JP2012079998A - 液晶表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】画素内におけるTFTのON電流を増大させ、かつ、ON電流のばらつきを抑える。
【解決手段】TFTにおける半導体層103と1層目のn+a−Si層14をプラズマCVDによって連続して形成する。半導体層103と1層目のn+a−Si層104を同時にパターニングする。その後、2層目のn+a−Si層105を1層目のn+a−Si層104の上と、半導体層103の側部を覆うように形成する。半導体層103の上に連続して1層目のn+a−Si層104を形成することによってTFTのON電流を増大させることが出来るとともに、ON電流のばらつきを小さくすることが出来る。
【選択図】図1

Description

本発明は液晶表示装置に係り、特に画素を制御する薄膜トランジスタのON電流が高く、映像信号の書き込みが早い、かつ、ON電流特性のばらつきの少ない液晶表示装置に関する。
液晶表示装置に使用される液晶表示パネルは、画素電極および薄膜トランジスタ(TFT)等を有する画素がマトリクス状に形成されたTFT基板と、TFT基板に対向して、TFT基板の画素電極と対応する場所にカラーフィルタ等が形成された対向基板が配置され、TFT基板と対向基板の間に液晶が挟持されている。そして液晶分子による光の透過率を画素毎に制御することによって画像を形成している。
液晶表示装置の画面が大型化したり、高精細になって画素数が増えたりすると、1フレーム内における映像信号の書き込み数が増加するので、各画素における映像信号の書き込みの時間に制約が出る。各画素に短時間で書き込みを可能にするためは、画素におけるTFTのON電流を大きくする必要がある。この場合、TFTのOFF電流は小さいまま維持する必要がある。
このような問題を対策するために、「特許文献1」には、TFTのアクティブ層として動作するa−Siで形成された半導体層と、ドレイン電極あるいはソース電極とのコンタクト部を、n+a−Si層とn+poly−Si(微結晶シリコン)層の2層で形成する構成が記載されている。
特開平11−17188号公報
「特許文献1」に記載の技術では、半導体層103と、ドレイン電極107あるいはソース電極108との間にn+a−Si層とn+poly−Si層というように、別な種類の半導体を形成する必要があるので、プロセスの制御が難しい。
一方、TFTのON電流を大きくする技術として、n+a−Si層を半導体層103の上のみでなく、半導体層103のサイドにも形成する構成が開発されている。なお、半導体層103はa−Siによって形成されている。この構成は図10に示すような構成であり、サイドウォール方式TFTと呼ばれている。液晶表示装置はTFT基板100と対向基板の間に液晶層を挟持して構成されているが、図10はTFT基板100の断面図である。但し、図10に示すTFT基板100では、配向膜112は記載されていない。
図10において、半導体層103の上とサイドをn+a−Si層が覆っている。このような構成であれば、TFTのON電流が半導体層103のサイドからも流れることが出来るので、ON電流を増大させることが出来る。一方、TFTのOFF電流は、従来レベルを維持することが出来る。
図10に示すTFT基板100を形成するプロセスを図11〜図16に示す。図11は、ガラスで形成されたTFT基板100にゲート電極101が形成され、ゲート電極101を覆ってゲート絶縁膜102が形成され、ゲート絶縁膜102の上で、ゲート電極101の上方にa−Siによる半導体層103が形成された状態である。続いて、図12に示すように、半導体層103をパターニングする。
その後、図13に示すように、半導体層103、ゲート絶縁膜102等を覆って、n+a−Si層を形成する。n+a−Siの役割は、後で金属によって形成されるドレイン電極107およびソース電極108と半導体層103とのオーミックコンタクトを取るためである。n+a−Si層は半導体層103の上のみでなく、半導体層103の側部も覆っている。これによって、ON電流の増加を図っている。
その後、図14に示すように、ドレイン電極107およびソース電極108を形成するための金属層106、例えば、MoCrをn+a−Si層を覆って形成する。続いて、図15に示すように、金属層106をフォトリソグラフィによってパターニングし、ドレイン電極107およびソース電極108を形成する。
その後、図15に示すように、ドレイン電極107およびソース電極108をレジストとして使用して、n+a−Siをドライエッチングすることによってn+a−Si層をパターニングする。この時、ドレイン電極107とソース電極108の対向部の半導体層103も一部エッチングすることによって、チャンネル部の特性を安定化させる。除去された半導体層の部分をチャンネルエッチング120という。
その後、TFTを含む、TFT基板100全体に対してパッシベーション膜109をコーティングする。TFTを保護するためである。パッシベーション膜109に後で形成される画素電極111とTFTのソース電極108とを接続するためのスルーホール110を形成する。その後、画素電極111となる透明導電膜であるITO(Indium Tin Oxide)を成膜し、ITOをパターニングすることによって画素電極111を形成する。
このようなサイドウォール方式TFTはON電流がばらつくという問題点を有している。これは、次のような現象であると考えられている。図12における半導体層103と図13におけるn+a−Si層とは、プラズマCVDによって形成される。このプラズマCVDは同じチャンバーで形成される。
a−Siで形成される半導体層103は、i型半導体であるが、不純物によって敏感に特性が変動するので、半導体層103を成膜する前は、プラズマCVDのチャンバー内にSiN等の絶縁物をコーティングしてチャンバー内をクリーンにする。すなわち、絶縁物によって、チャンバー内を覆うことによって、チャンバーの壁等に付着した不純物が半導体層103に混入することを防止している。
このような作業は、半導体層103を形成する毎に行われる。つまり、1枚の基板に対して半導体層103を成膜すると、チャンバーの真空を破って基板を取り出し、他の基板をチャンバー内でプラズマCVDを行う前に、チャンバーに絶縁物をコーティングして、チャンバーの内部をクリーンにしている。
そうすると、後の基板におけるほど、絶縁膜とa−Si膜との積層膜が多くなる。したがって、最初の基板に対して半導体層103を形成した条件と最後の基板に対して半導体層103を形成した条件が異なってくる。これは、具体的には、基板毎に、TFTのON電流がばらつくという現象となって現れる。
つまり、従来は、最初にプラズマCVDによって半導体層103を形成する基板におけるTFTのON電流は大きいが、後における基板ほどON電流が小さくなるという現象を生じていた。このように、TFT特性のばらつきは、液晶表示装置全体の特性としては好ましくない。
一方、最初にプラズマCVDを行う前に、チャンバー内に厚く絶縁物をコーティングすると、形成されたTFTのON電流は小さくなる。しかし、プラズマCVDを行う基板の順番によるTFTのON電流の差は小さくなる。つまり、最初にプラズマCVDをおこなった基板も最後にプラズマCVDを行った基板もON電流は小さい状態で安定化している。従来は、ON電流のばらつきを抑えるために、最初からチャンバー内に絶縁膜を厚くコーティングして使用していた。したがって、ON電流の小さなTFTを使用せざるをえなかった。
しかし、画面が大型化したり、高精細化したりすると、画素の数が多くなり、映像信号の書き込み時間に制約が生ずる。映像信号の書き込み時間を早くするには、TFTのON電流を大きくする必要がある。本発明の課題は、TFTのON電流を大きくするとともに、ON電流のばらつきを抑えることである。
本発明は上記課題を解決するものであり、具体的な手段は次のとおりである。すなわち、a−Siによる半導体層を形成したあと、同じチャンバーで、真空を破らず連続して、1層目のn+a−Si層を薄く形成する。半導体層はホスフィンの雰囲気中におけるプラズマCVDによって形成され、n+a−Si層は、リン(P)がドープされたホスフィン雰囲気中におけるプラズマCVDによって形成される。
n+a−Si内にドープされているリン(P)が半導体層に拡散することによってTFTのON電流が増大する。一方、OFF電流は低いまま維持される。このようなプロセスにおいては、1層目のn+a−Si層を形成するときのリン(P)の量は意図的に制御することが出来る。したがって、TFTのON電流を高くすることが出来、同時にばらつきを押さえることが出来る。
その後、半導体層とn+a−Siが積層された基板をチャンバーから取り出し、エッチングによってパターニングする。その後、2層目のn+a−Si層をリン(P)がドープされたホスフィン雰囲気中におけるプラズマCVDで形成する。2層目のn+a−Si層は半導体層の側部を覆うサイドウォールを形成して、ON電流を増大させる。その後のプロセスは従来と同様である。
つまり、本発明の構成では、半導体層の上に半導体層と連続して形成され、同時にパターニングされた1層目のn+a−Si層と、ON電流を増加させるためのサイドウォールを形成する2層目のn+a−Si層が、ドレイン電極あるいはソース電極との間に形成されている。
本発明によれば、半導体層とn+a−Si層とを同一チャンバー内でプラズマCVDによって連続して形成するので、半導体層のON電流特性を安定的に制御することが可能である。すなわち、TFTのON電流を、高い状態で、かつ、ばらつきが小さく維持することが出来る。また、TFTのOFF電流は従来どおり小さく維持することが出来る。
これによって、映像信号の書き込み時間を小さく出来、画面が大型化したり、画面が高精細化したりして、画素数が多くなった場合であっても、高速の書き込みが可能となるので、画像の再現性を維持することが出来、高画質の表示を行うことが出来る。
本発明における液晶表示パネルのTFT基板の断面図である。 TFT基板における1層目のn+a−Si層の成膜工程までの断面図である。 本発明の原理を示す断面図である。 半導体層および1層目のn+a−Si層をパターニングした状態を示す断面図である。 2層目のn+a−Si層を成膜した状態を示す断面図である。 ドレイン電極およびソース電極となる金属膜を成膜した断面図である。 ドレイン電極およびソース電極をパターニングした断面図である。 2層目のn+a−Si層をパターニングし、かつ、チャンネルエッチングングを行った断面図である。 本発明におけるTFT基板で画素電極まで形成した断面図である。 配向膜を省略した状態における従来例のTFT基板の断面図である。 従来例のTFT基板において、半導体層まで成膜した断面図である。 従来例のTFT基板において、半導体層をパターニングした断面図である。 従来例のTFT基板において、n+a−Si層によってサイドウォールを形成した状態の断面図である。 従来例のTFT基板において、ドレイン電極あるいはソース電極となる金属膜を成膜した断面図である。 従来例のTFT基板において、金属膜をパターニングしてドレイン電極とソース電極を形成した断面図である。 従来例のTFT基板において、n+a−Si層をパターニングした断面図である。
以下に本発明の内容を実施例を用いて詳細に説明する。
図1は、本発明によるTFT基板100の断面図である。液晶表示装置は、画素電極111やTFTが形成されたTFT基板100と、カラーフィルタ等が形成された対向基板との間に液晶が挟持されることによって形成されている。図1は、液晶表示装置のTFT基板100の部分の断面図である。
図1において、ガラスで形成されたTFT基板100の上にゲート電極101が形成されている。ゲート電極101は、例えば、MoCrで形成され、厚さは150〜200nmである。ゲート電極101を覆ってゲート絶縁膜102が形成されている。ゲート絶縁膜102は例えば、SiNで形成され、厚さは300nm程度である。
ゲート絶縁膜102の上で、かつ、ゲート電極101の上方にa−Siで形成された半導体層103が形成されている。半導体層103の厚さは150〜200nmである。半導体層103の上には、1層目のn+a−Si層104が形成されている。n+a−Si層は、a−Siに対してリン(P)がドープされたものである。
半導体層103とn+a−Si層とは、同じチャンバー内で、真空を破らず、プラズマCVDによって連続して形成される。n+a−Si層の厚さは10nm程度である。n+a−Si層の役割は、半導体層103の表面の状態を常に一定の状態を保つとともに、TFTのON電流を大きくするために、半導体層103の表面にリン(P)を拡散させることである。
半導体層103および1層目のn+a−Si層104を覆って2層目のn+a−Si層105が形成されている。2層目のn+a−Si層105もa−Siにリン(P)がドープされたものである。2層目のn+a−Si層105は半導体層103の側部を覆うサイドウォールを形成しており、TFTのON電流を増加させる役割を有する。2層目のn+a−Si層105の厚さは、25nm程度である。
つまり、1層目のn+a−Si層104の厚さは2層目のn+a−Si層105の厚さよりも小さい。1層目のn+a−Si層104は、半導体層103の表面に1層目のn+a−Si層104にドープされているリン(P)を特定の量、安定して供給する役割であるから厚く形成する必要は無い。一方、2層目のn+a−Si層105は、半導体層103に対しして、サイドウォールを形成する必要があるので、所定の厚さが必要である。
2層目のn+a−Si層105の上には、ドレイン電極107とソース電極108が形成されている。ドレイン電極107とソース電極108は例えば、MoCrで形成され、厚さは200nm程度である。ドレイン電極107とソース電極108とが対向している部分の半導体層103がチャンネル領域である。チャンネル領域の特性を安定化させるために、チャンネルエッチングがおこなわれ、半導体層103の一部が、例えば、50nm程度の厚さで、除去されている。
このようにして形成されたTFTを保護するために、パッシベーション膜109が形成されている。パッシベーション膜109はSiN等による無機パッシベーション膜で形成される場合もあるし、アクリル等の有機パッシベーション膜によって形成される場合もあるし、無機パッシベーション膜と有機パッシベーション膜とが併用される場合もある。本実施例では、SiNによる無機パッシベーション膜109が使用されている。無機パッシベーション膜109の厚さは500nm程度である。
後で形成される画素電極111とTFTのソース電極108との導通を取るために、パッシベーション膜109にスルーホール110が形成される。その後、画素電極111となる透明電極であるITOが成膜され、パターニングが行われる。その後、パッシベーション膜109および画素電極111を覆って配向膜112が形成される。配向膜112には、液晶分子を初期配向させるためのラビングが施されている。
図2〜図9は、図1に示す本発明によるTFT基板を形成するプロセスについての説明図である。図2は、ガラスで形成されたTFT基板100の上にゲート電極101、ゲート絶縁膜102、半導体層103、1層目のn+a−Si層104が形成されている状態を示す断面図である。従来例においては、半導体層103をプラズマCVDによって成膜した後、チャンバーから取り出し、半導体層103をパターニングしていたが、本発明においては、半導体層103を成膜した後、同じチャンバー内で連続して1層目のn+a−Si層104を成膜している。
半導体層103はa−Siで形成されているが、ホスフィン雰囲気中におけるプラズマCVDによって形成される。1層目のn+a−Si層104はリン(P)がドープされたホスフィン雰囲気中においてプラズマCVDによって形成される。半導体層103の膜厚は150〜200nm程度なので、プラズマCVDの時間は1分程度であり、1層目のn+a−Si層104の厚さは10nmなので、プラズマCVDの時間は10秒以下でよい。このように、1層目のn+a−Si層104を形成しても、プロセスの時間の増加はわずかである。
図3は、このようにして形成された半導体層103と1層目のn+a−Si層104との間で、n+a−Si層からリン(P)が半導体層103の表面に拡散する様子を示している。半導体層103と1層目のn+a−Si層104は連続して形成されるのでn+a−Si層中のリン(P)が半導体層103の表面に拡散しやすい。また、このような、半導体層103中へのリン(P)の拡散は、1層目のn+a−Si層104の成分および量を規定することによって制御することが出来る。したがって、従来のように、雰囲気次第ということでは無いので、ON電流特性を安定化させることが出来る。
1層目のn+a−Si層104を成膜した後、基板をチャンバーがら取り出し、図4に示すように、半導体層103および1層目のn+a−Si層104をパターニングする。半導体層103および1層目のn+a−Si層104は同じマスクを用いて、同時にパターニングする。
半導体層103および1層目のn+a−Si層104をパターニングした後、基板をチャンバー内に挿入して、プラズマCVDによって2層目のn+a−Si層105を成膜する。2層目のn+a−Si層105のプラズマCVDは、1層目のn+a−Si層104と同様、リン(P)をドープしたホスフィン雰囲気中で行われる。2層目のn+a−Si層105の厚さは25nmなので、プラズマCVDの時間は、20秒程度である。
その後、2層目のn+a−Si層105の上に、図6に示すように、ドレイン電極107あるいはソース電極108となる金属層106をスパッタリングによって成膜する。金属層106は例えば、MoCr合金で形成され、厚さは200nm程度である。その後、図7に示すように、金属層106に対し、フォトリソグラフィによってパターニングを行い、ドレイン電極107とソース電極108を形成する。なお、金属層106のエッチングはウェットエッチングによって行う。
その後、図8に示すように、ドレイン電極107およびソース電極108をレジストにして2層目のn+a−Si層105をドライエッチングしてパターニングする。この時、TFTのチャンネル領域に対応する部分においては、2層目のn+a−Si層105、1層目のn+a−Si層104および半導体層103の一部がドライエッチングされて除去される。2層目のn+a−Si層105が25nm、1層目のn+a−Si層104が10nm、半導体層103の除去される量は50nm程度であるから、チャンネル領域に対応する部分においては、合計、85nm程度がドライエッチングされ、チャンネルエッチング120となる。
その後、SiNによる無機パッシベーション膜109をスパッタリングによって500nm程度形成する。パッシベーション膜109に、後で形成される画素電極111とTFTのソース電極108との導通を取るためのスルーホール110を形成する。その後、透明電極であるITOによって画素電極111を形成する。この状態を図9に示す。なお、パッシベーション膜109は、有機パッシベーション膜であっても無機パッシベーション膜であっても、その併用であってもよいことは従来例と同様である。
その後、パッシベーション膜109、画素電極111を覆って配向膜112を塗布、焼成する。この配向膜112に対して液晶分子を初期配向させるためのラビングを行うことによって、図1に示すTFT基板100が完成する。その後、別途形成した、カラーフィルタ等が配置されている対向基板と上記のようにして形成したTFT基板をシール材によっては貼り合わせ、液晶を注入して、液晶表示装置が完成する。
このようにして形成された液晶表示装置は、ON電流が大きく、かつ、ばらつきが小さいので、映像信号の書き込み速度が速い。したがって、大画面、あるいは、高精細で、画素数の多い場合であっても、再現性のよい画像を形成することが出来る。
100…TFT基板、 101…ゲート電極、 102…ゲート絶縁膜、 103…半導体層、 104…1層目のn+a−Si層、 105…2層目のn+a−Si層、 106…金属層、 107…ドレイン電極、 108…ソース電極、 109…パッシベーション膜、 110…スルーホール、 111…画素電極、 112…配向膜、 120…チャンネルエッチング。

Claims (5)

  1. 画素電極とTFTを有する画素が形成されたTFT基板と対向基板と、前記TFT基板と前記対向基板との間に液晶が挟持された液晶表示装置であって、
    前記TFTは、半導体層と、半導体層の上に形成された1層目のn+a−Si層と、前記第1のn+a−Si層の上および前記半導体層の側部を覆って形成された2層目のn+a−Si層を有し、前記2層目のn+a−Si層の上にドレイン電極またはソース電極が形成されていることを特徴とする液晶表示装置。
  2. 前記1層目のn+a−Si層の厚さは前記2層目のn+a−Si層の厚さよりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  3. 前記1層目のn+a−Si層と前記2層目のn+a−Si層にはリンがドープされていることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  4. 画素電極とTFTを有する画素が形成されたTFT基板と対向基板と、前記TFT基板と前記対向基板との間に液晶が挟持された液晶表示装置の製造方法であって、
    前記TFTを、ガラス基板上に形成されたゲート電極の上に、ゲート絶縁膜を形成し、
    前記ゲート絶縁膜上にプラズマCVDによって半導体層を成膜し、その後、同じチャンバー内において連続してプラズマCVDによって1層目のn+a−Si層を形成し、
    前記半導体層と前記1層目のn+a−Si層をパターニングし、
    前記1層目のn+a−Si層および前記半導体層の側部を覆って2層目のn+a−Si層をプラズマCVDによって形成することを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
  5. 前記2層目のn+a−Siを覆って、金属膜をスパッタリングによって成膜し、
    前記TFTを、さらに、前記金属膜をパターニングして前記TFTのドレイン電極およびソース電極を形成し、
    前記ドレイン電極および前記ソース電極をレジストにして前記2層目のn+a−Si層をエッチングしてパターニングすることを特徴とする請求項4に記載の液晶表示装置の製造方法。
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