JP5336005B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法、ならびに液晶表示装置 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の製造方法、ならびに液晶表示装置 Download PDF

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Description

本発明は、酸化物半導体層を備える薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor:ＴＦＴ）を有する半導体装置およびそのような半導体装置の製造方法、ならびに液晶表示装置に関する。
近年、Ｉｎ（インジウム）、Ｚｎ（亜鉛）またはＧａ（ガリウム）などを含有する酸化物半導体層を有するＴＦＴの開発が盛んに行われている（例えば特許文献１）。酸化物半導体層を有するＴＦＴ（以下、酸化物半導体ＴＦＴという）は、移動度が高いという特性を有する。
特許文献１には、酸化物半導体層を覆うように可視光の光強度を減衰させる機能を有する遮光層を形成し、酸化物半導体ＴＦＴの動作特性を安定させている液晶表示装置が開示されている。さらに、特許文献１は、層間膜の一部に上述の遮光層が形成されている液晶表示装置も開示している。
また、ブラックマトリクス（ＢＭ）をアレイ基板に形成し、開口率を増大させた液晶表示装置が特許文献２および３に開示されている。
特開２０１０−１５６９６０号公報 特開２００１−３３８１６号公報 特開平１０−１８６４０８号公報 特開２００３−１４０１８９号公報 特開２００９−１５１２０４号公報 特開２０１０−１８１８３８号公報
しかしながら、特許文献１に開示されている層間膜の一部に遮光層が形成されている液晶表示装置において、遮光層の形状によって、液晶層の液晶分子の配向が乱れ、表示不良が生じるという問題がある。
本発明は上記課題に鑑みたものであり、その目的は、光によるＴＦＴの特性の変化が生じにくく、表示品位が低下しない半導体装置およびそのような半導体装置の製造方法、ならびに液晶表示装置を提供することである。
本発明による実施形態における半導体装置は、基板と、前記基板に支持されたソース電極、ドレイン電極および酸化物半導体層を有する薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタ上に形成された第１絶縁層と、前記第１絶縁層上に形成された第１開口部または第１凹部を有する第２絶縁層と、前記基板の法線方向から見たとき、前記酸化物半導体層と重なるように形成された第１遮光層とを有し、前記第１遮光層は、前記第１開口部または第１凹部に形成され、前記第１遮光層の上面は凸状の曲面を有し、かつ、前記第２絶縁層の上面は前記第１遮光層の上面よりも前記基板側にある。
ある実施形態において、前記第２絶縁層の上面と前記第１遮光層の上面の最頂部との距離は、０ｎｍ超１５００ｎｍ以下である。
ある実施形態において、前記第１遮光層は、黒色樹脂から形成されている。
ある実施形態において、上述の半導体装置は、前記ソース電極に電気的に接続されたソース配線と、前記基板の法線方向から見たとき、前記ソース配線と重なるように形成された第２遮光層をさらに有し、前記第２絶縁層は、第２開口部または第２凹部をさらに有し、前記第２遮光層は、前記第２開口部または前記第２凹部に形成され、前記第２遮光層の上面は凸状の曲面を有し、かつ、前記第２絶縁層の上面は前記第２遮光層の上面よりも前記基板側にある。
ある実施形態において、前記第２絶縁層の上面と前記第２遮光層の上面の最頂部との距離は、０ｎｍ超１５００ｎｍ以下である。
ある実施形態において、前記第２遮光層は、黒色樹脂から形成されている。
ある実施形態において、上述の半導体装置は、前記第２絶縁層上に形成された導電層を有し、前記第２絶縁層と前記第１遮光層とは互いに接して第１界面を形成しており、前記第２絶縁層と前記第２遮光層とは互いに接して第２界面を形成しており、前記第１界面または前記第２界面の少なくとも１部は、前記導電層の下にある。
ある実施形態において、上述の半導体装置は、前記ドレイン電極に電気的に接続されたドレイン配線を有し、前記酸化物半導体層を形成する材料と同一の材料から形成された層上に、前記ソース配線および前記ドレイン配線は形成されている。
ある実施形態において、前記酸化物半導体層は、Ｉｎ、ＧａおよびＺｎを含む。
ある実施形態において、前記第２絶縁層は、撥油性を有する。
本発明による実施形態における液晶表示装置は、上述の半導体装置を有する。
ある実施形態において、上述の液晶表示装置は、垂直配向型の液晶層を有する液晶表示装置であって、前記液晶表示装置の画素領域は、電圧印加時に前記液晶層の液晶分子が、第１方向に沿って配向する第１液晶ドメインと、第２方向に沿って配向する第２液晶ドメインと、第３方向に沿って配向する第３液晶ドメインと、第４方向に沿って配向する第４液晶ドメインとを有し、前記第１方向、第２方向、第３方向および第４方向は、任意の２つの方向の差が９０°の整数倍に略等しい４つの方向であり、前記第１液晶ドメイン、第２液晶ドメイン、第３液晶ドメインおよび第４液晶ドメインは、それぞれ他の液晶ドメインと隣接し、かつ、２行２列のマトリクス状に配置されており、前記第１液晶ドメイン、第２液晶ドメイン、第３液晶ドメインおよび第４液晶ドメインのそれぞれが他の液晶ドメインと隣接する境界領域の少なくとも一部を選択的に遮光するように第３遮光層は、形成されており、前記第２絶縁層は、第３開口部または第３凹部をさらに有し、前記第３遮光層は、前記第３開口部または前記第３凹部に形成され、前記第３遮光層の上面は凸状の曲面を有し、かつ、前記第２絶縁層の上面は前記第３遮光層の上面よりも前記基板側にある。
ある実施形態において、前記第２絶縁層の上面と前記第３遮光層の上面の最頂部との距離は、０ｎｍ超１５００ｎｍ以下である。
ある実施形態において、前記第３遮光層は、黒色樹脂から形成されている。
ある実施形態において、上述の液晶表示装置は、前記第２絶縁層上に形成された導電層を有し、前記第３遮光層と前記第２絶縁層とは互いに接して第３界面を形成しており、前記第３界面の少なくとも１部は、前記導電層の下にある。
本発明による実施形態における半導体装置の製造方法は、上述の半導体装置の製造方法であって、前記第２絶縁層を、撥油性を有する有機材料から形成する工程を包含する。
ある実施形態において、上述の半導体装置の製造方法は、前記第２絶縁層を形成する工程（Ａ）と、前記工程（Ａ）の後に、フッ素系のガスを用いてプラズマ処理を行い、前記第２絶縁層に撥油性を付与する工程（Ｂ）とを包含する。
本発明によると、光によるＴＦＴの特性の変化が生じにくく、表示品位が低下しない半導体装置およびそのような半導体装置の製造方法、ならびに液晶表示装置が提供される。
（ａ）は、本発明による実施形態における半導体装置１００Ａの模式的な平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ１−Ａ１’線に沿った半導体装置１００Ａの模式的な断面図であり、（ｃ）は、（ａ）のＡ２−Ａ２’線に沿った半導体装置１００Ａの模式的な断面図である。 図１（ｂ）に対応する半導体装置１００Ａの改変例の模式的な断面図である。 半導体装置１００Ａおよび半導体装置２００のそれぞれの閾値電圧の変化量（ΔＶｔｈ）と駆動時間との関係を表すグラフである。 （ａ）は、本発明による他の実施形態における半導体装置１００Ｂの模式的な平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った半導体装置１００Ｂの模式的な断面図であり、（ｃ）は、半導体装置１００Ｂの導電層を説明する平面図である。 半導体装置１００Ｂの導電層の構造と電圧印加時における液晶層の液晶分子の配向状態との関係を説明する平面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、半導体装置１００Ａの製造方法を説明する模式的な図である。 （ａ）〜（ｄ）は、半導体装置１００Ａの製造方法を説明する模式的な図である。 （ａ）〜（ｃ）は、半導体装置１００Ｂの製造方法を説明する模式的な図である。
図面を参照して本発明による実施形態における半導体装置を説明する。本実施形態における半導体装置は、例えば液晶表示装置に用いられる半導体装置（ＴＦＴ基板）である。ただし、本発明は、例示する実施形態に限定されない。
図１（ａ）は、本発明による実施形態における半導体装置１００Ａの模式的な平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ１−Ａ１’線に沿った半導体装置１００Ａの模式的な断面図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡ２−Ａ２’線に沿った半導体装置１００Ａの模式的な断面図である。図２は、図１（ｂ）に対応する半導体装置１００Ａの改変例の模式的な断面図である。
図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、半導体装置１００Ａは、基板（例えばガラス基板）１と、基板１に支持されたＴＦＴ１０を有する。ＴＦＴ１０は、ソース電極６とドレイン電極７と酸化物半導体層５とを有する。ＴＦＴ１０は、例えば画素ごとに形成されている。さらに、半導体装置１００Ａは、ＴＦＴ１０上に形成された第１絶縁層９と第１絶縁層９上に形成された開口部２１ａを有する第２絶縁層１１と、基板１の法線方向から見たとき、酸化物半導体層５と重なるように形成された遮光層１２ａとを有する。遮光層１２ａは、開口部２１ａに形成されている。遮光層１２ａの上面は曲面を有し、かつ、第２絶縁層１１の上面は遮光層１２ａの上面よりも基板１側にある。すなわち、遮光層１２ａの上面は、第２絶縁層１１の上面に対して上に凸になっている。なお、ここで例示する開口部２１ａは貫通孔であるが、開口部２１ａの代わりに凹部を形成してもよい。ただし、開口部２１ａは、貫通孔の方が好ましい。詳細は、後述するが、遮光層１２ａに含まれる酸素が酸化物半導体層５に供給されやすくなるからである。
さらに、図１（ａ）および図１（ｃ）に示すように、半導体装置１００Ａは、列方向に延設するソース配線６’と、第１基板の法線方向から見たとき、ソース配線６’と重なるように形成された遮光層１２ｂとを有している。ソース配線６’は、ＴＦＴ１０のソース電極６に電気的に接続している。第２絶縁層１１は、さらに開口部２１ｂを有している。遮光層１２ｂは、開口部２１ｂに形成されている。遮光層１２ｂの上面は曲面を有し、かつ、第２絶縁層１１の上面は遮光層１２ｂの上面よりも基板１側にある。遮光層１２ｂは、例えばブラックマトリクス（ＢＭ）として機能する。ＴＦＴ基板である半導体装置１００Ａ上にＢＭを形成すると、半導体装置１００Ａを用いて液晶表示装置を製造した場合、半導体装置１００Ａに対向するカラーフィルタ基板にＢＭを形成しなくてもよく、さらに、ＴＦＴ１０とＢＭとの位置ずれを小さくでき、ＢＭをあまり大きくしなくてもよいので、画素の開口率がより大きくなる。なお、ここで例示する開口部２１ｂは貫通孔であるが、開口部２１ｂの代わりに凹部を形成してもよい。
遮光層１２ａ、１２ｂの上面が曲面を有し、かつ、第２絶縁層１１の上面がそれぞれ遮光層１２ａ、１２ｂの上面よりも基板１側にあると、例えば電圧印加時において、ＴＦＴ１０上の液晶層（不図示）の液晶分子の配向が所望の配向から乱れることを防ぐことができる。特に、半導体装置１００Ａを有する液晶表示装置が、垂直配向型の液晶表示装置である場合、上述の効果は顕著に表れる。さらに、遮光層１２ａ、１２ｂの上面が曲面を有し、かつ、第２絶縁層１１の上面がそれぞれ遮光層１２ａ、１２ｂの上面よりも基板１側にあると、ラビング処理に起因する不良が発生しにくくなる。
遮光層１２ａ、１２ｂは、黒色樹脂から形成されることが好ましい。黒色樹脂は、例えばチタンブラック顔料またはカーボンブラック顔料などを含有したアクリル樹脂から形成される。遮光層１２ａ、１２ｂが、黒色樹脂から形成されると、遮光層１２ａ、１２ｂが、ＴＦＴ１０の酸化物半導体層５に照射される光を吸収するので、ＴＦＴ１０の特性が光により変化することを防ぐことができる。また、後述するが、遮光層１２ａ、１２ｂはインクジェット法にて容易に形成され、製造コスト削減につながる。インクジェット法で遮光層１２ａ、１２ｂを形成すると、所望の領域にのみ遮光層１２ａ、１２ｂが形成されるので、遮光層１２ａ、１２ｂの形成に起因する不良が発生しにくくなる。さらに、黒色樹脂が酸化物半導体層５へ酸素を供給し、酸化物半導体層５の酸素欠損を抑制し得る。
第２絶縁層１１は、遮光層１２ａ、１２ｂを形成する材料に対して撥油性（油をはじき、水をはじかない性質）または撥液性（水および油をはじく性質）を有することが好ましい。第２絶縁層１１が、撥油性または撥液性を有すると、遮光層１２ａ、１２ｂの上面が曲面を有するように形成され、かつ、第２絶縁層１１の上面が遮光層１２ａ、１２ｂの上面よりも基板１側にあるように形成される。
半導体装置１００Ａは、第２絶縁層１１上に導電層１３をさらに有している。本実施形態において、導電層１３は、例えば画素電極層である。また、遮光層１２ａと第２絶縁層１１とは互いに接触して、界面を形成している。同様に、遮光層１２ｂと第２絶縁層１１とは互いに接触して、界面を形成している。遮光層１２ａ、１２ｂと第２絶縁層１１との界面の少なくとも一部は、導電層１３の下にあることが好ましい。遮光層１２ａ、１２ｂと第２絶縁層１１との界面が導電層１３の下にあると、例えば、液晶層に含まれる水分が、遮光層１２ａ、１２ｂと第２絶縁層１１との隙間から侵入し、ＴＦＴ１０の特性が変化することを防ぐことができる。
遮光層１２ａ、１２ｂの上面のそれぞれの最頂部と第２絶縁層１１の上面との距離Ｌは、それぞれ独立に０ｎｍ超１５００ｎｍ以下が好ましい。距離Ｌがこの範囲にあると、特に、半導体装置１００Ａを垂直配向型の液晶層を有する液晶表示装置に用いた場合、電圧印加時において、遮光層１２ａ、１２ｂが液晶分子の傾斜方向を規定するので、ＴＦＴ１０上の液晶層の液晶分子が所望の配向となりやすい。
図１（ａ）および図２に示す半導体装置は、ＴＦＴ１０のソース電極６に電気的に接続されたソース配線６’と、ＴＦＴ１０のドレイン電極７に電気的に接続されたドレイン配線７’とを有する。ソース配線６’は、列方向に延設している。ソース配線６’およびドレイン配線７’は、酸化物半導体層５を形成する材料と同一の材料から形成された層上に形成されている。このような構造を有すると、フォトマスクの数が削減された半導体装置の製造方法で図２に示した半導体装置が製造され得る。フォトマスクの数が削減された半導体装置の製造方法は、例えば特許文献４に開示されている。参考までに、特許文献４の開示内容の全てを本明細書に援用する。
本実施形態において酸化物半導体層５は、例えば、Ｉｎ（インジウム）、Ｇａ（ガリウム）およびＺｎ（亜鉛）を有するアモルファス酸化物半導体層（ａ−ＩＧＺＯ層）である。また、酸化物半導体層５は、例えば、ＩｎおよびＺｎを有し、Ｇａを有しないアモルファス酸化物半導体（ａ−ＩＺＯ）層、または、Ｚｎを有し、ＩｎおよびＧａを有しないアモルファス酸化物半導体（ａ−ＺｎＯ）層でもよい。なお、ＴＦＴ１０の半導体層として、酸化物半導体層５の代わりに、例えばアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）層であってもよい。
次に、半導体装置１００Ａを詳細に説明する。
図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、半導体装置１００Ａは、基板１上に支持されたＴＦＴ１０および補助容量電極８と、ＴＦＴ１０のドレイン配線７’に電気的に接続された導電層（本実施形態において、画素電極層）１３とを有する。ＴＦＴ１０は、酸化物半導体ＴＦＴである。ＴＦＴ１０は、ゲート電極２と、ゲート電極２上に形成された第１ゲート絶縁膜３と、第１ゲート絶縁膜３上に形成された第２ゲート絶縁膜４と、第２ゲート絶縁膜４上に形成された酸化物半導体層５と、酸化物半導体層５上に形成されたソース電極６およびドレイン電極７とを有する。さらに、半導体装置１００Ａは、ＴＦＴ１０上に形成された第１絶縁層９と、第１絶縁層９上に形成された第２絶縁層１１とを有する。導電層１３は、第２絶縁層１１上に形成され、導電層１３の一部は、遮光層１２ａ、１２ｂに接触している。ただし、導電層１３は、導電層１３の一部と酸化物半導体層５のチャネル領域とが重ならないように形成されている。さらに、半導体装置１００Ａは、ソース電極６に電気的に接続されたソース配線６’と、ドレイン電極７に電気的に接続されたドレイン配線７’とを有する。
ゲート電極２および補助容量電極８は、例えば、Ｔｉ（チタン）／Ａｌ（アルミニウム）／Ｔｉを含有する積層構造を有する。ゲート電極２および補助容量電極８は、Ａｌの代わりに、Ｃｕ（銅）でもよい。ゲート電極２および補助容量電極８の厚さは、それぞれ例えば２５０ｎｍである。
ソース電極６およびソース配線６’、ならびにドレイン電極７およびドレイン配線７’は、例えば、ＭｏＮ（窒化モリブデン）／Ａｌ（アルミニウム）／ＭｏＮを含有する積層構造を有する。ソース電極６およびソース配線６’、ならびにドレイン電極７およびドレイン配線７’は、Ａｌの代わりにＣｕでもよい。ソース電極６およびソース配線６’、ならびにドレイン電極７およびドレイン配線７’の厚さは、例えば２５０ｎｍである。
第１ゲート絶縁膜３は、例えば、ＳｉＮ（窒化シリコン）から形成されている。第１ゲート絶縁膜３の厚さは、例えば３２５ｎｍである。
第２ゲート絶縁膜４は、例えば、ＳｉＯ2（二酸化シリコン）から形成されている。第２ゲート絶縁膜４の厚さは、例えば５０ｎｍである。
酸化物半導体層５は、例えばＩｎ、ＧａおよびＺｎを含有する。酸化物半導体層５の厚さは、例えば５０ｎｍである。
第１絶縁層９は、例えばＳｉＯ2から形成されている。第１絶縁層９の厚さは、例えば２５０ｎｍである。
第２絶縁層１１は、例えば感光性の有機材料から形成されている。第２絶縁層１１の厚さは、例えば２０００ｎｍ〜４０００ｎｍである。
導電層１３は、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）から形成される。導電層１３の厚さは、例えば、５０ｎｍ〜２００ｎｍである。
次に、発明者が検討した光照射実験について説明する。
図３は、半導体装置１００Ａ（実施例）、および、半導体装置１００Ａの遮光層１２ａを有しない半導体装置２００（比較例）のそれぞれの閾値電圧の変化量（ΔＶｔｈ）と駆動時間（単位：時間）との関係を表すグラフである。具体的には、半導体装置２００（不図示）は、基板（例えばガラス基板）１と、基板１に支持されたＴＦＴ１０を有する。ＴＦＴ１０は、ゲート電極２と、ゲート電極２上に形成された第１ゲート絶縁膜３と、第１ゲート絶縁膜３上に形成された第２ゲート絶縁膜４と、第２ゲート絶縁膜４上に形成された酸化物半導体層５と、酸化物半導体層５上に形成されたソース電極６およびドレイン電極７とを有する。さらに、半導体装置２００は、ＴＦＴ１０上に形成された第１絶縁層９と、第１絶縁層９上に形成された第２絶縁層１１とを有する。半導体装置２００は、遮光層１２ａおよび開口部２１ａを有しない。各半導体装置は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）バックライト上で駆動させる。また、ＬＥＤバックライトの輝度は、２０００ｃｄ／ｍ2である。ΔＶｔｈは、ＬＥＤバックライトの光が照射されていないときの半導体装置１００Ａおよび２００のそれぞれの閾値電圧（Ｖｔｈ0）と、ＬＥＤバックライトからの光が半導体装置１００Ａおよび２００に照射されている環境下において、所定の駆動時間における半導体装置１００Ａおよび２００のそれぞれの閾値電圧（Ｖｔｈt）との差（ΔＶｔｈ＝Ｖｔｈ0−Ｖｔｈt）である。
図３から分かるように、遮光層１２ａを有しない半導体装置２００では、駆動時間とともにΔＶｔｈが大きく変化する。しかしながら、半導体装置１００Ａでは、半導体装置２００よりもΔＶｔｈの変化は小さい。これは、ＬＥＤバックライトからの光が、半導体装置２００の酸化物半導体層に照射され閾値電圧が変化していると考えられる。半導体装置１００Ａでは、酸化物半導体層５に照射され得る光を遮光層１２ａが吸収するので、閾値電圧は大きく変化しないと考えられる。また、酸化物半導体層５に光が照射されるとＴＦＴのＣＶ特性（静電容量バイアス電圧特性）も変化するが、遮光層１２ａを形成すると、ＴＦＴのＣＶ特性の変化は小さくなり、ＣＶ特性が安定する。
このように、遮光層１２ａの形成によりＴＦＴの電気特性が安定し、その結果、例えば液晶表示装置の表示品位が安定することが分かった。
次に、図４および図５を参照して、本発明による他の実施形態における半導体装置１００Ｂを説明する。なお、半導体装置１００Ａと共通する構成要素は同じ参照符号を付し、重複する説明を避ける。
図４（ａ）は、半導体装置１００Ｂの模式的な平面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った半導体装置１００Ｂの模式的な断面図である。図４（ｃ）は、導電層１３の模式的な平面図である。
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、半導体装置１００Ｂは、半導体装置１００Ａの導電層（例えば、画素電極層）１３が、例えば特許文献５に開示されている画素電極の構造とほぼ同じ構造を有し、さらに、例えば画素の略中央に十字状の遮光層１２ｃを有している半導体装置である。
図４（ｃ）に示すように、導電層（例えば、画素電極層）１３は、第１方向に延びる第１フリンジ部１３ａおよび第２フリンジ部１３ｂと、第１フリンジ部１３ａ側に位置し、第１方向とは異なる第２方向に延びる複数の第１枝部１３ａａと、第２フリンジ部１３ｂ側に位置し、第２方向に延びる複数の第２枝部１３ｂｂと、第１フリンジ部１３ａ側に位置し、第１方向および第２方向とは異なる第３方向に延びる複数の第３枝部１３ａｂと、第２フリンジ部１３ｂ側に位置し、第４方向に延びる複数の第４枝部１３ｂａとを有する。第１枝部１３ａａ、第２枝部１３ｂｂ、第３枝部１３ａｂおよび第４枝部１３ｂａのそれぞれの幅は、例えば１．４μｍ以上８．０μｍ以下である。また、第１枝部１３ａａと第３枝部１３ａｂとの間の幅、および第２枝部１３ｂｂと第４枝部１３ｂａとの間の幅ｗ１は、それぞれ例えば１．４μｍ以上３．２μｍ以下である。第１枝部１３ａａ間、第２枝部１３ｂｂ間、第３枝部１３ａｂ間および第４枝部１３ｂａ間のそれぞれの幅ｗ２は、例えば１．４μｍ以上３．２μｍ以下である。第１枝部１３ａａと第４枝部１３ｂａとの間の幅および第２枝部１３ｂｂと第３枝部１３ａｂとの間の幅ｗ３は、それぞれ例えば１．４μｍ以上３．２μｍ以下である。
なお、半導体装置１００Ｂの導電層１３は、特許文献５または特許文献６に開示されている画素電極と同じ構造を有してもよい。参考のために、特許文献５および６の開示内容の全てを本明細書に援用する。
半導体装置１００Ａおよび１００Ｂは、それぞれ独立に液晶表示装置に用いられる。特に、半導体装置１００Ｂは、垂直配向（ＶＡ（Vertical Alignment））型の液晶層を有する液晶表示装置（例えば、ＭＶＡ（Multi-domain Vertical Alignment）型液晶表示装置）に用いられる。
図５は、半導体装置１００Ｂを有する液晶表示装置５００Ｂの画素電極層の構造と電圧印加時における液晶分子７０の配向との関係を説明するための平面図である。
ＶＡ型液晶表示装置５００Ｂの画素領域は、電圧印加時に液晶層の液晶分子が、第１方向に沿って配向する第１液晶ドメイン７１と、第２方向に沿って配向する第２液晶ドメイン７２と、第３方向に沿って配向する第３液晶ドメイン７３と、第４方向に沿って配向する第４液晶ドメイン７４とを有する。第１方向、第２方向、第３方向および第４方向は、任意の２つの方向の差が９０°の整数倍に略等しい４つの方向である。第１液晶ドメイン７１、第２液晶ドメイン７２、第３液晶ドメイン７３および第４液晶ドメイン７４は、それぞれ他の液晶ドメインと隣接し、かつ、２行２列のマトリクス状に配置されている。図４（ｃ）に示した導電層１３は、電圧印加時に液晶分子７０がこのような配向となるような構造を有している。
第１液晶ドメイン７１、第２液晶ドメイン７２、第３液晶ドメイン７３および第４液晶ドメイン７４のそれぞれが他の液晶ドメインと隣接する境界領域の少なくとも一部を選択的に遮光するように、遮光層１２ｃは形成されている。遮光層１２ｃは、第２絶縁層１１に形成された開口部２１ｃに形成されている。遮光層１２ｃの上面は曲面を有し、かつ、第２絶縁層１１の上面は遮光層１２ｃの上面よりも基板１側にある。上述したように開口部２１ｃは貫通孔であるが、開口部２１ｃの代わりに凹部を形成してもよい。
遮光層１２ｃがこのように形成されていると、液晶層の液晶分子が所望の配向をしていない領域（輝線領域）を遮光層１２ｃにより遮光するので、液晶表示装置の表示品位が向上する。特に、斜め方向から見たときの液晶表示装置の表示品位が向上する。また、液晶パネル内で生じる内部反射光を遮光層１２ｃが吸収するので、液晶表示装置の表示品位が向上する。
遮光層１２ｃの幅は、２μｍ以上５μｍ以下が好ましい。遮光層１２ｃの幅が、このような範囲にあると輝線領域を十分に遮光でき、画素の開口率があまり低下しない。
遮光層１２ｃは、黒色樹脂から形成されている。具体的には、黒色樹脂は、例えばチタンブラック顔料またはカーボンブラック顔料などを含有したアクリル樹脂から形成される。
遮光層１２ｃと第２絶縁層１１とは、互いに接触して界面を形成している。遮光層１２ｃと第２絶縁層１１との界面の少なくとも１つは、導電層１３の下にある。このように導電層１３を形成すると、例えば液晶層に含まれる水分が、遮光層１２ｃと第２絶縁層１１との隙間から侵入し、ＴＦＴ１０の特性が変化することを防ぐことができる。
上述したように、遮光層１２ｃにおいても、遮光層１２ｃの上面の最頂部と第２絶縁層１１の上面との距離Ｌ’（不図示）は、０ｎｍ超１５００ｎｍ以下が好ましい。距離Ｌ’がこの範囲にあると、電圧印加時において、遮光層１２ｃが液晶分子の傾斜方向を規定するので、遮光層１２ｃ上の液晶分子が所望の配向となりやすい。
次に、半導体装置１００Ａおよび１００Ｂの製造方法について、図６〜図８を参照しながら説明する。図６（ａ）〜図６（ｄ）および図７（ａ）〜図７（ｄ）は、半導体装置１００Ａの製造方法を説明する模式的な図である。図８（ａ）〜図８（ｃ）は、半導体装置１００Ｂの製造方法を説明する模式的な図である。なお、半導体装置１００Ｂは、半導体装置１００Ａに遮光層１２ｃが形成された半導体装置であるので、半導体装置１００Ａと併せて説明し、重複する説明を避ける。
図６（ａ）に示すように、公知の方法で、例えば酸化物半導体層５を有するＴＦＴ１０を基板（例えばガラス基板）１上に形成する。また、図７（ａ）に示すように、ソース配線６’が基板１上に形成される。
次に、図６（ｂ）および図７（ｂ）に示すように、ＴＦＴ１０上に、第１絶縁層９を形成した後、第１絶縁層９上に撥油性および感光性を有する有機材料から形成された第２絶縁層１１を形成する。第２絶縁層１１は、低誘電率（例えば、誘電率２．０以上４．０以下）を有することが好ましい。また、第２絶縁層１１は、撥液性を有してもよい。第２絶縁層１１は、例えば感光性のノボラック樹脂を含有するレジストを用いて形成された膜をパターニングし、開口部２１ａおよび開口部２１ｂを形成することによって得られる。なお、図８（ａ）に示すように、半導体装置１００Ｂにおいては、開口部２１ｃも形成される。同時に、ドレイン電極７と後に形成される導電層１３とを電気的に接続するコンタクトホール２２も形成される（図６（ｂ））。第１絶縁層９および第２絶縁層１１は、それぞれ公知の方法で形成される。開口部２１ａ〜開口部２１ｃの代わりに、それぞれ凹部を形成してもよい。
次に、図６（ｃ）および図７（ｃ）に示すように、黒色樹脂を含む溶液を用いて、例えばインクジェット法により、開口部２１ａおよび開口部２１ｂに、それぞれ遮光滴１２ａ’、１２ｂ’を形成する。インクジェット法により、遮光滴１２ａ’、１２ｂ’を形成すると、所望の領域のみに遮光滴１２ａ’、１２ｂ’を形成しやすい。なお、図８（ｂ）に示すように、半導体装置１００Ｂにおいては、開口部２１ｃに遮光滴１２ｃ’も形成される。本実施形態において、黒色樹脂を含む溶液として、例えば、チタンブラック顔料を含有したアクリル樹脂をＰＧＭＥＡ（プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート）に分散させた溶液を用いた。また、本実施形態において、それぞれの遮光滴１２ａ’〜１２ｃ’に含まれる固形成分の体積が、形成したい遮光層１２ａ〜１２ｃの体積となるようにそれぞれの開口部２１ａ〜２１ｃに遮光滴１２ａ’〜１２ｃ’を形成する。具体的には、例えば、黒色樹脂を含む溶液の固形成分濃度が２０％であり、Ｌ＝１５００ｎｍ（図１（ｂ）参照）の場合、１つの開口部２１ａ（例えば、開口部２１ａの底面の形状は正方形であり、１辺が１０μｍ、底面積が１００μｍ2、高さが２μｍの場合）に滴下される黒色樹脂を含む溶液の体積は、約１６００ｆＬ（フェムトリットル）であり、１つの開口部２１ｃ（例えば、開口部２１ｃの底面の幅が５μｍ、長さが１００μｍ、底面積が５００μｍ2、高さが２μｍの場合）に滴下される黒色樹脂を含む溶液の体積は、約８ｐＬ（ピコリットル）である。
次に、図６（ｄ）および図７（ｄ）に示すように、例えば減圧乾燥により遮光滴１２ａ’および１２ｂ’に含まれる溶媒を蒸発させ、その後、例えば２２０℃、１時間の条件でベークし、遮光滴１２ａ’および１２ｂ’を硬化させて、遮光層１２ａおよび遮光層１２ｂを形成する。なお、図８（ｃ）に示すように、半導体装置１００Ｂにおいては、同様に遮光滴１２ｃ’を上述の条件で硬化させて、遮光層１２ｃを形成する。
第２絶縁層１１を撥油性（または、撥液性）（例えば、感光性を有するフッ素樹脂（例えば、商品名：オプトエース（ダイキン工業株式会社製）））を有する有機材料から形成すると、遮光層１２ａ〜１２ｃの上面が曲面を有し、第２絶縁層１１の上面が遮光層１２ａ〜１２ｃの上面よりも基板１側にある構造となる。
その後、図１に示したように、公知の方法で、コンタクトホールをドレイン配線７’まで貫通させた後、導電層１３を形成し、半導体装置１００Ａを製造する。同様に、半導体装置１００Ｂを製造する（図４参照）。遮光層１２ａまたは／および遮光層１２ｂと第２絶縁層１１との界面上に導電層１３の一部があるように導電層１３を形成することが好ましい。遮光層１２ａまたは／および遮光層１２ｂと第２絶縁層１１との界面上に導電層１３の一部があるように導電層１３を形成すると、製造工程を増大させることなく、遮光層１２ａまたは／および遮光層１２ｂと第２絶縁層１１との界面を導電層１３の一部で覆うことができる。同様に、遮光層１２ｃと第２絶縁層１１との界面上に導電層１３の一部があるように導電層１３を形成することが好ましい。遮光層１２ｃと第２絶縁層１１との界面上に導電層１３の一部があるように導電層１３を形成すると、製造工程を増大させることなく、遮光層１２ｃと第２絶縁層１１との界面を導電層１３の一部で覆うことができる。
上述の第２絶縁層１１を形成する撥油性を有する有機材料は高価である。従って、この有機材料を用いる代わりに、以下に説明する方法で、半導体装置１００Ａを製造すると安価に製造し得る。
半導体装置１００Ａの他の実施形態における製造方法について、再び図６を参照しながら説明する。なお、説明は省略するが、半導体装置１００Ｂも以下に説明する製造方法で製造し得る。
図６（ｂ）および図７（ｂ）に示したように、上述した方法で、第２絶縁層１１までを形成する。ただし、第２絶縁層１１を形成する材料は、撥油性（または、撥液性）を有しなくてもよい。第２絶縁層１１は、例えばノボラック樹脂を含有する感光性レジストから形成される。
次に、公知の方法で、第２絶縁層１１をパターニングし、上述の開口部２１ａおよび開口部２１ｂを形成する。同時に、ドレイン電極７と後に形成される導電層１３とを電気的に接続するコンタクトホール２２も形成される。なお、開口部２１ａおよび開口部２１ｂの代わりに、それぞれ凹部を形成してもよい。
次に、開口部２１ａおよび開口部２１ｂの第２絶縁層１１の側面および開口部２１ａおよび開口部２１ｂ付近の第２絶縁層１１の上面に撥油性（または、撥液性）を付与する処理を行う。具体的には、フッ素ガスを用いてプラズマ処理を行う。
本実施形態において、フッ素ガスを用いたプラズマ処理として、真空圧ドライエッチング装置を用い、導入ガスをＣＦ4（四フッ化炭素）：１５０ｓｃｃｍ以上３００ｓｃｃｍ以下およびＨｅ（ヘリウム）：０ｓｃｃｍ以上５００ｓｃｃｍ以下の条件とし、ガス圧力を５０ｍＴｏｒｒ以上１５０ｍＴｏｒｒ以下（約６．７Ｐａ以上約２０Ｐａ以下）の条件とし、使用電力を２００Ｗ以上３００Ｗ以下の条件とし、処理時間を２０ｓｅｃ以上９０ｓｅｃ以下の条件とし、処理温度を４０℃の条件で行った。このような処理が施された部分の第２絶縁層１１は、撥油性（または撥液性）を有する。
さらに、フッ素ガスを用いたプラズマ処理の他の処理方法として、ダイレクトタイプの大気圧プラズマ装置を用い、導入ガスをＣＦ4：５．０ｓｌｍ以上１５ｓｌｍ以下、および、Ｎ2（窒素）：２０ｓｌｍ以上５０ｓｌｍ以下の条件とし、ガス圧力を３００ｍＴｏｒｒ以上８００ｍＴｏｒｒ以下（約４０Ｐａ以上約１０７Ｐａ以下）の条件とし、搬送速度を０．５ｍ／ｍｉｎ以上３．０ｍ／ｍｉｎ以下の条件とし、処理温度を２５℃以上３５℃以下の条件で行った。なお、プラズマ処理に用いるガスとしては、ＣＦ4の他、例えばＳＦ6（六フッ化硫黄）、ＣＨＦ3（フルオロホルム）、または、Ｃ2Ｆ6（六フッ化エタン）を用いてもよい。また、フッ素系ガスにＨｅやＮ2などの不活性ガスが混合されていてもよい。
このような処理を行うと、処理された部分の第２絶縁層１１に撥油性（または、撥液性）が付与される。
次に、図６（ｃ）ならびに図６（ｄ）、および図７（ｃ）ならびに図７（ｄ）に示したように、上述した方法で、開口部２１ａおよび開口部２１ｂに遮光層１２ａおよび遮光層１２ｂを形成する。
このような方法によっても、遮光層１２ａおよび遮光層１２ｂの上面が曲面を有し、第２絶縁層１１の上面が遮光層１２ａおよび遮光層１２ｂの上面よりも基板１側にある構造となる。
その後、図１に示したように、公知の方法で、コンタクトホールをドレイン配線７’まで貫通させた後、導電層１３を形成し、半導体装置１００Ａを製造する。
以上、本発明の実施形態により、光によるＴＦＴの特性の変化が生じにくく、表示品位が低下しない半導体装置およびそのような半導体装置の製造方法、ならびに液晶表示装置が提供される。
本発明の適用範囲は極めて広く、ＴＦＴを備えた半導体装置、あるいは、そのような半導体装置を有するあらゆる分野の電子機器に適用することが可能である。例えば、アクティブマトリクス型液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置に用いることができる。このような表示装置は、例えば携帯電話や携帯ゲーム機の表示画面や、デジタルカメラのモニタ一等に利用され得る。従って、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置が組み込まれた電子機器全てに本発明を適用できる。
１ 基板
２ ゲート電極
３、４ ゲート絶縁膜
５ 酸化物半導体層
６ ソース電極
６’ ソース配線
７ ドレイン電極
７’ ドレイン配線
８ 補助容量電極
９ 第１絶縁層
１０ ＴＦＴ
１１ 第２絶縁層
１２ａ、１２ｂ 遮光層
１３ 導電層
２１ａ、２１ｂ 開口部
１００Ａ 半導体装置

Claims (17)

  1. 基板と、
    前記基板に支持されたソース電極、ドレイン電極および酸化物半導体層を有する薄膜トランジスタと、
    前記薄膜トランジスタ上に形成された第１絶縁層と、
    前記第１絶縁層上に形成された第１開口部または第１凹部を有する第２絶縁層と、
    前記基板の法線方向から見たとき、前記酸化物半導体層と重なるように形成された第１遮光層とを有し、
    前記第１遮光層は、前記第１開口部または第１凹部に形成され、
    前記第１遮光層の上面は凸状の曲面を有し、かつ、前記第２絶縁層の上面は前記第１遮光層の上面よりも前記基板側にある、半導体装置。
  2. 前記第２絶縁層の上面と前記第１遮光層の上面の最頂部との距離は、０ｎｍ超１５００ｎｍ以下である、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記第１遮光層は、黒色樹脂から形成されている、請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記ソース電極に電気的に接続されたソース配線と、
    前記基板の法線方向から見たとき、前記ソース配線と重なるように形成された第２遮光層をさらに有し、
    前記第２絶縁層は、第２開口部または第２凹部をさらに有し、
    前記第２遮光層は、前記第２開口部または前記第２凹部に形成され、
    前記第２遮光層の上面は凸状の曲面を有し、かつ、前記第２絶縁層の上面は前記第２遮光層の上面よりも前記基板側にある、請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記第２絶縁層の上面と前記第２遮光層の上面の最頂部との距離は、０ｎｍ超１５００ｎｍ以下である、請求項４に記載の半導体装置。
  6. 前記第２遮光層は、黒色樹脂から形成されている、請求項４または５に記載の半導体装置。
  7. 前記第２絶縁層上に形成された導電層を有し、
    前記第２絶縁層と前記第１遮光層とは互いに接して第１界面を形成しており、
    前記第２絶縁層と前記第２遮光層とは互いに接して第２界面を形成しており、
    前記第１界面または前記第２界面の少なくとも１部は、前記導電層の下にある、請求項４から６のいずれかに記載の半導体装置。
  8. 前記ドレイン電極に電気的に接続されたドレイン配線を有し、
    前記酸化物半導体層を形成する材料と同一の材料から形成された層上に、前記ソース配線および前記ドレイン配線は形成されている、請求項４から７のいずれかに記載の半導体装置。
  9. 前記酸化物半導体層は、Ｉｎ、ＧａおよびＺｎを含む、請求項１から８のいずれかに記載の半導体装置。
  10. 前記第２絶縁層は、撥油性を有する、請求項１から９のいずれかに記載の半導体装置。
  11. 請求項１から１０のいずれかに記載の半導体装置を有する、液晶表示装置。
  12. 垂直配向型の液晶層を有する液晶表示装置であって、
    前記液晶表示装置の画素領域は、電圧印加時に前記液晶層の液晶分子が、第１方向に沿って配向する第１液晶ドメインと、第２方向に沿って配向する第２液晶ドメインと、第３方向に沿って配向する第３液晶ドメインと、第４方向に沿って配向する第４液晶ドメインとを有し、
    前記第１方向、第２方向、第３方向および第４方向は、任意の２つの方向の差が９０°の整数倍に略等しい４つの方向であり、
    前記第１液晶ドメイン、第２液晶ドメイン、第３液晶ドメインおよび第４液晶ドメインは、それぞれ他の液晶ドメインと隣接し、かつ、２行２列のマトリクス状に配置されており、
    前記第１液晶ドメイン、第２液晶ドメイン、第３液晶ドメインおよび第４液晶ドメインのそれぞれが他の液晶ドメインと隣接する境界領域の少なくとも一部を選択的に遮光するように第３遮光層は、形成されており、
    前記第２絶縁層は、第３開口部または第３凹部をさらに有し、
    前記第３遮光層は、前記第３開口部または前記第３凹部に形成され、
    前記第３遮光層の上面は凸状の曲面を有し、かつ、前記第２絶縁層の上面は前記第３遮光層の上面よりも前記基板側にある、請求項１１に記載の液晶表示装置。
  13. 前記第２絶縁層の上面と前記第３遮光層の上面の最頂部との距離は、０ｎｍ超１５００ｎｍ以下である、請求項１２に記載の液晶表示装置。
  14. 前記第３遮光層は、黒色樹脂から形成されている、請求項１３に記載の液晶表示装置。
  15. 前記第２絶縁層上に形成された導電層を有し、
    前記第３遮光層と前記第２絶縁層とは互いに接して第３界面を形成しており、
    前記第３界面の少なくとも１部は、前記導電層の下にある、請求項１２から１４のいずれかに記載の液晶表示装置。
  16. 請求項１０に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記第２絶縁層を、撥油性を有する有機材料から形成する工程を包含する、半導体装置の製造方法。
  17. 請求項１０に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記第２絶縁層を形成する工程（Ａ）と、
    前記工程（Ａ）の後に、フッ素系のガスを用いてプラズマ処理を行い、前記第２絶縁層に撥油性を付与する工程（Ｂ）とを包含する、半導体装置の製造方法。
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