JP3708595B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置に係り、特に移動度やしきい値特性の良好な多結晶シリコン薄膜トランジスタ素子を備えて優れた表示性能を実現できる液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置は、各種情報処理機器の画像表示装置あるいはポータブルテレビや壁掛けテレビなどに好適に用いられ、特に薄型・軽量化が可能なディスプレイデバイスである。
【０００３】
そのような液晶表示装置の中でも特に多結晶シリコン（以下、ｐ−Ｓｉと略称）で形成された薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴと略称）をスイッチング素子として画素部に設ける一方、同様な構造のＴＦＴをスイッチング素子アレイ基板の周縁部にも設けて液晶駆動回路を形成した、いわゆる駆動回路一体型のアクティブマトリックス型液晶表示装置は、駆動回路系も含めた液晶表示装置全体としての小型・薄型化を実現できる液晶表示装置として、研究・開発が盛んに行なわれている。
【０００４】
特に、ｐ−ＳｉＴＦＴは、液晶駆動回路を上記のようにスイッチング素子アレイ基板の周縁部に一体に形成することが可能で、しかも高精細な液晶表示装置に対応した性能を実現できるＴＦＴであることから、特に投射型液晶表示装置としての利用に大きな期待を集めている。
【０００５】
このような液晶表示装置においては、ＴＦＴの高速な動作特性および高い信頼性が必要とされる。
【０００６】
即ち、ＴＦＴの代表的特性である移動度として30cm² /vs 以上が必要である。これはａ−Ｓｉの 1cm² /vs 程度に比べると、格段に高い値である。
【０００７】
また、液晶駆動電圧としては一般に15Ｖ程度が必要であり、その電圧で正常に動作し続ける信頼性が要求される。
【０００８】
そのような高性能で信頼性も高いＴＦＴは、その主要部である活性層等を備えた半導体層を製作するにあたって一般的に高温プロセスと呼ばれている 600℃以上の温度のプロセスを用いて製造されることが必要である。
【０００９】
これは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の活性層の電気的特性としてその移動度を高くするためには、その活性層に用いられる多結晶シリコン（ｐ−Ｓｉ）の粒径を大粒径に形成する必要があるためである。
【００１０】
また、ゲート酸化膜の形成時に熱酸化を使用する場合、高い信頼性を得るためには 800℃以上の高温プロセスが必要であるためである。
【００１１】
このような高温プロセスに対応するためには、電気絶縁性基板として石英基板のような高耐熱性基板を使用する必要があった。特に高温での熱応力等に起因した基板の面的な歪みを抑えるために、いわゆる高耐熱用の石英基板が高的な基板として用いられてきた。例えば特開平4-320064号公報に示されているように、いわゆる高耐熱基板を使用して、なるべく基板の熱変形が起こらないようにしながら上記のような動作特性および信頼性に優れたＴＦＴを得る手法が検討され、またそれによってＴＦＴが形成されていきた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、いわゆる高耐熱基板を用いると、上記のような動作特性の点でも信頼性の点でも上記のような十分な性能を備えたＴＦＴを得ることができないことが判明した。
【００１３】
これは、ｐ−ＳｉＴＦＴの形成には水素化処理が必須であるが、この効果は高耐熱基板に対しては充分に得ることができない、ということに起因しているものと考えられる。
【００１４】
水素化処理とは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）形成工程中の金属配線を形成した段階で、ＴＦＴスイッチ素子アレイ基板全体を水素プラズマに曝してｐ−Ｓｉ膜を水素化処理する方法である。
【００１５】
600℃以上で形成されたｐ−Ｓｉには結晶粒が大きく成長しており、これによって高い移動度が実現されるわけだが、その結晶粒界や結晶粒中にはダングリングボンドをはじめとする多くの結晶欠陥を含んでいる。そこで、この結晶欠陥をターミネート（終端）してＴＦＴとしての動作特性の向上を図るために、前記の水素化処理を施している。
【００１６】
このような水素化処理の現象の理論的説明としては、水素化時の水素の通過経路は、下記の文献に詳しく解析されている。即ち、
J.Electrochem.Soc.,vol138(11)3240 Uday Mitra et al
その主旨を図５に基づいて説明すると、水素化処理を行なった際の、水素が活性層まで拡散して行く経路は、図５中に示した経路Ｃが主要な経路となっている。プラズマで励起した水素は一旦、石英基板５０１のような電気絶縁性基板に到達すると、その中へと侵入し、それからさらにその内側へと拡散して行く。そして水素はさらにＴＦＴの活性層であるｐ−Ｓｉ層５０２の裏面まで到達し、このｐ−Ｓｉの中に拡散する。こうして水素が拡散したｐ−Ｓｉ５０２層の中ではダングリングボンドが終端されていくので、水素の拡散も減速されて、最終的に所定の濃度の水素でダングリングボンドが終端されて平衡状態となって水素化現象も停止する、というものである。
【００１７】
しかしながら、上記のような高耐熱基板５０１を用いたスイッチ素子アレイ基板に形成されたｐ−Ｓｉ層５０２からなる半導体層に対しては、水素化が十分効果的には作用せず、その結果、完成したＴＦＴの移動度やしきい値などの動作特性や信頼性が不十分なものとなるという問題がある。
【００１８】
ただしここで、水素化処理の効果はその処理時間に依存して増大するので、水素化処理を長時間にわたって行なうことで、完成したＴＦＴの移動度やしきい値などの動作特性や信頼性を十分なものとする、という手法を採用することも考えられる。
【００１９】
しかし、そのような手法では、水素化処理のスループット等を考慮すると、製造上の観点からも現実的ではなく、またそのような長時間の加熱処理によってＴＦＴの超微細な配線構造などの各種構造物が製造時点で劣化を引き起こしたり、またそれらによって信頼性が失われるなどの問題もある。
【００２０】
本発明は、このような問題を解決するために成されたもので、特に移動度やしきい値特性が良好でかつ信頼性の高い多結晶シリコン薄膜トランジスタ素子を備えて、優れた表示性能を実現できる液晶表示装置を提供することを目的としている。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の液晶表示装置は、液晶駆動回路および画素部スイッチ素子のうち少なくともいずれか一方を形成する素子として多結晶シリコン薄膜トランジスタ素子と、前記画素部スイッチ素子に接続されて電圧印加を制御される画素電極とが、第１の電気絶縁性基板上に形成されたスイッチ素子アレイ基板と、前記画素電極に間隙を有して対向配置される対向電極が第２の電気絶縁性基板上に形成されており、前記スイッチ素子アレイ基板に対して前記間隙を保持しつつ対向配置された対向基板と、前記間隙に封入・挟持された液晶層とを有する液晶表示装置において、前記スイッチ素子アレイ基板の前記第１の電気絶縁性基板が、シリコンと酸素を分子構造のネットワークの骨格に有する材料で形成された電気絶縁性基板であって、該電気絶縁性基板の前記ネットワークに、Ｓｉ−Ｏ結合が 3つで形成されている三員環とＳｉ−Ｏ結合が 4つで形成されている四員環とそれ以上の数で形成されている多員環とが混在しており、該三員環および四員環および多員環の混在個数比が、（三員環＋四員環）／（三員環＋四員環＋多員環）≦ 5％ であることを特徴としている。
【００２２】
なお、後述するように、基板の組成中における上記の（三員環＋四員環）の個数％は、少なければ少ないほど効果的な水素処理効果を得ることができる。そしてそれが 0％になっても水素処理の作用や電気絶縁性基板の特性には特別に顕著な変化は生じない。故に、理論的にはその下限値は 0％である。
【００２３】
上述のように、スイッチ素子アレイ基板用の基体としていわゆる高耐熱基板を用いた構造の液晶表示装置の場合には、そのＴＦＴの特性を十分なものにすることは困難である。
【００２４】
これは、ｐ−ＳｉＴＦＴの形成には水素化処理が必須であるが、この水素化処理の十分な効果を得ることは、高耐熱基板を用いた場合には極めて困難なためであるということが判明した。その水素化処理が不十分となってしまうことの原因を調べた結果、水素化処理の際の水素のパスとしての高耐熱基板に問題があることが判明した。
【００２５】
即ち、前記の文献等にも述べられているように、水素の拡散の進行具合に依存して水素化の効果が決まることは知られているが、このとき、水素を拡散させやすい基板は水素化が効きやすく、その逆に、水素の拡散の小さい基板は水素化の効きがよくないものと考えられた。
【００２６】
石英基板の形成材料である石英基板の分子配列的な構造の骨格にはＳｉとＯとが結合してなるネットワークが形成されている。
【００２７】
上記のＳｉとＯは結合して、基本的にはＳｉＯ₂ という形での結合を成しており、この結合はＳｉを中心としてＯがその正四面体の頂点に位置した結晶状態を形成している。そしてこれがさらに規則正しい状態にまで結晶化すると水晶となる。
【００２８】
ところで、通常のガラス基板のような電気絶縁性基板の分子レベルでの構造は、一般にガラス状（アモルファス状）である。つまり、Ｓｉ−Ｏのネットワークは形成されているが、それは上記の水晶ほどには結晶化していない。換言すれば、Ｓｉ−Ｏが組み合わされて形成されたネットワークは、短距離での秩序性はあるが、結晶ほどまでの長距離の秩序性は無い。このため、結合には長い結合と短い結合とが発生する。
【００２９】
つまり、結晶であればＳｉとＯとの結合は厳格に規則的に定まっているが、ガラス状態ではある程度の結合の自由度がある。このため、ガラス状態では各元素どうしの距離が長い距離で結合している部分がある一方、各元素どうしの距離が短い距離で結合している部分も混在して結合している。このように、結合が短くて狭いネットワークとして考えられる三員環や四員環と、それよりも長く広い結合である多員環とが混在している。
【００３０】
水素化処理の際には、石英基板のような電気絶縁性基板中のネットワークの中を水素が進行むこととなる。つまり前述の文献に従えば、水素化処理の際に水素は基板中を通って拡散するが、その基板の石英のような材質をミクロ的な観点から見ると、その構造はシリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）とを骨格とするネットワークで形成されており、よって水素はこのネットワークの中を走って拡散していることになる。
【００３１】
その水素の拡散は、上記の混在している縮んだ結合や緩い結合のうち縮んだ結合の骨格中を拡散する方が、緩い結合の中を拡散する場合と比べて拡散が遅く、水素化の効率が低い。これは、縮んだ結合である三員環のネットワークの一つ一つの径の大きさは30〜50ｎｍと狭く、10ｎｍ程度の径の水素が通過するには抵抗が大きいが、多員環のネットワークの結合の方が緩くそのネットワークの一つ一つの径の大きさの方が前記の三員環と比べて広いので、水素は多員環を通るときの方が抵抗が小さく、効率的にその中を拡散して行くことができるものと考えられる。
【００３２】
従って、ネットワーク中における三員環、四員環の骨格の個数が少なく、多員環の方がそれよりも圧倒的に多ければ多いほど、基板中を水素が拡散し易くなって、効果的に水素化が進むことになる。そしてそのような液晶表示装置用のＴＦＴとして好適なしきい値や移動度などの動作特性や信頼性を得ることができる最低限の水素化を行なうことが可能なのは、三員環、四員環の個数比（％）が最大でも 5％以下の場合である。
【００３３】
また、上記の理論から、三員環、四員環の個数比％は、理論的には 0％でも構わないことは言うまでもない。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る液晶表示装置の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【００３５】
図１は本発明に係る液晶表示装置に用いられるｐ−ＳｉＴＦＴの断面構造を示す図である。以下、その構造を、その製造工程にほぼ従って説明する。
【００３６】
液晶表示装置のＴＦＴアレイ基板用の基体として、三員環と四員環との合計の個数比が三員環＋四員環＋多員環からなる全体の 5％以下であるように形成された石英基板１が用いられている。この石英基板１の板厚は 1.1ｍｍである。
【００３７】
その石英基板１上に膜厚 100ｎｍのｐ−Ｓｉ膜からなる活性層２が配設されている。この活性層２は、アモルファスシリコンを出発材料として用いてこれを固相成長法で多結晶化してｐ−Ｓｉ化して得られたものである。この活性層２は、前記のｐ−Ｓｉ膜を形成した後に素子分離されて、いわゆる島状のパターンに形成される。
【００３８】
ゲート酸化膜（ゲート絶縁膜）３は、熱酸化法により形成された酸化膜で、その膜厚は70ｎｍである。
【００３９】
ゲート電極４は、燐（Ｐ）をドープして低抵抗化されたｐ−Ｓｉ膜をエッチング等によりパターニングして形成された電極で、その膜厚は 400ｎｍである。
【００４０】
第１層間絶縁膜５は、膜厚 800ｎｍの酸化膜で形成されたもので、これに穿設されたコンタクトホールを通ってＡｌからなる金属配線６が前記の活性層２のソース領域７の上部に接続されている。
【００４１】
活性層２のｐ−Ｓｉの水素化処理は、この状態まで形成した後に行なわれる。つまり、この状態まで形成されたＴＦＴアレイ基板全体を、水素プラズマに曝し、水素を活性層２まで拡散させることで、活性層２のｐ−Ｓｉのダングリングボンドが石英基板１の組成によって効果的にターミネートされて、液晶表示装置用のＴＦＴとして用いられる活性層２の電気的特性および信頼性が、効果的に向上する。
【００４２】
そして、第２層間絶縁膜８を窒化膜／酸化膜の積層膜から形成し、これにコンタクトホールを穿設し、これを通って活性層２のドレイン領域９の上部に接続する透明電極１０がＩＴＯ（インジウム・錫酸化化合物）を材料として用いて形成されて、図３に示すようなＴＦＴアレイ基板１１の、ＴＦＴ部分の主要部が形成されている。
【００４３】
さらに、このＴＦＴアレイ基板１１と対向電極（図示省略）が形成されている対向基板１２とを間隙を有して対向配置し、それら両基板間の間隙に液晶層１３を挟持させ、その周囲を封止材１４で封止し、さらに外装アセンブリ１５が施されて、本発明の液晶表示装置の主要部が形成されている。また、駆動回路一体型の液晶表示装置の場合には、石英基板１の表示領域外の周辺部には、図１の右側に示すようにスイッチング素子としてのＴＦＴ１７とほぼ同様の構造であって液晶駆動回路用素子として好適な仕様に設定されたＴＦＴ１８が、上記のＴＦＴ１７と同様のプロセスで配設されている。
【００４４】
ここで、本発明の効果を確認するために、我々は上記のような本発明に係る液晶表示装置用のＴＦＴアレイ基板１１（の上に形成されたＴＦＴ１７）を用いて、以下のような実験を行なった。
【００４５】
本発明に係る基板１０１として、
（１）α［＝（三員環＋四員環）／（三員環＋四員環＋多員環）］≦ 5％
の基板と、
従来の基板１０２として、
（２）α＞ 5％
の基板との上に、それぞれ上述のような構造のｐ−ＳｉＴＦＴを形成し、そのｐ−ＳｉＴＦＴの特に活性層２のチャネル領域１６への水素化処理を行なった。
【００４６】
その水素化の処理時間は、いずれの基板も、 1時間の場合と 3時間の場合について実験した。
【００４７】
このときの最終的に得られたＴＦＴ１７の電気的動作特性として、移動度およびしきい値電圧を評価した。その結果を図２に示す。
【００４８】
まず、移動度を確認したところ、処理時間 1時間の本発明に係る基板１０１では、65ｃｍ² /vs と、十分な速さであるが、基板１０２では、25ｃｍ² /vs 程度の速さに止まった。
【００４９】
さらに、処理時間を 3時間にした場合には、いずれの基板も移動度は絶対値としては向上したが、（１）の本発明に係る基板１０１は 115ｃｍ² /vs となり、約 2倍の向上を見せたが、（２）の従来の基板１０２では、35ｃｍ² /vs となり、高々 1.4倍程度にしか向上しない。このため、基板１０１の移動度と基板１０２の移動度との比率については、0.38:1から0.30:1へと、さらに大きな差が生じている。
【００５０】
つまり、水素化の処理時間を延ばすほど、それにつれて基板１０１は順調に特性が向上して行くが、基板１０２はそれよりも低い増加率に止まる。
【００５１】
また、しきい値電圧も同様の傾向にある。処理時間 1時間では、基板１０１は約 2.5Ｖであったが、基板１０２は 8Ｖ程度と、高いしきい値電圧を示した。
【００５２】
そしてこれを 3時間処理の場合について見ると、基板１０１は 1Ｖ程度にまでも低減できたが、基板１０２は 7Ｖ程度までにしか低減できなかった。
【００５３】
これらの事実を考え合わせると、次のように考えられる。
【００５４】
石英基板を考察すると、基本的にはＳｉとＯでネットワークが形成されている。しかし、ガラス状の構造であるため結晶のように堅い構造ではない。そのため、いろいろな結合、結合の緩みが発生している。この結合の状態をラマン分光法で確認することができる。このラマン分光法で計測されたスペクトルを図４（ａ）に示す。また各々のスペクトルのピークをピーク分離し、そのピークの面積を計算しその比を取った結果を、図４（ｂ）の表に示す。
【００５５】
このとき、ネットワークの振動モードは各々、三員環は波数 599ｃｍ^-1、四員環は波数 486ｃｍ^-1でほぼ同一だが、多員環は本発明の場合の波数が 430ｃｍ^-1付近であり従来が波数 435ｃｍ^-1にピークがあり、多員環の環数が増加していることが、図４から見て取れる。このように環数が増加すると波数が小さくなるのは、環数の増加に伴いネットワークの質量が増加するため、振動のエネルギーが小さくなり振動数は低下し波数が減少するためである。
【００５６】
実験結果の図４からも、確かに動作特性が向上したＴＦＴの基板中には、多員環が構成成分として多く存在していることが判る。
【００５７】
また一般に、ＯＨ基の多い基板の方が多員環が多いと考えられる。これは、多員環の多い基板は結合の自由度が大きくその自由度の中にＯＨ結合も含まれているからであると考えられる。従ってＯＨ基が少ないと言われている高耐熱基板は多員環が比較的少ないので、従来の基板として用いられていたそれらの高耐熱基板を用いた場合にはその上に形成されたＴＦＴに水素化が十分には効かなかったものと考えられる。
【００５８】
従って、多員環の多い基板を使用することにより、水素化を十分行い、活性層及びゲート酸化膜との界面の欠陥を減少させることができる。このため、ＴＦＴの移動度、しきい値電圧、ドレインリーク電流等、電気的特性が向上して、このようなＴＦＴを用いた液晶表示装置においては、画素への電圧書き込みが十分に行なうことができ、またＴＦＴのオフ時リーク電流も抑制できるので書き込み後の画素電位の変動も小さくすることができる。よって、表示品質が良好かつ信頼性の高い液晶表示装置を実現することができる。
【００５９】
ところで、本発明に係る電気絶縁性基板の材料の組成として、（三員環＋四員環）の基板全体の（三員環＋四員環＋多員環）の個数に対する比率を 5％以下に、つまり （三員環＋四員環）／（三員環＋四員環＋多員環）≦ 5％ としたのは、前述したように、本発明に係る基板を用いて形成された液晶表示装置用のＴＦＴは、しきい値電圧を 1Ｖにまで低下させることができるが、従来の基板を用いた場合にはＴＦＴのしきい値電圧をせいぜい 7Ｖ程度にまでしか低減できないので、従来の基板を用いた場合には、液晶表示装置として好ましい駆動電圧として一般に採用されている駆動電圧に対応できないためである。
【００６０】
即ち、液晶表示装置の分野においては、一般的な駆動電圧として信号側15Ｖ、走査側 6Ｖがサポートされており、しかも近年のさらなる液晶表示装置の小型・薄型化および低消費電力化に対応するためには駆動電圧のさらなる低電圧化が必要である。しかるに、従来の基板を用いた場合には、ＴＦＴのしきい値は前記の図２にも明らかなように 7Ｖよりも下げることはできず、現在のＴＦＴのしきい値電圧にも合致しないだけでなく、駆動電圧のさらなる低電圧化にも対応できないという問題があった。しかし、本発明のように基板の組成中の（三員環＋四員環）を 5％以下とすることにより、しきい値電圧も従来の 6Ｖ仕様に適合できることは言うまでもなく、さらなる低電圧化にも十分に対応することができ、上記のような従来の問題はいずれも解消することができるのである。
【００６１】
【発明の効果】
以上、詳細な説明で明示したように、本発明によれば、特に移動度やしきい値特性が良好でかつ信頼性の高い多結晶シリコン薄膜トランジスタ素子を備えて、優れた表示性能を実現できる液晶表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】石英基板上に形成したｐ−ＳｉＴＦＴの構造の概要を示す断面図である。
【図２】（１）本発明に係る基板１０１と（２）従来の基板１０２との上にそれぞれ作成した薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の動作特性のうち、水素化処理時間に依存して変化した移動度およびしきい値電圧の測定結果を示す図である。
【図３】本発明の液晶表示装置の概要を示す図である。
【図４】本発明の石英基板および従来の石英基板の、ラマンスペクトラムによる解析結果を示す図（ａ）およびそのラマンスペクトラムによる解析結果のスペクトルのピークをピーク分離し、そのピークの面積を計算して得た比を示す図（ｂ）である。
【図５】一般的な水素化処理時の水素が基板を拡散して行く拡散経路を示す図である。
【符号の説明】
１………石英基板
２………活性層
３………ゲート酸化膜
４………ゲート電極
５………第１層間絶縁膜
６………金属配線
７………ソース領域
８………第２層間絶縁膜
９………ドレイン領域
１０………透明電極
１１………ＴＦＴアレイ基板
１２………対向基板
１３………液晶層
１４………封止材
１５………外装アセンブリ

Claims (1)

1. 液晶駆動回路および画素部スイッチ素子のうち少なくともいずれか一方を形成する素子として多結晶シリコン薄膜トランジスタ素子と、前記画素部スイッチ素子に接続されて電圧印加を制御される画素電極とが、第１の電気絶縁性基板上に形成されたスイッチ素子アレイ基板と、前記画素電極に間隙を有して対向配置される対向電極が第２の電気絶縁性基板上に形成されており、前記スイッチ素子アレイ基板に対して前記間隙を保持しつつ対向配置された対向基板と、前記間隙に封入・挟持された液晶層とを有する液晶表示装置において、
   前記スイッチ素子アレイ基板の前記第１の電気絶縁性基板が、シリコンと酸素を分子構造のネットワークの骨格に有する材料で形成された電気絶縁性基板であって、該電気絶縁性基板の前記ネットワークに、Ｓｉ−Ｏ結合が 3つで形成されている三員環とＳｉ−Ｏ結合が 4つで形成されている四員環とそれ以上の数で形成されている多員環とが混在しており、該三員環および四員環および多員環の混在個数比が、
   （三員環＋四員環）／（三員環＋四員環＋多員環）≦ 5％
   であることを特徴とする液晶表示装置。

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