JP5305190B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、液晶表示装置にかかり、特に高精細化に伴う補助容量の不足を改善した液晶表示装置に関する。
携帯電話機用やデジタルカメラ用などの小型液晶表示装置において高精細化の要求がある。横方向電界を使用する、所謂IPS方式の液晶表示装置は、視野角が広いという長所を持っている。なかでも、櫛歯形状の画素電極と平面形状の共通電極からなる画素構造をもつ形式の液晶表示装置は、透明な画素電極と共通電極のオーバーラップ部分を液晶容量の補助容量として利用できる点で優れている。しかし、更なる高精細化に伴って画素電極面積比率が小さくなり補助容量が不足する問題がある。
上記したように、IPS方式の液晶表示装置は、共通電極を平面形状とし、絶縁膜を介して櫛歯状の画素電極を配する方法であり、その特長の一つは画素電極と共通線の間で透明な補助容量が作れることである。IPS方式の高視野角という特徴を保ったまま、より明るい表示を実現する方法が、特許文献1、特許文献2および特許文献3に提案されている。
特開2003−207795号公報 特開2005−338256号公報 特開2006−126602号公報
小型ディスプレイでは、高精細化に伴って櫛歯画素電極の面積比率が小さくなり補助容量が不足する。図16は、薄膜トランジスタアレイ基板(以下、TFT基板)の全体概念図である。ゲート信号線GSLや共通信号線CSLなどを駆動するドライバ部GDRとドレイン信号線DSLなどを駆動するドレインドライバ部DDRは、nチャネル型薄膜トランジスタTFTnとpチャネル型薄膜トランジスタTFTpから構成されている。ゲート信号線GSLとドレイン信号線DSLは横縦に交差し、それぞれ隣り合う2本の信号線によって画素PXLを形成している。
共通信号線CSLはゲート信号線GSLと平行に配置されている。各画素PXLには薄膜トランジスタTFTと液晶容量LCおよび補助容量Cstが配置されている。ドレイン線DSLの電位すなわち映像信号は、ゲート信号によりオン/オフされる薄膜トランジスタTFTを介して画素電極に伝えられ、画素電極と共通信号電極の間にある液晶容量LCと補助容量Cstの並列接続容量が、その電位を保持する。液晶および薄膜トランジスタはリーク成分を持つため、電位保持のために補助容量Cstが重要な役割を果たす。
次に、図17乃至図19を用いてTFT基板の構成を製造工程で説明する。図17は、pチャンネル型薄膜トランジスタと画素部の構造を説明する模式平面図である。図18は、図17のA−A’線、B−B’線、C−C’線に沿った模式断面図である。図19は、液晶画素の回路構成の概念図である。以下、製造工程の流れを順に追って説明する。図17において、pチャンネル型薄膜トランジスタは、ポリシリコンの島SIにゲート電極GSL、ドレイン信号線DSL、ソース電極STで構成される。
先ず、酸化シリコン(SiO2)と窒化シリコン(SiN)を好適とする下地膜BFを成膜した支持基板SUBの上にポリシリコンの島SIを形成する(ホト工程1)。ゲート絶縁膜GINSを成膜した上にゲート電極GSLを形成する(ホト工程2)。ポリシリコンの島SIにゲート電極パターンを利用してn型ソースドレイン領域のドーピングを行う。pチャネル型トランジスタとなる領域以外をレジストで覆い、p型ソースドレイン領域のドーピングを行う(ホト工程3)。
1層目の層間絶縁膜IL1を成膜し、この層間絶縁膜IL1にポリシリコンの島SIにドレイン信号線DSLとソース電極STを接続するコンタクト穴を加工する(ホト工程4)。コンタクト穴を通してポリシリコンの島SIに接続させたドレイン信号線DSLとソース電極STを形成する(ホト工程5)。
2層目の層間絶縁膜IL2を塗布法による有機膜により成膜し、コンタクト穴を加工する(ホト工程6)。成膜した2層目の層間絶縁膜IL2上に透明導電膜による平面状の共通信号線CSLを形成する(ホト工程7)。3層目の層間絶縁膜IL3を製膜し、コンタクト穴を加工する(ホト工程8)。透明導電膜による画素電極PSLを形成する(ホト工程9)。共通信号線や画素電極の端の部分の上部または下部に低抵抗金属を積層する場合もある。
以上説明した従来の液晶画素の製造では、レジスト塗布、露光、現像、ベーク、加工後のレジスト除去などの多くの作業からなるホト工程を数えると、ホト工程数は9であった。そして、図17乃至図19に示されたように共通信号線CSLと画素電極PSLとの間には、液晶による容量(液晶容量)の他に、3層目の層間絶縁膜IL3を介して重なり合う領域で形成される補助容量CSTが1つ存在する。
前記のように、液晶表示装置の高精細化に伴って、画素電極の面積比率が小さくなり十分な補助容量が得られなくなる。櫛歯形状の画素電極の総面積を拡大して補助容量を増加させることでも透過率低下や製造コストの増加をもたらす。
本発明は、高精細化によって画素電極の面積比率が小さくなっても、透過率低下や製造コストの増加をもたらすことなく十分な補助容量を形成した液晶表示装置を提供することにある。
本発明は、透明電極と絶縁膜を各々1層ずつ追加して、透明な2つの補助容量を形成する。ゲート電極を上記補助容量の一方の電極と同層とした透明導電膜層を含むと積層とする。この透明導電膜層とpチャネルTFTのソースドレインドーピング時のイオン注入用マスクを利用して第2の透明補助容量を形成することで、工程数の増加を抑える。
基板上に容量構造を積み重ねたことで、画素電極の面積低下に関係なく補助容量を増加することができる。これにより高精細化による画素電極比率低下による補助容量不足を補うことが可能となり、画像情報である画素電極の電位が保持される。さらに、工程負荷の大きいホト工程数の大幅な増加を抑制して補助容量を追加することができ、高精細で明るく視野角の広い液晶表示素子を低コストで得ることができる。
なお、本発明は、CMOS低温ポリシリコンTFTを用いた中小型向け透過型液晶装置に限らず、他の形式の画像表示装置の容量形成にも適用できる。
以下、本発明の最良の実施形態につき、実施例の図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の実施例1を説明するpチャンネル型薄膜トランジスタの構造を示す模式平面図である。図2は、図1のD−D’線、E−E’線、F−F’線に沿った模式断面図である。図3は、本発明の実施例1の液晶画素の回路構成の概念図である。以下、製造工程の流れを順に追って実施例1を説明する。図1に示したように、pチャンネル型薄膜トランジスタは、ポリシリコンの島SIにゲート電極GSL、ドレイン信号線DSL、ソース電極STで構成される。
先ず、支持基板であるガラス基板SUB上に、プラズマCVD法による厚さ400nmのSiO2膜を成膜し下地膜BFとする。その上にシランガスを原料に用いたプラズマCVDによる厚さ50nmの非結晶シリコン膜を製膜し、これをエキシマレーザアニールにより結晶化させ、ポリシリコンの島SIを形成する(ホト工程1)。
次に、TEOSガスを原料に用いたプラズマCVDによる厚さ100nmのSiO2膜を成膜し、ゲート絶縁膜GINSとする。スパッタ法による厚さ120nmのタングステン膜を成膜し、ゲート電極および信号線GSLを形成する。ゲート電極パターンを利用してn型ソースドレイン領域のドーピングをリンイオンの注入で行う(ホト工程2)。
pチャネルトランジスタとなる領域以外をレジストで覆い、p型ソースドレイン領域のドーピングをボロンイオンの注入で行う。この工程によりp型ソースドレイン領域は、n型からp型になる(ホト工程3)。プラズマCVD法による厚さ300nmのSiN膜を製膜して1層目の層間絶縁膜IL1とし、コンタクト穴を加工する(ホト工程4)。
上下を厚さ20nmのチタン薄膜で挟まれた厚さ150nmのアルミ膜をスパッタ法により製膜し、ドレイン信号線DSLとソースと画素電極をつなぐためのソース電極STを形成する。上下のバリア膜はモリブデンとタングステンの合金薄膜でも良い(ホト工程5)。
塗布法による厚さ900nmの樹脂膜を製膜して2層目の層間絶縁膜IL2とし、コンタクト穴を加工する(ホト工程6)。スパッタ法により厚さ50nmのITO膜を製膜し、第2の補助容量用の電極PSL1を形成する。この透明電極PSL1には画素電極と同じ電位を供給する(ホト工程7)。
プラズマCVD法による厚さ300nmのSiN膜を製膜し、3層目の層間絶縁膜IL3とする。スパッタ法による厚さ50nmのITO膜を製膜し、共通信号線CSLを形成する(ホト工程8)。プラズマCVD法による厚さ300nmのSiN膜を製膜して4層目の層間絶縁膜IL4とし、コンタクト穴を加工する(ホト工程9)。スパッタ法による厚さ50nmのITO膜を形成し、画素電極PSL2とする(ホト工程10)。
図2(b)に示すように、上下に重なり合って存在する3つの透明電極は、上層から第3透明電極PSL2、第2透明電極CSL、第1透明電極PSL1となり、上層と下層に画素電極である第3透明電極およびこの画素電極と同じ電位を持つ第1透明電極、中央に第2透明電極である共通信号線となる。
図2(b)及び(c)に示すように、液晶による容量(LC)の他に、層間絶縁膜IL4を介して重なり合う共通信号線CSLと画素電極PSL2との間の第2の補助容量CST2と、IL3を介して重なり合う共通信号線CSLと画素電極PSL1との間の第1の補助容量CST1、の2つの補助容量が存在する。実施例1の画像回路を図3に示す。
図15に本方法による補助容量を従来例と比較した図を示す。図中の点線が必要な容量値である。実施例1によれば、第2の補助容量CST2によって補助容量を増すことができ、点線で示す仕様を満たすことができ、高精細で明るく視野角の広い液晶表示素子を得ることができる。
図4は、本発明の実施例2を説明するpチャンネル型薄膜トランジスタの構造を示す模式平面図である。図5は、図1のD−D’線、E−E’線、F−F’線に沿った模式断面図である。図6は、本発明の実施例2の液晶画素の回路構成の概念図である。以下、製造工程の流れを順に追って実施例2を説明する。
実施例2が実施例1と主に異なる点は、上下に重なり合って存在する3つの透明電極の内、上層と下層が共通信号線で、中央の透明電極が画素電極であることである。ドレイン線の形成まで(ホト工程5まで)は実施例1に同じとする。
実施例1におけるドレイン線の形成後、塗布方による厚さ900nmの樹脂膜を成膜して2層目の層間絶縁膜IL2としコンタクト穴を加工する(ホト工程6)。スパッタ法による厚さ50nmのITO膜を成膜し、共通電極線CSL1を形成する(ホト工程7)。プラズマCVD法による厚さ300nmのSiN膜を成膜して3層目の層間絶縁膜IL3とし、コンタクト穴を加工する(ホト工程7)。
スパッタ法による厚さ50nmのITO膜を成膜し、画素電極PSLを形成する(ホト工程8)。プラズマCVD法による厚さ300nmのSiN膜を製膜して4層目の層間絶縁膜IL4とし、コンタクト穴を加工する(ホト工程9)。スパッタ法による厚さ50nmのITO膜を成膜し、画素電極CSL2を形成する(ホト工程10)。
図5(b)および図6に示すように、液晶容量LCの他に、絶縁膜IL4を介して重なり合う共通信号線CSL2と画素電極PSLとの間の補助容量CST2と、絶縁膜IL3を介して重なり合う画素電極PSLと共通信号線CSL1との間の補助容量CST1の、2つの補助容量が形成される。
図15に実施例2による補助容量を従来例と比較した図を示す。実施例2により補助容量を増すことができ点線で示す仕様を満たすことができる。実施例2により高精細で明るく視野角の広い液晶表示素子を得ることができる。
実施例1、実施例2ではホト工程数が10となり工程数が従来例より増加するが、工程数の増加を抑制して同様の効果を得る方法を以下に説明する。
図7は、本発明の実施例3を説明するpチャンネル型薄膜トランジスタの構造を示す模式平面図である。図8は、ゲート電極を形成した時点での図7のJ−J’線、K−K’線に沿った模式断面図である。図9は、画素電極(第3透明電極PSL2)を形成した後の図7のJ−J’線、K−K’線、L−L’線に沿った模式断面図である。図10は、本発明の実施例3の液晶画素の回路構成の概念図である。以下、製造工程の流れを順に追って実施例3を説明する。
支持基板SUBとしてのガラス基板上にプラズマCVD法による厚さ400nmのSiO2膜を成膜し、下地膜BFとする。その上にシランガスを原料に用いたプラズマCVDによる厚さ50nmの非結晶シリコン膜を製膜し、これをエキシマレーザアニールにより結晶化させ、ポリシリコンの島SIを形成する(ホト工程1)。
TEOSガスを原料に用いたプラズマCVDによる厚さ100nmのSiO2膜を製膜し、ゲート絶縁膜GINSとする。nチャネルトランジスタのしきい値を調整するイオン注入を行う場合にはここで行う。ゲート電極としてスパッタ法により、下層に厚さ50nmのITO膜を、上層に厚さ100nmのモリブデンタングステン合金を製膜して積層し、加工する。n型ソースドレイン領域のドーピングは、ゲート電極をマスクにし、リンイオンを注入して行う(ホト工程2)。
pチャネルトランジスタとなる領域以外をレジストで覆い、p型ソースドレイン領域のドーピングを、ボロンイオンを注入して行った。この際図8に図示するように、第2補助容量用電極PSL1となる領域のレジストパターンを開口しておき、上層金属GSLaのみを除去する。これにより、補助容量用電極PSL1は透明になる。同時にpチャネルトランジスタのゲート電極も下層透明導電膜GLbのみとなる。pチャネルトランジスタのしきい値を調整するイオン注入を行う場合にはここで行う(ホト工程3)。
1層目の層間絶縁膜IL1をプラズマCVD法による厚さ300nmのSiN膜にて製膜し、コンタクト穴を加工する(ホト工程4)。ドレイン電極DSLをスパッタ法により、上下を厚さ20nmのチタン薄膜で挟まれた、厚さ150nmのアルミ・シリコン合金にて形成する(ホト工程5)。2層目の層間絶縁膜IL2をプラズマCVD法による厚さ300nmのSiN膜にて製膜し、透明導電膜による共通信号線CSLをスパッタ法による厚さ50nmのITO膜にて形成する(ホト工程6)。
3層目の層間絶縁膜IL3をプラズマCVD法による厚さ300nmのSiN膜にて製膜し、コンタクト穴を加工する(ホト工程7)。透明導電膜による画素電極PSLを画素電極としてスパッタ法による厚さ50nmのITO膜にて形成する(ホト工程8)。
図9および図10に示すように、液晶による容量LCの他に、絶縁膜IL3を介して重なり合う画素電極PSL2と共通信号線CSLとの間の第2補助容量CST2と、絶縁膜IL1および絶縁膜IL2を介して重なり合う共通信号線CSLと画素電極PSL1との間の第1補助容量CST1の、2つの補助容量が形成される。
図15に実施例3による補助容量を従来例と比較した図を示す。実施例3では層間絶縁膜1と2からなる厚い絶縁膜を容量の絶縁膜として用いているため、容量値は実施例1、実施例2に比べ小さいものの、図15に点線で示す仕様を十分に満たす容量を得ることができる。
実施例3の場合、ホト工程数は8となり従来例よりも少ないホト工程数で第2補助容量を追加することができ、高精細で明るく視野角の広い液晶表示素子を安価に得ることができる。
図11は、本発明の実施例4を説明するpチャンネル型薄膜トランジスタの構造を示す模式平面図である。図12は、ゲート電極を形成した時点での図11のM−M’線、N−N’線に沿った模式断面図である。図13は、画素電極(第3透明電極PSL2)を形成した後の図11のM−M’線、N−N’線、O−O’線に沿った模式断面図である。図14は、本発明の実施例4の液晶画素の回路構成の概念図である。以下、製造工程の流れを順に追って実施例4を説明する。
実施例4が実施例3と違う点は上下に重なり合う3つの透明電極のうち、上層と下層の透明電極が共通電極線で、中層の透明電極が画素電極であることである。層間絶縁膜3のコンタクト穴加工のため実施例3に比較してホト工程数は1増加し9となる。
図13および図14に示すように、液晶による容量LCの他に、絶縁層IL3を介して重なり合う共通信号線CSL2と画素電極PSLとの間の第2補助容量CST2と、絶縁層IL1および絶縁層IL2を介して重なり合う画素電極PSLと共通信号線CSL1との間の第1補助容量CST1の、2つの補助容量が形成される。
図15に実施例4による補助容量を従来例と比較した図を示す。実施例3と同様に第1層間絶縁膜と第2層間絶縁幕からなる厚い絶縁膜を容量の絶縁膜として用いているため、実施例1、実施例2に比べ容量値は少ないものの、点線で示す仕様を十分に満たす容量を得ることができる。
実施例4の場合はホト工程数は9となり、従来例と同数で第2補助容量を追加することができ、高精細で明るく視野角の広い液晶表示素子を安価に得ることができる。
以下、実施例1から4の何れかに記述したTFT基板を用いた液晶表示装置の製造方法を説明する。前記した実施例の何れかの構成を有するTFT基板上に液晶配向膜層を形成し、これにラビング等の手法で配向規制力を付与する。画素領域の周辺にシール剤を形成した後、同様に配向膜層を形成した対向基板を所定のギャップで対向配置させ、このギャップ内に液晶を封入し、シール剤の封入口を封止材で閉鎖する。この状態のデバイスを液晶セルと称する。
こうして構成した液晶セルの表裏に偏光板を積層し、導光板とLEDランプ等からなるバックライト等を、拡散シートやプリズムシートからなる光学補償部材を介して実装し、全体をモールドケースとシールドフレームで包むことで液晶表示装置を製造する。なお、液晶セルの周辺に有する駆動回路にはフレキシブルプリント基板を介してデータやタイミング信号が供給される。
前記した各実施例における支持基板はガラス基板のほか樹脂基板、あるいはそおたの絶縁材を用いてもよい。樹脂基板の場合は耐衝撃性を増すことができる。また、画素ごとに設置する薄膜トランジスタは1つだけでなく複数であってもよい。漏れ電流による不良が減少する。
n型ソースドレイン領域のドーピングをする際、公知の方法によりLDD領域(Lightly Doped.Drain)を設けても良い。LDD構造とすることでリーク電流を低減できる。
層間絶縁膜としてSiN膜の他にSiO2膜やSiON膜、SiO2とSiN膜の積層膜を用いることができる。また、その他の無機膜や、有機膜、無機膜と有機膜の積層を用いてもよい。さらに、透明電極としてITO膜のほかにZnOや、IZO、IZTO、その他の透明導電膜を用いてもよい。共通信号線の端の部分の上部あるいは下部に低抵抗金属を積層するyこともできる。電位供給部から離れた画素までの電圧降下が小さくなる。共通信号線は画素部において平面形状であれば良く、切り欠きがあっても構わない。櫛歯形状はその先端部が繋がっているスリット状の形状でも構わない。電位供給部から離れた画素までの電圧降下が小さくなる。
本発明の実施例1を説明するpチャンネル型薄膜トランジスタの構造を示す模式平面図である。 図1のD−D’線、E−E’線、F−F’線に沿った模式断面図である。 本発明の実施例1の液晶画素の回路構成の概念図である。 本発明の実施例2を説明するpチャンネル型薄膜トランジスタの構造を示す模式平面図である。 図1のD−D’線、E−E’線、F−F’線に沿った模式断面図である。 本発明の実施例2の液晶画素の回路構成の概念図である。 本発明の実施例3を説明するpチャンネル型薄膜トランジスタの構造を示す模式平面図である。 ゲート電極を形成した時点での図7のJ−J’線、K−K’線に沿った模式断面図である。 画素電極(第3透明電極PSL2)を形成した後の図7のJ−J’線、K−K’線、L−L’線に沿った模式断面図である。 本発明の実施例3の液晶画素の回路構成の概念図である。 本発明の実施例4を説明するpチャンネル型薄膜トランジスタの構造を示す模式平面図である。 ゲート電極を形成した時点での図11のM−M’線、N−N’線に沿った模式断面図である。 画素電極(第3透明電極PSL2)を形成した後の図11のM−M’線、N−N’線、O−O’線に沿った模式断面図である。 本発明の実施例4の液晶画素の回路構成の概念図である。 本発明の各実施例による補助容量を従来例と比較した説明図である。 薄膜トランジスタアレイ基板の全体概念図である。 pチャンネル型薄膜トランジスタの構造を説明する模式平面図である。 図17のA−A’線、B−B’線、C−C’線に沿った模式断面図である。 液晶画素の回路構成の概念図である。
符号の説明
SUB…支持基板、BF…下地膜、GINS…ゲート絶縁膜、IL1…層間絶縁膜1、CNT…コンタクトホール、IL2…層間絶縁膜2、IL3…層間絶縁膜3、IL4…層間絶縁膜4、SI…ポリシリコン、GSL…ゲート信号線、GLa…ゲート電極上層膜、GLb…ゲート電極下層膜、DSL…ドレイン信号線、ST…ソース電極、CSL…共通電極線、PSL…画素電極、R…レジスト、RA…レジスト開口部、TFT…薄膜トランジスタ、TFTp…pチャネル薄膜トランジスタ、TFTn…nチャネル薄膜トランジスタ、LC…液晶、CSL…補助容量、GSR…ゲートドライバ、DDR…ドレインドライバ、PXL…画素。

Claims (4)

  1. 薄膜トランジスタアレイが形成された基板を持つ液晶表示装置であって、
    前記薄膜トランジスタアレイを構成する薄膜トランジスタのゲート電極は、当該薄膜トランジスタのチャネルより上にあって、複数の金属層からなる積層構造であり、
    前記基板は、該基板の面と平行に積層された第1透明電極と第2透明電極および第3透明電極がこの順に基板側から配置された3つの層を有し、
    前記第1透明電極と前記第2透明電極の間、および前記第2透明電極と前記第3透明電極の間に液晶容量の補助容量が形成され、
    前記透明電極のうち1つの透明電極が前記積層ゲート電極のうちの1層と同層であり、
    前記第1透明電極および前記第3透明電極は電気的に前記薄膜トランジスタに接続され、
    前記第2透明電極には共通電位が印加され、
    前記第2透明電極は前記第1透明電極および前記第3透明電極より幅広であることを特徴とする液晶表示装置。
  2. 請求項1において、
    前記第3透明電極は前記3つの透明電極の最上層で、かつ前記基板の面と平行な面内で分割された櫛型あるいはスリット状の電極であることを特徴とする液晶表示装置。
  3. 請求項1又は2において、
    前記第3透明電極は前記3つの透明電極の最上層で、前記第1透明電極は前記3つの透明電極の最下層であり、前記第3透明電極と前記第1透明電極は電気的に接続されていることを特徴とする液晶表示装置。
  4. 請求項1又は2において、
    前記第3透明電極は前記3つの透明電極の最上層で画素電極を構成し、前記第1透明電極は前記3つの透明電極の最下層を構成し、前記第3透明電極と前記第1透明電極の間にある中層である第2透明電極は共通電極であることを特徴とする液晶表示装置。


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