JP6006748B2 - 液晶表示装置 - Google Patents
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Description
当該液晶表示装置を具備する電子機器に関する。
、アモルファスシリコン、多結晶シリコン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。
が、各画素に設けられている。液晶材料を挟持する両端の電極の電位を保持するためには
、液晶材料を挟持する両端の電極の電荷のリークを低減する必要がある。そこで、各画素
に設けられた画素電極に接続されている薄膜トランジスタのオフ電流を低減することが重
要となる。オフ電流を低減することで、電圧を保持できる期間を長く取ることができるた
め、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。
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。
おいても電荷のリークを低減し、電圧を保持できる期間を長く取ることができることは、
静止画等の表示の際に低消費電力化を図る上で重要である。
に、薄膜トランジスタのオフ電流を低減することができ、低消費電力化できる液晶表示装
置、液晶表示装置の駆動方法を提供することを課題の一とする。
示装置において、対向電極に供給する共通電位(コモン電位ともいう)を第1の基板に設
けられた端子部より入力する際に、酸化物半導体を半導体層にしたスイッチングトランジ
スタを介して供給することを要旨とする。
素トランジスタに電気的に接続された画素電極を含む複数の画素を有する画素回路が形成
された第1の基板と、対向電極が形成された第2の基板と、画素電極と対向電極との間に
は液晶が挟持されており、対向基板は、スイッチングトランジスタを介して端子部と電気
的に接続されており、画素トランジスタ及びスイッチングトランジスタが有する半導体層
は、酸化物半導体である液晶表示装置である。
液晶表示装置でもよい。
度が1×1016/cm3以下である液晶表示装置でもよい。
である液晶表示装置でもよい。
並びに半導体層が酸化物半導体である画素トランジスタ及び画素電極に電気的に接続され
た画素電極を含む複数の画素を有する画素回路が形成された第1の基板と、スイッチング
トランジスタを介して端子部と電気的に接続される対向電極が形成された第2の基板と、
画素電極と対向電極との間には液晶が挟持されており、動画像を表示する期間において、
スイッチングトランジスタの第1の端子と第2の端子とを導通状態とし、対向電極には共
通電位が供給され、静止画を表示する期間において、スイッチングトランジスタの第1の
端子と第2の端子とを非導通状態とし、対向電極を電気的に浮遊状態とする液晶表示装置
の駆動方法である。
トランジスタを駆動するためのゲート線駆動回路及び信号線駆動回路からの信号が供給さ
れ、静止画を表示する期間において、画素トランジスタには、画素トランジスタを駆動す
るためのゲート線駆動回路及び信号線駆動回路からの信号が停止される液晶表示装置の駆
動方法でもよい。
チングトランジスタのゲート端子に供給される信号に応じて、前記共通電位が供給される
前記端子部と前記対向電極との導通状態または非導通状態を制御する液晶表示装置の駆動
方法でもよい。
表示装置を提供することができる。
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、液晶表示装置の概略図、回路図、及びタイミングチャート等について
示し、本実施の形態の構成とすることによる効果について説明することにする。まず図1
(A)では、液晶表示装置の概略図について説明を行う。
第1の基板101は、画素回路103、ゲート線駆動回路104、信号線駆動回路105
、端子部106、スイッチングトランジスタ107を有する。第2の基板102は、共通
接続部108(コモンコンタクトともいう)、対向電極109を有する。
ていることが必要となる。さらに、第1の基板101及び第2の基板102の少なくとも
1つは透光性をもつことが必要である。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のような電子工業用に使われるガラス基板(「無アル
カリガラス基板」とも呼ばれる)、石英基板、セラミック基板、プラスチック基板等を用
いることができる。
、及びスイッチングトランジスタ107は、第1の基板101上に形成される薄膜トラン
ジスタにより構成する。なお、図1(A)に示すゲート線駆動回路104及び信号線駆動
回路105は、第1の基板101上に形成する薄膜トランジスタで構成する必要はなく、
第1の基板101の外の別の基板等に形成すればよい。そして一例として図2に示すよう
に、画素回路103には端子部106より延設された配線を介して、表示を行うための信
号を入力する構成とすればよい。
て複数のゲート線、及び信号線が設けられ、ゲート線及び信号線に環囲されて複数の画素
が設けられる。そして複数の信号線には各画素の画素電極に供給する画像信号が供給され
、複数のゲート線は信号線より供給される画像信号を選択して各画素の画素電極に供給す
るよう画素トランジスタを制御する。またゲート線駆動回路104、信号線駆動回路10
5は、それぞれゲート線、信号線に供給する信号を生成し出力するための回路である。
ス方式等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、RGB(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、本発明の一態様はカラー表示の液晶表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表
示の液晶表示装置に適用することもできる。
ソース端子及びドレイン端子間の二端子間の導通または非導通を選択して、スイッチング
動作を実現しうる薄膜トランジスタを意味する。一例としては、薄膜トランジスタが線形
領域で動作するようゲート端子に印加する電位を調整して動作させた素子であればよい。
なおスイッチングトランジスタ107のゲートに印加する電位は、端子部106より供給
される構成とすればよい。また、スイッチングトランジスタ107の端子部106に接続
されるソース端子またはドレイン端子の一方の端子を第1の端子、スイッチングトランジ
スタ107の共通接続部108を介して対向電極に接続される側の他方の端子を第2の端
子と呼ぶことにする。なおスイッチングトランジスタ107の第1の端子からは、対向電
極109の共通電位(コモン電位ともいう)が供給され、ゲート端子にスイッチングトラ
ンジスタ107の導通または非導通を制御する信号が供給されることとなる。
型の構造でもよい。または、チャネル領域が複数の領域に分かれて直列に接続された、ダ
ブルゲート型の構造でもよい。または、ゲート電極がチャネル領域の上下に設けられたデ
ュアルゲート型の構造でもよい。また、スイッチングトランジスタを構成する半導体層を
複数の島状の半導体層にわけて形成し、スイッチング動作を実現しうるトランジスタ素子
としてもよい。
ルス信号を制御するための信号(スタートパルスSP、クロック信号等)、画像信号(ビ
デオ電圧、ビデオ信号、ビデオデータともいう)、電源電圧である高電源電位Vdd及び
低電源電位Vss、対向電極109に供給する共通電位、並びにスイッチングトランジス
タ107を動作させるための信号等が供給されることとなる。
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。
、一例としてはグラウンド電位であってもよい。
子と、第2の基板102での対向電極と、の電気的な接続を図るために設けられており、
スイッチングトランジスタ107及び共通接続部108を介して、端子部106より共通
電位が対向電極に供給されることとなる。共通接続部108の具体的な一例としては、絶
縁性球体に金属薄膜が被覆された導電粒子により電気的な接続を図ればよい。なお、共通
接続部108は、第1の基板101及び第2の基板102の間で複数箇所設けられる構成
としてもよい。
い。また対向電極109及び画素回路103が有する画素電極は、多様な開口パターンを
有する形状としてもよい。
グトランジスタ107を第1の基板101上に形成する場合、または画素回路103及び
スイッチングトランジスタ107を第1の基板101に形成する場合、各回路素子を構成
する薄膜トランジスタは、半導体層を酸化物半導体としたnチャネル型の薄膜トランジス
タを用いる。
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をゼロに近いほど極力除去する。そしてキ
ャリア濃度を1×1014/cm3未満、好ましくは1×1011/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。な
お、酸化物半導体層中の水素濃度測定は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secon
dary Ion Mass Spectroscopy)で行えばよい。
好ましくは3eV以上として、ドナーの一部を形成する水素等の不純物を極力低減し、キ
ャリア濃度を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。
度化された酸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10mmの場合でさえも、ドレイン電圧が1V及び10Vの場合において、ゲート
電圧が−5Vから−20Vの範囲において、ドレイン電流は1×10−13A以下となる
ように作用することができる。
を作製した場合、オフ電流値が小さくほとんどリークがないため、当該スイッチング素子
に接続されるノードの電荷のリークを限りなく低減することができ、当該ノードでの電位
の保持時間を長くすることができる。
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)以下とすることができる。一方低温ポリシリコンを具備する
薄膜トランジスタでは、オフ電流が1×10−12A相当であると見積もって設計等を行
うこととなっている。そのため、酸化物半導体を有する薄膜トランジスタでは、低温ポリ
シリコンを具備する薄膜トランジスタに比べて、電位の保持期間を10000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薄膜トランジスタの場合
、チャネル幅1μm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薄膜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。
の保持時間を長くすることができるため、例えば、静止画を表示する際の書き込みの間隔
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分未満とすること
ができる。すなわち、保持期間を長くとれることで、特に静止画の表示を行う際に、画素
電極及び対向電極への画像信号及び共通電位の供給を行う頻度を低減することができる。
そのため、低消費電力化を図ることができる。
慮して、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、表示対象が映像の場合、初期
値に対して1.0%低い状態、好ましくは0.3%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。また、表示対象が文字の場合、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60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104倍の
160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。
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、1×1010Ω・m以上がより好ましい。
線駆動回路104及び信号線駆動回路105が出力するパルス信号を制御するための信号
の供給または停止を繰り返すことで低消費電力化を図ることができる。
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。
画かの判定については、別の基板等でフレーム間の画像の比較を行い、動画像か静止画か
の判定を行う構成とすればよい。一例としては記憶回路及び比較回路を設け、フレーム毎
に画像信号を記憶するために別途設けた記憶回路より連続するフレーム期間の画像信号を
選択的に読み出して、比較回路にて当該画像信号の比較を行い、差分を検出した際には動
画像、検出されない際には静止画と判定する回路を設ければよい。具体的な動作としては
、比較回路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、共通電位が画素回路103の各画素、対向電極に供給される。一
方、比較回路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、画素回路103の各画素、対向電極への画像信号、共通電位を停止するこ
ととなる。また静止画の場合に画像信号の停止とともに、高電源電位Vdd及び低電源電
位Vss等の電源電圧を停止する構成とすることで、さらなる低消費電力化を図ることが
できる。
。また電源電圧の停止とは、配線へ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Vssが供給された配線、に接続することをいう。また画
像信号、共通電位の停止とは、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、当該配線を電気的に浮遊状態とすることをいう。
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及び共通電位を
供給する構成とすればよい。
3の構成を詳細にした回路図について示す。
102が設けられている。また第1の基板101は、画素回路103、ゲート線駆動回路
104、信号線駆動回路105、端子部106、スイッチングトランジスタ107を有す
る。第2の基板102は、共通接続部108、対向電極109を有する。
縦横に設けられており、ゲート線111及び信号線112の交差部に、画素トランジスタ
114、第1の電極と第2の電極との間に液晶が挟持されて形成される液晶素子115を
有する画素113が設けられている様子を示している。図1(B)において、画素トラン
ジスタ114のソース端子またはドレイン端子の一方を第1の端子、ソース端子またはド
レイン端子の他方を第2の端子といい、第1の端子が信号線112に接続され、ゲート端
子がゲート線111に接続され、第2の端子が液晶素子115の第1の電極に接続される
。なお、液晶素子115の第1の電極は、画素電極に相当する。なお液晶素子115の第
2の電極は、前述の対向電極109に相当する。
様に、半導体層として酸化物半導体を用いて形成される。酸化物半導体を用いることによ
り、画素トランジスタを流れるオフ電流を大幅に低減し、画素電極に供給される画像信号
に応じた電位の保持期間を長くすることができる。
)には、画素トランジスタ114、スイッチングトランジスタ107に着目して示してお
り、画素トランジスタ114のゲート端子がゲート線111に接続され、画素トランジス
タ114の第1の端子が信号線112に接続され、画素トランジスタ114の第2の端子
が画素電極121に接続される。またスイッチングトランジスタ107のゲート端子が端
子部106の端子106Aに接続され、スイッチングトランジスタ107の第1の端子が
端子部106の端子106Bに接続され、スイッチングトランジスタ107の第2の端子
が共通接続部108を介して電気的に対向電極122に接続される。なお画素電極121
と対向電極122との間には、液晶123が挟持され、画素電極121、対向電極122
、及び液晶123を併せて液晶素子と呼ぶこともある。
大きさは、画素部に配置される薄膜トランジスタのリーク電流等を考慮して、所定の期間
の間電荷を保持できるように設定すればよい。保持容量の大きさは、薄膜トランジスタの
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、薄膜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。
液晶、強誘電性液晶、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。
13Ω・cmを越えていることであり、さらに好ましくは1×1014Ω・cmを越えて
いることである。なお、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。
なお液晶の固有抵抗は、電極間に挟持して液晶素子(液晶セルともいう)とした際、固有
抵抗が配向膜、シール材等の部材に起因して不純物の混入もあり得るため、1×1011
Ω・cm以上、より好ましくは1×1012Ω・cmを越えていることとなることもある
。
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、液晶表示装置の低消費電力
化を図ることができる。
一つであり、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。
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表示装置にも適用可
能である。
号線駆動回路105に供給する信号の様子について表すタイミングチャート図を示してい
る。なお一例として説明をするために、図3に示す期間301は動画像書き込み期間、期
間302は静止画表示期間に相当し、前述の動画像または静止画の判定の結果によって、
いずれかの期間とすればよい。また図3中でGCKはゲート線駆動回路104に供給する
クロック信号であり、GSPはゲート線駆動回路104に供給するスタートパルスであり
、SCKは信号線駆動回路105に供給するクロック信号であり、SSPは信号線駆動回
路105に供給するスタートパルスである。また、図3は併せて、画素電極121の電位
、端子106Aの電位、端子106Bの電位、対向電極122の電位、について示したも
のである。
を行い、差分を検出した際の期間に相当する。また、期間302の静止画書き込み期間は
、前述の連続するフレーム期間の画像信号の比較を行い、差分を検出しない際の期間に相
当する。従って、期間301では、画像信号、共通電位が画素回路103の各画素、対向
電極に供給されるように動作することとなる。一方、期間302では、画素回路103の
各画素、対向電極への画像信号、共通電位を停止することとなる。
号を供給することとなる。また図3に示すように、スタートパルスGSPは、垂直同期周
波数に応じてパルスを供給することとなる。また図3に示すように期間301において、
クロック信号SCKは常時クロック信号を供給することとなる。また図3に示すようにス
タートパルスSSPは、1ゲート選択期間に応じてパルスを供給することとなる。また図
3に示すように、信号線112には各行の画素に供給するための画像信号dataが供給
され、ゲート線111の電位に応じて画素内の画素電極121に信号線112の電位が供
給されることとなる。また図3に示すように、スイッチングトランジスタ107のゲート
端子にあたる端子106Aは、スイッチングトランジスタ107を導通状態とする電位を
供給し、端子106Bの電位である共通電位が、対向電極122に供給されることとなる
。
Pは共に停止する。また図3に示すように、クロック信号SCK及びスタートパルスSS
Pも共に停止する。また図3に示すように信号線112に供給していた画像信号data
も停止する。また図3に示すように、クロック信号GCK及びスタートパルスGSPは共
に停止するため、画素トランジスタ114が非導通状態となり画像信号dataの供給が
停止して、画素電極121の電位が浮遊状態(フローティング)となる。また、スイッチ
ングトランジスタ107のゲート端子にあたる端子106Aは、スイッチングトランジス
タ107を非導通状態とする電位を供給し、端子106Bの電位である共通電位の供給が
停止して、対向電極122の電位が浮遊状態となる。
122の電位を浮遊状態とすることで新たに電位を供給することなく、静止画の表示を行
うことができる。ゲート線駆動回路104、信号線駆動回路105に供給するクロック信
号、及びスタートパルス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。また液
晶素子の両端を非導通状態時にオフ電流を低減することのできる酸化物半導体層を用いた
半導体層を具備する薄膜トランジスタで画素トランジスタ114及びスイッチングトラン
ジスタ107を形成することで、液晶素子を流れる電流を低減することができる。
以下とすることができる。そのため、非晶質珪素等を半導体層に用いた薄膜トランジスタ
に比べ、画素電極121及び対向電極122を浮遊状態とする期間となる、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。
・cm]程度である。図3での期間302では、液晶123の両端の電極、即ち画素電極
121及び対向電極122の電位を、オフ電流のほとんどない薄膜トランジスタによって
浮遊状態とすることにより、液晶123の両端に印加される電圧による液晶123を流れ
るオフ電流を低減することができる。
液晶表示装置とすることができる。
である。
上記実施の形態1で説明した液晶表示装置の構成について、図4を用いて具体的な上面図
及び断面図を示し、説明する。
0にフレキシブルプリント基板FPCを貼り付ける前の液晶表示装置の上面図であり、図
4(B)は、導電粒子と接続配線の接続領域を示す図4(A)のG−Hの断面図を示し、
図4(C)は画素回路と接続配線の接続領域を示す図4(A)のE−Fの断面図を示す。
透過型や反射型の液晶表示装置にも適用できる。
291が形成された第2の基板1204がシール材1205により貼り合わされており、
シール材1205の内側に液晶1280が充填されている。第1の基板1210上には信
号線駆動回路1200、走査線駆動回路1201、及び画素電極がマトリクス状に形成さ
れた画素回路1202が形成されている。
トランジスタ1261、一対の基板間に配置される導電粒子が設けられる樹脂層1235
により端子部1240と電気的に接続される。なお当該接続の箇所は、少なくとも1カ所
あればよく、複数であってもよい。
する回路を備えた信号線駆動回路1200を示す。また第1の基板上に、駆動回路用薄膜
トランジスタを有する走査線駆動回路1201を有している。
画素トランジスタ1211に接続する画素電極1250が形成される。
ジスタ1261は、酸化物半導体層、ゲート絶縁層、並びにゲート電極層で構成される。
駆動回路用薄膜トランジスタ1223は絶縁層1214を介してゲート電極層及び酸化物
半導体層と重なる導電層1293をその上に有している。またスイッチングトランジスタ
1261は、樹脂層1235に設けられた導電粒子1270により対向電極1291と電
気的に接続されている。
部の領域に設ける構成としたが、シール材1205の内部の領域、一例としては信号線駆
動回路1200が設けられる領域に併設してもよい。スイッチングトランジスタ1261
をシール材1205の内部の領域に設けることにより、外部からの衝撃等からの保護を図
ることができるため、スイッチングトランジスタ1261の長寿命化を図ることができる
。
1293で挟み込む構成とすることにより、駆動回路用薄膜トランジスタ1223のしき
い値ばらつきを低減させることができ、安定した電気特性を有する駆動回路用薄膜トラン
ジスタ1223を備えた液晶表示装置を提供することができる。導電層1293は、ゲー
ト電極層と同電位としても良いし、フローティング電位でも良いし、固定電位、例えばG
ND電位や0Vでもよい。また、導電層1293に任意の電位を与えることで、駆動回路
用薄膜トランジスタ1223のしきい値を制御することができる。
ミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスのような電子工業用に使われるガラス
基板(「無アルカリガラス基板」とも呼ばれる)、石英基板、セラミック基板、プラスチ
ック基板等を適宜用いることができる。第1の基板1210及び第2の基板1204とし
て、可撓性を有するプラスチック基板を用いることで、可撓性を有する液晶表示装置を作
製することができる。
用いて第1基板または第2基板上に塗布する。シール材1205は、代表的には可視光硬
化性、紫外線硬化性または熱硬化性の樹脂を含む材料を用いることができる。例えば、ビ
スフェノールA型液状樹脂、ビスフェノールA型固形樹脂、含ブロムエポキシ樹脂、ビス
フェノールF型樹脂、ビスフェノールAD型樹脂、フェノール型樹脂、クレゾール型樹脂
、ノボラック型樹脂、環状脂肪族エポキシ樹脂、エピビス型エポキシ樹脂、グリシジルエ
ステル樹脂、グリジシルアミン樹脂、複素環式エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂等のエポ
キシ樹脂を用いることができる。シール材1205としては粘度40〜400Pa・sの
ものを用いる。また、フィラー(直径1μm〜24μm)を含んでもよい。なお、シール
材としては、後に接する液晶に溶解しないシール材料を選択することが好ましい。
きる。絶縁性球体は、シリカガラス、硬質樹脂等で形成される。金属薄膜は、金、銀、パ
ラジウム、ニッケル、ITO、及びIZOの単層または積層構造とすることができる。例
えば、金属薄膜として金薄膜や、ニッケル薄膜及び金薄膜の積層等を用いることができる
。絶縁性球体を中心に有する導電粒子を用いることで、弾性が高まり、外部からの圧力に
対する破壊を低減することができる。
る。透過型液晶表示装置の場合、画素電極1250は透光性を有する材料を用いて形成す
る。透光性を有する材料とは、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸
化インジウム亜鉛(IZO)、ガリウムを添加した酸化亜鉛(GZO)等がある。
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。
る。具体的には、アルミニウム、銀等が用いられる。また、画素電極の表面を凹凸状にす
ることで、反射率が高まる。このため、画素電極の下地膜を凹凸とすればよい。
いられる。
は、接続配線1208上に接続端子1241が形成される。
基板1210上に接続配線1208、スイッチングトランジスタ1261が形成される。
接続配線1208上には画素電極1250と同時に形成される接続端子1241が形成さ
れる。接続端子1241は、接続配線1208、スイッチングトランジスタ1261、及
び導電粒子1270を介して、対向電極1291と電気的に接続される。また、接続端子
1241はFPC(図示せず)と接続される。なお、図4(B)において、導電粒子12
70は樹脂層1235によって固定されている。樹脂層1235としては、シール材12
05で用いるような有機樹脂材料を用いることができる。
10上に、薄膜トランジスタのソース電極層及びドレイン電極層と同時に形成される接続
配線1242が形成される。接続配線1242上に、画素電極1250と同時に形成され
る接続端子1243が形成される。接続端子1243は、接続配線1242を介して、画
素電極1250と電気的に接続される。なお、本実施の形態では、アクティブマトリクス
型の液晶表示装置の形態を用いているため、画素電極1250と接続配線1242は直接
接続せず、画素トランジスタ1211、または信号線駆動回路1200を介して接続する
。
。この配向膜1206およびラビング処理は、使用する液晶のモードにより必要な場合と
不必要な場合がある。
クマトリクス、画素回路1202と重なる位置にカラーフィルタ、さらに保護層などを設
けてもよい。また、対向電極1291が形成され、対向電極1291上に配向膜1207
が設けられ、ラビング処理が施されている。この第2の基板1204も第1の基板121
0と同様に、使用する液晶のモードにより配向膜およびラビング処理が必要な場合と不必
要な場合がある。
第1の基板1210に、柱状スペーサー1255が設けられる。柱状スペーサー1255
は第1の基板1210と第2の基板1204とのギャップを保持するためのものであり、
本実施の形態では、第2の基板1204側に設ける例を示す。この柱状スペーサーはフォ
トリソスペーサー、ポストスペーサー、貝柱スペーサー、カラムスペーサーとも呼ばれて
いる。なお球状のスペーサーを用いていても良い。本実施の形態では、柱状スペーサーを
用いて示す。柱状スペーサー1255の作製方法としては、感光性アクリルなどの有機絶
縁材料を基板の全面にスピンコート法により塗布し、これを一連のフォトリソグラフィの
工程を行うことにより、基板上に残った感光性アクリルがスペーサーとしての役割を果た
す。当該方法により、露光時のマスクパターン次第でスペーサーの配置したい場所に露光
できるため、液晶が駆動しない部分にこの柱状スペーサーを配置することにより、上下基
板間のギャップを維持するだけでなく、液晶を透過する光の漏れも防ぐことができる。ま
た、柱状スペーサー1255は、インクジェット法により有機絶縁材料を含む組成物を吐
出し焼成して形成することができる。
例としては、導電性ポリアニリン、導電性ポリピロール、導電性ポリチオフェン、ポリエ
チレンジオキシチオフェン(PEDOT)とポリスチレンスルホン酸(PSS)の錯体等
も用いることができる。また、画素電極1250に用いることが可能な導電性ポリマーに
列挙したものを適宜用いることができる。導電性ポリマーは、インクジェット装置、ディ
スペンサ装置等で導電性ポリマーを塗布して形成する。対向電極または接続配線に導電性
ポリマーが接していることにより、導電粒子1270と導電性ポリマーが接し、対向電極
及び接続配線の接続抵抗を低減することが可能である。
粒子1270を介して導通する。
04上に吐出し、その後、シール材1205の内側に液晶を吐出する。この後、第1の基
板1210及び第2の基板1204を減圧雰囲気で貼り合せ、UV光を照射してシール材
1205を硬化した後、加熱してシール材1205を更に硬化して第1の基板1210及
び第2の基板1204を固着する。また、当該加熱により、液晶の配向を均一にする。
、コントラストを高めるために第1の基板1210の外側に第1偏光板1290と、第2
の基板1204の外側に第2偏光板1295が設けられている。なお、反射型の表示装置
の場合には第1偏光板1290が必要ない場合がある。
差部材、反射防止部材などの光学部材(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形成される。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。
いて、上記実施の形態1と同様に、静止画表示を行う際、低消費電力化を図りつつ、且つ
画像の乱れの低減された液晶表示装置とすることができる。
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例を
示す。本実施の形態で示す薄膜トランジスタ410、420は、実施の形態2のスイッチ
ングトランジスタ1261、画素トランジスタ1211として用いることができる。
する。
示す薄膜トランジスタ410、420は、チャネルエッチ型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。図5(A)乃至(E)において、薄
膜トランジスタ410はスイッチングトランジスタであり、薄膜トランジスタ420は画
素トランジスタである。
て説明したが、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。
作製する工程を説明する。
工程によりゲート電極層411、ゲート電極層421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。バリウムホ
ウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板を用いることができる。
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、酸化ホウ素(B2O3)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
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。
に設けてもよい。下地膜は、基板400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。
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。
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
を積層した二層構造、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二層
構造、窒化チタン層とモリブデン層とを積層した二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とを積層した積層構造と
することが好ましい。
る。
、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。またゲート絶縁層として
酸化ハフニウム(HfOx)、酸化タンタル(TaOx)等のHigh−k材料を用いる
こともできる。ゲート絶縁層402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200nm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300nm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。
ってもよい。ここで高密度プラズマ装置は、1×1011/cm3以上のプラズマ密度を
達成できる装置を指している。例えば、3kW〜6kWのマイクロ波電力を印加してプラ
ズマを発生させて、絶縁膜の成膜を行う。
スを導入し、10Pa〜30Paの圧力下で高密度プラズマを発生させてガラス等の絶縁
表面を有する基板上に絶縁膜を形成する。その後、モノシランガスの供給を停止し、大気
に曝すことなく亜酸化窒素(N2O)と希ガスとを導入して絶縁膜表面にプラズマ処理を
行ってもよい。少なくとも亜酸化窒素(N2O)と希ガスとを導入して絶縁膜表面に行わ
れるプラズマ処理は、絶縁膜の成膜より後に行う。上記プロセス順序を経た絶縁膜は、膜
厚が薄く、例えば100nm未満であっても信頼性を確保することができる絶縁膜である
。
酸化窒素(N2O)との流量比は、1:10から1:200の範囲とする。また、チャン
バーに導入する希ガスとしては、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、キセノンなどを用い
ることができるが、中でも安価であるアルゴンを用いることが好ましい。
段差被覆性に優れている。また、高密度プラズマ装置により得られる絶縁膜は、薄い膜の
厚さを精密に制御することができる。
は大きく異なっており、同じエッチャントを用いてエッチング速度を比較した場合におい
て、平行平板型のPCVD装置で得られる絶縁膜の10%以上または20%以上遅く、高
密度プラズマ装置で得られる絶縁膜は緻密な膜と言える。
導体)は界面準位、界面電荷に対して極めて敏感であるため、ゲート絶縁膜との界面は重
要である。そのため高純度化された酸化物半導体に接するゲート絶縁膜(GI)は、高品
質化が要求される。従ってμ波(2.45GHz)を用いた高密度プラズマCVDは、緻
密で絶縁耐圧の高い高品質な絶縁膜を形成できるので好ましい。高純度化された酸化物半
導体と高品質ゲート絶縁膜とが密接することにより、界面準位密度を低減して界面特性を
良好なものとすることができるからである。ゲート絶縁膜としての膜質が良好であること
は勿論のこと、酸化物半導体との界面準位密度を低減し、良好な界面を形成できることが
重要である。
0を形成する。酸化物半導体膜430の形成後に脱水化または脱水素化のための加熱処理
を行っても酸化物半導体膜を非晶質な状態とするため、膜厚を50nm以下と薄くするこ
とが好ましい。酸化物半導体膜の膜厚を薄くすることで酸化物半導体層の形成後に加熱処
理した場合に、酸化物半導体膜が結晶化してしまうのを抑制することができる。
プラズマを発生させる逆スパッタを行い、ゲート絶縁層402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−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430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。この段階での断面図が図5(A)に相当する。また、酸化物半導
体膜430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法により形成することができる。
また、スパッタ法を用いる場合、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、酸化物半導体膜430に結晶化を阻害するSiOx(X>0)を含
ませ、後の工程で行う脱水化または脱水素化のための加熱処理の際に酸化物半導体膜が結
晶化してしまうのを抑制することが好ましい。
3:ZnO=1:1:1[mol%]、すなわちIn:Ga:Zn=1:1:0.5[a
tom%])を用いて、基板とターゲットの間との距離を100mm、圧力0.2Pa、
直流(DC)電源0.5kW、アルゴン及び酸素(アルゴン:酸素=30sccm:20
sccm、酸素流量比率40%)雰囲気下で成膜する。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。In−Ga−Zn−O系膜の膜厚は、5nm以上20
0nm以下とする。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膜厚20nmのIn−Ga−Zn−O
系膜を成膜する。また、In、Ga、及びZnを含む酸化物半導体ターゲットとして、I
n:Ga:Zn=1:1:1[atom%]、又はIn:Ga:Zn=1:1:2[at
om%]の組成比を有するターゲットを用いることもできる。
るDCスパッタ法と、さらにパルス的にバイアスを与えるパルスDCスパッタ法がある。
RFスパッタ法は主に絶縁膜を成膜する場合に用いられ、DCスパッタ法は主に金属膜を
成膜する場合に用いられる。
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。
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
法を用いるスパッタ装置がある。
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法や、成膜中に
基板にも電圧をかけるバイアススパッタ法もある。
体層に加工する。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。
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再混入を防ぎ、酸化物半導体層431、432
を得る(図5(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。
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、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。また、RTA(GRTA、LRTA)を用いて高温の加熱処理を行うと、酸化
物半導体膜の表面側に縦方向(膜厚方向)の針状結晶が生じる場合もある。
半導体膜430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。
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。
脱水化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。
塩素(Cl2)、塩化硼素(BCl3)、塩化珪素(SiCl4)、四塩化炭素(CCl
4)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層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。
成する。金属導電膜をスパッタ法や真空蒸着法で形成すればよい。金属導電膜の材料とし
ては、Al、Cr、Cu、Ta、Ti、Mo、W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、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(T
i)、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。
たせることが好ましい。
エッチングを行ってソース電極層415a、ドレイン電極層415b、ソース電極層42
5a、及びドレイン電極層425bを形成した後、レジストマスクを除去する(図5(C
)参照)。
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。
はIn−Ga−Zn−O系酸化物を用いて、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。
エッチングされ、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415a、ドレイン電極層415b、ソース電極層425a、及びドレイン電極層
425b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。
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416を形成する。
層416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416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
が酸化物半導体層中の酸素を引き抜き、が生じ酸化物半導体層のバックチャネルが低抵抗
化(N型化)してしまい、寄生チャネルが形成される。よって、酸化物絶縁層416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(代表的にはアルゴン)及び酸素雰囲気
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。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416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
化珪素膜、窒化酸化珪素膜、酸化アルミニウム膜、または酸化窒化アルミニウムなどを用
いる。
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416と接した状態で加熱される。
のための加熱処理を行って低抵抗化した後、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411と重なるチャネル形成領域413はI型とな
り、ソース電極層415aに重なる高抵抗ソース領域414aと、ドレイン電極層415
bに重なる高抵抗ドレイン領域414b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410が形成される。同様に、ゲート電極層421と重なるチャネル形成領
域423はI型となり、ソース電極層425aに重なる高抵抗ソース領域424aと、ド
レイン電極層425bに重なる高抵抗ドレイン領域424b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420が形成される。
においては、不純物が酸化物半導体に添加されていると、不純物と酸化物半導体の主成分
との結合手が、強電界(B:バイアス)と高温(T:温度)により切断され、生成された
未結合手がしきい値電圧(Vth)のドリフトを誘発することとなる。これに対して、酸
化物半導体の不純物、特に水素や水等を極力除去し、上述の高密度プラズマCVDを用い
て緻密で絶縁耐圧の高い高品質な絶縁膜とし、酸化物半導体との界面特性を良好にするこ
とにより、BT試験に対しても安定な薄膜トランジスタを得ることができる。
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℃以下の加熱温度
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。
畳した酸化物半導体層において高抵抗ドレイン領域414b、424b(又は高抵抗ソー
ス領域414a、424a)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414b、424bを形成すること
で、ドレイン電極層415b、425bから高抵抗ドレイン領域414b、424b、チ
ャネル形成領域413、423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415b、425b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411、421とドレイン電極層4
15b、425b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
。
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、窒化珪素膜、窒化
アルミニウム膜、窒化酸化珪素膜、酸化窒化アルミニウムなどを用いる。本実施の形態で
は、保護絶縁層として保護絶縁層403を、窒化珪素膜を用いて形成する(図5(D)参
照)。
うに、薄膜トランジスタ420上の保護絶縁層403上に平坦化絶縁層404を形成する
。
、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404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。
G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。
ングを行って酸化物絶縁層416、保護絶縁層403、平坦化絶縁層404の一部を除去
して、ドレイン電極層425bに達する開口を形成する。
インジウム(In2O3)や酸化インジウム酸化スズ合金(In2O3―SnO2、IT
Oと略記する)などをスパッタ法や真空蒸着法などを用いて形成する。透光性を有する導
電膜の他の材料として、窒素を含ませたAl−Zn−O系非単結晶膜、即ちAl−Zn−
O−N系膜や、窒素を含ませたZn−O系膜や、窒素を含ませたSn−Zn−O系膜を用
いてもよい。なお、Al−Zn−O−N系膜の亜鉛の組成比(原子%)は、47原子%以
下とし、膜中のアルミニウムの組成比(原子%)より大きく、膜中のアルミニウムの組成
比(原子%)は、膜中の窒素の組成比(原子%)より大きい。このような材料のエッチン
グ処理は塩酸系の溶液により行う。しかし、特にITOのエッチングは残渣が発生しやす
いので、エッチング加工性を改善するために酸化インジウム酸化亜鉛合金(In2O3―
ZnO)を用いても良い。
(EPMA:Electron Probe X−ray MicroAnalyzer
)を用いた分析により評価するものとする。
り透光性を有する導電膜の不要な部分を除去して画素電極427を形成し、レジストマス
クを除去する(図5(E)参照)。
ト絶縁層の開口は酸化物絶縁層、保護絶縁層の開口と同じフォトリソグラフィ工程で行っ
ても、別工程で行ってもよく、別工程で行う場合、フォトリソグラフィ工程が6工程とな
る。
において、実施の形態1の構成と組み合わせることで、静止画表示を行う際、低消費電力
化を図りつつ、且つ画像の乱れの低減を図ることができる。
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他の
例を示す。本実施の形態で示す薄膜トランジスタ240、260は、実施の形態2のスイ
ッチングトランジスタ1261、画素トランジスタ1211として用いることができる。
する。
て説明したが、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。
作製する工程を説明する。
工程によりゲート電極層241、ゲート電極層261を形成する。本実施の形態では、ゲ
ート電極層241、ゲート電極層261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。
本実施の形態では、ゲート絶縁層292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。
より金属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
245a、265a、ドレイン電極層245b、265bを形成した後、レジストマスク
を除去する(図6(A)参照)。
導体膜295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295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。
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再混入を防ぎ、酸化物半導体層296、297
を得る(図6(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246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246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
が酸化物半導体層中の酸素を引き抜き、が生じ酸化物半導体層の酸化物絶縁層246と接
する領域が低抵抗化(N型化)してしまい、寄生チャネルが形成される。よって、酸化物
絶縁層246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(代表的にはアルゴン)及び酸素雰囲気
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。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246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
化珪素膜、窒化酸化珪素膜、酸化アルミニウム膜、または酸化窒化アルミニウムなどを用
いる。
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246と接した状態で加熱される。
のための加熱処理を行って低抵抗化した後、酸化物半導体膜を酸素過剰な状態とする。そ
の結果、I型の酸化物半導体層242、262が形成される。以上の工程で薄膜トランジ
スタ240、260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℃以下の加熱温度
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293を、窒化珪素膜を用
いて形成する(図6(D)参照)。
図6(E)に示すように、薄膜トランジスタ260上の保護絶縁層293上に平坦化絶縁
層294を形成する。
ングを行って平坦化絶縁層294、保護絶縁層293、及び酸化物絶縁層246の一部を
除去して、ドレイン電極層265bに達する開口を形成する。
マスクを形成し、エッチングにより不要な部分を除去して画素電極267を形成し、レジ
ストマスクを除去する(図6(E)参照)。
ト絶縁層の開口は酸化物絶縁層、保護絶縁層の開口と同じフォトリソグラフィ工程で行っ
ても、別工程で行ってもよく、別工程で行う場合、フォトリソグラフィ工程が6工程とな
る。
において、実施の形態1の構成と組み合わせることで、静止画表示を行う際、低消費電力
化を図りつつ、且つ画像の乱れの低減を図ることができる。
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。本実施の形態で示す薄膜トランジスタ470、480は、実施の形態2のスイッチ
ングトランジスタ1261、画素トランジスタ1211として用いることができる。
に示す。図7は、図5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。
縁層402を積層する。
の酸化物半導体層に加工する。
1の加熱処理の温度は、400℃以上、好ましくは425℃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、425℃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再混入を防ぎ、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−4
0℃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、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、600℃
〜750℃で数分間加熱処理を行ってもよい。
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472、482を得
る。
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475a、485a、ドレイン
電極層475b、485bを形成し、スパッタ法で酸化物絶縁層416を形成する。以上
の工程で、薄膜トランジスタ470、480を形成することができる。
、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℃以下の加熱温度
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。
して保護絶縁層403を、窒化珪素膜を用いて形成する。
図7に示すように、薄膜トランジスタ480上の保護絶縁層403上に平坦化絶縁層40
4を形成する。
行って平坦化絶縁層404、保護絶縁層403、及び酸化物絶縁層416の一部を除去し
て、ドレイン電極層485bに達する開口を形成する。
を形成し、エッチングにより不要な部分を除去して画素電極487を形成し、レジストマ
スクを除去する(図7参照)。
において、実施の形態1の構成と組み合わせることで、静止画表示を行う際、低消費電力
化を図りつつ、且つ画像の乱れの低減を図ることができる。
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8(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8(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。
、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8(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8(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8(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8(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等を有すること
ができる。図9(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9(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。
、操作キー9635、マイクロフォン9638、外部接続ポート9680等を有すること
ができる。図9(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9(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。
部9631、操作キー9635等を有することができる。図9(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9(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。
、且つ画像の乱れの低減を図ることができる。
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。
る。ゲート電極(GE1)上にゲート絶縁膜(GI)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。
11(A)はソースとドレインの間の電圧を等電位(VD=0V)とした場合を示し、図
11(B)はソースに対しドレインに正の電位(VD>0)を加えた場合を示す。
。図12(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12(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。
従来の酸化物半導体は一般的に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の一部はドナーとなり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11(A)で示すようなエネルギーバンド図(模式図)が示される。
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11(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12(B)において、ゲート電極(G1)に負の電位が印加されると、
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
ャリア濃度を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1×10−17[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では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濃度は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、キャリアは電
極のソース、ドレインにより供給される。供給の程度は、酸化物半導体の電子親和力χお
よびフェルミレベル、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とソース
、ドレインの電極の仕事関数というより、バリアハイト(障壁高さ)で決められる絶縁ゲ
ート型トランジスタ特性を有する。
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、10aA/μm(チャネル幅
w=1μm当たりの電流)以下、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)でのオフ電流の測定値について以下に
説明する。
L/W=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15(A)に示し、その一部を拡大した上面図を図15(B)に示す。図15(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14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1×10−12[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測定は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary
Ion Mass Spectroscopy)で行う。
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。
ア濃度1×1014/cm3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濃度は、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16(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16(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。
オフ電流の温度依存性がほとんど現れない。これは、図10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
、酸化物半導体のエネルギーギャップが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。
などを作製した場合、オフ電流値が小さくほとんどリークがないため、画像信号、共通電
位を保持する時間を長くすることができる。
102 基板
103 画素回路
104 ゲート線駆動回路
105 信号線駆動回路
106 端子部
107 スイッチングトランジスタ
108 共通接続部
109 対向電極
111 ゲート線
112 信号線
113 画素
114 画素トランジスタ
115 液晶素子
121 画素電極
122 対向電極
123 液晶
200 基板
240 薄膜トランジスタ
241 ゲート電極層
242 酸化物半導体層
246 酸化物絶縁層
247 導電層
260 薄膜トランジスタ
261 ゲート電極層
267 画素電極
292 ゲート絶縁層
293 保護絶縁層
294 平坦化絶縁層
295 酸化物半導体膜
296 酸化物半導体層
301 期間
302 期間
400 基板
402 ゲート絶縁層
403 保護絶縁層
404 平坦化絶縁層
410 薄膜トランジスタ
411 ゲート電極層
413 チャネル形成領域
416 酸化物絶縁層
417 導電層
420 薄膜トランジスタ
421 ゲート電極層
423 チャネル形成領域
427 画素電極
430 酸化物半導体膜
431 酸化物半導体層
470 薄膜トランジスタ
471 ゲート電極層
472 酸化物半導体層
480 薄膜トランジスタ
487 画素電極
106A 端子
106B 端子
1200 信号線駆動回路
1201 走査線駆動回路
1202 画素回路
1204 基板
1205 シール材
1206 配向膜
1207 配向膜
1208 接続配線
1210 基板
1211 画素トランジスタ
1214 絶縁層
1223 駆動回路用薄膜トランジスタ
1235 樹脂層
1240 端子部
1241 接続端子
1242 接続配線
1243 接続端子
1250 画素電極
1255 柱状スペーサー
1261 スイッチングトランジスタ
1270 導電粒子
1280 液晶
1290 偏光板
1291 対向電極
1293 導電層
1295 偏光板
245a ソース電極層
245b ドレイン電極層
265b ドレイン電極層
414a 高抵抗ソース領域
414b 高抵抗ドレイン領域
415a ソース電極層
415b ドレイン電極層
424a 高抵抗ソース領域
424b 高抵抗ドレイン領域
425a ソース電極層
425b ドレイン電極層
475a ソース電極層
475b ドレイン電極層
485b ドレイン電極層
9630 筐体
9631 表示部
9633 スピーカ
9635 操作キー
9636 接続端子
9638 マイクロフォン
9672 記録媒体読込部
9676 シャッターボタン
9677 受像部
9680 外部接続ポート
9681 ポインティングデバイス
Claims (2)
- 端子部と、
スイッチングトランジスタと、
画素トランジスタと、
前記画素トランジスタに電気的に接続された画素電極と、
対向電極と、
前記画素電極と前記対向電極との間の液晶と、を有し、
前記対向電極は、前記スイッチングトランジスタを介して前記端子部と電気的に接続されており、
前記画素トランジスタ及び前記スイッチングトランジスタが有する半導体層は、酸化物半導体であり、
動画を表示する期間において、前記スイッチングトランジスタを導通状態とすることで、前記対向電極に共通電位を供給し、
静止画を表示する期間において、前記スイッチングトランジスタを非導通状態とすることで、前記対向電極を電気的に浮遊状態とし、
前記画素トランジスタ及び前記画素電極は、画素部に複数設けられ、
前記スイッチングトランジスタは、前記画素部に対して1つ設けられることを特徴とする液晶表示装置。 - 端子部と、
スイッチングトランジスタと、
画素トランジスタと、
前記画素トランジスタに電気的に接続された画素電極と、
対向電極と、
前記画素電極と前記対向電極との間の液晶と、を有し、
前記対向電極は、前記スイッチングトランジスタを介して前記端子部と電気的に接続されており、
前記画素トランジスタ及び前記スイッチングトランジスタが有する半導体層は、酸化物半導体であり、
動画を表示する期間において、前記スイッチングトランジスタを導通状態とすることで、前記対向電極に共通電位を供給し、
静止画を表示する期間において、前記スイッチングトランジスタを非導通状態とすることで、前記対向電極を電気的に浮遊状態とし、
前記画素トランジスタ及び前記スイッチングトランジスタのチャネル形成領域の抵抗率は、オフ状態において1×10 9 Ω・m以上であり、
前記画素トランジスタ及び前記画素電極は、画素部に複数設けられ、
前記スイッチングトランジスタは、前記画素部に対して1つ設けられることを特徴とする液晶表示装置。
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