入することにより液晶表示装置を作製した。この時
硬質炭素膜の成膜条件は 圧 力:0.035Torr CH₄流量 :10SCCM RFパワー:0.2W/cm² である。

実施例２ パイレックス基板上に透明共通電極としてITOをE.B.
蒸着法を用いて約1500Å厚に堆積後パターン化した。下
部電極とし、Alを約1500Å厚に堆積後パターニングし
た。次に硬質炭素膜を約1200Å厚に堆積した。続いて、
上部電極としてNiをE.B蒸着により約1000Å厚に堆積
後、Ni硬質炭素膜を同一パターンでパターン化した。次
に層間絶縁膜としてポリイミド膜を形成パターニングを
行ない、その上に画素電極をもうけパターニングを行な
った。この時、画素電極と共通電極は重さならないよう
にした。

次に、他方の透明基板（対向基板）としてプラスチッ
クフィルム上に、ITOをスパッタリング法により約1000
Å厚に堆積後、ストライプ状にパターン化して共通画素
電極を形成した。更に、画素電極と逆側にカラーフィル
ターを付け対向基板とした。

両基板の上に配向膜としてポリイミド膜を形成したラ
ビング処理を行なった。

続いて、これらの基板を各画素電極側を内側にして対
向させ、ギャップ材を介して貼合せ、更にこうして形成
されたセル内に市販の液晶材料を封入することによりカ
ラー液晶表示装置を作った。この時、硬質炭素膜の成膜
条件は 圧 力:0.05Torr CH₄流量 :7SCCM RFパワー:0.1W/cm² である。

実施例３ 基板にはパイレックス基板を用い、能動素子にはTaを
陽極酸化法を用いて得たTa₂O₅を用いたMIM素子を使用
し、上部電極はCrとした。層間絶縁膜にはSiO₂を使用し
た。その他の構成は実施例１と同様にして液晶表示装置
を作製した。

実施例４ 透明共通電極にはZnO:Alを使用し、能動素子にはSiN_X
を用いたMIM素子を使用した。SiN_X膜は、SiH₄及びNH₃か
らＰ−CVD法により製膜した約800Å厚のものを用いた。
下部電極にはNiを使用し、上部電極にはCrを使用した。
層間絶縁膜にはポリエステルを使用した。その他の液晶
表示装置の構成は実施例１と同様に液晶表示装置を作製
した。

〔発明の効果〕

本発明装置は共通電極配線を透明にし、さらに、層間
絶縁膜を用いて能動素子と画素電極とを別々にもうけて
いるので、これまで能動素子及び配線により画素を小さ
くしなければならなかったのが、それがなくなり開口率
が向上した。加えて、表示信号を送る共通電極配線と、
表示画素電極が重ならない為寄生容量が発生せず、信号
のなまりなどによる表示能力の低下、画質の低下などが
みられなくなった。従って、本発明によれば開口率が高
く、高デューティーでかつ高コントラストの得られる液
晶表示装置の作製が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明に係る液晶表示装置の一例の
模式図である。 第３図はMIM素子の電流−電圧特性を表わしたグラフで
ある。 第４図、第５図及び第６図は硬質炭素膜の性質を説明す
るための図である。 第７図はMIM素子の構造の概略図である。 第８図は従来の液晶表示装置の代表的な一例の模式図で
ある。 第９図及び第10図は能動素子にMIM素子を用いたときの
等価回路図である。 １……基板、2,3……透明共通電極 ４……絶縁膜（絶縁層）、５……能動素子 6,6′,6″……透明画素電極 ７……補助電極

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02F 1/136

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一対の基板間に液晶層が挟持され、少なく
   とも一方の基板の内側に透明共通電極とそれぞれ少なく
   とも１つの能動素子を介して接続された複数の透明画素
   電極とが形成されている液晶表示装置において、前記透
   明画素電極のうちのある画素電極の下に絶縁層を介して
   前記透明共通電極が設けられ、該共通電極は前記ある画
   素電極に隣接する画素電極と少なくとも１つの能動素子
   を介して電気的に接続されていることを特徴とする液晶
   表示装置。