JP2017167546A - 液晶表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】駆動回路部及び画素部を有する表示パネルと、駆動回路部を駆動する制御信
号及び画素部に供給する画像信号を生成するための信号生成回路と、画像信号をフレーム
期間毎に記憶する記憶回路と、記憶回路でフレーム期間毎に記憶された画像信号のうち、
連続するフレーム期間の画像信号の差分を検出する比較回路と、比較回路で差分を検出し
た際に連続するフレーム期間の画像信号を選択して出力する選択回路と、比較回路で差分
を検出した際に制御信号及び選択回路より出力される画像信号の駆動回路部への供給を行
い、比較回路で差分を検出しない際に制御信号を駆動回路部への供給を停止する表示制御
回路と、を有する。
【選択図】図1
Description
る。
、アモルファスシリコン、多結晶シリコンなどによって作製されている。アモルファスシ
リコンを用いた薄膜トランジスタは、電界効果移動度が低いもののガラス基板の大面積化
に対応することができ、一方、結晶シリコンを用いた薄膜トランジスタは電界効果移動度
が高いものの、レーザアニール等の結晶化工程が必要であり、ガラス基板の大面積化には
必ずしも適応しないといった特性を有している。
スに応用する技術が注目されている。例えば、酸化物半導体膜として酸化亜鉛、またはI
n−Ga−Zn−O系酸化物半導体を用いて薄膜トランジスタを作製し、液晶表示装置の
スイッチング素子などに用いる技術が特許文献1で開示されている。
ネル領域に用いた薄膜トランジスタよりも高い電界効果移動度が得られることが指摘され
ている。このような酸化物半導体を用いて形成した薄膜トランジスタを具備する画素は、
液晶表示装置等の表示装置への応用が期待される。
容量が設けられている。保持容量の大きさを決める要素として、薄膜トランジスタのオフ
リーク電流(以下、オフ電流)がある。オフ電流を低減することで、保持容量で電圧を保
持できる期間を長く取ることができ、静止画等の表示を行う際の低消費電力化を図る上で
は重要となる。
装置とすることは、表示装置の付加価値を高める上で重要である。そこで静止画像と動画
像を判定し、静止画像と動画像とを切り替えて表示を行うことで、静止画像を表示する際
の消費電力を削減することによる低消費電力化の効果を高めることが重要となる。
う)のときに、ソースとドレインの間に流れる電流をいう。nチャネル型の薄膜トランジ
スタ(例えば、しきい値電圧が0乃至2V程度)では、ゲートとソースとの間に印加され
る電圧が負の電圧の場合に、ソースとドレインとの間を流れる電流のことをいう。
装置では、画素一つあたりの面積が小さくなることが予想される一方で、開口率の向上が
望まれる。開口率の向上を図る上で、保持容量面積の削減が重要となる。結果として、薄
膜トランジスタのオフ電流の低減が望まれる。
いて、薄膜トランジスタのオフ電流を低減し、低消費電力化できる液晶表示装置を提供す
ることを課題の一とする。
タが各画素に設けられた画素部を有する表示パネルと、駆動回路部を駆動する制御信号及
び画素部に供給する画像信号を生成するための信号生成回路と、画像信号をフレーム期間
毎に記憶する記憶回路と、記憶回路でフレーム期間毎に記憶された画像信号のうち、連続
するフレーム期間の画像信号の差分を検出する比較回路と、比較回路で差分を検出した際
に連続するフレーム期間の画像信号を選択して出力する選択回路と、比較回路で差分を検
出した際に制御信号、及び選択回路より出力される画像信号の駆動回路部への供給を行い
、比較回路で差分を検出しない際に制御信号を駆動回路部への供給を停止する表示制御回
路と、を有する液晶表示装置である。
トパルス信号、及びリセット信号である液晶表示装置でもよい。
が1×1016/cm3以下である液晶表示装置でもよい。
ある液晶表示装置でもよい。
とができる。そのため、保持容量で電圧を保持できる期間を長く取ることができ、静止画
等を表示する際の低消費電力化を図ることができる液晶表示装置とすることができる。ま
た開口率の向上を図ることによって、高精細な表示部を有する液晶表示装置とすることが
できる。
付加価値を高めることができる。そして静止画像と動画像を判定し、静止画像と動画像と
を切り替えて表示を行い、静止画像を表示する際に低消費電力化を図ることができる。
発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸
脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解さ
れる。従って本実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。な
お、以下に説明する本発明の構成において、同じ物を指し示す符号は異なる図面間におい
て共通とする。
瞭化のために誇張されて表記している場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定
されない。
要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記す
る。
本実施の形態では、表示装置のブロック図、及び駆動回路における動作の停止手順及び
開始手順について示す。まず図1では、表示装置のブロック図について説明を行う。
02、記憶回路1003、比較回路1004、選択回路1005、表示制御回路1006
を有する。
ゲート線駆動回路1009A、信号線駆動回路1009Bを有する。ゲート線駆動回路1
009A、信号線駆動回路1009Bは、複数の画素を有する画素部1008を駆動する
ための駆動回路である。また、ゲート線駆動回路1009A、信号線駆動回路1009B
、及び画素部1008は、同じ基板に形成されるトランジスタにより回路が構成されるも
のでもよい。
成するトランジスタは、半導体層を酸化物半導体としたnチャネル型のトランジスタを用
いる。なお駆動回路部1007にあるゲート線駆動回路1009Aまたは信号線駆動回路
1009Bは、同じ基板上に形成される構成としてもよいし、別の基板上に設ける構成と
してもよい。
を用いることができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、RG
B(Rは赤、Gは緑、Bは青を表す)の三色に限定されない。例えば、RGBW(Wは白
を表す)、又はRGBに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加したものがある
。なお、色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。ただし、本発
明はカラー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表示の表示装置に適用す
ることもできる。
を構成するトランジスタの半導体層に用いる酸化物半導体層について説明する。
m3以下として、酸化物半導体に含まれる水素若しくはOH結合の除去をする。そしてキ
ャリア密度を1×1014/cm3未満、好ましくは1×1012/cm3以下とした酸
化物半導体膜でチャネル領域が形成される薄膜トランジスタが構成されるものである。本
明細書では、キャリア密度1×1012/cm3未満の酸化物半導体を真性(I型)と呼
び、それ以上でもキャリア密度を1×1014/cm3以下の酸化物半導体を実質的に真
性と呼ぶこととする。なお、酸化物半導体層中の水素濃度の値は、二次イオン質量分析法
(SIMS:Secondary Ion Mass Spectroscopy)で得
られたものである。
は3eV以上とすれば、熱励起によって生じるキャリアは無視できる程度となるので、ド
ナーとなり得る水素等の不純物を極力低減し、キャリア密度を1×1014/cm3未満
、好ましくは1×1012/cm3以下となるようにする。即ち、酸化物半導体層のキャ
リア濃度は、限りなくゼロにする。
化物半導体を薄膜トランジスタのチャネル形成領域に用いることで、チャネル幅が10m
mの場合でさえも、ドレイン電圧が1Vから10Vの範囲、ゲート電圧が−5Vから−2
0Vの範囲において、ドレイン電流は1×10−13A以下となる。
た場合、オフ電流値が小さくほとんどリークがないため、表示データを保持する時間を長
くすることができる。
合において、チャネル幅1μmあたりのオフ電流を10aA/μm(1×10−17A/
μm)以下にすること、さらには1aA/μm(1×10−18A/μm)以下にするこ
とが可能である。オフ状態における電流値(オフ電流値)が極めて小さいトランジスタを
ゲート線駆動回路1009A、信号線駆動回路1009B、及び画素部1008を構成す
るトランジスタとして用いることにより、映像信号等の電気信号の保持時間を長くするこ
とができる。保持時間を長くすることができるため、例えば、映像信号の書き込みの後の
保持期間は10秒以上、好ましくは30秒以上、さらに好ましくは1分以上10分未満と
する。保持期間を長くすることで書き込みの間隔を長くとることができ、消費電力を抑制
する効果を高くできる。
抗率とは、トランジスタがオフのときのチャネル形成領域の抵抗率であり、オフ抵抗率は
オフ電流から算出することができる。
オフのときの抵抗値(オフ抵抗R)を算出することができる。そして、チャネル形成領域
の断面積Aとチャネル形成領域の長さ(ソースドレイン電極間の距離に相当する)Lが分
かればρ=RA/Lの式(Rはオフ抵抗)からオフ抵抗率ρを算出することができる。
=dWから算出することができる。また、チャネル形成領域の長さLはチャネル長Lであ
る。以上のように、オフ電流からオフ抵抗率を算出することができる。
以上が好ましく、さらには1×1010Ω・m以上がより好ましい。
A/μm相当であると見積もって設計等行うこととなっている。そのため、酸化物半導体
を有するトランジスタでは、低温ポリシリコンを具備するトランジスタに比較して、保持
容量が同等(0.1pF程度)である際、電圧の保持期間を105倍程度に引き延ばすこ
とができる。また、アモルファスシリコンを具備するトランジスタの場合、チャネル幅1
μmあたりのオフ電流は、1×10−13A/μm以上である。したがって、保持容量が
同等(0.1pF程度)である際、高純度の酸化物半導体を用いたトランジスタの方がア
モルファスシリコンを用いたトランジスタに比較して、電圧の保持期間を104倍以上に
引き延ばすことができる。
フレーム/秒(1フレームあたり16msec)で行っている。これは静止画であっても
同じで、レートを低下させる(書き込みの間隔を伸ばす)と、画素の電圧が低下して表示
に支障をきたすためである。一方、上述の酸化物半導体層を具備するトランジスタを用い
た場合、オフ電流が小さいため、1回の信号書き込みによる保持期間を105倍の160
0秒程度とすることができる。
る。保持期間を長くとれるため、特に静止画の表示を行う際に、信号の書き込みを行う頻
度を低減することができる。例えば、一つの静止画像の表示期間に画素に書き込む回数は
、1回またはn回とすることができる。なお、nは2以上103回以下とする。こうして
、表示装置の低消費電力化を図ることができる。
保持容量が設けられている。該保持容量の大きさは、各画素に設けられたトランジスタの
オフ電流等を考慮して設定すればよい。本実施の形態では、各画素に設けられたトランジ
スタとして高純度の酸化物半導体層を有するトランジスタを用いていることにより、各画
素における液晶容量に対して1/3以下、好ましくは1/5以下の容量の大きさを有する
保持容量を設ければ充分である。
きるため、特に静止画の表示を行う際に、信号の書き込みを行う頻度を著しく低減するこ
とができる。このため、表示の切り替えが少ない静止画等の表示では、画素への信号の書
き込み回数を低減することができるため、低消費電力化を図ることができる。
して、適宜リフレッシュ動作してもよい。例えば、液晶素子の画素電極に信号を書き込ん
だ直後における電圧の値(初期値)に対して所定のレベルまで電圧が下がったタイミング
でリフレッシュ動作を行えばよい。所定のレベルとする電圧は、初期値に対してチラツキ
を感じない程度に設定することが好ましい。具体的には、初期値に対して10%低い状態
、好ましくは3%低い状態となる毎に、リフレッシュ動作(再度の書き込み)を行うのが
好ましい。
。)をフローティング状態とすることもできる。具体的には、対向電極にコモン電位を与
える電源と対向電極との間にスイッチを設け、書き込み期間中はスイッチをオンにして電
源から対向電極にコモン電位を与えた後、残りの保持期間においてはスイッチをオフにし
てフローティング状態とすればよい。該スイッチについても、前述した高純度の酸化物半
導体層を具備するトランジスタを用いることが好ましい。
09Bを駆動するための信号を生成する回路である。また信号生成回路1002は、配線
を介して駆動回路部1007駆動するための信号を出力する回路、及び配線を介して記憶
回路1003に画像信号(ビデオ電圧、ビデオ信号、ビデオデータともいう)を出力する
回路である。換言すれば、駆動回路部1007を駆動するための制御信号、及び画素部1
008に供給する画像信号を生成し出力するための回路である。
及び信号線駆動回路1009Bに電源電圧である高電源電位VDD、低電源電位VSSを
供給し、ゲート線駆動回路1009A用のスタートパルスSP、クロック信号CK、及び
/または、信号線駆動回路1009B用のスタートパルスSP、クロック信号CKを生成
し、出力する。また信号生成回路1002は、動画像または静止画を表示するための画像
信号Dataを記憶回路1003に出力する。
目に動画像として認識される画像のことをいう。具体的には、1秒間に60回(60フレ
ーム)以上画像を切り替えることで、人間の目にはちらつきが少なく動画像と認識される
連続する画像信号のことである。一方静止画は、動画像と異なり、複数のフレーム期間に
時分割した複数の画像を高速に切り替えて動作させるものの、連続するフレーム期間、例
えばnフレーム目と、(n+1)フレーム目とで画像信号が変化しない画像信号のことを
いう。
ってもよい。また信号生成回路1002は、ゲート線駆動回路1009A及び/または信
号線駆動回路1009Bには、各駆動回路のパルス信号の出力を停止するためリセット信
号Resを出力する構成としてもよい。なお各信号は第1のクロック信号、第2のクロッ
ク信号といったように複数の信号で構成される信号であってもよい。
基準電位以下の電位のことをいう。なお高電源電位及び低電源電位ともに、トランジスタ
が動作できる程度の電位であることが望ましい。
示す場合が多い。よって、電圧、電位、電位差を、各々、電位、電圧、電圧差と言い換え
ることが可能である。
場合には、A/Dコンバータ等を介してデジタルの信号に変換して、記憶回路1003に
出力する構成とすればよい。
メモリ1010を有する。なおフレームメモリは、例えばDRAM(Dynamic R
andom Access Memory)、SRAM(Static Random
Access Memory)等の記憶素子を用いて構成すればよい。
、フレームメモリの数について特に限定されるものではない。またフレームメモリ101
0の画像信号は、比較回路1004及び選択回路1005により選択的に読み出されるも
のである。
選択的に読み出して、当該画像信号の比較を行い、差分を検出するための回路である。当
該比較回路1004での画像信号の比較により、差分が検出された際に当該差分を検出し
た連続するフレーム期間では動画像であると判断される。一方比較回路1004での画像
信号の比較により、差分が検出されない際に当該差分を検出しなかった連続するフレーム
期間では静止画であると判断される。すなわち、比較回路1004での差分の検出によっ
て連続するフレーム期間の画像信号が、動画像を表示するための画像信号であるか、また
は静止画を表示するための画像信号であるか、の判断がなされるものである。なお、当該
比較により得られる差分は、一定のレベルを超えたときに、差分を検出したと判断される
ように設定してもよい。
設け、動画像を表示するための画像信号が比較回路での差分の検出により判断された際に
、当該画像信号が記憶されたフレームメモリ1010より画像信号を選択して表示制御回
路1006に出力するための回路である。なお比較回路1004で比較したフレーム間の
画像信号の差分が検出されなければ、連続するフレーム期間で表示される画像は静止画で
あり、この場合、連続するフレーム期間の後半のフレームの画像信号について表示制御回
路1006に出力しない構成とすればよい。
ルスSP、クロック信号CK、及びリセット信号Resの制御信号に関して、駆動回路部
1007への供給または停止を切り替える為の回路である。具体的には、比較回路100
4により動画像と判断、すなわち連続フレーム期間の画像信号の差分が抽出された場合に
は、画像信号が選択回路1005より供給されて表示制御回路1006を介して駆動回路
部1007に供給され、制御信号が、表示制御回路1006を介して駆動回路部1007
に供給されることとなる。一方、比較回路1004により静止画と判断、すなわち連続フ
レーム期間の画像信号の差分を抽出しない場合には、画像信号が選択回路1005より供
給されないため表示制御回路1006より駆動回路部1007に画像信号が供給されず、
制御信号の駆動回路部1007への供給を表示制御回路1006が停止することとなる。
信号のうち、高電源電位VDD、低電源電位VSSの停止を行わない構成としてもよい。
頻繁に高電源電位VDD、低電源電位VSSの停止及び再開を行うことによる消費電力の
増大を低減することができ、好適である。
間にわたって行うことが望ましく、各画素での保持期間の後に再度画像信号を供給するよ
う、表示制御回路1006が先に供給した画像信号及び制御信号を再度供給するようにす
る構成とすればよい。
の所定の電位の供給を停止し、所定の固定電位が供給される配線、例えば低電源電位VS
Sが供給された配線、に接続することをいう。また信号の停止とは、所定の電位を供給さ
れている配線との電気的な接続を切断し、浮遊状態とすることをいう。
A/μm以下とすることができるため、保持期間を大きくとることができる。そのため、
本実施の形態における静止画の表示を行う際に低消費電力化を図るうえでの相乗効果が見
込めることとなる。
ルス等の制御信号の駆動回路部への供給の再開または停止を選択的に行うことで、低消費
電力化を図ることができる。
を構成するシフトレジスタの構成について図2に一例を示す。
力回路10_N(N≧3の自然数)を有している。図2(A)に示すシフトレジスタの第
1のパルス出力回路10_1乃至第Nのパルス出力回路10_Nには、第1の配線11よ
り第1のクロック信号CK1、第2の配線12より第2のクロック信号CK2、第3の配
線13より第3のクロック信号CK3、第4の配線14より第4のクロック信号CK4が
供給される。また第1のパルス出力回路10_1では、第5の配線15からのスタートパ
ルスSP1(第1のスタートパルス)が入力される。また2段目以降の第nのパルス出力
回路10_n(nは、2≦n≦Nの自然数)では、一段前段のパルス出力回路10_n−
1からの信号(前段信号OUT(n−1)という)が入力される。また第1のパルス出力
回路10_1では、2段後段の第3のパルス出力回路10_3からの信号が入力される。
同様に、2段目以降の第nのパルス出力回路10_nでは、2段後段の第(n+2)の
パルス出力回路10_(n+2)からの信号(後段信号OUT(n+2)という)が入力
される。従って、各段のパルス出力回路からは、後段及び/または二つ前段のパルス出力
回路に入力するための第1の出力信号(OUT(1)(SR)〜OUT(N)(SR))
、別の回路等に入力される第2の出力信号(OUT(1))〜OUT(N))が出力され
る。なお、図2(A)に示すように、シフトレジスタの最終段の2つの段には、後段信号
OUT(n+2)が入力されないため、一例としては、別途第7の配線17より第2のス
タートパルスSP2、第8の配線18より第3のスタートパルスSP3をそれぞれ入力す
る構成でもよい。または別途、内部で生成された信号であってもよい。例えば、表示部へ
のパルス出力に寄与しない第(n+1)のパルス出力回路10(n+1)、第(n+2)
のパルス出力回路10(n+2)を設け(ダミー段ともいう)、当該ダミー段より第2の
スタートパルス(SP2)及び第3のスタートパルス(SP3)に相当する信号を生成す
る構成としてもよい。
H信号とL信号を繰り返す信号である。また、第1のクロック信号(CK1)〜第4のク
ロック信号(CK4)は、順に1/4周期分遅延している。本実施の形態では、第1のク
ロック信号(CK1)〜第4のクロック信号(CK4)を利用して、パルス出力回路の駆
動の制御等を行う。なお、クロック信号CKは、入力される駆動回路に応じて、GCK、
SCKということもあるが、ここではCKとして説明を行う。
続されている場合と、AとBとが機能的に接続されている場合と、AとBとが直接接続さ
れている場合とを含むものとする。ここで、A、Bは、対象物(例えば、装置、素子、回
路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。したがって、所定の接続関係
、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続
関係以外のものも含むものとする。
子21、第2の入力端子22、第3の入力端子23、第4の入力端子24、第5の入力端
子25、第1の出力端子26、第2の出力端子27を有している(図2(B)参照)。
〜第4の配線14のいずれかと電気的に接続されている。例えば、図2(A)、(B)に
おいて、第1のパルス出力回路10_1は、第1の入力端子21が第1の配線11と電気
的に接続され、第2の入力端子22が第2の配線12と電気的に接続され、第3の入力端
子23が第3の配線13と電気的に接続されている。また、第2のパルス出力回路10_
2は、第1の入力端子21が第2の配線12と電気的に接続され、第2の入力端子22が
第3の配線13と電気的に接続され、第3の入力端子23が第4の配線14と電気的に接
続されている。
4に第1のスタートパルスSP1が入力され、第5の入力端子25に後段信号OUT(3
)が入力され、第1の出力端子26より第1の出力信号OUT(1)(SR)が出力され
、第2の出力端子27より第2の出力信号OUT(1)が出力されていることとなる。
され、第2端子が第9のトランジスタ39の第1端子に電気的に接続され、ゲート電極が
第4の入力端子24に電気的に接続されている。第2のトランジスタ32は、第1端子が
電源線52に電気的に接続され、第2端子が第9のトランジスタ39の第1端子に電気的
に接続され、ゲート電極が第4のトランジスタ34のゲート電極に電気的に接続されてい
る。第3のトランジスタ33は、第1端子が第1の入力端子21に電気的に接続され、第
2端子が第1の出力端子26に電気的に接続されている。第4のトランジスタ34は、第
1端子が電源線52に電気的に接続され、第2端子が第1の出力端子26に電気的に接続
されている。第5のトランジスタ35は、第1端子が電源線52に電気的に接続され、第
2端子が第2のトランジスタ32のゲート電極及び第4のトランジスタ34のゲート電極
に電気的に接続され、ゲート電極が第4の入力端子24に電気的に接続されている。第6
のトランジスタ36は、第1端子が電源線51に電気的に接続され、第2端子が第2のト
ランジスタ32のゲート電極及び第4のトランジスタ34のゲート電極に電気的に接続さ
れ、ゲート電極が第5の入力端子25に電気的に接続されている。第7のトランジスタ3
7は、第1端子が電源線51に電気的に接続され、第2端子が第8のトランジスタ38の
第2端子に電気的に接続され、ゲート電極が第3の入力端子23に電気的に接続されてい
る。第8のトランジスタ38は、第1端子が第2のトランジスタ32のゲート電極及び第
4のトランジスタ34のゲート電極に電気的に接続され、ゲート電極が第2の入力端子2
2に電気的に接続されている。第9のトランジスタ39は、第1端子が第1のトランジス
タ31の第2端子及び第2のトランジスタ32の第2端子に電気的に接続され、第2端子
が第3のトランジスタ33のゲート電極及び第10のトランジスタ40のゲート電極に電
気的に接続され、ゲート電極が電源線51に電気的に接続されている。第10のトランジ
スタ40は、第1端子が第1の入力端子21に電気的に接続され、第2端子が第2の出力
端子27に電気的に接続され、ゲート電極が第9のトランジスタ39の第2端子に電気的
に接続されている。第11のトランジスタ41は、第1端子が電源線52に電気的に接続
され、第2端子が第2の出力端子27に電気的に接続され、ゲート電極が第2のトランジ
スタ32のゲート電極及び第4のトランジスタ34のゲート電極に電気的に接続されてい
る。
0のゲート電極、及び第9のトランジスタ39の第2端子の接続箇所をノードNAとする
。また、第2のトランジスタ32のゲート電極、第4のトランジスタ34のゲート電極、
第5のトランジスタ35の第2端子、第6のトランジスタ36の第2端子、第8のトラン
ジスタ38の第1端子、及び第11のトランジスタ41のゲート電極の接続箇所をノード
NBとする。
力端子21には第1のクロック信号CK1が入力され、第2の入力端子22には第2のク
ロック信号CK2が入力され、第3の入力端子23には第3のクロック信号CK3が入力
され、第4の入力端子24にはスタートパルスSPが入力され、第5の入力端子25には
後段信号OUT(3)が入力され、第1の出力端子26からは第1の出力信号OUT(1
)(SR)が出力され、第2の出力端子27からは第2の出力信号OUT(1)が出力さ
れることとなる。
チャートについて図3に示す。なおシフトレジスタが走査線駆動回路である場合、図3中
の期間61は垂直帰線期間であり、期間62はゲート選択期間に相当する。
動回路において、静止画表示及び動画像表示を行う際の、各配線の電位の供給または停止
の手順について説明する。
ートパルスSPを停止する。次いで、スタートパルスSPの停止後、パルス出力がシフト
レジスタの最終段まで達した後に、各クロック信号CKを停止する。次いで、電源電圧の
高電源電位VDD、及び低電源電位VSSを停止する(図26(A)参照)。また駆動回
路部1007の動作を再開する場合には、まず表示制御回路1006は、電源電圧の高電
源電位VDD、及び低電源電位VSSを駆動回路部1007に供給する。次いで、クロッ
ク信号CKを供給し、次いでスタートパルスSPの供給を再開する(図26(B)参照)
。
したが、リセット信号Resを供給する構成について図4に示し説明する。
力回路10_N(N≧3の自然数)を有している。図4(A)に示すシフトレジスタの第
1のパルス出力回路10_1乃至第Nのパルス出力回路10_Nには、第1の配線11よ
り第1のクロック信号CK1、第2の配線12より第2のクロック信号CK2、第3の配
線13より第3のクロック信号CK3、第4の配線14より第4のクロック信号CK4が
供給される。また第1のパルス出力回路10_1では、第5の配線15からのスタートパ
ルスSP1(第1のスタートパルス)が入力される。また2段目以降の第nのパルス出力
回路10_n(nは、2≦n≦Nの自然数)では、一段前段のパルス出力回路10_n−
1からの信号(前段信号OUT(n−1)という)が入力される。また第1のパルス出力
回路10_1では、2段後段の第3のパルス出力回路10_3からの信号が入力される。
同様に、2段目以降の第nのパルス出力回路10_nでは、2段後段の第(n+2)の
パルス出力回路10_(n+2)からの信号(後段信号OUT(n+2)という)が入力
される。従って、各段のパルス出力回路からは、後段及び/または二つ前段のパルス出力
回路に入力するための第1の出力信号(OUT(1)(SR)〜OUT(N)(SR))
、別の回路等に入力される第2の出力信号(OUT(1)〜OUT(N))が出力される
。また各段のパルス出力回路には、第6の配線16よりリセット信号Resが供給される
。
号Resを供給する第6の配線16を有する点にあり、他の箇所に関する点は上記図2の
説明と同様である。
子21、第2の入力端子22、第3の入力端子23、第4の入力端子24、第5の入力端
子25、第1の出力端子26、第2の出力端子27、第6の入力端子28を有している(
図4(B)参照)。
〜第4の配線14のいずれかと電気的に接続されている。例えば、図4(A)、(B)に
おいて、第1のパルス出力回路10_1は、第1の入力端子21が第1の配線11と電気
的に接続され、第2の入力端子22が第2の配線12と電気的に接続され、第3の入力端
子23が第3の配線13と電気的に接続されている。また、第2のパルス出力回路10_
2は、第1の入力端子21が第2の配線12と電気的に接続され、第2の入力端子22が
第3の配線13と電気的に接続され、第3の入力端子23が第4の配線14と電気的に接
続されている。
4に第1のスタートパルスSP1が入力され、第5の入力端子25に後段信号OUT(3
)が入力され、第1の出力端子26より第1の出力信号OUT(1)(SR)が出力され
、第2の出力端子27より第2の出力信号OUT(1)が出力され、第6の入力端子28
よりリセット信号Resが入力されていることとなる。
され、第2端子が第9のトランジスタ39の第1端子に電気的に接続され、ゲート電極が
第4の入力端子24に電気的に接続されている。第2のトランジスタ32は、第1端子が
電源線52に電気的に接続され、第2端子が第9のトランジスタ39の第1端子に電気的
に接続され、ゲート電極が第4のトランジスタ34のゲート電極に電気的に接続されてい
る。第3のトランジスタ33は、第1端子が第1の入力端子21に電気的に接続され、第
2端子が第1の出力端子26に電気的に接続されている。第4のトランジスタ34は、第
1端子が電源線52に電気的に接続され、第2端子が第1の出力端子26に電気的に接続
されている。第5のトランジスタ35は、第1端子が電源線52に電気的に接続され、第
2端子が第2のトランジスタ32のゲート電極及び第4のトランジスタ34のゲート電極
に電気的に接続され、ゲート電極が第4の入力端子24に電気的に接続されている。第6
のトランジスタ36は、第1端子が電源線51に電気的に接続され、第2端子が第2のト
ランジスタ32のゲート電極及び第4のトランジスタ34のゲート電極に電気的に接続さ
れ、ゲート電極が第5の入力端子25に電気的に接続されている。第7のトランジスタ3
7は、第1端子が電源線51に電気的に接続され、第2端子が第8のトランジスタ38の
第2端子に電気的に接続され、ゲート電極が第3の入力端子23に電気的に接続されてい
る。第8のトランジスタ38は、第1端子が第2のトランジスタ32のゲート電極及び第
4のトランジスタ34のゲート電極に電気的に接続され、ゲート電極が第2の入力端子2
2に電気的に接続されている。第9のトランジスタ39は、第1端子が第1のトランジス
タ31の第2端子及び第2のトランジスタ32の第2端子に電気的に接続され、第2端子
が第3のトランジスタ33のゲート電極及び第10のトランジスタ40のゲート電極に電
気的に接続され、ゲート電極が電源線51に電気的に接続されている。第10のトランジ
スタ40は、第1端子が第1の入力端子21に電気的に接続され、第2端子が第2の出力
端子27に電気的に接続され、ゲート電極が第9のトランジスタ39の第2端子に電気的
に接続されている。第11のトランジスタ41は、第1端子が電源線52に電気的に接続
され、第2端子が第2の出力端子27に電気的に接続され、ゲート電極が第2のトランジ
スタ32のゲート電極及び第4のトランジスタ34のゲート電極に電気的に接続されてい
る。また第2のトランジスタ32のゲート電極、第4のトランジスタ34のゲート電極、
第5のトランジスタ35の第2端子、第6のトランジスタ36の第2端子、第8のトラン
ジスタ38の第1端子、及び第11のトランジスタ41のゲート電極は、リセット信号R
esを供給するための配線53に電気的に接続されている。なおリセット信号Resは、
第2のトランジスタ32のゲート電極、第4のトランジスタ34のゲート電極、第5のト
ランジスタ35の第2端子、第6のトランジスタ36の第2端子、第8のトランジスタ3
8の第1端子、及び第11のトランジスタ41のゲート電極の電位に高電源電位レベルの
信号を供給することにより、パルス出力回路からの出力を強制的に低電源電位レベルの信
号に落とすための信号である。
0のゲート電極、及び第9のトランジスタ39の第2端子の接続箇所をノードNAとする
。また、第2のトランジスタ32のゲート電極、第4のトランジスタ34のゲート電極、
第5のトランジスタ35の第2端子、第6のトランジスタ36の第2端子、第8のトラン
ジスタ38の第1端子、及び第11のトランジスタ41のゲート電極の接続箇所をノード
NBとする。
力端子21には第1のクロック信号CK1が入力され、第2の入力端子22には第2のク
ロック信号CK2が入力され、第3の入力端子23には第3のクロック信号CK3が入力
され、第4の入力端子24にはスタートパルスSPが入力され、第5の入力端子25には
後段信号OUT(3)が入力され、第1の出力端子26からは第1の出力信号OUT(1
)(SR)が出力され、第2の出力端子27からは第2の出力信号OUT(1)が出力さ
れ、第6の入力端子28からはリセット信号Resが入力される。
ャートについては、図3に示す図2(C)のタイミングチャートと同様である。
において、静止画から動画像表示をおこなう際の、各配線の電位の供給または停止の手順
について説明する。
ートパルスSPを停止する。次いで、スタートパルスSPの停止後、パルス出力がシフト
レジスタの最終段まで達した後に、各クロック信号CKを停止する。次いで、リセット信
号Resを供給する。次いで、電源電圧の高電源電位VDD、及び低電源電位VSSを停
止する(図26(C)参照)。また駆動回路部1007の動作を再開する場合には、まず
表示制御回路1006は、電源電圧の高電源電位VDD、及び低電源電位VSSを駆動回
路部1007に供給する。次いで、リセット信号Resを供給する。次いで、クロック信
号CKを供給し、次いでスタートパルスSPの供給を再開する(図26(D)参照)。
により、静止画と動画像の切り替えの際の信号の遅延等による誤動作を低減することがで
きるため好適である。
た共通電位電極を共通電位線から切り離してフローティング状態にしても良い。そして、
静止画モードの後、駆動回路を再度動作させる際には、共通電位電極を共通電位線に接続
する。このようにすると駆動回路部の薄膜トランジスタの誤動作を防止することができる
。
造を説明する図である。表示パネル1800には駆動回路1802、1804及び画素部
1806が設けられている。駆動回路1802が設けられる領域に重畳して共通電位電極
1808が配設されている。共通電位電極1808と共通電位端子1812の間には、両
者の接続/非接続を制御するスイッチ素子1810が設けられている。
されている。共通電位電極1808がTFT1803上に設けられることにより、TFT
1803は静電遮蔽され、しきい値電圧の変動や寄生チャネルが生成するのを防いでいる
。
これらの素子は、オフ状態でのリーク電流が極めて小さいので、表示パネルの動作を安定
化させるのに寄与する。すなわち、静止画で表示する場合において、スイッチ素子180
3をオフにして共通電位電極をフローティング状態にさせた場合でも、電位を一定に保つ
効果がある。
、共通電位電極を設けて外部電場を遮蔽することで、駆動回路の動作を停止させた状態で
も静止画を表示させることができる。また、共通電位電極の電位を駆動回路の動作に合わ
せて適切に制御することにより、表示パネルの動作の安定化を図ることができる。
特徴を液晶表示装置に用いれば、保持容量で電圧を保持できる期間を長く取ることができ
、静止画等を表示する際の低消費電力化を図ることができる。また、静止画の表示をする
際制御信号を停止することにより、一層の低消費電力化を図ることができる。また静止画
と動画像との切り替えを誤動作なく行うことができる。
である。
本実施の形態の薄膜トランジスタ及び薄膜トランジスタの作製方法の一形態を、図5及び
図6を用いて説明する。
示す。本実施の形態で示す薄膜トランジスタ410は、実施の形態1の画素部1008の
各画素に用いる薄膜トランジスタに用いることができる。
)に示す薄膜トランジスタ410は、トップゲート構造の薄膜トランジスタの一つである
。
図5(A)の線C1−C2における断面図である。
導体層412、ソース電極層又はドレイン電極層415a、及びソース電極層又はドレイ
ン電極層415b、ゲート絶縁層402、ゲート電極層411を含み、ソース電極層又は
ドレイン電極層415a、ソース電極層又はドレイン電極層415bにそれぞれ配線層4
14a、配線層414bが接して設けられ電気的に接続している。
たが、必要に応じて、チャネル形成領域を複数有するマルチゲート構造の薄膜トランジス
タも形成することができる。
工程を説明する。
とも、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。
い場合には、歪み点が730℃以上のものを用いると良い。ガラス基板には、例えば、ア
ルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどの
ガラス材料が用いられている。なお、酸化ホウ酸と比較して酸化バリウム(BaO)を多
く含ませることで、より実用的な耐熱ガラスが得られる。このため、B2O3よりBaO
を多く含むガラス基板を用いることが好ましい
ァイア基板などの絶縁体でなる基板を用いても良い。他にも、結晶化ガラス基板などを用
いることができる。また、プラスチック基板等も適宜用いることができる。
導体層と接する絶縁層407は、酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、酸化アルミニウ
ム層、または酸化窒化アルミニウム層などの酸化物絶縁層を用いると好ましい。絶縁層4
07の形成方法としては、プラズマCVD法又はスパッタリング法等を用いることができ
るが、絶縁層407中に水素が多量に含まれないようにするためには、スパッタリング法
で絶縁層407を成膜することが好ましい。
する。基板400を処理室へ搬送し、水素及び水分が除去された高純度酸素を含むスパッ
タガスを導入し、ターゲットを用いて、基板400に絶縁層407として、酸化シリコン
層を成膜する。また基板400は室温でもよいし、加熱されていてもよい。
板とターゲットの間との距離(T−S間距離)を60mm、圧力0.4Pa、高周波電源
1.5kW、酸素及びアルゴン(酸素流量25sccm:アルゴン流量25sccm=1
:1)雰囲気下でRFスパッタリング法により酸化シリコン膜を成膜する。膜厚は100
nmとする。なお、石英(好ましくは合成石英)に代えてシリコンターゲットを酸化シリ
コン膜を成膜するためのターゲットとして用いることができる。なお、スパッタガスとし
て酸素又は、酸素及びアルゴンの混合ガスを用いて行う。
しい。絶縁層407に水素、水酸基又は水分が含まれないようにするためである。
例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが
好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであ
ってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素分子や、水(H2
O)など水素原子を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜し絶縁層407に
含まれる不純物の濃度を低減できる。
の不純物が、1ppm以下、好ましくは、10ppb以下まで除去された高純度ガスを用
いることが好ましい。
電源を用いるDCスパッタリング法、パルス的にバイアスを与えるパルスDCスパッタリ
ング法がある。RFスパッタリング法は主に絶縁膜を成膜する場合に用いられ、DCスパ
ッタリング法は主に金属膜を成膜する場合に用いられる。
スパッタ装置は、同一チャンバーで異なる材料膜を積層成膜することも、同一チャンバー
で複数種類の材料を同時に放電させて成膜することもできる。
タ装置や、グロー放電を使わずマイクロ波を用いて発生させたプラズマを用いるECRス
パッタリング法を用いるスパッタ装置を用いてもよい。
ス成分とを化学反応させてそれらの化合物薄膜を形成するリアクティブスパッタリング法
や、成膜中に基板にも電圧をかけるバイアススパッタリング法を用いてもよい。
化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、又は窒化酸化アルミニウム層などの窒化物絶縁
層と、上記酸化物絶縁層との積層構造としてもよい。
むスパッタガスを導入しシリコンターゲットを用いて窒化シリコン層を成膜する。この場
合においても、酸化シリコン層と同様に、処理室内の残留水分を除去しつつ窒化シリコン
層を成膜することが好ましい。
と酸化シリコン層を同じ処理室において、共通のシリコンターゲットを用いて成膜するこ
とができる。先に窒素を含むスパッタガスを導入して、処理室内に装着されたシリコンタ
ーゲットを用いて窒化シリコン層を形成し、次にスパッタガスを酸素を含むスパッタガス
に切り替えて同じシリコンターゲットを用いて酸化シリコン層を成膜する。窒化シリコン
層と酸化シリコン層とを大気に曝露せずに連続して形成することができるため、窒化シリ
コン層表面に水素や水分などの不純物が吸着することを防止することができる。
。
の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室で絶縁層407が形成された基板40
0を予備加熱し、基板400に吸着した水素、水分などの不純物を脱離し排気することが
好ましい。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプが好ましい。なお、この
予備加熱の処理は省略することもできる。
プラズマを発生させる逆スパッタを行い、絶縁層407の表面に付着しているゴミを除去
することが好ましい。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加せずに、アルゴン雰囲
気下で基板側に高周波電源を用いて電圧を印加して基板付近にプラズマを形成して表面を
改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素などを用いて
もよい。
n−O系、In−Sn−Zn−O系、In−Al−Zn−O系、Sn−Ga−Zn−O系
、Al−Ga−Zn−O系、Sn−Al−Zn−O系、In−Zn−O系、Sn−Zn−
O系、Al−Zn−O系、In−O系、Sn−O系、Zn−O系の酸化物半導体膜を用い
る。本実施の形態では、酸化物半導体膜をIn−Ga−Zn−O系酸化物半導体ターゲッ
トを用いてスパッタリング法により成膜する。具体的には、組成比として、In2O3:
Ga2O3:ZnO=1:1:1[mol%](すなわち、In:Ga:Zn=1:1:
0.5[atom%])を用いる。他にも、In:Ga:Zn=1:1:1[atom%
]、又はIn:Ga:Zn=1:1:2[atom%]の組成比を有するターゲットを用
いることもできる。なお、酸化物半導体ターゲットの充填率は90%以上100%以下、
好ましくは95%以上99.9%以下である。充填率の高い酸化物半導体ターゲットを用
いることにより、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜となる。スパッタリングの雰囲気は
希ガス(代表的にはアルゴン)、酸素、あるいは希ガスと酸素の混合雰囲気とすればよい
。また、ターゲットには、SiO2を2重量%以上10重量%以下含ませてもよい。
どの不純物が、1ppm以下、好ましくは、10ppb以下まで除去された高純度ガスを
用いることが好ましい。
を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて
基板400上に成膜される。処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポン
プを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメー
ションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコール
ドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例
えば、水素分子、水(H2O)など水素原子を含む化合物(より好ましくは炭素原子を含
む化合物も)等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純
物の濃度を低減できる。また、酸化物半導体膜成膜時に基板を加熱してもよい。
圧力0.4Pa、直流(DC)電源0.5kW、酸素及びアルゴン(酸素流量15scc
m:アルゴン流量30sccm)雰囲気下の条件が適用される。なお、パルス直流(DC
)電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質(パーティクル、ゴミともいう)が軽減で
き、膜厚分布も均一となるために好ましい。酸化物半導体膜の厚さは、2nm以上200
nm以下、好ましくは5nm以上30nm以下とする。なお、適用する酸化物半導体材料
により適切な厚みは異なり、材料に応じて適宜厚みを選択すればよい。
12に加工する(図6(A)参照。)。また、島状の酸化物半導体層412を形成するた
めのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェ
ット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
グでもよく、両方を用いてもよい。
ば塩素(Cl2)、塩化硼素(BCl3)、塩化珪素(SiCl4)、四塩化炭素(CC
l4)など)が好ましい。
6)、弗化窒素(NF3)、トリフルオロメタン(CHF3)など)、臭化水素(HBr
)、酸素(O2)、これらのガスにヘリウム(He)やアルゴン(Ar)などの希ガスを
添加したガス、などを用いることができる。
ing)法や、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導
結合型プラズマ)エッチング法を用いることができる。所望の加工形状にエッチングでき
るように、エッチング条件(コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加さ
れる電力量、基板側の電極温度等)を適宜調節する。
ンモニア過水(31重量%過酸化水素水:28重量%アンモニア水:水=5:2:2)な
どを用いることができる。また、ITO07N(関東化学社製)を用いてもよい。
て除去される。その除去された材料を含むエッチング液の廃液を精製し、含まれる材料を
再利用してもよい。当該エッチング後の廃液から酸化物半導体に含まれるインジウム等の
材料を回収して再利用することにより、資源を有効活用し低コスト化することができる。
液、エッチング時間、温度等)を適宜調節する。
エッチング法により、酸化物半導体膜を島状の酸化物半導体層412に加工する。
温度は、400℃以上750℃以下とし、基板400の歪み点が750℃以下の場合には
400℃以上基板の歪み点未満とする。ここでは、加熱処理装置の一つである電気炉に基
板を導入し、酸化物半導体層に対して窒素雰囲気下450℃において1時間の加熱処理を
行った後、大気に触れることなく、室温まで温度を下げ、酸化物半導体層への水や水素の
混入を防ぎ、酸化物半導体層を得る。この第1の加熱処理によって酸化物半導体層412
の脱水化及び/または脱水素化を行うことができる。
輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、GRTA(Gas
Rapid Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid
Thermal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal An
neal)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライ
ドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧
水銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置
である。GRTA装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体には、ア
ルゴンなどの希ガス、及び/または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しな
い不活性気体が用いられる。
板を移動させて入れ、数分間加熱した後、基板を移動させて高温に加熱した不活性ガス中
から出すGRTAを行ってもよい。GRTAを用いると短時間での高温加熱処理が可能と
なる。
希ガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する
窒素、及び/またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、6N(99.99
99%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち不純物濃度を1pp
m以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。
412が結晶化し、微結晶膜または多結晶膜となる場合もある。例えば、結晶化率が90
%以上、または80%以上の微結晶の酸化物半導体膜となる場合もある。また、第1の加
熱処理の条件、または酸化物半導体層の材料によっては、酸化物半導体層412は結晶成
分を含まない非晶質の酸化物半導体膜となる場合もある。また、非晶質の酸化物半導体の
中に微結晶部(粒径1nm以上20nm以下(代表的には2nm以上4nm以下))が混
在する酸化物半導体膜となる場合もある。
酸化物半導体膜に行うこともできる。その場合には、第1の加熱処理後に、加熱装置から
基板を取り出し、フォトリソグラフィ工程を行う。
加熱処理は、酸化物半導体層412の形成直後におこなう例を示したが、酸化物半導体層
成膜後であれば、酸化物半導体層上にソース電極及びドレイン電極を積層させた後、ソー
ス電極及びドレイン電極上にゲート絶縁層を形成した後、のいずれで行っても良い。
ッタリング法や真空蒸着法で成膜すればよい。導電膜の材料としては、Al、Cr、Cu
、Ta、Ti、Mo、Wからから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金か
、上述した元素を組み合わせた合金膜等が挙げられる。また、マンガン、マグネシウム、
ジルコニウム、ベリリウム、イットリウムのいずれか一または複数から選択された材料を
用いてもよい。また、導電膜は、単層構造でも、2層以上の積層構造としてもよい。例え
ば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する
2層構造、Ti膜と、そのTi膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さらにその上にT
i膜を成膜する3層構造などが挙げられる。また、Alに、チタン(Ti)、タンタル(
Ta)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、Nd(ネオジム)
、Sc(スカンジウム)から選ばれた元素を単数、又は複数組み合わせた膜、合金膜、も
しくは窒化膜を用いてもよい。本実施の形態では、スパッタリング法により膜厚150n
mのチタン膜を成膜する。
ジストマスクはインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法
で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。その後、選択的
にエッチングを行ってソース電極層又はドレイン電極層415a、ソース電極層又はドレ
イン電極層415bを形成した後、レジストマスクを除去する(図6(B)参照。)。な
お、形成されたソース電極層、ドレイン電極層の端部はテーパ形状であると、上に積層す
るゲート絶縁層の被覆性が向上するため好ましい。
407が露出しないようにそれぞれの材料及びエッチング条件を適宜調節する。
−Zn−O系酸化物半導体を用いたので、エッチャントとしてアンモニア過水(31重量
%過酸化水素水:28重量%アンモニア水:水=5:2:2)を用いる。
グされ、溝部(凹部)を有する酸化物半導体層となることもある。
ーザ光やArFレーザ光を用いてもよい。酸化物半導体層412上で隣り合うソース電極
層の下端部とドレイン電極層の下端部との間隔幅によって後に形成される薄膜トランジス
タのチャネル長Lが決定される。なお、チャネル長L=25nm未満の露光を行う場合に
は、数nm〜数10nmと極めて波長が短い超紫外線(Extreme Ultravi
olet)を用いて第2のフォトリソグラフィ工程でのレジストマスク形成時の露光を行
う。超紫外線による露光は、解像度が高く焦点深度も大きい。従って、後に形成される薄
膜トランジスタのチャネル長Lを10nm以上1000nm以下とすることも可能であり
、回路の動作速度を高速化でき、さらにオフ電流値が極めて小さいため、低消費電力化も
図ることができる。
a、ソース電極層又はドレイン電極層415b上にゲート絶縁層402を形成する(図6
(C)参照。)。
ン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、又は酸化アルミニウ
ム層を単層で又は積層して形成することができる。なお、ゲート絶縁層402中に水素が
極力含まれないようにするためには、スパッタリング法でゲート絶縁層402を成膜する
ことが好ましい。スパッタリング法により酸化シリコン膜を成膜する場合には、ターゲッ
トとしてシリコンターゲット又は石英ターゲットを用い、スパッタガスとして酸素又は、
酸素とアルゴンの混合ガスを用いて行う。本実施の形態では、圧力0.4Pa、高周波電
源1.5kW、酸素及びアルゴン(酸素流量25sccm:アルゴン流量25sccm=
1:1)雰囲気下でRFスパッタリング法により膜厚100nmの酸化シリコン層を形成
する。
ることもできる。例えば、第1のゲート絶縁層としてスパッタリング法により膜厚5nm
以上300nm以下の酸化シリコン層(SiOx(x>0))を形成し、第1のゲート絶
縁層上に第2のゲート絶縁層としてスパッタリング法により膜厚50nm以上200nm
以下の窒化シリコン層(SiNy(y>0))を積層して、膜厚70nm以上400nm
以下、例えば、100nmのゲート絶縁層としてもよい。
ングを行ってゲート絶縁層402の一部を除去して、ソース電極層又はドレイン電極層4
15a、ソース電極層又はドレイン電極層415bに達する開口421a、421bを形
成する(図6(D)参照。)。
の形態では、スパッタリング法により膜厚150nmのチタン膜を形成する。その後、第
4のフォトリソグラフィ工程によりゲート電極層411、配線層414a、414bを形
成する。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクを
インクジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる
。
、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又
はこれらを主成分とする合金材料を用いて、単層で又は積層して形成することができる。
ルミニウム層上にモリブデン層が積層された2層の積層構造、または銅層上にモリブデン
層を積層した2層構造、または銅層上に窒化チタン層若しくは窒化タンタルを積層した2
層構造、窒化チタン層とモリブデン層とを積層した2層構造とすることが好ましい。3層
の積層構造としては、タングステン層または窒化タングステンと、アルミニウムとシリコ
ンの合金またはアルミニウムとチタンの合金と、窒化チタンまたはチタン層とを積層した
積層とすることが好ましい。なお、透光性を有する導電膜を用いてゲート電極層を形成す
ることもできる。透光性を有する導電膜としては、透光性導電性酸化物等をその例に挙げ
ることができる。
00℃以上400℃以下、例えば250℃以上350℃以下)を行う。本実施の形態では
、窒素雰囲気下で250℃、1時間の第2の加熱処理を行う。また、第2の加熱処理は、
薄膜トランジスタ410上に保護絶縁層や平坦化絶縁層を形成してから行ってもよい。
てもよい。この加熱処理は一定の加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、10
0℃以上200℃の加熱温度への昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回くりかえ
して行ってもよい。また、この加熱処理を、酸化物絶縁層の形成前に、減圧下で行っても
よい。減圧下で加熱処理を行うと、加熱時間を短縮することができる。
2を有する薄膜トランジスタ410を形成することができる(図6(E)参照。)。薄膜
トランジスタ410は実施の形態1における薄膜トランジスタ105として適用すること
ができる。
もよい。例えば、保護絶縁層として酸化シリコン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン
層、窒化酸化シリコン層、又は酸化アルミニウム層を単層で又は積層して形成することが
できる。
、エポキシ等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他
に、低誘電率材料(low−k材料)、シロキサン系樹脂、PSG(リンガラス)、BP
SG(リンボロンガラス)等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶
縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁層を形成してもよい。
i結合を含む樹脂に相当する。シロキサン系樹脂は置換基としては有機基(例えばアルキ
ル基やアリール基)やフルオロ基を用いても良い。また、有機基はフルオロ基を有してい
ても良い。
スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法(インクジェット法、スクリーン印
刷、オフセット印刷等)、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフ
コーター等を用いることができる。
で、該酸化物半導体膜中の水素及び水素化物の濃度を低減することができる。それにより
酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。
の画素に用いることによって、画素からのリーク電流を低減することができる。そのため
、保持容量で電圧を保持できる期間を長く取ることができ、静止画等を表示する際の低消
費電力化を図ることができる液晶表示装置とすることができる。また静止画の表示をする
際制御信号を停止することにより一層の低消費電力化を図ることができる。また静止画と
動画像との切り替えを誤動作なく行うことができる。
である。
本実施の形態は、本明細書で開示する液晶表示装置に適用できる薄膜トランジスタの他の
例を示す。なお、実施の形態2と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、実
施の形態2と同様とすればよく、その繰り返しの説明は省略する。また同じ箇所の詳細な
説明も省略する。本実施の形態で示す薄膜トランジスタ460は、実施の形態1の画素部
1008の各画素に用いる薄膜トランジスタに用いることができる。
図8を用いて説明する。
)に示す薄膜トランジスタ460は、トップゲート構造の薄膜トランジスタの一つである
。
図7(A)の線D1−D2における断面図である。
極層又はドレイン電極層465a(465a1、465a2)、酸化物半導体層462、
ソース電極層又はドレイン電極層465b、配線層468、ゲート絶縁層452、ゲート
電極層461(461a、461b)を含み、ソース電極層又はドレイン電極層465a
(465a1、465a2)は配線層468を介して配線層464と電気的に接続してい
る。また、図示していないが、ソース電極層又はドレイン電極層465bもゲート絶縁層
452に設けられた開口において配線層と電気的に接続する。
工程を説明する。
する。基板450を処理室へ搬送し、水素及び水分が除去された高純度酸素を含むスパッ
タガスを導入しシリコンターゲット又は石英(好ましくは合成石英)を用いて、基板45
0に絶縁層457として、酸化シリコン層を成膜する。なお、スパッタガスとして酸素又
は、酸素及びアルゴンの混合ガスを用いて行う。
として用い、基板温度108℃、基板とターゲットの間との距離(T−S間距離)を60
mm、圧力0.4Pa、高周波電源1.5kW、酸素及びアルゴン(酸素流量25scc
m:アルゴン流量25sccm=1:1)雰囲気下でRFスパッタリング法により酸化シ
リコン膜を成膜する。膜厚は100nmとする。なお、石英(好ましくは合成石英)に代
えてシリコンターゲットを酸化シリコン膜を成膜するためのターゲットとして用いること
ができる。
しい。絶縁層457に水素、水酸基、及び/又は水分が含まれないようにするためである
。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素分子や、水(H2O)など水
素原子を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜し絶縁層457に含まれる不
純物の濃度を低減できる。
の不純物が、1ppm以下、好ましくは、10ppb以下まで除去された高純度ガスを用
いることが好ましい。
化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウム層などの窒化物絶縁層と
、上記酸化物絶縁層との積層構造としてもよい。
ッタガスを導入しシリコンターゲットを用いて窒化シリコン層を成膜する。この場合にお
いても、酸化シリコン層と同様に、処理室内の残留水分を除去しつつ窒化シリコン層を成
膜することが好ましい。
u、Ta、Ti、Mo、Wからから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金
か、上述した元素を組み合わせた合金膜等が挙げられる。また、マンガン、マグネシウム
、ジルコニウム、ベリリウム、イットリウムのいずれか一または複数から選択された材料
を用いてもよい。また、導電膜は、単層構造でも、2層以上の積層構造としてもよい。例
えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層す
る2層構造、Ti膜と、そのTi膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さらにその上に
Ti膜を成膜する3層構造などが挙げられる。また、Alに、チタン(Ti)、タンタル
(Ta)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、Nd(ネオジム
)、Sc(スカンジウム)から選ばれた元素を単数、又は複数組み合わせた膜、合金膜、
もしくは窒化膜を用いてもよい。本実施の形態では導電膜としてスパッタリング法により
膜厚150nmのチタン膜を形成する。その後、第1のフォトリソグラフィ工程により導
電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行ってソース電極層又はドレイ
ン電極層465a1、465a2を形成した後、レジストマスクを除去する(図8(A)
参照。)。ソース電極層又はドレイン電極層465a1、465a2は断面図では分断さ
れて示されているが、図7(A)に示すように、一部が円環状の連続した膜である。なお
、形成されたソース電極層又はドレイン電極層465a1、465a2の端部はテーパ形
状であると、上に積層するゲート絶縁層の被覆性が向上するため好ましい。
体膜を成膜する。なお、適用する酸化物半導体材料により適切な厚みは異なり、材料に応
じて適宜厚みを選択すればよい。本実施の形態では、酸化物半導体膜としてIn−Ga−
Zn−O系酸化物半導体ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜する。
を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、ターゲットを用いて基板
450上に成膜する。処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用
いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーション
ポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラ
ップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、
水素分子、水(H2O)など水素原子を含む化合物(より好ましくは炭素原子を含む化合
物も)等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃
度を低減できる。また、酸化物半導体膜成膜時に基板を加熱してもよい。
どの不純物が、1ppm以下、好ましくは、10ppb以下まで除去された高純度ガスを
用いることが好ましい。
圧力0.4Pa、直流(DC)電源0.5kW、酸素及びアルゴン(酸素流量15scc
m:アルゴン流量30sccm)雰囲気下の条件が適用される。
2に加工する(図8(B)参照。)。本実施の形態では、エッチング液として燐酸と酢酸
と硝酸を混ぜた溶液を用いたウェットエッチング法により、酸化物半導体膜を島状の酸化
物半導体層462に加工する。
温度は、400℃以上750℃以下とし、基板450の歪み点が750℃以下の場合には
400℃以上基板の歪み点未満とする。ここでは、加熱処理装置の一つである電気炉に基
板を導入し、酸化物半導体層に対して窒素雰囲気下450℃において1時間の加熱処理を
行った後、大気に触れることなく、室温まで温度を下げ、酸化物半導体層への水や水素の
混入を防ぎ、酸化物半導体層を得る。この第1の加熱処理によって酸化物半導体層462
の脱水化及び/または脱水素化を行うことができる。
輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、GRTA(Gas
Rapid Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid
Thermal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal An
neal)装置を用いることができる。例えば、第1の加熱処理として、650℃〜70
0℃の高温に加熱した不活性ガス中に基板を移動させて入れ、数分間加熱した後、基板を
移動させて高温に加熱した不活性ガス中から出すGRTAを行ってもよい。GRTAを用
いると短時間での高温加熱処理が可能となる。
に、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する窒素、
またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、6N(99.9999%)以上
、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち不純物濃度を1ppm以下、好ま
しくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。
晶化し、微結晶膜または多結晶膜となる場合もある。
半導体膜に行うこともできる。その場合には、第1の加熱処理後に、加熱装置から基板を
取り出し、フォトリソグラフィ工程を行う。
加熱処理は、酸化物半導体層462の形成直後におこなう例を示したが、酸化物半導体層
成膜後であれば、酸化物半導体層上にさらにソース電極層又はドレイン電極層465bを
積層させた後、ソース電極層又はドレイン電極層465b上にゲート絶縁層452を形成
した後、のいずれで行っても良い。
ソグラフィ工程により導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行って
ソース電極層又はドレイン電極層465b、配線層468を形成した後、レジストマスク
を除去する(図8(C)参照。)。ソース電極層又はドレイン電極層465b、配線層4
68はソース電極層又はドレイン電極層465a1、465a2と同様な材料及び工程で
形成すればよい。
タリング法により膜厚150nmのチタン膜を形成する。本実施の形態では、ソース電極
層又はドレイン電極層465a1、465a2とソース電極層又はドレイン電極層465
bに同じチタン膜を用いる例のため、ソース電極層又はドレイン電極層465a1、46
5a2とソース電極層又はドレイン電極層465bとはエッチングにおいて選択比がとれ
ない。よって、ソース電極層又はドレイン電極層465a1、465a2が、ソース電極
層又はドレイン電極層465bのエッチング時にエッチングされないように、酸化物半導
体層462に覆われないソース電極層又はドレイン電極層465a2上に配線層468を
設けている。ソース電極層又はドレイン電極層465a1、465a2とソース電極層又
はドレイン電極層465bとにエッチング工程において高い選択比を有する異なる材料を
用いる場合には、エッチング時にソース電極層又はドレイン電極層465a2を保護する
配線層468は必ずしも設けなくてもよい。
もある。酸化物半導体層462が必要以上に除去されないようにそれぞれの材料及びエッ
チング条件を適宜調節する。
−Zn−O系酸化物半導体を用いているので、エッチャントとしてアンモニア過水(31
重量%過酸化水素水:28重量%アンモニア水:水=5:2:2)を用いる。
グされ、溝部(凹部)を有する酸化物半導体層となることもある。また、ソース電極層又
はドレイン電極層465b、配線層468を形成するためのレジストマスクをインクジェ
ット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスク
を使用しないため、製造コストを低減できる。
a1、465a2、ソース電極層又はドレイン電極層465b上にゲート絶縁層452を
形成する。
ン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、又は酸化アルミニウ
ム層を単層で又は積層して形成することができる。なお、ゲート絶縁層452中に水素が
極力含まれないようにするためには、スパッタリング法でゲート絶縁層452を成膜する
ことが好ましい。スパッタリング法により酸化シリコン膜を成膜する場合には、ターゲッ
トとしてシリコンターゲット又は石英ターゲットを用い、スパッタガスとして酸素又は、
酸素及びアルゴンの混合ガスを用いて行う。
ス電極層又はドレイン電極層465b側から酸化シリコン層と窒化シリコン層を積層した
構造とすることもできる。本実施の形態では、圧力0.4Pa、高周波電源1.5kW、
酸素及びアルゴン(酸素流量25sccm:アルゴン流量25sccm=1:1)雰囲気
下でRFスパッタリング法により膜厚100nmの酸化シリコン層を形成する。
ングを行ってゲート絶縁層452の一部を除去して、配線層438に達する開口423を
形成する(図8(D)参照。)。図示しないが開口423の形成時にソース電極層又はド
レイン電極層465bに達する開口を形成してもよい。本実施の形態では、ソース電極層
又はドレイン電極層465bへの開口はさらに層間絶縁層を積層した後に形成し、電気的
に接続する配線層を開口に形成する例とする。
グラフィ工程によりゲート電極層461(461a、461b)、配線層464を形成す
る。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをイン
クジェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウ
ム等の金属材料又はこれらを主成分とする合金材料を用いて、単層で又は積層して形成す
ることができる。
ッタリング法により膜厚150nmのチタン膜を形成する。図8(E)では、ゲート電極
層461(461a、461b)は離れたように示されているが、図7(A)で示される
ように、ソース電極層又はドレイン電極層465a1、465a2とソース電極層又はド
レイン電極層465bの間に円環状に生じる空隙部分に重なるように、形成される。
00℃以上400℃以下、例えば250℃以上350℃以下)を行う。本実施の形態では
、窒素雰囲気下で250℃、1時間の第2の加熱処理を行う。また、第2の加熱処理は、
薄膜トランジスタ460上に保護絶縁層や平坦化絶縁層を形成してから行ってもよい。
てもよい。この加熱処理は一定の加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、10
0℃以上200℃の加熱温度への昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回くりかえ
して行ってもよい。また、この加熱処理を、酸化物絶縁層の形成前に、減圧下で行っても
よい。減圧下で加熱処理を行うと、加熱時間を短縮することができる。
2を有する薄膜トランジスタ460を作製することができる(図8(E)参照。)。薄膜
トランジスタ460は、実施の形態1の画素部1008の各画素に用いる薄膜トランジス
タに用いることができる。
もよい。なお、図示しないが、ゲート絶縁層452、保護絶縁層や平坦化絶縁層にソース
電極層又はドレイン電極層465bに達する開口を形成し、その開口に、ソース電極層又
はドレイン電極層465bと電気的に接続する配線層を形成する。
で、該酸化物半導体膜中の水素及び水素化物の濃度を低減することができる。それにより
酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。
を構成する複数の画素において、オフ電流を低減することができる。そのため、保持容量
で電圧を保持できる期間を長く取ることができ、静止画等を表示する際の低消費電力化を
図ることができる液晶表示装置とすることができる。また静止画の表示をする際制御信号
を停止することにより低消費電力化を図ることができる。また静止画と動画像との切り替
えを誤動作なく行うことができる。本実施の形態ではチャネルを円形とし、また、ソース
電極層とドレイン電極層とを異なる層を用いて形成することによって、チャネル長を短く
、かつ、チャネル幅をより大きくできる。このように、比較的、狭い面積でもチャネル幅
の大きな薄膜トランジスタを形成できるので、大きな電流のスイッチングができる。また
、チャネル幅は大きいが、高純度化した酸化物半導体を使用しているので、オフ電流が極
めて小さいという特徴を有する。
である。
本実施の形態の薄膜トランジスタを、図9を用いて説明する。本実施の形態は、本明細書
で開示する液晶表示装置に適用できる薄膜トランジスタの他の例を示す。なお、実施の形
態2と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程は、実施の形態2と同様とすれば
よく、その繰り返しの説明は省略する。また同じ箇所の詳細な説明も省略する。本実施の
形態で示す薄膜トランジスタ425、426は、実施の形態1の画素部1008の各画素
に用いる薄膜トランジスタに用いることができる。
薄膜トランジスタ425、426は、酸化物半導体層を導電層とゲート電極層とで挟んだ
構造の薄膜トランジスタの一つである。
0上に設けられた絶縁層422上に薄膜トランジスタ425、426がそれぞれ設けられ
ている。
の間に少なくとも酸化物半導体層412全体と重なるように導電層427が設けられてい
る。
うにエッチングにより加工され、酸化物半導体層412の少なくともチャネル領域を含む
一部と重なる例である。
く、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、ク
ロム(Cr)、Nd(ネオジム)、スカンジウム(Sc)から選ばれた元素、または上述
した元素を成分とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金膜、または上述した元素
を成分とする窒化物などを用いることができる。また、単層構造でも積層構造でもよく、
例えばタングステン層単層、又は窒化タングステン層とタングステン層との積層構造など
を用いることができる。
411と同じでもよいし、異なっていても良く、第2のゲート電極層として機能させるこ
ともできる。また、導電層427、424の電位がGND、0Vという固定電位であって
もよい。
ことができる。
本実施の形態は、本明細書で開示する液晶表示装置に適用できる薄膜トランジスタの例を
示す。
用いて説明する。
(E)に示す薄膜トランジスタ390は、ボトムゲート構造の一つであり逆スタガ型薄膜
トランジスタともいう。
るが、必要に応じて、チャネル形成領域を複数有するマルチゲート構造の薄膜トランジス
タも作製することができる。
る工程を説明する。
工程によりゲート電極層391を形成する。形成されたゲート電極層の端部はテーパ形状
であると、上に積層するゲート絶縁層の被覆性が向上するため好ましい。なお、レジスト
マスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成
するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
とも、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。
には、歪み点が730℃以上のものを用いると良い。また、ガラス基板には、例えば、ア
ルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどの
ガラス材料が用いられている。なお、酸化ホウ酸と比較して酸化バリウム(BaO)を多
く含ませることで、より実用的な耐熱ガラスが得られる。このため、B2O3よりBaO
を多く含むガラス基板を用いることが好ましい
ァイア基板などの絶縁体でなる基板を用いても良い。他にも、結晶化ガラス基板などを用
いることができる。また、プラスチック基板等も適宜用いることができる。
、基板394からの不純物元素の拡散を防止する機能があり、窒化シリコン膜、酸化シリ
コン膜、窒化酸化シリコン膜、又は酸化窒化シリコン膜から選ばれた一又は複数の膜によ
る積層構造により形成することができる。
テン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを主成分とす
る合金材料を用いて、単層で又は積層して形成することができる。
層が積層された2層の積層構造、銅層上にモリブデン層を積層した2層構造、銅層上に窒
化チタン層若しくは窒化タンタルを積層した2層構造、窒化チタン層とモリブデン層とを
積層した2層構造、又は窒化タングステン層とタングステン層とを積層した2層構造とす
ることが好ましい。3層の積層構造としては、タングステン層または窒化タングステンと
、アルミニウムとシリコンの合金またはアルミニウムとチタンの合金と、窒化チタンまた
はチタン層とを積層した積層とすることが好ましい。なお、透光性を有する導電膜を用い
てゲート電極層を形成することもできる。透光性を有する導電膜としては、透光性導電性
酸化物等をその例に挙げることができる。
ン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、又は酸化アルミニウ
ム層を単層で又は積層して形成することができる。なお、ゲート絶縁層397中に水素が
極力含まれないようにするためには、スパッタリング法でゲート絶縁層397を成膜する
ことが好ましい。スパッタリング法により酸化シリコン膜を成膜する場合には、ターゲッ
トとしてシリコンターゲット又は石英ターゲットを用い、スパッタガスとして酸素又は、
酸素及びアルゴンの混合ガスを用いて行う。
層した構造とすることもできる。例えば、第1のゲート絶縁層としてスパッタリング法に
より膜厚50nm以上200nm以下の窒化シリコン層(SiNy(y>0))を形成し
、第1のゲート絶縁層上に第2のゲート絶縁層として膜厚5nm以上300nm以下の酸
化シリコン層(SiOx(x>0))を積層して、例えば、膜厚100nmのゲート絶縁
層とする。
まれないようにするために、成膜の前処理として、スパッタリング装置の予備加熱室でゲ
ート電極層391が形成された基板394、又はゲート絶縁層397までが形成された基
板394を予備加熱し、基板394に吸着した水素、水分などの不純物を脱離し排気する
ことが好ましい。なお、予備加熱の温度としては、100℃以上400℃以下好ましくは
150℃以上300℃以下である。なお、予備加熱室に設ける排気手段はクライオポンプ
が好ましい。なお、この予備加熱の処理は省略することもできる。またこの予備加熱は、
酸化物絶縁層396の成膜前であれば、図10(C)に示すソース電極層395a及びド
レイン電極層395bまで形成した基板394にも同様に行ってもよい。
上30nm以下の酸化物半導体膜393をスパッタリング法により成膜する(図10(A
)参照。)。
入してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、ゲート絶縁層397の表面に付着してい
るゴミを除去することが好ましい。逆スパッタとは、ターゲット側に電圧を印加せずに、
アルゴン雰囲気下で基板側にRF電源を用いて電圧を印加して基板付近にプラズマを形成
して表面を改質する方法である。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素な
どを用いてもよい。
l−Zn−O系、Sn−Ga−Zn−O系、Al−Ga−Zn−O系、Sn−Al−Zn
−O系、In−Zn−O系、Sn−Zn−O系、Al−Zn−O系、In−O系、Sn−
O系、Zn−O系の酸化物半導体膜を用いる。本実施の形態では、酸化物半導体膜393
をIn−Ga−Zn−O系酸化物半導体ターゲットを用いてスパッタリング法により成膜
する。具体的には、組成比として、In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:1[mo
l%](すなわち、In:Ga:Zn=1:1:0.5[atom%])を用いる。他に
も、In:Ga:Zn=1:1:1[atom%]、又はIn:Ga:Zn=1:1:2
[atom%]の組成比を有するターゲットを用いることもできる。なお、酸化物半導体
ターゲットの充填率は90%以上100%以下、好ましくは95%以上99.9%以下で
ある。充填率の高い酸化物半導体ターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体
膜は緻密な膜となる。また、酸化物半導体膜393は、希ガス(代表的にはアルゴン)雰
囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガス(代表的にはアルゴン)及び酸素雰囲気下においてス
パッタリング法により形成することができる。また、ターゲットには、SiO2を2重量
%以上10重量%以下含むターゲットを用いて成膜を行ってもよい。
熱する。そして、処理室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガ
スを導入し、上記ターゲットを用いて基板394上に酸化物半導体膜393を成膜する。
処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。
例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが
好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであ
ってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素分子、水(H2O
)など水素原子を含む化合物(より好ましくは炭素原子を含む化合物も)等が排気される
ため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。また
、クライオポンプにより処理室内に残留する水分を除去しながらスパッタ成膜を行うこと
で、酸化物半導体膜393を成膜する際の基板温度は室温から400℃未満とすることが
できる。
、直流(DC)電源0.5kW、酸素(酸素流量比率100%)雰囲気下の条件が適用さ
れる。なお、パルス直流(DC)電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質(パーティ
クル、ゴミともいう)が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。
流電源を用いるDCスパッタリング法、さらにパルス的にバイアスを与えるパルスDCス
パッタリング法がある。RFスパッタリング法は主に絶縁膜を成膜する場合に用いられ、
DCスパッタリング法は主に金属膜を成膜する場合に用いられる。
スパッタ装置は、同一チャンバーで異なる材料膜を積層成膜することも、同一チャンバー
で複数種類の材料を同時に放電させて成膜することもできる。
タ装置や、グロー放電を使わずマイクロ波を用いて発生させたプラズマを用いるECRス
パッタリング法を用いるスパッタ装置を用いてもよい。
ス成分とを化学反応させてそれらの化合物薄膜を形成するリアクティブスパッタリング法
や、成膜中に基板にも電圧をかけるバイアススパッタリング法を用いてもよい。
99に加工する(図10(B)参照。)。また、島状の酸化物半導体層399を形成する
ためのレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジ
ェット法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
層399の形成時に行うことができる。
ッチングでもよく、両方を用いてもよい。
ば塩素(Cl2)、塩化硼素(BCl3)、塩化珪素(SiCl4)、四塩化炭素(CC
l4)など)が好ましい。
6)、弗化窒素(NF3)、トリフルオロメタン(CHF3)など)、臭化水素(HBr
)、酸素(O2)、これらのガスにヘリウム(He)やアルゴン(Ar)などの希ガスを
添加したガス、などを用いることができる。
ing)法や、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導
結合型プラズマ)エッチング法を用いることができる。所望の加工形状にエッチングでき
るように、エッチング条件(コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加さ
れる電力量、基板側の電極温度等)を適宜調節する。
ンモニア過水(31重量%過酸化水素水:28重量%アンモニア水:水=5:2:2)な
どを用いることができる。また、ITO07N(関東化学社製)を用いてもよい。
て除去される。その除去された材料を含むエッチング液の廃液を精製し、含まれる材料を
再利用してもよい。当該エッチング後の廃液から酸化物半導体に含まれるインジウム等の
材料を回収して再利用することにより、資源を有効活用し低コスト化することができる。
液、エッチング時間、温度等)を適宜調節する。
ト絶縁層397の表面に付着しているレジスト残渣などを除去することが好ましい。
膜をスパッタリング法や真空蒸着法で形成すればよい。導電膜の材料としては、Al、C
r、Cu、Ta、Ti、Mo、Wからから選ばれた元素、または上述した元素を成分とす
る合金か、上述した元素を組み合わせた合金膜等が挙げられる。また、マンガン、マグネ
シウム、ジルコニウム、ベリリウム、イットリウムのいずれか一または複数から選択され
た材料を用いてもよい。また、金属導電膜は、単層構造でも、2層以上の積層構造として
もよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン
膜を積層する2層構造、Ti膜と、そのTi膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さら
にその上にTi膜を成膜する3層構造などが挙げられる。また、Alに、チタン(Ti)
、タンタル(Ta)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、Nd
(ネオジム)、Sc(スカンジウム)から選ばれた元素を単数、又は複数組み合わせた膜
、合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
チングを行ってソース電極層395a、ドレイン電極層395bを形成した後、レジスト
マスクを除去する(図10(C)参照。)。
ーザ光やArFレーザ光を用いる。酸化物半導体層399上で隣り合うソース電極層の下
端部とドレイン電極層の下端部との間隔幅によって後に形成される薄膜トランジスタのチ
ャネル長Lが決定される。なお、チャネル長L=25nm未満の露光を行う場合には、数
nm〜数10nmと極めて波長が短い超紫外線(Extreme Ultraviole
t)を用いて第3のフォトリソグラフィ工程でのレジストマスク形成時の露光を行う。超
紫外線による露光は、解像度が高く焦点深度も大きい。従って、後に形成される薄膜トラ
ンジスタのチャネル長Lを10nm以上1000nm以下とすることも可能であり、回路
の動作速度を高速化でき、さらにオフ電流値が極めて小さいため、低消費電力化も図るこ
とができる。
の材料及びエッチング条件を適宜調節する。
−Zn−O系酸化物半導体を用いたので、エッチャントとしてアンモニア過水(アンモニ
ア、水、過酸化水素水の混合液)を用いる。
グされ、溝部(凹部)を有する酸化物半導体層となることもある。また、ソース電極層3
95a、ドレイン電極層395bを形成するためのレジストマスクをインクジェット法で
形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用し
ないため、製造コストを低減できる。
した光が複数の強度となる露光マスクである多階調マスクによって形成されたレジストマ
スクを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマ
スクは複数の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことでさらに形状を変形するこ
とができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができる
。よって、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応
するレジストマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減することができ
、対応するフォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。
ラズマ処理によって露出している酸化物半導体層399の表面に付着した吸着水などを除
去してもよい。また、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ処理を行ってもよい。
396を形成する(図10(D)参照。)。前記プラズマ処理を行った場合は、プラズマ
処理後に酸化物半導体層399を大気にさらすことなく、連続して酸化物絶縁層396を
形成してもよい。なお、本実施の形態では、酸化物半導体層399がソース電極層395
a、ドレイン電極層395bと重ならない領域において、酸化物半導体層399と酸化物
絶縁層396とが接するように形成する。
層395bまで形成された基板394を室温又は100℃未満の温度に加熱し、水素及び
水分が除去された高純度酸素を含むスパッタガスを導入しシリコン半導体のターゲットを
用いて、欠陥を含む酸化シリコン層を成膜し、酸化物絶縁層396とする。
Ωcm)を用い、基板とターゲットの間との距離(T−S間距離)を89mm、圧力0.
4Pa、直流(DC)電源6kW、酸素(酸素流量比率100%)雰囲気下でパルスDC
スパッタリング法により成膜する。膜厚は300nmとする。なお、シリコンターゲット
に代えて石英(好ましくは合成石英)を酸化シリコン膜を成膜するためのターゲットとし
て用いることができる。なお、スパッタガスとして酸素又は、酸素及びアルゴンの混合ガ
スを用いて行う。
が好ましい。酸化物半導体層399及び酸化物絶縁層396に水素、水酸基、及び/又は
水分が含まれないようにするためである。
例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが
好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであ
ってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素分子や、水(H2
O)など水素原子を含む化合物を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜した
酸化物絶縁層396に含まれる不純物の濃度を低減できる。
アルミニウム層、または酸化窒化アルミニウム層などを用いることもできる。
接した状態で100℃乃至400℃で加熱処理を行ってもよい。本実施の形態における酸
化物絶縁層396は欠陥を多く含むため、この加熱処理によって酸化物半導体層399中
に含まれる水素、水分、水酸基又は水素化物などの不純物を酸化物絶縁層396に拡散さ
せ、酸化物半導体層399中に含まれる該不純物をより低減させることができる。
体層392を有する薄膜トランジスタ390を形成することができる(図10(E)参照
。)。
で、該酸化物半導体膜中の水素及び水素化物の濃度を低減することができる。それにより
酸化物半導体膜の安定化を図ることができる。
化物絶縁層396上に形成する。保護絶縁層398としては、窒化シリコン膜、窒化酸化
シリコン膜、窒化アルミニウム膜、又は窒化酸化アルミニウム膜などを用いる。
00℃の温度に加熱し、水素及び水分が除去された高純度窒素を含むスパッタガスを導入
しシリコン半導体のターゲットを用いて窒化シリコン膜を成膜する。この場合においても
、酸化物絶縁層396と同様に、処理室内の残留水分を除去しつつ保護絶縁層398を成
膜することが好ましい。
板394を加熱することで、酸化物半導体層中に含まれる水素、及び/または水分を酸化
物絶縁層に拡散させることができる。この場合上記酸化物絶縁層396の形成後に加熱処
理を行わなくてもよい。
ン層を積層する場合、酸化シリコン層と窒化シリコン層を同じ処理室において、共通のシ
リコンターゲットを用いて成膜することができる。先に酸素を含むエッチングガスを導入
して、処理室内に装着されたシリコンターゲットを用いて酸化シリコン層を形成し、次に
エッチングガスを窒素を含むエッチングガスに切り替えて同じシリコンターゲットを用い
て窒化シリコン層を成膜する。酸化シリコン層と窒化シリコン層とを大気に曝露せずに連
続して形成することができるため、酸化シリコン層表面に水素や水分などの不純物が吸着
することを防止することができる。この場合、酸化物絶縁層396として酸化シリコン層
を形成し、保護絶縁層398として窒化シリコン層を積層した後、酸化物半導体層中に含
まれる水素若しくは水分を酸化物絶縁層に拡散させるための加熱処理(温度100℃乃至
400℃)を行うとよい。
下での加熱処理を行ってもよい。この加熱処理は一定の加熱温度を保持して加熱してもよ
いし、室温から、100℃以上200℃の加熱温度への昇温と、加熱温度から室温までの
降温を複数回くりかえして行ってもよい。また、この加熱処理を、酸化物絶縁層の形成前
に、減圧下で行ってもよい。減圧下で加熱処理を行うと、加熱時間を短縮することができ
る。この加熱処理によって、ノーマリーオフ(nチャネル型トランジスタの場合、しきい
値電圧が正の値となること)となる薄膜トランジスタを得ることができる。よって液晶表
示装置の信頼性を向上できる。
雰囲気中の残留水分を除去することで、該酸化物半導体層中の水素及び水素化物の濃度を
低減することができる。
た表示装置などのバックプレーン(薄膜トランジスタが形成された基板)の製造に用いる
ことができる。上記の工程は、400℃以下の温度で行われるため、厚さが1mm以下で
、一辺が1mを超えるガラス基板を用いる製造工程にも適用することができる。また、4
00℃以下の処理温度で全ての工程を行うことができるので、表示パネルを製造するため
に多大なエネルギーを消費しないで済む。
電流を低減することができる。そのため、このような薄膜トランジスタを液晶表示装置の
表示部を構成する複数の画素に用いることによって、保持容量で電圧を保持できる期間を
長く取ることができ、静止画等を表示する際の低消費電力化を図ることができる液晶表示
装置とすることができる。また静止画の表示をする際制御信号を停止することにより低消
費電力化を図ることができる。また静止画と動画像との切り替えを誤動作なく行うことが
できる。
である。
本実施の形態の薄膜トランジスタ及び薄膜トランジスタの作製方法の一形態を図11を用
いて説明する。
例を示す。本実施の形態で示す薄膜トランジスタ310は、実施の形態1の画素部100
8の各画素に用いる薄膜トランジスタに用いることができる。
(E)に示す薄膜トランジスタ310は、ボトムゲート構造の一つであり逆スタガ型薄膜
トランジスタともいう。
たが、必要に応じて、チャネル形成領域を複数有するマルチゲート構造の薄膜トランジス
タも形成することができる。
る工程を説明する。
工程によりゲート電極層311を形成する。なお、レジストマスクをインクジェット法で
形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用し
ないため、製造コストを低減できる。
とも、後の加熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。
には、歪み点が730℃以上のものを用いると良い。ガラス基板には、例えば、アルミノ
シリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス
材料が用いられている。なお、酸化ホウ酸と比較して酸化バリウム(BaO)を多く含ま
せることで、より実用的な耐熱ガラスが得られる。このため、B2O3よりBaOを多く
含むガラス基板を用いることが好ましい
ァイア基板などの絶縁体でなる基板を用いても良い。他にも、結晶化ガラス基板などを用
いることができる。
、基板300からの不純物元素の拡散を防止する機能があり、窒化珪素膜、酸化珪素膜、
窒化酸化珪素膜、又は酸化窒化珪素膜から選ばれた一又は複数の膜による積層構造により
形成することができる。
テン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを主成分とす
る合金材料を用いて、単層で又は積層して形成することができる。
層が積層された2層の積層構造、銅層上にモリブデン層を積層した2層の積層構造、銅層
上に窒化チタン層若しくは窒化タンタルを積層した2層の積層構造、窒化チタン層とモリ
ブデン層とを積層した2層の積層構造、又は窒化タングステン層とタングステン層との2
層の積層構造とすることが好ましい。3層の積層構造としては、タングステン層または窒
化タングステンと、アルミニウムと珪素の合金またはアルミニウムとチタンの合金と、窒
化チタンまたはチタン層とを積層した積層とすることが好ましい。
、窒化珪素層、酸化窒化珪素層、窒化酸化珪素層、又は酸化アルミニウム層を単層で又は
積層して形成することができる。例えば、成膜ガスとして、SiH4、酸素及び窒素を用
いてプラズマCVD法により酸化窒化珪素層を形成すればよい。ゲート絶縁層302の膜
厚は、100nm以上500nm以下とし、積層の場合は、例えば、膜厚50nm以上2
00nm以下の第1のゲート絶縁層と、第1のゲート絶縁層上に膜厚5nm以上300n
m以下の第2のゲート絶縁層の積層とする。
下の酸化窒化珪素層を形成する。
上30nm以下の酸化物半導体膜330をスパッタ法により形成する。なお、適用する酸
化物半導体材料により適切な厚みは異なり、材料に応じて適宜厚みを選択すればよい。こ
の段階での断面図が図11(A)に相当する。
プラズマを発生させる逆スパッタを行い、ゲート絶縁層302の表面に付着しているゴミ
を除去することが好ましい。なお、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素などを
用いてもよい。
l−Zn−O系、Sn−Ga−Zn−O系、Al−Ga−Zn−O系、Sn−Al−Zn
−O系、In−Zn−O系、Sn−Zn−O系、Al−Zn−O系、In−O系、Sn−
O系、Zn−O系の酸化物半導体膜を用いる。本実施の形態では、酸化物半導体膜330
としてIn−Ga−Zn−O系酸化物半導体ターゲットを用いてスパッタ法により成膜す
る。具体的には、組成比として、In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:1[mol
%](すなわち、In:Ga:Zn=1:1:0.5[atom%])を用いる。他にも
、In:Ga:Zn=1:1:1[atom%]、又はIn:Ga:Zn=1:1:2[
atom%]の組成比を有するターゲットを用いることもできる。なお、酸化物半導体タ
ーゲットの充填率は90%以上100%以下、好ましくは95%以上99.9%以下であ
る。充填率の高い酸化物半導体ターゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体膜
は緻密な膜となる。また、ターゲットには、SiO2を2重量%以上10重量%以下含ま
せてもよい。
スパッタリングの雰囲気は希ガス(代表的にはアルゴン)、酸素、あるいは希ガスと酸素
の混合雰囲気とすればよい。
化物などの不純物が、1ppm以下、好ましくは、10ppb以下まで除去された高純度
ガスを用いることが好ましい。
以上600℃以下好ましくは200℃以上400℃以下でおこなう。基板を加熱しながら
成膜することにより、成膜した酸化物半導体膜に含まれる不純物濃度を低減することがで
きる。また、スパッタリングによる損傷が軽減される。そして、処理室内の残留水分を除
去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、上記ターゲットを用いて基板
300上に酸化物半導体膜330を成膜する。処理室内の残留水分を除去するためには、
吸着型の真空ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、
チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ター
ボポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気
した成膜室は、例えば、水素分子、水(H2O)など水素原子を含む化合物(より好まし
くは炭素原子を含む化合物も)等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体
膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。
、直流(DC)電源0.5kW、酸素(酸素流量比率100%)雰囲気下の条件が適用さ
れる。なお、パルス直流(DC)電源を用いると、成膜時に発生する粉状物質(パーティ
クル、ゴミともいう)が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。
体層331に加工する。また、島状の酸化物半導体層を形成するためのレジストマスクを
インクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフ
ォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
化物半導体層331の脱水化及び/または脱水素化を行うことができる。第1の加熱処理
の温度は、400℃以上750℃以下、好ましくは400℃以上基板の歪み点未満とする
。ここでは、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体層に対して
窒素雰囲気下450℃において1時間の加熱処理を行った後、大気に触れることなく、室
温まで温度を下げ、酸化物半導体層への水や水素の混入を防ぎ、酸化物半導体層331を
得る(図11(B)参照。)。
輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、GRTA(Gas
Rapid Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid
Thermal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal An
neal)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライ
ドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧
水銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置
である。GRTA装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体には、ア
ルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活
性気体が用いられる。
板を移動させて入れ、数分間加熱した後、基板を移動させて高温に加熱した不活性ガス中
から出すGRTAを行ってもよい。GRTAを用いると短時間での高温加熱処理が可能と
なる。
に、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する窒素、
またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、6N(99.9999%)以上
、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち不純物濃度を1ppm以下、好ま
しくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。
同時に酸素欠損も生じるので、n型の半導体(低抵抗化した半導体)となる。また、酸化
物半導体層331は、第1の加熱処理の条件、またはその材料によっては、結晶化し、微
結晶膜または多結晶膜となる場合もある。例えば、結晶化率が90%以上、または80%
以上の微結晶の酸化物半導体膜となる場合もある。また、酸化物半導体層331は、第1
の加熱処理の条件、またはその材料によっては、結晶成分を含まない非晶質の酸化物半導
体膜となる場合もある。また、非晶質の酸化物半導体の中に微結晶部(粒径1nm以上2
0nm以下(代表的には2nm以上4nm以下))が混在する酸化物半導体膜となる場合
もある。
半導体膜330に行うこともできる。その場合には、第1の加熱処理後に、加熱装置から
基板を取り出し、フォトリソグラフィ工程を行う。
物半導体層成膜後、酸化物半導体層上にソース電極及びドレイン電極を積層させた後、ソ
ース電極及びドレイン電極上に保護絶縁膜を形成した後、のいずれで行っても良い。
膜330あるいは酸化物半導体層331に脱水化及び/または脱水素化処理を行う前でも
行った後に行ってもよい。
エッチングを用いてもよい。
液、エッチング時間、温度等)を適宜調節する。
膜はスパッタ法や真空蒸着法で形成すればよい。導電膜の材料としては、Al、Cr、C
u、Ta、Ti、Mo、Wからから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金
か、上述した元素を組み合わせた合金膜等が挙げられる。また、マンガン、マグネシウム
、ジルコニウム、ベリリウム、イットリウムのいずれか一または複数から選択された材料
を用いてもよい。また、導電膜は、単層構造でも、2層以上の積層構造としてもよい。例
えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層す
る2層構造、Ti膜と、そのTi膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さらにその上に
Ti膜を成膜する3層構造などが挙げられる。また、Alに、チタン(Ti)、タンタル
(Ta)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、Nd(ネオジム
)、Sc(スカンジウム)から選ばれた元素を単数、又は複数組み合わせた膜、合金膜、
もしくは窒化膜を用いてもよい。
ることが好ましい。
にエッチングを行ってソース電極層315a、ドレイン電極層315bを形成した後、レ
ジストマスクを除去する(図11(C)参照。)。
ーザ光やArFレーザ光を用いるとよい。酸化物半導体層331上で隣り合うソース電極
層の下端部とドレイン電極層の下端部との間隔幅によって後に形成される薄膜トランジス
タのチャネル長Lが決定される。なお、チャネル長L=25nm未満の露光を行う場合に
は、数nm〜数10nmと極めて波長が短い超紫外線(Extreme Ultravi
olet)を用いて第3のフォトリソグラフィ工程でのレジストマスク形成時の露光を行
う。超紫外線による露光は、解像度が高く焦点深度も大きい。従って、後に形成される薄
膜トランジスタのチャネル長Lを10nm以上1000nm以下とすることも可能であり
、回路の動作速度を高速化でき、さらにオフ電流値が極めて小さいため、低消費電力化も
図ることができる。
の材料及びエッチング条件を適宜調節する。
−Zn−O系酸化物半導体を用いたので、エッチャントとしてアンモニア過水(アンモニ
ア、水、過酸化水素水の混合液)を用いる。
グされ、溝部(凹部)を有する酸化物半導体層となることもある。また、ソース電極層3
15a、ドレイン電極層315bを形成するためのレジストマスクをインクジェット法で
形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用し
ないため、製造コストを低減できる。
てもよい。酸化物導電層とソース電極層及びドレイン電極層を形成するための金属層は、
連続成膜が可能である。酸化物導電層はソース領域及びドレイン領域として機能しうる。
ドレイン電極層との間に設けることで、ソース領域及びドレイン領域の低抵抗化を図るこ
とができ、トランジスタの高速動作をすることができる。
した光が複数の強度となる露光マスクである多階調マスクによって形成されたレジストマ
スクを用いてエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマ
スクは複数の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことでさらに形状を変形するこ
とができるため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができる
。よって、一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応
するレジストマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減することができ
、対応するフォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。
マ処理によって露出している酸化物半導体層の表面に付着した吸着水などを除去する。ま
た、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ処理を行ってもよい。
縁膜となる酸化物絶縁層316を形成する。
層316に水、水素等の不純物を混入させない方法を適宜用いて形成することができる。
酸化物絶縁層316に水素が含まれると、その水素の酸化物半導体層への侵入、又は水素
による酸化物半導体層中の酸素の引き抜き、が生じ酸化物半導体層のバックチャネルがN
型化(低抵抗化)してしまい、寄生チャネルが形成されるおそれがある。よって、酸化物
絶縁層316はできるだけ水素を含まない膜になるように、成膜方法に水素を用いないこ
とが重要である。
を用いて成膜する。成膜時の基板温度は、室温以上300℃以下とすればよく、本実施の
形態では100℃とする。酸化珪素膜のスパッタ法による成膜は、希ガス(代表的にはア
ルゴン)雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガスと酸素の混合雰囲気下において行うこと
ができる。また、ターゲットとして酸化珪素ターゲットまたは珪素ターゲットを用いるこ
とができる。例えば、珪素ターゲットを用いて、酸素、及び窒素雰囲気下でスパッタ法に
より酸化珪素を成膜することができる。低抵抗化した酸化物半導体層に接して形成する酸
化物絶縁層316は、水分や、水素イオンや、OH−などの不純物を含まず、これらが外
部から侵入することをブロックする無機絶縁膜を用い、代表的には酸化シリコン膜、酸化
窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、または酸化窒化アルミニウム膜などを用いる。
が好ましい。酸化物半導体層331及び酸化物絶縁層316に水素、水酸基、及び/又は
水分が含まれないようにするためである。
例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが
好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであ
ってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素分子や、水(H2
O)など水素原子を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物絶縁層
316に含まれる不純物の濃度を低減できる。
物などの不純物が、1ppm以下、好ましくは、10ppb以下まで除去された高純度ガ
スを用いることが好ましい。
00℃以上400℃以下、例えば250℃以上350℃以下)を行う。例えば、窒素雰囲
気下で250℃、1時間の第2の加熱処理を行う。第2の加熱処理を行うと、酸化物半導
体層の一部(チャネル形成領域)が酸化物絶縁層316と接した状態で加熱される。
水素化のための加熱処理を行ったため低抵抗化した酸化物半導体膜の一部を選択的に酸素
過剰な状態とする。その結果、ゲート電極層311と重なるチャネル形成領域313はI
型となり、ソース電極層315aに重なり、低抵抗な酸化物半導体よりなる高抵抗ソース
領域314aと、ドレイン電極層315bに重なり、低抵抗な酸化物半導体よりなる高抵
抗ドレイン領域314bとが自己整合的に形成される。以上の工程で薄膜トランジスタ3
10が形成される(図11(D)参照。)。
てもよい。本実施の形態では150℃で10時間加熱処理を行う。この加熱処理は一定の
加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、100℃以上200℃の加熱温度への
昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回くりかえして行ってもよい。また、この加
熱処理を、酸化物絶縁膜の形成前に、減圧下で行ってもよい。減圧下で加熱処理を行うと
、加熱時間を短縮することができる。この加熱処理によって、酸化物半導体層から酸化物
絶縁層中に水素がとりこまれ、ノーマリーオフとなる薄膜トランジスタを得ることができ
る。よって液晶表示装置の信頼性を向上できる。また、酸化物絶縁層に欠陥を多く含む酸
化シリコン層を用いると、この加熱処理によって酸化物半導体層中に含まれる水素、水分
、水酸基又は水素化物などの不純物を酸化物絶縁層に拡散させ、酸化物半導体層中に含ま
れる該不純物をより低減させる効果を奏する。
において高抵抗ドレイン領域314b(又は高抵抗ソース領域314a)を形成すること
により、薄膜トランジスタの信頼性の向上を図ることができる。具体的には、高抵抗ドレ
イン領域314bを形成することで、ドレイン電極層315bから高抵抗ドレイン領域3
14b、チャネル形成領域313にかけて、導電性を段階的に変化させうるような構造と
することができる。そのため、ドレイン電極層315bに高電源電位VDDを供給する配
線に接続して動作させる場合、ゲート電極層311とドレイン電極層315bとの間に高
電界が印加されても高抵抗ドレイン領域がバッファとなり局所的な高電界が印加されず、
トランジスタの耐圧を向上させた構成とすることができる。
体層の膜厚が15nm以下と薄い場合は膜厚方向全体にわたって形成されるが、酸化物半
導体層の膜厚が30nm以上50nm以下とより厚い場合は、酸化物半導体層の一部、ソ
ース電極層又はドレイン電極層と接する領域及びその近傍が低抵抗化し高抵抗ソース領域
又は高抵抗ドレイン領域が形成され、酸化物半導体層においてゲート絶縁膜に近い領域は
I型とすることもできる。
用いて窒化珪素膜を形成する。RFスパッタ法は、量産性がよいため、保護絶縁層の成膜
方法として好ましい。保護絶縁層は、水分や、水素イオンや、OH−などの不純物を含ま
ず、これらが外部から侵入することをブロックする無機絶縁膜を用い、窒化シリコン膜、
窒化アルミニウム膜、窒化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜などを用いる。本実
施の形態では、保護絶縁層として保護絶縁層303を、窒化シリコン膜を用いて形成する
(図11(E)参照。)。
00を100℃〜400℃の温度に加熱し、水素及び水分が除去された高純度窒素を含む
スパッタガスを導入しシリコン半導体のターゲットを用いて窒化シリコン膜を成膜する。
この場合においても、酸化物絶縁層316と同様に、処理室内の残留水分を除去しつつ保
護絶縁層303を成膜することが好ましい。
を構成する複数の画素において、オフ電流を低減することができる。そのため、保持容量
で電圧を保持できる期間を長く取ることができ、静止画等を表示する際の低消費電力化を
図ることができる液晶表示装置とすることができる。また静止画の表示をする際制御信号
を停止することにより低消費電力化を図ることができる。また静止画と動画像との切り替
えを誤動作なく行うことができる。
である。
本実施の形態の薄膜トランジスタ及び薄膜トランジスタの作製方法の一形態を、図12を
用いて説明する。
例を示す。本実施の形態で示す薄膜トランジスタ360は、実施の形態1の画素部100
8の各画素に用いる薄膜トランジスタに用いることができる。
至(D)に示す薄膜トランジスタ360は、チャネル保護型(チャネルストップ型ともい
う)と呼ばれるボトムゲート構造の一つであり逆スタガ型薄膜トランジスタともいう。
たが、必要に応じて、チャネル形成領域を複数有するマルチゲート構造の薄膜トランジス
タも形成することができる。
る工程を説明する。
工程によりレジストマスクを形成し、それを用いて、導電膜を選択的にエッチングして、
ゲート電極層361を形成する。その後、レジストマスクは除去する。なお、レジストマ
スクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成す
るとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
テン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料又はこれらを主成分とす
る合金材料を用いて、単層で又は積層して形成することができる。
下の酸化窒化珪素層を形成する。
成し、第2のフォトリソグラフィ工程により島状の酸化物半導体層に加工する。本実施の
形態では、酸化物半導体膜としてIn−Ga−Zn−O系酸化物半導体ターゲットを用い
てスパッタ法により成膜する。
ましい。酸化物半導体膜に水素、水酸基又は水分が含まれないようにするためである。
例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが
好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであ
ってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素分子や、水(H2
O)など水素原子を含む化合物を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜した
酸化物半導体膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。
どの不純物が、1ppm以下、好ましくは、10ppb以下まで除去された高純度ガスを
用いることが好ましい。
素化を行う第1の加熱処理の温度は、400℃以上750℃以下、好ましくは400℃以
上基板の歪み点未満とする。ここでは、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し
、酸化物半導体層に対して窒素雰囲気下450℃において1時間の加熱処理を行った後、
大気に触れることなく、酸化物半導体層への水や水素の混入を防ぎ、酸化物半導体層33
2を得る(図12(A)参照。)。
マ処理によって露出している酸化物半導体層の表面に付着した吸着水などを除去する。ま
た、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ処理を行ってもよい。
後、第3のフォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し、選択的にエッチング
を行って酸化物絶縁層366を形成した後、レジストマスクを除去する。
を用いて成膜する。成膜時の基板温度は、室温以上300℃以下とすればよく、本実施の
形態では100℃とする。酸化珪素膜のスパッタ法による成膜は、希ガス(代表的にはア
ルゴン)雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガスと酸素の混合雰囲気下において行うこと
ができる。また、ターゲットとして酸化珪素ターゲットまたは珪素ターゲットを用いるこ
とができる。例えば、珪素ターゲットを用いて、酸素、及び窒素雰囲気下でスパッタ法に
より酸化珪素を形成することができる。酸化物半導体層に接して形成する酸化物絶縁層3
66は、水分や、水素イオンや、OH−などの不純物を含まず、これらが外部から侵入す
ることをブロックする無機絶縁膜を用い、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン
膜、酸化アルミニウム膜、または酸化窒化アルミニウム膜などを用いる。
が好ましい。酸化物半導体層332及び酸化物絶縁層366に水素、水酸基、及び/又は
水分が含まれないようにするためである。
例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが
好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであ
ってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素分子や、水(H2
O)など水素原子を含む化合物を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜した
酸化物絶縁層366に含まれる不純物の濃度を低減できる。
物などの不純物が、1ppm以下、好ましくは、10ppb以下まで除去された高純度ガ
スを用いることが好ましい。
00℃以上400℃以下、例えば250℃以上350℃以下)を行ってもよい。例えば、
窒素雰囲気下で250℃、1時間の第2の加熱処理を行う。第2の加熱処理を行うと、酸
化物半導体層の一部(チャネル形成領域)が酸化物絶縁層366と接した状態で加熱され
る。
層332を、窒素、不活性ガス雰囲気下、又は減圧下で加熱処理を行う。酸化物絶縁層3
66によって覆われていない露出された酸化物半導体層332の領域は、窒素、不活性ガ
ス雰囲気下、又は減圧下で加熱処理を行うと、低抵抗化することができる。例えば、窒素
雰囲気下で250℃、1時間の加熱処理を行う。
によって、酸化物半導体層332の露出領域は低抵抗化し、抵抗の異なる領域(図12(
B)においては斜線領域及び白地領域で示す)を有する酸化物半導体層362となる。
電膜を形成した後、第4のフォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成し、選択
的にエッチングを行ってソース電極層365a、ドレイン電極層365bを形成した後、
レジストマスクを除去する(図12(C)参照。)。
a、Ti、Mo、Wからから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金か、上
述した元素を組み合わせた合金膜等が挙げられる。また、導電膜は、単層構造でも、2層
以上の積層構造としてもよい。
。その結果、ゲート電極層361と重なるチャネル形成領域363は、I型となり、ソー
ス電極層365aに重なる高抵抗ソース領域364aと、ドレイン電極層365bに重な
る高抵抗ドレイン領域364bとが自己整合的に形成される。以上の工程で薄膜トランジ
スタ360が形成される。
てもよい。本実施の形態では150℃で10時間加熱処理を行う。この加熱処理は一定の
加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、100℃以上200℃の加熱温度への
昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回くりかえして行ってもよい。また、この加
熱処理を、酸化物絶縁膜の形成前に、減圧下で行ってもよい。減圧下で加熱処理を行うと
、加熱時間を短縮することができる。この加熱処理によって、酸化物半導体層から酸化物
絶縁層中に水素がとりこまれ、ノーマリーオフとなる薄膜トランジスタを得ることができ
る。よって液晶表示装置の信頼性を向上できる。
において、低抵抗化した酸化物半導体よりなる高抵抗ドレイン領域364b(又は高抵抗
ソース領域364a)を形成することにより、薄膜トランジスタの信頼性の向上を図るこ
とができる。具体的には、高抵抗ドレイン領域364bを形成することで、ドレイン電極
層から高抵抗ドレイン領域364b、チャネル形成領域363にかけて、導電性を段階的
に変化させうるような構造とすることができる。そのため、ドレイン電極層365bに高
電源電位VDDを供給する配線に接続して動作させる場合、ゲート電極層361とドレイ
ン電極層365bとの間に高電圧が印加されても高抵抗ドレイン領域がバッファとなり局
所的な電界集中が生じにくく、トランジスタの耐圧を向上させた構成とすることができる
。
23を形成する。本実施の形態では、保護絶縁層323を、窒化珪素膜を用いて形成する
(図12(D)参照。)。
酸化物絶縁層を形成し、該酸化物絶縁層上に保護絶縁層323を積層してもよい。
を構成する複数の画素において、オフ電流を低減することができる。そのため、保持容量
で電圧を保持できる期間を長く取ることができ、静止画等を表示する際の低消費電力化を
図ることができる液晶表示装置とすることができる。また静止画の表示をする際制御信号
を停止することにより低消費電力化を図ることができる。また静止画と動画像との切り替
えを誤動作なく行うことができる。
である。
本実施の形態は、本明細書で開示する液晶表示装置に適用できる薄膜トランジスタの他の
例を示す。本実施の形態で示す薄膜トランジスタ350は、実施の形態1の画素部100
8の各画素に用いる薄膜トランジスタに用いることができる。
用いて説明する。
たが、必要に応じて、チャネル形成領域を複数有するマルチゲート構造の薄膜トランジス
タも形成することができる。
る工程を説明する。
工程によりゲート電極層351を形成する。本実施の形態では、ゲート電極層351とし
て、膜厚150nmのタングステン膜を、スパッタ法を用いて形成する。
ート絶縁層342としてプラズマCVD法により膜厚100nm以下の酸化窒化珪素層を
形成する。
導電膜上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行ってソース電極層355a
、ドレイン電極層355bを形成した後、レジストマスクを除去する(図13(A)参照
。)。
物半導体膜345としてIn−Ga−Zn−O系酸化物半導体ターゲットを用いてスパッ
タ法により成膜する。酸化物半導体膜345を第3のフォトリソグラフィ工程により島状
の酸化物半導体層に加工する。
とが好ましい。酸化物半導体膜345に水素、水酸基又は水分が含まれないようにするた
めである。
例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが
好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであ
ってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素分子や、水(H2
O)など水素原子を含む化合物を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜した
酸化物半導体膜345に含まれる不純物の濃度を低減できる。
化物などの不純物が、1ppm以下、好ましくは、10ppb以下まで除去された高純度
ガスを用いることが好ましい。
素化を行う第1の加熱処理の温度は、400℃以上750℃以下、好ましくは400℃以
上基板の歪み点未満とする。ここでは、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し
、酸化物半導体層に対して窒素雰囲気下450℃において1時間の加熱処理を行った後、
大気に触れることなく、酸化物半導体層への水や水素の混入を防ぎ、酸化物半導体層34
6を得る(図13(C)参照。)。
を移動させて入れ、数分間加熱した後、基板を移動させて高温に加熱した不活性ガス中か
ら出すGRTAを行ってもよい。GRTAを用いると短時間での高温加熱処理が可能とな
る。
層356に水、水素等の不純物を混入させない方法を適宜用いて形成することができる。
酸化物絶縁層356に水素が含まれると、その水素の酸化物半導体層への侵入、又は水素
による酸化物半導体層中の酸素の引き抜き、が生じ酸化物半導体層のバックチャネルがN
型化(低抵抗化)してしまい、寄生チャネルが形成されるおそれがある。よって、酸化物
絶縁層356はできるだけ水素を含まない膜になるように、成膜方法に水素を用いないこ
とが重要である。
を用いて成膜する。成膜時の基板温度は、室温以上300℃以下とすればよく、本実施の
形態では100℃とする。酸化珪素膜のスパッタ法による成膜は、希ガス(代表的にはア
ルゴン)雰囲気下、酸素雰囲気下、または希ガスと酸素の混合雰囲気下において行うこと
ができる。また、ターゲットとして酸化珪素ターゲットまたは珪素ターゲットを用いるこ
とができる。例えば、珪素ターゲットを用いて、酸素、及び窒素雰囲気下でスパッタ法に
より酸化珪素を成膜することができる。酸化物半導体層に接して形成する酸化物絶縁層3
56は、水分や、水素イオンや、OH−などの不純物を含まず、これらが外部から侵入す
ることをブロックする無機絶縁膜を用い、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン
膜、酸化アルミニウム膜、または酸化窒化アルミニウム膜などを用いる。
が好ましい。酸化物半導体層346及び酸化物絶縁層356に水素、水酸基、及び/又は
水分が含まれないようにするためである。
例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが
好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであ
ってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素分子や、水(H2
O)など水素原子を含む化合物を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜した
酸化物絶縁層356に含まれる不純物の濃度を低減できる。
物などの不純物が、1ppm以下、好ましくは、10ppb以下まで除去された高純度ガ
スを用いることが好ましい。
00℃以上400℃以下、例えば250℃以上350℃以下)を行う。例えば、窒素雰囲
気下で250℃、1時間の第2の加熱処理を行う。第2の加熱処理を行うと、酸化物半導
体層の一部(チャネル形成領域)が酸化物絶縁層356と接した状態で加熱される。
型の酸化物半導体層352が形成される。以上の工程で薄膜トランジスタ350が作製さ
れる。
てもよい。本実施の形態では150℃で10時間加熱処理を行う。この加熱処理は一定の
加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、100℃以上200℃の加熱温度への
昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回くりかえして行ってもよい。また、この加
熱処理を、酸化物絶縁膜の形成前に、減圧下で行ってもよい。減圧下で加熱処理を行うと
、加熱時間を短縮することができる。この加熱処理によって、酸化物半導体層から酸化物
絶縁層中に水素がとりこまれ、ノーマリーオフとなる薄膜トランジスタを得ることができ
る。よって液晶表示装置の信頼性を向上できる。
用いて窒化珪素膜を形成する。本実施の形態では、保護絶縁層として保護絶縁層343を
、窒化珪素膜を用いて形成する(図13(D)参照。)。
ることができる。そのため、これらの薄膜トランジスタを液晶表示装置の表示部を構成す
る複数の画素に用いることによって、保持容量で電圧を保持できる期間を長く取ることが
でき、静止画等を表示する際の低消費電力化を図ることができる液晶表示装置とすること
ができる。また静止画の表示をする際制御信号を停止することによりさらなる低消費電力
化を図ることができる。また静止画と動画像との切り替えを誤動作なく行うことができる
。
である。
本実施の形態では、薄膜トランジスタの作製工程の一部が実施の形態6と異なる例を図1
4に示す。図14は、図11と工程が一部異なる点以外は同じであるため、同じ箇所には
同じ符号を用い、同じ箇所の詳細な説明は省略する。
例を示す。本実施の形態で示す薄膜トランジスタ380は、実施の形態1の画素部100
8の各画素に用いる薄膜トランジスタに用いることができる。
層372a、第2のゲート絶縁層372bを積層する。本実施の形態では、ゲート絶縁層
を2層構造とし、第1のゲート絶縁層372aに窒化物絶縁層を、第2のゲート絶縁層3
72bに酸化物絶縁層を用いる。
、又は酸化窒化アルミニウム層などを用いることができる。また、窒化絶縁層としては、
窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、又は窒化酸化アルミニウム
層などを用いることができる。
した構造とする。第1のゲート絶縁層372aとしてスパッタリング法により膜厚50n
m以上200nm以下(本実施の形態では50nm)の窒化シリコン層(SiNy(y>
0))を形成し、第1のゲート絶縁層372a上に第2のゲート絶縁層372bとして膜
厚5nm以上300nm以下(本実施の形態では100nm)の酸化シリコン層(SiO
x(x>0))を積層して、例えば、膜厚150nmのゲート絶縁層とする。
の酸化物半導体層に加工する。本実施の形態では、酸化物半導体膜としてIn−Ga−Z
n−O系酸化物半導体ターゲットを用いてスパッタ法により成膜する。
ましい。酸化物半導体膜に水素、水酸基又は水分が含まれないようにするためである。
例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが
好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであ
ってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素分子や、水(H2
O)など水素原子を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体
膜に含まれる不純物の濃度を低減できる。
どの不純物が、1ppm以下、好ましくは、10ppb以下まで除去された高純度ガスを
用いることが好ましい。
素化を行う第1の加熱処理の温度は、400℃以上基板の750℃以下、好ましくは42
5℃以上とする。なお、425℃以上であれば加熱処理時間は1時間以下でよいが、42
5℃未満であれば加熱処理時間は、1時間よりも長時間行うこととする。ここでは、加熱
処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体層に対して窒素雰囲気下にお
いて加熱処理を行った後、大気に触れることなく、酸化物半導体層への水や水素の混入を
防ぎ、酸化物半導体層を得る。その後、同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度のN2Oガス
、又は超乾燥エア(露点が−40℃以下、好ましくは−60℃以下)を導入して冷却を行
う。酸素ガスまたはN2Oガスに、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、
加熱処理装置に導入する酸素ガスまたはN2Oガスの純度を、6N(99.9999%)
以上、好ましくは7N(99.99999%)以上、(即ち酸素ガスまたはN2Oガス中
の不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好ましい。
ermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid Thermal
Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal Anneal)装置を用
いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノン
アークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのラ
ンプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置である。また、LR
TA装置、ランプだけでなく、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によっ
て、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。GRTAとは高温のガスを用いて加熱
処理を行う方法である。ガスには、アルゴンなどの希ガス、及び/または窒素のような、
加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。RTA法を用いて、6
00℃〜750℃で数分間加熱処理を行ってもよい。
、好ましくは200℃以上300℃以下の温度で酸素ガスまたはN2Oガス雰囲気下での
加熱処理を行ってもよい。
半導体膜に行うこともできる。その場合には、第1の加熱処理後に、加熱装置から基板を
取り出し、フォトリソグラフィ工程を行う。
抗化、即ちI型化させる。よって、全体がI型化した酸化物半導体層382を得る。
成し、選択的にエッチングを行ってソース電極層385a、ドレイン電極層385bを形
成し、スパッタ法で酸化物絶縁層386を成膜する。
が好ましい。酸化物半導体層382及び酸化物絶縁層386に水素、水酸基、及び/又は
水分が含まれないようにするためである。
例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが
好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを加えたものであ
ってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、例えば、水素分子や、水(H2
O)など水素原子を含む化合物を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜した
酸化物絶縁層386に含まれる不純物の濃度を低減できる。
物などの不純物が、1ppm以下、好ましくは、10ppb以下まで除去された高純度ガ
スを用いることが好ましい。
、または窒素ガス雰囲気下で加熱処理(好ましくは150℃以上350℃未満)を行って
もよい。例えば、窒素雰囲気下で250℃、1時間の加熱処理を行う。
てもよい。本実施の形態では150℃で10時間加熱処理を行う。この加熱処理は一定の
加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から、100℃以上200℃の加熱温度への
昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回くりかえして行ってもよい。また、この加
熱処理を、酸化物絶縁膜の形成前に、減圧下で行ってもよい。減圧下で加熱処理を行うと
、加熱時間を短縮することができる。この加熱処理によって、酸化物半導体層から酸化物
絶縁層中に水素がとりこまれ、ノーマリーオフとなる薄膜トランジスタを得ることができ
る。よって液晶表示装置の信頼性を向上できる。
73として、スパッタリング法を用いて膜厚100nmの窒化珪素膜を成膜する。
素や、水素化物、水酸化物などの不純物を含まず、これらが外部から侵入することをブロ
ックする効果がある。
の侵入を防ぐことができる。また、液晶表示装置としてデバイスが完成した後にも長期的
に、外部からの水分などの不純物の侵入を防ぐことができデバイスの長期信頼性を向上す
ることができる。
設けられる絶縁層を除去し、保護絶縁層373と、第1のゲート絶縁層372aとが接す
る構造としてもよい。
、かつ該不純物の混入を防止し、酸化物半導体層中の不純物濃度を低く維持することがで
きる。
を構成する複数の画素において、オフ電流を低減することができる。そのため、保持容量
で電圧を保持できる期間を長く取ることができ、静止画等を表示する際の低消費電力化を
図ることができる液晶表示装置とすることができる。また静止画の表示をする際制御信号
を停止することにより低消費電力化を図ることができる。また静止画と動画像との切り替
えを誤動作なく行うことができる。
である。
本実施の形態は、本明細書で開示する液晶表示装置に適用できる薄膜トランジスタの他の
例を示す。本実施の形態で示す薄膜トランジスタは、実施の形態1の薄膜トランジスタ1
05として用いることができる実施の形態2乃至8の薄膜トランジスタに適用することが
できる。
電材料を用いる例を示す。従って、他は上記実施の形態と同様に行うことができ、上記実
施の形態と同一部分又は同様な機能を有する部分、及び工程の繰り返しの説明は省略する
。また同じ箇所の詳細な説明は省略する。
光性を有する導電材料、例えばIn−Sn−O系、In−Sn−Zn−O系、In−Al
−Zn−O系、Sn−Ga−Zn−O系、Al−Ga−Zn−O系、Sn−Al−Zn−
O系、In−Zn−O系、Sn−Zn−O系、Al−Zn−O系、In−O系、Sn−O
系、Zn−O系の金属酸化物を適用することができ、膜厚は50nm以上300nm以下
の範囲内で適宜選択する。ゲート電極層、ソース電極層、ドレイン電極層に用いる金属酸
化物の成膜方法は、スパッタリング法や真空蒸着法(電子ビーム蒸着法など)や、アーク
放電イオンプレーティング法や、スプレー法を用いる。また、スパッタリング法を用いる
場合、SiO2を2重量%以上10重量%以下含むターゲットを用いて成膜を行い、透光
性を有する導電膜に結晶化を阻害するSiOx(X>0)を含ませ、後の工程で行う加熱
処理の際に結晶化してしまうのを抑制することが好ましい。
(EPMA:Electron Probe X−ray MicroAnalyzer
)を用いた分析により評価するものとする。
量電極層など)や、その他の配線層(容量配線層など)に可視光に対して透光性を有する
導電膜を用いると、高開口率を有する表示装置を実現することができる。勿論、画素に存
在するゲート絶縁層、酸化物絶縁層、保護絶縁層、平坦化絶縁層も可視光に対して透光性
を有する膜を用いることが好ましい。
%である膜厚を有する膜を指し、その膜が導電性を有する場合は透明の導電膜とも呼ぶ。
また、ゲート電極層、ソース電極層、ドレイン電極層、画素電極層、またはその他の電極
層や、その他の配線層に適用する金属酸化物として、可視光に対して半透明の導電膜を用
いてもよい。可視光に対して半透明とは可視光の透過率が50〜75%であることを指す
。
ンチ以下の小型の液晶表示パネルにおいて、ゲート配線の本数を増やすなどして表示画像
の高精細化を図るため、画素寸法を微細化しても、高い開口率を実現することができる。
また、薄膜トランジスタの構成部材に透光性を有する膜を用いることで、広視野角を実現
するため、1画素を複数のサブピクセルに分割しても高い開口率を実現することができる
。即ち、高密度の薄膜トランジスタ群を配置しても開口率を大きくとることができ、表示
領域の面積を十分に確保することができる。例えば、一つの画素内に2〜4個のサブピク
セルを有する場合、薄膜トランジスタが透光性を有するため、開口率を向上させることが
できる。また、薄膜トランジスタの構成部材と同工程で同材料を用いて保持容量を形成す
ると、保持容量も透光性とすることができるため、さらに開口率を向上させることができ
る。
液晶表示装置の一形態に相当する液晶表示パネルの外観及び断面について、図15を用い
て説明する。図15は、第1の基板4001上に形成された薄膜トランジスタ4010、
4011、及び液晶素子4013を、第2の基板4006との間にシール材4005によ
って封止した、パネルの平面図であり、図15(B)は、図15(A)または図15(C
)のM−Nにおける断面図に相当する。
ようにして、シール材4005が設けられている。また画素部4002と、走査線駆動回
路4004の上に第2の基板4006が設けられている。よって画素部4002と、走査
線駆動回路4004とは、第1の基板4001とシール材4005と第2の基板4006
とによって、液晶層4008と共に封止されている。また第1の基板4001上のシール
材4005によって囲まれている領域とは異なる領域に、別途用意された基板上に単結晶
半導体膜又は多結晶半導体膜で形成された信号線駆動回路4003が実装されている。
イヤボンディング法、或いはTAB法などを用いることができる。図15(A)は、CO
G法により信号線駆動回路4003を実装する例であり、図15(C)は、TAB法によ
り信号線駆動回路4003を実装する例である。
薄膜トランジスタを複数有しており、図15(B)では、画素部4002に含まれる薄膜
トランジスタ4010と、走査線駆動回路4004に含まれる薄膜トランジスタ4011
とを例示している。薄膜トランジスタ4010、4011上には絶縁層4041、404
2、4020、4021が設けられている。
ジスタを適宜用いることができ、同様な工程及び材料で形成することができる。薄膜トラ
ンジスタ4010、4011の酸化物半導体層は水素や水が低減されている。従って、薄
膜トランジスタ4010、4011は信頼性の高い薄膜トランジスタである。本実施の形
態において、薄膜トランジスタ4010、4011はnチャネル型薄膜トランジスタであ
る。
チャネル形成領域と重なる位置に導電層4040が設けられている。導電層4040を酸
化物半導体層のチャネル形成領域と重なる位置に設けることによって、BT試験前後にお
ける薄膜トランジスタ4011のしきい値電圧の変化量を低減することができる。また、
導電層4040は、電位が薄膜トランジスタ4011のゲート電極層と同じでもよいし、
異なっていても良く、第2のゲート電極層として機能させることもできる。また、導電層
4040の電位がGND、0V、或いはフローティング状態であってもよい。
ース電極層又はドレイン電極層と電気的に接続されている。そして液晶素子4013の対
向電極層4031は第2の基板4006上に形成されている。画素電極層4030と対向
電極層4031と液晶層4008とが重なっている部分が、液晶素子4013に相当する
。なお、画素電極層4030、対向電極層4031はそれぞれ配向膜として機能する絶縁
層4032、4033が設けられ、絶縁層4032、4033を介して液晶層4008を
挟持している。
き、ガラス、セラミックス、プラスチックを用いることができる。プラスチックとしては
、FRP(Fiberglass−Reinforced Plastics)板、PV
F(ポリビニルフルオライド)フィルム、ポリエステルフィルム、またはアクリル樹脂フ
ィルムを用いることができる。
画素電極層4030と対向電極層4031との間の距離(セルギャップ)を制御するため
に設けられている。なお球状のスペーサを用いていても良い。また、対向電極層4031
は、薄膜トランジスタ4010と同一基板上に設けられる共通電位線と電気的に接続され
る。共通接続部を用いて、一対の基板間に配置される導電性粒子を介して対向電極層40
31と共通電位線とを電気的に接続することができる。なお、導電性粒子はシール材40
05に含有させる。
電性液晶、反強誘電性液晶等を用いる。これらの液晶材料は、条件により、コレステリッ
ク相、スメクチック相、キュービック相、カイラルネマチック相、等方相等を示す。
あり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直
前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善
するために5重量%以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて液晶層4008に
用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が1msec
以下と短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。ま
た配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって
引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損
を軽減することができる。よって液晶表示装置の生産性を向上させることが可能となる。
特に、酸化物半導体層を用いる薄膜トランジスタは、静電気の影響により薄膜トランジス
タの電気的な特性が著しく変動して設計範囲を逸脱する恐れがある。よって酸化物半導体
層を用いる薄膜トランジスタを有する液晶表示装置にブルー相の液晶材料を用いることは
より効果的である。
3Ω・cmを超えていることであり、さらに好ましくは1×1014Ω・cmを超えてい
ることが好ましい要件となる。なお、当該液晶材料を用いて液晶セルを構成した場合の抵
抗は、配向膜及びシール材からの不純物が混入する可能性もあり、1×1011Ω・cm
以上であり、より好ましくは1×1012Ω・cmを超えていることが好ましい要件とな
る。また、本明細書における固有抵抗の値は、20℃で測定した値とする。
素子の動作状態を保持する電圧が経時的に低下する現象を緩和できる。その結果、保持期
間を長くとれるため、信号の書き込みを行う頻度を低減でき、表示装置の低消費電力化を
図ることができる。
できる。また、本実施の形態の表示装置は、液晶表示装置に限定されず、表示素子として
エレクトロルミネッセンス素子(EL素子ともいう)などの発光素子を用いたEL表示装
置であってもよい。
子に用いる電極層という順に設ける例を示すが、偏光板は基板の内側に設けてもよい。ま
た、偏光板と着色層の積層構造も本実施の形態に限定されず、偏光板及び着色層の材料や
作製工程条件によって適宜設定すればよい。また、表示部以外にブラックマトリクスとし
て機能する遮光膜を設けてもよい。
形成されている。絶縁層4041は実施の形態2で示した酸化物絶縁層416と同様な材
料及び方法で形成すればよい。ここでは、絶縁層4041として、実施の形態2を用いて
スパッタリング法により酸化シリコン層を形成する。また、絶縁層4041上に接して保
護絶縁層4042を形成する。また、保護絶縁層4042は実施の形態2で示した保護絶
縁層403と同様に形成すればよく、例えば窒化シリコン膜を用いることができる。また
、保護絶縁層4042上に薄膜トランジスタ起因の表面凹凸を低減するため平坦化絶縁膜
として機能する絶縁層4021で覆う構成となっている。
ミド、アクリル、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の、耐熱性を有する有機
材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料(low−k材料)
、シロキサン系樹脂、PSG(リンガラス)、BPSG(リンボロンガラス)等を用いる
ことができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、絶縁層
4021を形成してもよい。
OG法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法(インクジェット法、スク
リーン印刷、オフセット印刷等)、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター
、ナイフコーター等を用いることができる。絶縁層4021の焼成工程と半導体層のアニ
ールを兼ねることで効率よく液晶表示装置を作製することが可能となる。
ジウムに酸化亜鉛(ZnO)を混合したIZO(indium zinc oxide)
、酸化インジウムに酸化珪素(SiO2)を混合した導電材料、有機インジウム、有機ス
ズ、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛
酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、な
どの透光性を有する透光性の導電性材料を用いることができる。または反射型の液晶表示
装置において、透光性を有する必要がない、または反射性を有する必要がある場合は、タ
ングステン(W)、モリブデン(Mo)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、
バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、コバルト(C
o)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、銅(
Cu)、銀(Ag)等の金属、又はその合金、若しくはその金属窒化物から一つ、又は複
数種を用いて形成することができる。
ともいう)を含む導電性組成物を用いて形成することができる。導電性組成物を用いて形
成した画素電極は、シート抵抗が10000Ω/□以下、波長550nmにおける透光率
が70%以上であることが好ましい。また、導電性組成物に含まれる導電性高分子の抵抗
率が0.1Ω・cm以下であることが好ましい。
ば、ポリアニリンまたはその誘導体、ポリピロールまたはその誘導体、ポリチオフェンま
たはその誘導体、若しくはこれらの2種以上の共重合体などがあげられる。
002に与えられる各種信号及び電位は、FPC4018から供給されている。
ら形成され、端子電極4016は、薄膜トランジスタ4010、4011のソース電極層
及びドレイン電極層と同じ導電膜で形成されている。
て電気的に接続されている。
装している例を示しているがこの構成に限定されない。走査線駆動回路を別途形成して実
装しても良いし、信号線駆動回路の一部または走査線駆動回路の一部のみを別途形成して
実装しても良い。
部材(光学基板)などは適宜設ける。例えば、偏光基板及び位相差基板による円偏光を用
いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライトなどを用いてもよい。
を駆動することによって、画面上に表示パターンが表示される。詳しくは選択された画素
電極と該画素電極に対応する対向電極との間に電圧が印加されることによって、画素電極
と対向電極との間に配置された液晶層の光学変調が行われ、この光学変調が表示パターン
として観察者に認識される。
動回路と同一基板上に保護回路を設けることが好ましい。保護回路は、酸化物半導体層を
用いた非線形素子を用いて構成することが好ましい。例えば、保護回路は画素部と、走査
線入力端子及び信号線入力端子との間に配設されている。本実施の形態では複数の保護回
路を配設して、走査線、信号線及び容量バス線に静電気等によりサージ電圧が印加され、
画素トランジスタなどが破壊されないように構成されている。そのため、保護回路にはサ
ージ電圧が印加されたときに、共通配線に電荷を逃がすように構成する。また、保護回路
は、走査線、信号線または容量バス線と共通配線との間に並列に配置された非線形素子に
よって構成されている。非線形素子は、ダイオードのような二端子素子及び/又はトラン
ジスタのような三端子素子で構成される。例えば、画素部の薄膜トランジスタと同じ工程
で形成することも可能であり、例えばゲート端子とドレイン端子を接続することによりダ
イオードと同様の特性を持たせることができる。
S(In−Plane−Switching)モード、FFS(Fringe Fiel
d Switching)モード、ASM(Axially Symmetric al
igned Micro−cell)モード、OCB(Optically Compe
nsated Birefringence)モード、FLC(Ferroelectr
ic Liquid Crystal)モード、AFLC(AntiFerroelec
tric Liquid Crystal)などを用いることができる。
OCB液晶、STN液晶、VA液晶、ECB型液晶、GH液晶、高分子分散型液晶、ディ
スコティック液晶などを用いることができるが、中でもノーマリーブラック型の液晶パネ
ル、例えば垂直配向(VA)モードを採用した透過型の液晶表示装置とすることが好まし
い。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられるが、例えば、MVA(Multi−D
omain Vertical Alignment)モード、PVA(Pattern
ed Vertical Alignment)モード、ASVモードなどを用いること
ができる。
晶表示パネルの液晶分子の配列を制御する方式の一種である。VA型の液晶表示装置は、
電圧が印加されていないときにパネル面に対して液晶分子が垂直方向を向く方式である。
また、画素(ピクセル)をいくつかの領域(サブピクセル)に分け、それぞれ別の方向に
分子を倒すよう工夫されているマルチドメイン化あるいはマルチドメイン設計といわれる
方法を用いることができる。
本実施の形態においては、上記実施の形態で説明した液晶表示装置を具備する電子機器の
例について説明する。
、操作キー9635、接続端子9636、記録媒体読込部9672、等を有することがで
きる。図16(A)に示す携帯型遊技機は、記録媒体に記録されているプログラム又はデ
ータを読み出して表示部に表示する機能、他の携帯型遊技機と無線通信を行って情報を共
有する機能、等を有することができる。なお、図16(A)に示す携帯型遊技機が有する
機能はこれに限定されず、様々な機能を有することができる。
3、操作キー9635、接続端子9636、シャッターボタン9676、受像部9677
、等を有することができる。図16(B)に示すテレビ受像機能付きデジタルカメラは、
静止画を撮影する機能、動画を撮影する機能、撮影した画像を自動または手動で補正する
機能、アンテナから様々な情報を取得する機能、撮影した画像、又はアンテナから取得し
た情報を保存する機能、撮影した画像、又はアンテナから取得した情報を表示部に表示す
る機能、等を有することができる。なお、図16(B)に示すテレビ受像機能付きデジタ
ルカメラが有する機能はこれに限定されず、様々な機能を有することができる。
、操作キー9635、接続端子9636、等を有することができる。図16(C)に示す
テレビ受像機は、テレビ用電波を処理して画像信号に変換する機能、画像信号を処理して
表示に適した信号に変換する機能、画像信号のフレーム周波数を変換する機能、等を有す
ることができる。なお、図16(C)に示すテレビ受像機が有する機能はこれに限定され
ず、様々な機能を有することができる。
、操作キー9635、接続端子9636、ポインティングデバイス9681、外部接続ポ
ート9680等を有することができる。図17(A)に示すコンピュータは、様々な情報
(静止画、動画、テキスト画像など)を表示部に表示する機能、様々なソフトウェア(プ
ログラム)によって処理を制御する機能、無線通信又は有線通信などの通信機能、通信機
能を用いて様々なコンピュータネットワークに接続する機能、通信機能を用いて様々なデ
ータの送信又は受信を行う機能、等を有することができる。なお、図17(A)に示すコ
ンピュータが有する機能はこれに限定されず、様々な機能を有することができる。
3、操作キー9635、マイクロフォン9638等を有することができる。図17(B)
に示した携帯電話は、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示する機能、
カレンダー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報を操作又
は編集する機能、様々なソフトウェア(プログラム)によって処理を制御する機能、等を
有することができる。なお、図17(B)に示した携帯電話が有する機能はこれに限定さ
れず、様々な機能を有することができる。
示部9631、操作キー9635等を有することができる。図17(C)に示した電子ペ
ーパーは、様々な情報(静止画、動画、テキスト画像など)を表示する機能、カレンダー
、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報を操作又は編集する
機能、様々なソフトウェア(プログラム)によって処理を制御する機能、等を有すること
ができる。なお、図17(C)に示した電子ペーパーが有する機能はこれに限定されず、
様々な機能を有することができる。
流を低減することができる。そのため、保持容量で電圧を保持できる期間を長く取ること
ができ、静止画等を表示する際の低消費電力化を図ることができる液晶表示装置を具備す
る電子機器とすることができる。また静止画の表示をする際制御信号を停止することによ
り低消費電力化を図ることができる。また静止画と動画像との切り替えを誤動作なく行う
ことができる。
である。
本実施の形態では、酸化物半導体を用いたボトムゲート型のトランジスタの動作原理につ
いて説明する。
。ゲート電極(G1)上にゲート絶縁膜(GI1)を介して酸化物半導体層(OS)が設
けられ、その上にソース電極(S)及びドレイン電極(D)が設けられている。さらに、
ソース電極(S)及びドレイン電極(D)上に第2のゲート絶縁膜(GI2)と、その上
に第2のゲート電極(G2)を設けた構造となっている。G2は接地電位に保たれている
。
解しやすくするために可能な限り簡略化しており、厳密なものではないことを断っておく
。図20は、図19に示すA−A’断面におけるエネルギーバンド図(模式図)である。
図20(A)はゲート、ソースおよびドレインの間の電圧を等電位(VD=0V)とした
場合を示し、図20(B)はソースに対しゲートとドレインに正の電位(VD>0)を加
えた場合を示す。
。図21(A)はゲート(G1)に正の電位(+VG)が印加された状態であり、ソース
とドレイン間にキャリア(電子)が流れるオン状態を示している。また、図21(B)は
、ゲート(G1)に負の電位(−VG)が印加された状態であり、オフ状態(少数キャリ
アは流れない)である場合を示す。
を示す。
体は一般的にn型であり、その場合のフェルミ準位(Ef)は、バンドギャップ中央に位
置する真性フェルミ準位(Ei)から離れて、伝導帯寄りに位置している。なお、酸化物
半導体において水素はドナーでありn型化する一つの要因であることが知られている。
去し、酸化物半導体の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化することによ
り真性(I型)とし、又は実質的に真性型としたものである。すなわち、不純物を添加し
てI型化するのでなく、水素や水等の不純物を極力除去したことにより、高純度化された
I型(真性半導体)又はそれに近づけることを特徴としている。そうすることにより、フ
ェルミ準位(Ef)は真性フェルミ準位(Ei)と同じレベルにまですることができる。
4.3eVと言われている。ソース電極及びドレイン電極を構成するチタン(Ti)の仕
事関数は、酸化物半導体の電子親和力(χ)とほぼ等しい。この場合、金属−酸化物半導
体界面において、電子に対してショットキー型の障壁は形成されない。
者が接触すると図20(A)で示すようなエネルギーバンド図(模式図)が示される。
れると、電子はバリア(h)をこえて酸化物半導体に注入され、ドレインに向かって流れ
る。この場合、バリア(h)の高さは、ゲート電圧とドレイン電圧に依存して変化するが
、正のドレイン電圧が印加された場合には、電圧印加のない図20(A)のバリアの高さ
すなわちバンドギャップ(Eg)の1/2よりもバリアの高さ(h)は小さい値となる。
流れる。また、図21(B)において、ゲート電極(G1)に負の電位(逆バイアス)が
印加されると、少数キャリアであるホールは実質的にゼロであるため、電流は限りなくゼ
ロに近い値となる。
ネル長が3μmの素子であっても、オフ電流が10−13A以下であり、サブスレッショ
ルドスイング値(S値)が0.1V/dec.(ゲート絶縁膜厚100nm)が得られる
。
あり、室温においてもキャリアが存在している。これは、室温においても、熱励起キャリ
アが存在していることを意味している。実用的にはリン又はホウ素などの不純物が添加さ
れたシリコンウエハが使用される。また、いわゆる真性シリコンウエハと言っても、意図
的に制御できない不純物が存在するので、実際には1×1014/cm3以上のキャリア
がシリコン半導体に存在し、これがソース−ドレイン間の伝導に寄与する。さらに、シリ
コン半導体のバンドギャップは1.12eVであるので、シリコン半導体を用いたトラン
ジスタは温度に依存してオフ電流が大きく変動することとなる。
酸化物半導体の主成分以外の不純物が極力含まれないように高純度化することにより、キ
ャリア密度を1×1014/cm3未満、好ましくは1×1012/cm3以下となるよ
うにすることで、実用的な動作温度で熱的に励起されるキャリアを排除して、ソース側か
ら注入されるキャリアのみによってトランジスタを動作させることができる。それにより
、オフ電流を1×10−13[A]以下にまで下げると共に、温度変化によってオフ電流
がほとんど変化しない極めて安定に動作するトランジスタを得ることができる。
水、水素という不純物を除去することにより、酸化物半導体自体を高純度化することにあ
る。すなわち、ドナー準位を構成する水または水素を除去することにより、更に酸素欠損
を除去するために酸素を十分に供給することにより、酸化物半導体自体を高純度化するこ
とを特徴としている。
質量分析)で観察される。このドナー準位という不純物を作る水または水素を意図的に除
去し、更に水または水素の除去に伴い同時に減少してしまう酸素(酸化物半導体の成分の
一つ)を酸化物半導体に加えることにより、酸化物半導体を高純度化し、電気的にI型(
真性)半導体とすることを技術思想の一つとしている。
れば少ないほど良い。酸化物半導体は、絶縁ゲート型トランジスタに用いる場合に半導体
としてのキャリアを意図的に有するというよりも、逆に酸化物半導体のキャリアは無くし
てしまい、半導体としてはキャリアを通過させる通路としての意味を与えた、いわゆる高
純度化したI型(真性)半導体である。
縁ゲート型トランジスタのオフ電流が少なくなるというのが本発明の一態様における技術
思想である。すなわち、その指標として水素は1×1016/cm3以下、またキャリア
密度は1×1014/cm3未満、好ましくは1×1012/cm3以下が求められる。
本発明の技術思想的には、ゼロまたはゼロに近いことが理想である。
アを有さない、または極めて少ないように高純度化したI型(真性)とし、キャリアはソ
ース側となる電極より供給される。供給の程度は、酸化物半導体の電子親和力χ、フェル
ミレベル、理想的には真性フェルミレベルと一致したフェルミレベル、及びソース、ドレ
インの電極の仕事関数、より導かれる、バリアハイト(障壁高さ)で決められる。
電圧を印加しての絶縁ゲート型トランジスタ特性において、単位チャネル幅あたりの電流
が100aA/μm(すなわち、測定される電流を薄膜トランジスタのチャネル幅(単位
:μm)で除した数値)以下、好ましくは10aA/μm以下、さらに好ましくは1aA
/μm以下であることを特徴の一つとしている。
本実施の形態では、評価用素子(TEGとも呼ぶ)を用いたオフ電流の測定値について以
下に説明する。
=3μm/10000μmの薄膜トランジスタの初期特性を示す。また、上面図を図24
(A)に示し、その一部を拡大した上面図を図24(B)に示す。図24(B)の点線で
囲んだ領域がL/W=3μm/50μm、Lov=1.5μmの1段分の薄膜トランジス
タである。薄膜トランジスタの初期特性を測定するため、基板温度を室温とし、ソース−
ドレイン間電圧(以下、ドレイン電圧またはVdという)を10Vとし、ソース−ゲート
間電圧(以下、ゲート電圧またはVgという)を−20V〜+20Vまで変化させたとき
のソース−ドレイン電流(以下、ドレイン電流またはIdという)の変化特性、すなわち
Vg−Id特性を測定した。なお、図23では、Vgを−20V〜+5Vまでの範囲で示
している。
び10Vにおいてオフ電流は1×10−13[A]以下となっており、測定機(半導体パ
ラメータ・アナライザ、Agilent 4156C;Agilent社製)の分解能(
100fA)以下となっている。
に酸化窒化珪素層を形成した。酸化窒化珪素層上にゲート電極層としてスパッタ法により
タングステン層を形成した。ここで、タングステン層を選択的にエッチングしてゲート電
極層を形成した。
素層を形成した。
ット(モル数比で、In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:2)を用いて、厚さ50
nmの酸化物半導体層を形成した。ここで、酸化物半導体層を選択的にエッチングし、島
状の酸化物半導体層を形成した。
熱処理を行った。
nm)をスパッタ法により形成した。ここで、ソース電極層及びドレイン電極層を選択的
にエッチングし、1つの薄膜トランジスタのチャネル長Lが3μm、チャネル幅Wが50
μmとし、200個を並列とすることで、L/W=3μm/10000μmとなるように
した。
化珪素層を膜厚300nmで形成した。ここで、保護層である酸化珪素層を選択的にエッ
チングし、ゲート電極層、ソース電極層及びドレイン電極層上に開口部を形成した。その
後、窒素雰囲気下、250℃で1時間、第2の熱処理を行った。
製工程において酸化物半導体層中における水素濃度を十分に低減できたためである。酸化
物半導体層中の水素濃度は、1×1016atoms/cm3以下とする。なお、酸化物
半導体層中の水素濃度の値は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary
Ion Mass Spectroscopy)で得られたものである。
の酸化物半導体材料、例えば、In−Sn−Zn−O系、Sn−Ga−Zn−O系、Al
−Ga−Zn−O系、Sn−Al−Zn−O系、In−Zn−O系、In−Sn−O系、
Sn−Zn−O系、Al−Zn−O系、In−O系、Sn−O系、Zn−O系などを用い
ることができる。また、酸化物半導体材料として、AlOxを2.5〜10wt%混入し
たIn−Al−Zn−O系や、SiOxを2.5〜10wt%混入したIn−Zn−O系
を用いることもできる。
m3未満、好ましくは1×1012/cm3以下である。即ち、酸化物半導体層のキャリ
ア密度は、限りなくゼロに近くすることができる。
能であり、回路の動作速度を高速化でき、オフ電流値が極めて小さいため、さらに低消費
電力化も図ることができる。
計を行うことができる。
た。温度特性は、薄膜トランジスタが使われる最終製品の耐環境性や、性能の維持などを
考慮する上で重要である。当然ながら、変化量が小さいほど好ましく、製品設計の自由度
が増す。
℃のそれぞれの温度で薄膜トランジスタを形成した基板を一定温度とし、ドレイン電圧を
6V、ゲート電圧を−20V〜+20Vまで変化させてVg−Id特性を取得した。
ものであり、点線で囲むオフ電流の領域を拡大したものを図25(B)に示す。図中の矢
印で示す右端の曲線が−30℃、左端が120℃で取得した曲線で、その他の温度で取得
した曲線は、その間に位置する。オン電流の温度依存性はほとんど見られない。一方、オ
フ電流は拡大図の図25(B)においても明かであるように、ゲート電圧が−20V近傍
を除いて、全ての温度で測定機の分解能近傍の1×10−12[A]以下となっており、
温度依存性も見えていない。すなわち、120℃の高温においても、オフ電流が1×10
−12[A]以下を維持しており、チャネル幅Wが10000μmであることを考慮する
と、オフ電流が非常に小さいことがわかる。
ンジスタは、オフ電流の温度依存性がほとんど現れない。これは、図19のバンド図で示
すように、酸化物半導体が高純度化されることによって、導電型が限りなく真性型に近づ
き、フェルミ準位が禁制帯の中央に位置するため、温度依存性を示さなくなると言える。
また、これは、酸化物半導体のバンドギャップが3eV以上であり、熱励起キャリアが極
めて少ないことにも起因する。また、ソース領域及びドレイン領域は縮退した状態にある
のでやはり温度依存性が現れない要因となっている。薄膜トランジスタの動作は、縮退し
たソース領域から酸化物半導体に注入されたキャリアによるものがほとんどであり、キャ
リア密度の温度依存性がないことから上記特性(オフ電流の温度依存性無し)を説明する
ことができる。
た場合、オフ電流値が小さくほとんどリークがないため、表示データを保持する時間を長
くすることができる。
表示の際、画像信号の保持特性に関し評価した結果について説明する。
膜トランジスタ等の素子を裏面側から撮影した写真図を図27に示す。
信号線2702が直交して設けられている様子がわかる。またゲート線2701と平行な
位置に容量線2703が設けられている様子がわかる。また、ゲート線2701及び容量
線2703と、信号線2702とが重畳する領域には、寄生容量を減らすために別途絶縁
膜を設けており、図27ではコブ状の形で視認される。また本実施例で示す液晶表示装置
では、透過型の液晶表示装置について示しており、R(赤)のカラーフィルター2704
R、G(緑)のカラーフィルター2704G、B(青)のカラーフィルター2704Bが
確認される。また図27では、ゲート線2701により制御される領域に、透光性を有す
る半導体層として酸化物半導体であるIn−Ga−Zn−O系非単結晶膜が設けられてお
り、薄膜トランジスタを形成している。
経過に応じた、輝度変化についてのグラフを示す。
が1分程度とできることがわかる。そのため、静止画表示の際、定期的に同じ画像信号を
供給する動作(図中、refresh)をして一定の輝度を保持するようにすればよい。
その結果、駆動回路部を構成するトランジスタに電圧が印加される時間が大幅に削減する
ことができる。駆動回路の経時劣化を大幅に遅らせることができるため、液晶表示装置の
信頼性が向上するといった効果が得られる。
にて実際に作製し、静止画の表示の際、画像信号の保持特性に関し評価した結果について
説明する。
膜トランジスタ等の素子を裏面側から撮影した写真図を図29に示す。
信号線2902が直交して設けられている様子がわかる。またゲート線2901と平行な
位置に容量線2903が設けられている様子がわかる。また、ゲート線2901及び容量
線2903と、信号線2902とが重畳する領域には、寄生容量を減らすために別途絶縁
膜を設けており、図29ではコブ状の形で視認される。また本実施例で示す液晶表示装置
では、反射型の液晶表示装置について示しており、R(赤)のカラーフィルターに重畳し
た反射電極2904R、G(緑)のカラーフィルターに重畳した反射電極2904G、B
(青)のカラーフィルターに重畳した反射電極2904Bが確認される。また図29では
、ゲート線2901により制御される領域に、透光性を有する半導体層として酸化物半導
体であるIn−Ga−Zn−O系非単結晶膜が設けられており、薄膜トランジスタを形成
している。
過に応じた、輝度変化についてのグラフを示す。
が実施例1と同様に、1分程度とできることがわかる。そのため、静止画表示の際、定期
的に同じ画像信号を供給する動作(図中、refresh)をして一定の輝度を保持する
ようにすればよい。その結果、駆動回路部を構成するトランジスタに電圧が印加される時
間が大幅に削減することができる。駆動回路の経時劣化を大幅に遅らせることができるた
め、液晶表示装置の信頼性が向上するといった効果が得られる。
とは別の構成にて実際に作製し、静止画の表示の際、画像信号の保持特性に関し評価した
結果について説明する。
膜トランジスタ等の素子を裏面側から撮影した写真図を図31に示す。
信号線3102が直交して設けられている様子がわかる。またゲート線3101と平行な
位置に容量線3103が設けられている様子がわかる。また、ゲート線3101及び容量
線3103と、信号線3102とが重畳する領域には、寄生容量を減らすために別途絶縁
膜を設けており、図31ではコブ状の形で視認される。また本実施例で示す液晶表示装置
では、ポリマー分散型液晶を用いた液晶表示装置について示しており、反射電極3104
が確認される。また図31では、ゲート線3101により制御される領域に、透光性を有
する半導体層として酸化物半導体であるIn−Ga−Zn−O系非単結晶膜が設けられて
おり、薄膜トランジスタを形成している。
過に応じた、輝度変化についてのグラフを示す。
自体に画像信号の保持特性を有するため、画像信号の保持期間を実施例1及び実施例2よ
り長くすることができる。そのため、静止画表示の際、定期的に同じ画像信号を供給する
動作の間隔を長くとることができる。その結果、駆動回路部を構成するトランジスタに電
圧が印加される時間が大幅に削減することができる。駆動回路の経時劣化を大幅に遅らせ
ることができるため、液晶表示装置の信頼性が向上するといった効果が得られる。
とは別の構成にて実際に作製した結果について説明する。特に本実施例では、上記実施例
1乃至3で説明した画素の上面レイアウト図とは異なる例について説明する。図33に、
基板上に形成した薄膜トランジスタ等の素子を裏面側から撮影した写真図を示す。
信号線3302が直交して設けられている様子がわかる。また実施例1乃至実施例3で説
明した画素の写真とは異なり、容量線を省略した上面レイアウトを示している。また本実
施例で示す液晶表示装置では、透過型の液晶表示装置について示しており、画素電極33
04が確認される。また図33では、ゲート線3301により制御される領域に、透光性
を有する半導体層として酸化物半導体であるIn−Ga−Zn−O系非単結晶膜が設けら
れており、薄膜トランジスタを形成している。
説明する。具体的には、nチャネル型のトランジスタを複数用いて作製した駆動回路(こ
こでは、図2、図3に示した駆動回路)において、静止画表示及び動画像表示をおこなう
動作、または液晶素子に印加する電圧の再書き込みを行う動作(以下、リフレッシュ動作
ともいう)の際の、駆動回路部への各配線の電位の供給または停止の手順について、図3
4を参照して説明する。図34は、シフトレジスタに高電源電位(VDD)を供給する配
線、低電電源電位(VSS)を供給する配線、スタートパルス(SP)を供給する配線、
及び第1のクロック信号(CK1)を供給する配線乃至第4のクロック信号(CK4)を
供給する配線の、期間T1の前後における電位の変化を示す図である。
ことができる。そのため図34に示すように、シフトレジスタに対し、高電源電位(VD
D)、第1のクロック信号(CK1)乃至第4のクロック信号(CK4)、及びスタート
パルス等の制御信号が供給される期間、並びに制御信号が供給されない期間が存在する。
なお図34に示す期間T1は、制御信号が供給される期間、すなわち動画像を表示する期
間及びリフレッシュ動作を行う期間に相当する。また図34に示す期間T2は、制御信号
が供給されない期間、すなわち静止画を表示する期間に相当する。
と期間T2にわたる期間にかけて設けられている。また図34において、第1のクロック
信号(CK1)乃至第4のクロック信号(CK4)が供給される期間は、高電源電位(V
DD)が供給された後から、高電源電位(VDD)が停止する前までにかけて設けられて
いる。
4)は、期間T1が始まる前には一旦高電位の信号としてから一定周期のクロック信号の
発振を開始し、期間T1が終わった後には低電位の信号としてからクロック信号の発振を
終了する構成とすればよい。
位(VDD)、第1のクロック信号(CK1)乃至第4のクロック信号(CK4)、及び
スタートパルス等の制御信号の供給を停止する。そして、制御信号の供給が停止する期間
においては、各トランジスタの導通または非導通を制御して動作しシフトレジスタより出
力されるパルス信号も停止する。そのため、シフトレジスタにおいて消費される電力及び
当該シフトレジスタによって駆動される画素部において消費される電力を低減することが
可能になる。
め、定期的に行う必要がある。本実施例の液晶表示装置は、各画素が有する液晶素子に印
加する電圧を制御するスイッチング素子として、上述した酸化物半導体を具備するトラン
ジスタを適用している。これにより、オフ電流を極端に低減することができるため、各画
素が有する液晶素子に印加される電圧の変動を低減することが可能である。つまり静止画
の表示により、シフトレジスタの動作が停止する期間が長期間に渡っても、画質の劣化を
低減することができる。一例としては、当該期間が3分であったとしても表示される静止
画の品質を維持することが可能である。例えば、1秒間に60回の再書き込みを行う液晶
表示装置と、3分間に1回のリフレッシュ動作を行う液晶表示装置とを比較すると約1/
10000にまで消費電力を低減することが可能である。
SS)と等電位とすることである、なお、高電源電位(VDD)の停止は、高電源電位が
供給される配線の電位を浮遊状態とすることであってもよい。
前に低電源電位(VSS)より高電源電位(VDD)に増加させる際には、当該配線の電
位の変化が緩やかになるように制御することが好ましい。当該配線の電位の変化の勾配が
急峻であると、当該電位の変化がノイズとなり、シフトレジスタから不正パルスが出力さ
れる可能性がある。当該シフトレジスタが、ゲート線駆動回路が有するシフトレジスタで
ある場合、不正パルスは、トランジスタをオンさせる信号となる。そのため、当該不正パ
ルスによって、液晶素子に印加される電圧が変化し、静止画の画像が変化する可能性があ
るためである。上述した内容を鑑み、図34では、高電源電位(VDD)となる信号の立
ち上がりが立ち下がりよりも緩やかになる例について図示している。特に、本実施例の液
晶表示装置においては、画素部において静止画を表示している際に、シフトレジスタに対
する高電源電位(VDD)の供給の停止及び再供給が適宜行われる構成となる。つまり、
高電源電位(VDD)を供給する配線の電位の変化が、ノイズとして画素部に影響した場
合、当該ノイズは表示画像の劣化に直結する。そのため、本実施例の液晶表示装置におい
ては、当該配線の電位の変化(特に、電位の増加)がノイズとして画素部に侵入しないよ
う制御することが重要となる。
1001 表示パネル
1002 信号生成回路
1003 記憶回路
1004 比較回路
1005 選択回路
1006 表示制御回路
1007 駆動回路部
1008 画素部
1010 フレームメモリ
1009A ゲート線駆動回路
1009B 信号線駆動回路
Claims (1)
- 駆動回路部と、
酸化物半導体でなる半導体層を具備するトランジスタが各画素に設けられた画素部と、
前記駆動回路部を駆動する制御信号及び前記画素部に供給する画像信号を生成するための回路と、
前記画像信号をフレーム期間毎に記憶する記憶回路と、
前記記憶回路で前記フレーム期間毎に記憶された前記画像信号のうち、連続するフレーム期間の前記画像信号の差分を検出する比較回路と、
前記比較回路で差分を検出した際に連続するフレーム期間の前記画像信号を選択して出力する選択回路と、
前記比較回路で差分を検出した際に前記制御信号と前記選択回路より出力される前記画像信号の前記駆動回路部への供給を行い、前記比較回路で差分を検出しない際に前記制御信号を前記駆動回路部への供給を停止する表示制御回路と、を有する液晶表示装置。
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