JP2799875B2

JP2799875B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP2799875B2
Application number: JP12729089A
Authority: JP
Inventors: 均近藤; 裕治木村; 英一太田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1989-05-20
Filing date: 1989-05-20
Publication date: 1998-09-21
Anticipated expiration: 2013-09-21
Also published as: JPH02306223A; US5117299A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、MIM（Metal Insulator−Metal）素子をス
イッチング素子として利用した液晶表示装置に関し、詳
しくは、OA機器用やTV用等のフラットパネルディスプレ
イに好適に使用しうるアクテイブ・マトリクス型液晶表
示装置に関する。

〔従来技術〕

液晶表示装置の主流は、今では、単純マトリクス方式
のパネルからアクティブ・マトリクス方式に移行してい
る。その理由は大面積の液晶パネルへの要望が前記OA端
末や液晶TVなどから出されているのに由来している。そ
して、このアクティブ・マトリクス方式では各画素ごと
にスイッチを設け、電圧を保持するように工夫されてい
る。

ところで、前記スイッチの一つとしてMIM素子が多く
用いられている。これはスイッチングに良好な非線形な
電流−電圧特性を示すためである。MIM素子としては、
従来より、ガラス板のような絶縁基板上に下部電極とし
てTa、Al、Ti等の金属電極を設け、その上に前記金属の
酸化物又はSiO_X、SiN_X等からなる絶縁膜を設け、更にそ
の上に、上部電極としてAl、Cr等の金属電極を設けたも
のが知られている。

しかし、絶縁体（絶縁膜）に金属酸化物を用いたMIM
素子（特開昭57−196589号、同61−232689号、同62−62
333号等の公報に記載）の場合、絶縁膜は下部電極の陽
極酸化又は熱酸化により形成されるため、工程が複雑で
あり、しかも高温熱処理を必要とし（陽極酸化法でも不
純物の除去等を確実にするには、高温熱処理が必要であ
る）、また膜制御性（膜質及び膜厚の均一性及び再現
性）に劣る上、基板が耐熱材料に限られること、及び、
絶縁膜は物性が一定な金属酸化物からなること等から、
デバイスの材料やデバイス特性を自由に変えることがで
きず、設計上の自由度が狭いという欠点がある。これは
MIM素子を組込んだ液晶表示装置からの仕様を十分に満
たすデバイスを設計・作製することが不可能であること
を意味する。また、このように膜制御性が悪いと、素子
特性としての電流（Ｉ）電圧（Ｖ）特性、特にＩ−Ｖ特
性やＩ−Ｖ特性の対称性（プラスバイアス時とマイナス
バイアス時との電流比I_-/I₊）のバラツキが大きくなる
という問題も生じる。その他、MIM素子を液晶表示装置
（LCD）用として使用する場合、液晶部容量/MIM素子容
量比は一般に10以上が必要とされているので、MIM容量
は小さい方が望ましいが、金属酸化物膜の場合は誘電率
が大きいことから素子容量も大きくなり、このため素子
容量、従って素子面積を小さくするための微細加工を必
要とする。またこの場合、液晶材料封入時のラビング工
程等で絶縁膜が機械的損傷を受けることにより、微細加
工とも相まって歩留り低下を来たすという問題もある。

一方、絶縁膜にSiO_XやSiN_Xを用いたMIM素子（特開昭6
1−275819号公報）の場合、絶縁膜はプラズマCVD法、ス
パッタ法等の気相等で成膜するが、基板温度が通常300
℃程度必要であるため、低コスト基板は使用できず、ま
た大面積化の際、基板温度分布のため膜厚、膜質が不均
一になり易いという欠点がある。また、これらの絶縁膜
を合成する際には気相でなされることから、ダストが多
く発生し、膜のピンホールが多いため素子の歩留りが低
下する。更には、膜ストレスが大きく、膜剥離が起こ
り、この点からも素子の歩留まりが低下する。

これに加え、これまでの液晶表示装置においては、画
素電極以外の領域にMIM素子等のスイッチング素子やリ
ード電極が設けられており、従って、例えば電極材料に
金属薄膜等の不透明材料を用いたとしても電極間スペー
ス等が存在する場合が多く、この領域は液晶が動作しな
いいわゆる非変調光が透過することになる。この非変調
光は液晶表示装置にとっては常に漏れ光が存在すること
を意味し、コントラストを低下させている。

更には、液晶表示装置にあって、TFTを用いたスイッ
チング素子基板に対向する基板上に遮光層を設ける方法
（特開昭61−38931号公報）や、非線形素子（主としてT
FTが用いられている）を設けた基板上に画素電極以外の
領域を絶縁性遮光膜で被覆する方法（特開昭63−64023
号公報）なども知られているが、これらの方法によった
だけでは、本発明者らが意図している程度の液晶表示装
置は得られていないのが実情である。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は上記のごとき従来の不都合を解消するもので
あって、その第１の目的は、比較的低温でしかも簡単な
工程で形成でき、かつ、膜制御性及び機械的強度にすぐ
れた低誘電率の絶縁膜（硬質炭素膜）をスイッチング素
子の主要部に採用した液晶表示装置を提供するものであ
る。本発明の第２の目的は、漏れ光が存在することなく
高コントラストの表示が得られる液晶表示装置を提供す
るものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は２枚の基板間に液晶物質を狭持してなる表示
装置において、少なくとも一方の基板上に設けられた複
数個の画素電極の各々が少なくとも１つの導体−絶縁体
−金属（MIM）素子の下部電極に接続しており、下部電
極と上部電極の間に硬質炭素膜からなる絶縁体が配置さ
れているものであって、上部電極の上部には遮光層を設
けた構造の前記MIM素子を画素電極に隣接する表示領域
以外の領域に設けたことを特徴としている。

以下に、本発明を添付の図面に従がいながら更に詳細
に説明する。

第１図は本発明に係る液晶表示装置の主要部の一例を
示すもので、一方の基板上の構成を示しており、（ａ）
はその断面図、（ｂ）はその平面図、図中、１は透明基
板、２は画素電極、３は下部電極、４及び６は絶縁膜
（絶縁層）、５は上部電極（リード電極）、７は遮光層
を表わしている。そして、遮光層７は表示領域以外の領
域に設けられており、またMIM素子は、図面から判りに
くいが下部電極３に接続されている金属層と、上部電極
５に接続されている金属層と、これら二つの金属層に挟
まれた絶縁膜４とから構成されている。

このように本発明は、端的にいえば、（１）表示領域
以外の領域上に遮光膜を設けたこと、及び（２）MIM素
子における絶縁膜として硬質炭素膜を用いたこと、に特
徴を有している。

本発明におけるMIM素子における絶縁膜は、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。

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、ハロゲン原子を35原子％以下含有させ
てもよい。なお、これら原子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。

こうして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、C₄H₁₀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。

本発明における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、高温におけ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 圧圧: 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アス（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。

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２図及び第３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４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、硬質炭素膜の製造、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）。また、素子のＩ−Ｖ特性の急峻度βはであるので、εが小さいほどβが大きい、即ちON、OFF
比が大きくなることを意味し、この点でも有利である。
さらに、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、この点からま歩留
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。

本発明の液晶表示装置は、また、表示領域以外の領域
上に遮光層７が形成されている。遮光層には以下の材料
のものが用いられる。

Al、Ta、Ti、Cr、Ni、Cu、Au、Ag、Ｗ、Mo、Pt、Si、
Ｃ、TiC等の不透明体をスパッタリング、蒸着、CVD方等
で数百〜数千Åの厚さに成膜し、所定のパターンにエッ
チングして用いられる。

又、可視域における平均光学濃度が概ね1.0以上であ
り、かつ絶縁性を有する材料は、例えばポリイミド、ポ
リアミドイミド、ポリエステルイミド、ポリアミド、ポ
リエステルアミド、ポリエーテルスルホン等に黒色染料
を含有せしめたもの、あるいは硬質炭素膜等を塗布法
（スピンコート、ロールコート等）あるいはプラズマCV
D法、イオンビーム法等の気相合成法で数百Å〜数μｍ
の厚さに成膜したものであり、所定のパターンにパター
ニングして用いられる。こうした手段が採られたことに
より、非変調光の透過することがなく、コントラストの
高い表示が得られる。

遮光層７としては有機物質（必要により染顔料を含有
させる）又は無機物質による不透明体で形成することが
できる。

なお、この遮光層を絶縁性のものとして、第１図に示
した絶縁層６を省略する（第５図）ことができ、また、
MIM素子の絶縁膜４を不透明性として遮光層７を兼ねさ
せる（第６図）こともできる。

〔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
ではなく、例えばMIMの作製後、最上層に透明画素電極
を設けたもの、透明画素電極が上部又は下部電極を兼ね
た構成のもの、下部電極の側面にMIM素子を形成したも
の等種々の変形した構成が可能である。

実施例１ここでの液晶表示装置は第１図に示したものの例であ
る。

まずガラス、プラスチック板、プラスチックフィルム
等の透明基板１上にITO、ZnO:Al、SnO₂、In₂O₃等の透明
導電性薄膜をスパッタリング、蒸着等の方法により、数
百〜数千Åの厚さに成膜し、所定のパターンにエッチン
グして画素電極２とする。次に、Al、Ta、Ti、Cr、Ni、
Cu、Au、Ag、Ｗ、Mo、Pt等の導電性薄膜をスパッタリン
グ、蒸着等の方法により数百〜数千Åの厚さに成膜し、
所定のパターンにエッチングして下部電極３とする。こ
の際、画素電極２の材質がInを含むもの等の場合には次
に形成される硬質炭素膜と反応を起こし導電性が低下す
るため、それを避けるために下部電極３は画素電極２の
全面をカバーするようにパターニングするのが望まし
い。次いで、絶縁膜４として硬質炭素膜をプラズマCVD
法、イオンビーム法等によって100〜8000Å（望ましく
は200〜6000Åさらに望ましくは300〜4000Å）の厚さの
成膜し、続いてNi、Pt、Ag、Au、Cu、Cr、Ti、Au、Ｗ、
Mo、Ta等の導電性薄膜をスパッタリング、蒸着等の方法
により数百〜数千Åの厚さに成膜し、所定のパターンに
エッチングして上部電極（リード電極）５とする。次に
絶縁層６として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、PV
DC、PVDF、PVA、シリコーン樹脂、フロロカーボン等をC
VD法、スパッタリング法、塗布法（スピンコート、ロー
ルコート、ディップコート等）で数百Å〜数μｍの厚さ
に成膜したのち所定のパターンにパターンニングする。
ここで絶縁層６の材料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のフォトリンエ
ッチング工程が省略できる点で好ましい。遮光層７は、
Al、Ta、Ti、Cr、Ni、Cu、Au、Ag、Ｗ、Mo、Pt、Si、
Ｃ、TiC等の不透明体をスパッタリング、蒸着、CVD法等
で数百〜数千Åの厚さに成膜し、所定のパターンにエッ
チングして形成される。なお、絶縁層６及び遮光層７
は、連続して成膜したのち、同一マスクパターンでパタ
ーニングしてもよい。最後に、遮光層７上にレジストを
用いて、絶縁膜４及び下部電極３（画素電極上）をエッ
チングすれば完成する。

これらの工程において、絶縁層を介して遮光層を付加
しても基本的にMIM素子形成に必要なマスク数より多く
はならず、それほどコストが増大しない。

実施例２ここでの液晶表示装置は第５図に示したものの例であ
る。

画素電極２、下部電極３、絶縁層４、上部電極５を実
施例１と同様の方法で形成する。遮光層７は可視域にお
ける平均光学濃度が概ね1.0以上であり、かつ絶縁性を
有する材料、例えばポリイミド、ポリアミドイミド、ポ
リエステルイミド、ポリアミド、ポリエステルアミド、
ポリエーテルスルホン等に黒色染料を含有せしめたも
の、あるいは硬質炭素膜等を塗布法（スピンコート、ロ
ールコート等）あるいはプラズマCVD法、イオンビーム
法等の気相合成法で数百Å〜数μｍの厚さに成膜したの
ち、所定のパターンにパターニングして形成される。最
後に遮光層７上にレジストを用いて、絶縁層４及び下部
電極３（画素電極上）をエッチングすれば完成する。

これらの工程において、遮光層７を付加してもMIM素
子形成に必要なマスク数より多くはならず、それほどコ
ストが増大しない。前記実施例１の遮光層材料の場合に
は、光学濃度４以上が容易に得られ、遮光性能は極めて
良好であるのに対し、実施例２での材料はすべての波長
域で透過スペクトルが一定とはなり得ないが、少なくと
も可視域で平均光学濃度が1.0以上であれば、非変調光
の遮光目的は充分に達せられる。また、実施例１では層
間絶縁膜のピンホール、ゴミ、ほこり等によるショート
発生の可能性は否定しえないが、この実施例２では起こ
り得ず、より歩留りの高いものとなる。

実施例３ここでの液晶表示装置は第６図に示したものの例であ
る。

画素電極２、下部電極３を実施例１と同様の方法で形
成する。絶縁膜４として硬質炭素膜をプラズマCVD法、
イオンビーム法等によって形成する。この絶縁層は遮光
層としても機能するため、膜厚として1100Å〜8000Å、
望ましくは2000Å〜6000Åとされる。膜厚がこれより薄
い場合には遮光性能が充分でなく、厚い場合には低デュ
ーティ比での駆動が困難、セルギャップの均一性が得ら
れにくい等の問題が生じる。

次にNi、Pt、Ag、Au、Cu、Cr、Ti、Au、Ｗ、Mo、Ta等
の導電性薄膜をスパッタリング、蒸着等の方法により数
百〜数千Åの厚さに成膜し、所定のパターンにエッチン
グして上部電極（リード電極）５とする。最後に絶縁膜
４を所定のパターン（例えば第１図（ｂ）の斜線のごと
きパターン）にエッチングし、同一のレジストにて下部
電極３（画素電極上）をエッチングして完成する。

この実施例３によれば、MIM素子の絶縁膜が遮光層を
兼ねているので、遮光層の成膜を別に行う必要がなく、
工程が大幅に短縮できる。

〔発明の効果〕

本発明の液晶表示装置は、MIM素子の絶縁膜に硬質炭
素膜を用いており、この膜は１）プラズマCVD法等の気相合成法で作製されるため、
成膜条件によって物性が広範に制御でき、従ってデバイ
ス設計上の自由度が大きい、２）硬質でしかも厚膜にできるため、機械的損傷を受け
難く、また厚膜化によるピンホールの減少も期待でき
る、３）室温付近の低温においても良質な膜を形成できるの
で、基本材質に制約がない、４）膜厚、膜質の均一性に優れているため、薄膜デバイ
ス用として適している、５）誘電率が低いので、高度の微細加工技術を必要とせ
ず、従って素子の大面積化に有利である、等の特長を有し、このため、このMIM素子は特に信頼性
の高い液晶表示用スイッチング素子として好適である。

更に、本発明の液晶表示装置は、表示領域以外の領域
に遮光層が設けられているので、非変調光が透過するこ
となく、コントラストの高い表示が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第５図及び第６図は本発明に係る液晶表示装置
の三例の概略図である。第２図、第３図及び第４図は本
発明における硬質炭素膜の性質を説明するための図であ
る。１……透明基板、２……画素電極３……下部電極、4,6……絶縁膜（絶縁層）５……上部電極（リード電極）７……遮光層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−100519（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−124035（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02F 1/136 510

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】２枚の基板間に液晶物質を狭持してなる表
示装置において、少なくとも一方の基板上に設けられた
複数個の画素電極の各々が少なくとも１つの導体−絶縁
体−金属（MIM）素子の下部電極に接続しており、下部
電極と上部電極の間に硬質炭素膜からなる絶縁体が配置
されているものであって、上部電極の上部には遮光層を
設けた構造の前記MIM素子を画素電極に隣接する表示領
域以外の領域に設けたことを特徴とする液晶表示装置。