JPH0695080A

JPH0695080A - 液晶表示装置の画像表示方法

Info

Publication number: JPH0695080A
Application number: JP27541192A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎; Akira Mase; 晃間瀬; 正明 ▲ひろ▼木; Masaaki Hiroki; Yasuhiko Takemura; 保彦竹村
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1992-09-18
Filing date: 1992-09-18
Publication date: 1994-04-08
Anticipated expiration: 2012-03-19
Also published as: JP2592382B2

Abstract

(57)【要約】【目的】液晶表示装置の階調表示に関して、精密で素
子間のばらつきによる影響の少ない階調表示方式を提供
する。【構成】アクティブマトリクス型電気光学装置におい
て、液晶材料として強誘電性もしくは反強誘電性液晶あ
るいはそれらを利用したポリマー液晶を使用し、その制
御電極に周期的に，パルスを印加し、出入力端の他端に
電圧を印加し、あるいは電圧を切りながら、画素に電圧
のかかる時間を任意に制御することによって視覚的な階
調表示を得る表示方式。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の利用分野】本発明は、駆動用スイッチング素子
として薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴという）を使用し
た液晶表示装置における画像表示方法において、特に中
間的な色調や濃淡の表現を得るための階調表示方法に関
するものである。本発明は、特に、外部からいかなるア
ナログ信号をもアクティブ素子に印加することなく、階
調表示をおこなう、いわゆる完全デジタル階調表示に関
するものであり、使用する液晶材料は高速応答性に優れ
た強誘電性液晶もしくは反強誘電性液晶、あるいは、そ
れらを高分子化合物（ポリマー）中に分散させた、いわ
ゆるポリマー液晶（分散型液晶ともいう）に限定するこ
とを特徴とした液晶表示装置の表示方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶組成物はその物質特性から、分子軸
に対して水平方向と垂直方向に誘電率が異なるため、外
部の電界に対して水平方向に配列したり、垂直方向に配
列したりさせることが容易にできる。液晶電気光学装置
は、この誘電率の異方性を利用して、光の透過光量また
は散乱量を制御することでＯＮ／ＯＦＦ、すなわち明暗
の表示をおこなっている。液晶材料としては、ＴＮ（ツ
インステッド・ネマティック）液晶、ＳＴＮ（スーパー
・ツインステッド・ネマティック）液晶、強誘電性ある
いは反強誘電性液晶、また、最近では、ネマティック液
晶や強誘電性もしくは反強誘電性液晶を高分子材料中に
分散させたポリマー液晶（分散型液晶ともいう）とよば
れる材料が知られている。液晶は外部電圧に対して、無
限に短い時間に反応するのではなく、応答するまでにあ
る一定の時間がかかることが知られている。その値はそ
れぞれの液晶材料に固有で、ＴＮ液晶の場合には、数１
０ｍｓｅｃ、ＳＴＮ液晶の場合には数１００ｍｓｅｃ、
強誘電性液晶の場合には数１０μｓｅｃ、ネマテッィ液
晶を利用した分散型あるいはポリマー液晶の場合には数
１０ｍｓｅｃである。

【０００３】液晶を利用した電気光学装置のうちでもっ
とも優れた画質が得られるものは、アクティブマトリク
ス方式を用いたものであった。従来のアクティブマトリ
クス型の液晶電気光学装置では、アクティブ素子として
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用い、ＴＦＴにはアモル
ファスまたは多結晶型の半導体を用い、１つの画素にＰ
型またはＮ型のいずれか一方のみのタイプのＴＦＴを用
いたものであった。即ち、一般にはＮチャネル型ＴＦＴ
（ＮＴＦＴという）を画素に直列に連結している。そし
て、マトリクスの信号線に信号電圧を流し、それぞれの
信号線の直交する箇所に設けられたＴＦＴに双方から信
号が印加されるとＴＦＴがＯＮ状態となることを利用し
て液晶画素のＯＮ／ＯＦＦを個別に制御するものであっ
た。このような方法によって画素の制御をおこなうこと
によって、コントラストの大きい液晶電気光学装置を実
現することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなアクティブマトリクス方式では、明暗や色調といっ
た、階調表示をおこなうことは極めて難しかった。従
来、階調表示は液晶の光透過性が、印加される電圧の大
きさによって変わることを利用する方式が検討されてい
た。これは、例えば、マトリクス中のＴＦＴのソース・
ドレイン間に、適切な電圧を周辺回路から供給し、その
状態でゲイト電極に信号電圧を印加することによって、
液晶画素にその大きさの電圧をかけようとするものであ
った。

【０００５】しかしながら、このような方法では、例え
ば、ＴＦＴの不均質性やマトリクス配線の不均質性のた
めに、実際には液晶画素にかかる電圧は、各画素によっ
て、最低でも数％も異なってしまった。これに対し、例
えば、液晶の光透過度の電圧依存性は、極めて非線型性
が強く、ある特定の電圧で急激に光透過性が変化するた
め、たとえ数％の違いでも、光透過性が著しく異なって
しまうことがあった。そのため、実際には１６階調を達
成することが限界であった。例えば、ＴＮ液晶材料にお
いては、光透過性が変化する、いわゆる遷移領域は、
１．２Ｖの幅しかなく、１６階調を達成せんとする場合
には、７５ｍＶもの小さな電圧の制御ができる必要があ
り、そのため、製造歩留りは著しく低くなった。

【０００６】このように階調表示が困難であるというこ
とは、液晶ディスプレー装置が従来の一般的な表示装置
であるＣＲＴ（陰極線管）と競争してゆく上で極めて不
利であった。本発明は従来、困難であった階調表示を実
現させるための全く新しい方法を提案することを目的と
するものである。

【０００７】

【問題を解決するための手段】さて、液晶にかける電圧
をアナログ的に制御することによって、その光透過性を
制御することが可能であることを先に述べたが、本発明
人らは、液晶に電圧のかかっている時間を制御すること
によって、視覚的に階調を得ることができることを見出
した。

【０００８】例えば、代表的な液晶材料であるＴＮ（ツ
イステッド・ネマチック）液晶を用いた場合において、
例えば、図１においては、各種のパルス波形が示されて
いるが、このような波形電圧を液晶画素に印加すること
によって、明るさを変化させることが可能であることを
見出した。すなわち、図１の“１”、“２”、・・・
“１５”という順番で段階的に明るくすることができ
る。すなわち、図１の例では１６階調の表示が可能であ
る。このとき、“１”では、１単位の長さのパルスが印
加される。また、“２”では、２単位の長さのパルスが
印加される。“３”では、１単位のパルスと２単位のパ
ルスが印加され、結果として３単位の長さのパルスが印
加される。“４”では、４単位の長さのパルスが印加さ
れる。“５”では、１単位のパルスと４単位のパルスが
印加され、“６”では、２単位のパルスと４単位のパル
スが印加される。さらに、８単位の長さのパルスを用意
することによって、１５単位の長さのパルスを結果とし
て得ることができる。

【０００９】すなわち、１単位、２単位、４単位、８単
位という４種類のパルスを適切に組み合わせることによ
って、２⁴＝１６階調の表示が可能となる。さらに、１
６単位、３２単位、６４単位、１２８単位というよう
に、多くのパルスを用意することによって、それぞれ、
３２階調、６４階調、１２８階調、２５６階調という高
度階調表示が可能となる。例えば、２５６階調表示を得
るには、８種類のパルスを用意すればよい。

【００１０】また、図１の例では、画素に印加される電
圧の持続時間は、最初Ｔ₁、次が２Ｔ₁、その次が４Ｔ
₁というように等比数列的に増大するように配列した例
を示したが、これは、例えば、図３のように、最初にＴ
₁、次に８Ｔ₁、その次が２Ｔ₁、最後に４Ｔ₁として
もよい。このように配列せしめることにより、表示装置
にデータを伝送する装置の負担を減らすことができる。

【００１１】しかしながら、ＴＮ液晶を用いた場合に
は、結果的には印加する電圧は、従来のアナログ的な階
調表示方式の場合と同じだけの精度が要求された。すな
わち、画素にＯＮの電圧として５Ｖをかけて、図１にお
ける“１０”を表示した場合は、ＯＮの電圧として５．
１Ｖの電圧をかけて、同じ“１０”を表示した場合よ
り、約２％だけ暗く見えてしまった。すなわち、このよ
うなデジタル的な階調表示方式では、従来のアナログ階
調表示方式と同じくＴＦＴのばらつきがないことが要求
された。

【００１２】この欠点は、ＴＮ液晶が実効値電圧に応じ
て光透過性を変えるためであった。ＳＴＮ液晶でも、あ
るいはこれらの基本材料であるネマティック液晶を利用
した分散型液晶でも同じことであった。これに対し、強
誘電性液晶もしくは反強誘電性液晶は非常に高速な応答
性を示し、実質的に実効値電圧に応答しない。そのため
上記のようなデジタル階調表示をおこなった場合にはＴ
ＦＴの特性に因らずに均一な階調表示が可能であること
が明らかになった。すなわち、強誘電性液晶もしくは反
強誘電性液晶では、ＯＮ電圧として１ｍｓｅｃ以上の電
圧印加がある場合には、５Ｖでも５．１Ｖでも同じ光透
過性を示すからである。

【００１３】同様な効果は、強誘電性液晶もしくは反強
誘電性液晶を高分子中に分散させた材料においても観測
された。

【００１４】本発明を実施するには、例えば、図４に示
すような、薄膜トランジスタを使用したマトリクス回路
を組めばよい。図４に示した回路は従来のＴＦＴを利用
したアクティブマトリクス型表示装置に用いられた回路
と同じである。

【００１５】強誘電性液晶もしくは反強誘電性液晶はそ
れ自体メモリー性を有しているので、従来のアクティブ
マトリクスに必要とされたような補助容量（画素容量に
並列に挿入される容量）がなく、画素電極が放電した場
合でもＯＮ状態を持続することは可能である。しかしな
がら、このような強誘電性（もしくは反強誘電性）が強
い材料は、いわゆる『焼け』という現象が発生しやす
く、信頼性に欠ける面があった。これに対し、強誘電性
（もしくは反強誘電性）が小さい材料は、『焼け』等の
表示に関する欠陥は少ないが、画素容量の放電が激し
く、表示を持続するのに十分な電圧が維持できない場合
にはＯＮ状態（もしくはＯＦＦ状態）を持続することが
難しくなる。したがって、従来通りに補助容量が必要と
される。

【００１６】もちろん、画素の放電が充分に小さけれ
ば、このような人為的なキャパシタはなくても構わな
い。特に、過大な補助容量の存在は、充電あるいは放電
の動作に時間がかかり、本発明を実施するにおいて望ま
しいものではない。画素の放電を小さくするには、例え
ば、薄膜トランジスタのＯＦＦ抵抗を充分大きくし、リ
ーク電流を減らすことと、液晶等の画素自身の電極間抵
抗を充分大きくすることが必要である。特に後者の目的
のためには、画素電極を、窒化珪素、あるいは酸化珪素
等、酸化タンタル、酸化アルミニウムの絶縁性材料で被
覆してしまうことが有効である。

【００１７】このような回路において、各薄膜トランジ
スタのゲイト電圧やソース・ドレイン間電圧をコントロ
ールすることによって、画素に印加される電圧のＯＮ／
ＯＦＦを制御することが可能である。この例では、マト
リクスは６４０×４８０ドットであるが、煩雑さをさけ
るため、ｎ行ｍ列近傍のみを示した。これとおなじもの
を上下左右に展開すれば、完全なものが得られる。この
回路を用いた動作例を図２に示す。

【００１８】信号線Ｘ_1,Ｘ_2,..Ｘ_n,Ｘ_n+1,..Ｘ₄₈₀（以
下、Ｘ線と総称する）は、各ＴＦＴのゲイト電極に接続
されている。そして、図２に示すように、順番に矩形パ
ルス信号が印加されてゆく。一方、信号線Ｙ_1,Ｙ_2,..Ｙ
_m,Ｙ_m+1,..Ｙ₆₄₀（以下、Ｙ線と総称する）は、各ＴＦ
Ｔのソース（あるいはドレイン電極）に接続されている
が、これには、やはり、複数のパルスからなる信号が印
加されてゆく。このパルス列には、１単位の時間Ｔ₁中
に、６４０個の情報が含まれている。

【００１９】以下では、４つの画素Ｚ_n,m、Ｚ_n+1,m、
Ｚ_n,m+1、Ｚ_n+1,m+1に注目するが、画素のリーク電流
は十分に小さく、ゲイト電極とソース電極の双方に信号
が来ないかぎり、画素の電圧は変化しないものとするの
で、この４つの画素に関しては、信号線Ｘ_n,Ｘ_n+1およ
びＹ_m,Ｙ_m+1に注目すればよい。

【００２０】図に示すように、矩形パルスがＸ_nに印加
された場合を考える。今、４つの画素Ｚ_n,m、
Ｚ_n,m+1、Ｚ_n+1,m、Ｚ_n+1,m+1に注目しているとすれ
ば、Ｙ_mおよびＹ_m+1のそのときの状態に注目すればよ
い。このとき、Ｙ_mには信号があり、Ｙ_m+1には信号が
ないので、結局、画素Ｚ_n,mは電圧状態、Ｚ_n,m+1は非
電圧状態になる。そして、Ｙ線に加える電圧よりも早
く、Ｘ線のパルスを切ることにより、画素の電圧状態
は、画素のキャパシタによって維持されるので、画素Ｚ
_n,mは電圧状態を維持する。以後、次にＸ_nに信号が印
加されるまで、基本的にはそれぞれの画素の状態が持続
する。

【００２１】ついで、Ｘ_n+1にパルスが印加される。図
に示されているように、そのときにはＹ_mは非電圧状
態、Ｙ_m+1は電圧状態であるため、画素Ｚ_n+1,mは非電
圧状態、画素Ｚ_n+1,m+1は電圧状態となり、先に述べた
のと同様にそれぞれの状態を維持し続ける。

【００２２】次に、先にＸ_nにパルスが印加されてか
ら、時間Ｔ₁後に信号線Ｘ_nに２回目のパルスが印加さ
れたときには、Ｙ_mおよびＹ_m+1は、それぞれ、非電圧
状態、電圧状態であるので、画素Ｚ_n,mは非電圧状態
に、画素Ｚ_n,m+1は電圧状態に、それぞれ、状態が変化
する。さらに、Ｘ_n+1にパルスが印加される。図に示さ
れているように、そのときにはＹ_mもＹ_m+1も電圧状態
であるため、画素Ｚ_n+1,mもＺ_n+1,m+1は電圧状態とな
る。このとき、画素Ｚ_n+1,m+1は電圧状態を継続するこ
とになる。

【００２３】その後、時間２Ｔ₁後に、３回目の信号が
Ｘ_nに印加される。そのときには、Ｙ_mもＹ_m+1も電圧
状態であるため、画素Ｚ_n,mは非電圧状態から電圧状態
に変化し、画素Ｚ_n,m+1は電圧状態を継続することとな
る。さらに、Ｘ_n+1にパルスが印加される。そのときに
はＹ_mもＹ_m+1も非電圧状態であるため、画素Ｚ_n+1,m
もＺ_n+1,m+1は非電圧状態となり、いずれも電圧状態が
終了する。

【００２４】その後、時間４Ｔ₁後に、４回目の信号が
Ｘ_nに印加される。そのときには、Ｙ_mもＹ_m+1も非電
圧状態であるため、画素Ｚ_n,mも画素Ｚ_n,m+1も電圧状
態から非電圧状態へ変化する。さらに、Ｘ_n+1にパルス
が印加されるが、やはりＹ_mもＹ_m+1も非電圧状態であ
るため、画素Ｚ_n+1,mもＺ_n+1,m+1は非電圧状態のまま
である。

【００２５】このようにして、１フレームが完了する。
この間、各Ｘ線には４個のパルスが印加され、各Ｙ線に
は、３×４８０＝１４４０の情報信号が印加されてい
る。また、この１フレームの時間は７Ｔ₁であり、Ｔ₁
としては、例えば、１０ｎｓｅｃ〜１０ｍｓｅｃが適当
である。そして、各画素に注目してみれば、画素Ｚ_n,m
には時間Ｔ₁のパルスと４Ｔ₁のパルスが印加され、視
覚的には５Ｔ₁のパルスが印加されたものと同じ効果が
得られる。すなわち、“５”の明るさが得られる。同様
に、画素Ｚ_n,m+1、画素Ｚ_n+1,m、Ｚ_n+1,m+1には、結
局、“２”、“６”、“３”の明るさが得られる。

【００２６】以上の例では、８階調の表示が可能である
が、さらに多くのパルス信号を加えることによって、よ
り高階調が可能である。例えば、１フレーム中に、さら
に各Ｘ線に５回のパルスを加え、各Ｙ線には３８４０の
情報信号を印加することにより、２５６階調もの高階調
表示を達成することができる。

【００２７】さらに、高階調表示をおこなおうとすれ
ば、図２から明らかなように、極めて高速のスイッチン
グが必要とされる。例えば、２５６階調を実現するに
は、動画は、毎秒３０枚以上繰り出される必要があるの
で、２５６Ｔ₁＜３０ｍｓｅｃ。したがって、Ｔ₁＜１
００μｓｅｃである。したがって、例えば、Ｘ線（ゲイ
ト電極に接続している）が４８０列の場合には、幅２０
０ｎｓｅｃ以下のパルスが印加される必要がある。図３
の例では、ＮＭＯＳのＴＦＴのみを用いたが、動作速度
を上げる目的で、ＣＭＯＳ回路を有する回路を画素に接
続してもよい。例えば、ＣＭＯＳトランスファーゲート
回路等を用いると高速化が図れる。

【００２８】以上の説明では、説明をわかりやすくする
ために、信号を非電圧状態と電圧状態というように明確
に区別したが、これは、液晶やＴＦＴの実質的なしきい
値電圧以下であるか、あるいは以上であるかという問題
だけであるので、絶対にゼロである必要はない。

【００２９】また、画素の対向電極に適切なバイアス電
圧を印加することによって、画素材料にかかる実質的な
電圧を変化させることは可能である。例えば、画素の対
向電極に、適切な電圧を印加することにより、画素材料
に印加される電圧の向きを、正負両方取りうるようにす
ることもできる。

【００３０】

【実施例】

『実施例１』本実施例では図４に示すような回路構成
を用いた液晶表示装置を用いて、壁掛けテレビを作製し
たので、その説明を行う。またその際のＴＦＴは、レー
ザーアニールを用いた多結晶シリコンとした。

【００３１】まず、本実施例で使用する液晶パネルの作
製方法を図６を使用して説明する。図６（Ａ）におい
て、７００℃以下、例えば約６００℃の熱処理に耐え得
るガラス１上にマグネトロンＲＦ（高周波) スパッタ法
を用いてブロッキング層２としての酸化珪素膜を１００
０〜３０００Åの厚さに作製する。プロセス条件は酸素
１００％雰囲気、成膜温度１５℃、出力４００〜８００
Ｗ、圧力０．５Ｐａとした。タ−ゲットに不純物を少な
くするために合成石英を用いた。成膜速度は３０〜１０
０Å／分であった。

【００３２】この上にシリコン膜をプラズマＣＶＤ法に
より珪素膜３を作製した。成膜温度は２５０℃〜３５０
℃でおこない、本実施例では３２０℃とし、モノシラン
(SiH₄)を用いた。モノシラン(SiH₄)に限らず、ジシラン
(Si₂H₆) またトリシラン(Si₃H₈) を用いてもよい。これ
らをＰＣＶＤ装置内に３Ｐａの圧力で導入し、１３．５
６ＭＨｚの高周波電力を加えて成膜した。この際、高周
波電力は０．０２〜０．１０Ｗ／ｃｍ²が適当であり、
本実施例では０．０５５Ｗ／ｃｍ²を用いた。また、モ
ノシラン(SiH₄)の流量は２０ＳＣＣＭとし、その時の成
膜速度は約１２０Å/ 分であった。シリコン膜は純然た
る真性半導体であっても、また、ホウ素をジボランを用
いて１×10¹⁵〜１×10¹⁸cm^-3の濃度として成膜中に添加
してもよい。またＴＦＴのチャネル領域となるシリコン
層の成膜にはこのプラズマＣＶＤだけでなく、スパッタ
法、減圧ＣＶＤ法を用いても良く、以下にその方法を簡
単に述べる。

【００３３】スパッタ法で行う場合、スパッタ前の背圧
を１×10^-5Ｐａ以下とし、単結晶シリコンをタ−ゲット
として、アルゴンに水素を２０〜８０％混入した雰囲気
で行った。例えばアルゴン２０％、水素８０％とした。
成膜温度は１５０℃、周波数は１３．５６ＭＨｚ、スパ
ッタ出力は４００〜８００Ｗ、圧力は０．５Ｐａであっ
た。

【００３４】減圧気相法で形成する場合、結晶化温度よ
りも１００〜２００℃低い４５０〜５５０℃、例えば５
３０℃でジシラン(Si₂H₆) またはトリシラン(Si₃H₈) を
ＣＶＤ装置に供給して成膜した。反応炉内圧力は３０〜
３００Ｐａとした。成膜速度は５０〜２５０Å/ 分であ
った。

【００３５】これらの方法によって形成された被膜は、
酸素が５×10²¹cm^-3以下であることが好ましい。結晶化
を助長させるためには、酸素濃度を７×10¹⁹cm^-3以下、
好ましくは１×10¹⁹cm^-3以下とすることが望ましいが、
少なすぎると、バックライトによりオフ状態のリ−ク電
流が増加してしまうため、この濃度を選択した。この酸
素濃度が高いと、結晶化させにくく、レーザーアニ−ル
温度を高くまたはレーザーアニ−ル時間を長くしなけれ
ばならない。水素は４×10²⁰cm^-3であり、珪素４×10²²
cm^-3として比較すると１原子％であった。

【００３６】また、ソ−ス、ドレインに対してより結晶
化を助長させるため、酸素濃度を７×10¹⁹cm^-3以下、好
ましくは１×10¹⁹cm^-3以下とし、ピクセル構成するＴＦ
Ｔのチャネル形成領域のみに酸素をイオン注入法により
５×10²⁰〜５×10²¹cm^-3となるように添加してもよい。
上記方法によって、アモルファス状態の珪素膜を５００
〜５０００Å、本実施例では１０００Åの厚さに成膜し
た。

【００３７】その後、フォトレジスト４をマスクを用
いてソース・ドレイン領域のみ開孔したパターンを形成
した。その上に、プラズマＣＶＤ法によりｎ型の活性層
となる珪素膜５を作製した。成膜温度は２５０℃〜３５
０℃でおこない、本実施例では３２０℃とし、モノシラ
ン(SiH₄)とモノシランベースのフォスフィン(PH₃) ３％
濃度のものを用いた。これらをＰＣＶＤ装置内５Ｐａの
圧力でに導入し、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を加え
て成膜した。この際、高周波電力は０．０５〜０．２０
Ｗ／ｃｍ²が適当であり、本実施例では０．１２０Ｗ／
ｃｍ²を用いた。

【００３８】この方法によって出来上がったｎ型シリコ
ン層の比導電率は２×１０^-1〔Ωｃｍ^-1〕程度となっ
た。膜厚は５０Åとした。このようにして、図６（Ａ）
を得た。その後リフトオフ法を用いて、レジスト４を除
去し、ソース・ドレイン領域６、７を形成した。このよ
うにして図６（Ｂ）を得た。

【００３９】その後、図６（Ｃ）に示すようにＸｅＣｌ
エキシマレーザーを用いて、ソース・ドレイン・チャネ
ル領域をレーザーアニールすると同時に、活性層にレー
ザードーピングを行なった。この時のレーザーエネルギ
ーは、閾値エネルギーが１３０ｍＪ／ｃｍ²で、膜厚全
体が結晶化するには２２０ｍＪ／ｃｍ²が必要となる。
しかし、最初から２２０ｍＪ／ｃｍ²以上のエネルギー
を照射すると、膜中に含まれる水素が急激に放出される
ために、膜の破壊が起きる。そのために低エネルギーで
最初に水素を追い出した後に溶融させる必要がある。本
実施例では最初１５０ｍＪ／ｃｍ²で水素の追い出しを
行なった後、２３０ｍＪ／ｃｍ²で結晶化をおこなっ
た。

【００４０】その後、マスクを用いて珪素膜３をエッ
チング除去し、Ｎチャネル型薄膜トランジスタ用アイラ
ンド領域１０を形成した。さらに、この上に酸化珪素膜
８をゲイト絶縁膜として５００〜２０００Å、例えば１
０００Åの厚さに形成した。これはブロッキング層とし
ての酸化珪素膜の作製と同一条件とした。この成膜中に
弗素を少量添加し、ナトリウムイオンの固定化をさせて
もよい。

【００４１】この後、この上側にリンが１〜５×10²¹cm
^-3の濃度に入ったシリコン膜またはこのシリコン膜とそ
の上にモリブデン(Mo)、タングステン(W),MoSi₂または
WSi₂との多層膜を形成した。これを第３のフォトマスク
にてパタ−ニングしてＮＴＦＴ用のゲイト電極９を得
た（図６（Ｄ））。ゲイト電極の大きさとしては、例え
ばチャネル長７μｍとし、ゲイト電極の構成としてリン
ド−プ珪素を厚さ０．２μｍ、その上にモリブデンを厚
さ０．３μｍとした。

【００４２】また、ゲート電極材料としては、上記材料
以外に、例えばアルミニウム（Ａｌ）も使用することが
できる。アルミニウムを用いた場合には、これを第３の
フォトマスクにてパタ−ニング後、その表面を陽極酸
化することで、セルファライン工法が適用可能なため、
ソース・ドレインのコンタクトホールをよりゲートに近
い位置に形成することが出来るため、移動度、スレッシ
ュホールド電圧の低減からさらにＴＦＴの特性を上げる
ことができる。

【００４３】かくすると、４００℃以上にすべての工程
で温度を加えることがなくＣ／ＴＦＴを作ることができ
る。そのため、基板材料として、石英等の高価な基板を
用いなくてもよく、本発明の大画面の液晶表示装置にき
わめて適したプロセスであるといえる。

【００４４】さらに、層間絶縁物１１を前記したスパッ
タ法により酸化珪素膜の形成として行った。この酸化珪
素膜の形成はＬＰＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法
を用いてもよい。例えば０．２〜０．６μｍの厚さに形
成し、その後、第４のフォトマスクを用いて電極用の
窓１３を形成した。その後、さらに、これら全体にアル
ミニウムを０．３μｍの厚みにスパッタ法により形成
し、第５のフォトマスクを用いてリ−ド１２およびコ
ンタクト１４を作製した。こうして図６（Ｅ）を得た。

【００４５】その後、表面に平坦化用有機樹脂１５、例
えば透光性ポリイミド樹脂を塗布形成し、再度の電極穴
あけを第６のフォトマスクにて行った。さらに、これ
ら全体にＩＴＯ（インジウム酸化錫）を０．１μｍの厚
みにスパッタ法により形成し第７のフォトマスクを用
いて画素電極１６を形成した。このＩＴＯは室温〜１５
０℃で成膜し、２００〜４００℃の酸素または大気中の
アニ−ルにより成就した。こうして、図６（Ｆ）を得
た。

【００４６】以上のようにして得られたＴＦＴの電気的
な特性は移動度は８０（cm²/Vs）、Ｖthは５．０（Ｖ）
であった。上記の様な方法に従って作製された液晶電気
光学装置用の一方の基板を得ることが出来た。かかる構
造を左右、上下に繰り返すことにより、６４０×４８
０、１２８０×９６０といった大画素の液晶表示装置と
することができる。本実施例では１９２０×４００とし
た。この様にして第１の基板を得た。

【００４７】他方の基板の作製方法を図５に示す。ガラ
ス基板上にポリイミドに黒色顔料を混合したポリイミド
樹脂をスピンコート法を用いて１μｍの厚みに成膜し、
第８のフォトマスクを用いてブラックストライプ４１
を作製した。その後、赤色顔料を混合したポリイミド樹
脂をスピンコート法を用いて１μｍの厚みに成膜し、第
９のフォトマスクを用いて赤色フィルター８２を作製
した。同様にしてマスク（丸数字１０および１１）を使
用し、緑色フィルター４３および青色フィルター４４を
作製した。これらの作製後各フィルターは３５０℃にて
窒素中で６０分の焼成を行なった。その後、やはりスピ
ンコート法を用いて、レベリング層４５を透明ポリイミ
ドを用いて製作した。

【００４８】その後、これら全体にＩＴＯ（インジュー
ム酸化錫）を０．１μｍの厚みにスパッタ法により形成
し、共通電極４６とした。このＩＴＯは室温〜１５０℃
で成膜し、２００〜３００℃の酸素または大気中のアニ
−ルにより成就し、第２の基板を得た。

【００４９】前記基板上に、オフセット法を用いて、ポ
リイミド前駆体を印刷し、非酸化性雰囲気たとえば窒素
中にて３５０℃１時間焼成を行った。その後、公知のラ
ビング法を用いて、ポリイミド表面を改質し、少なくと
も初期において、液晶分子を一定方向に配向させる手段
を設けた。

【００５０】その後、前記第一の基板と第二の基板によ
って、液晶表示装置を構成せしめ、基板上のリードにＴ
ＡＢ形状の駆動ＩＣと共通信号、電位配線を有するＰＣ
Ｂを接続し、外側に偏光板を貼り、透過型の液晶電気光
学装置を得た。これと冷陰極管を３本配置した後部照明
装置、テレビ電波を受信するチューナーを接続し、壁掛
けテレビとして完成させた。従来のＣＲＴ方式のテレビ
と比べて、平面形状の装置となったために、壁等に設置
することも出来るようになった。この液晶テレビの動作
は図２に示したものと、実質的に同等な信号を液晶画素
に印加することにより８階調表示が可能であることが確
認された。このとき、Ｔ₁＝４ｍｓｅｃ、Ｘ線およびＹ
線のパルス幅（あるいは最小パルス幅）は、それぞれ、
５μｓｅｃ、８μｓｅｃとした。

【００５１】『実施例２』本実施例では図４に示すよ
うな回路構成を用いた液晶表示装置を用いて、壁掛けテ
レビを作製したので、その説明を行う。またその際のＴ
ＦＴは、レーザーアニールを用いた多結晶シリコンとし
た。

【００５２】以下では、ＴＦＴ部分の作製方法について
図７にしたがって記述する。図７（Ａ）において、７０
０℃以下、例えば約６００℃の熱処理に耐え得るガラス
２０上にマグネトロンＲＦ（高周波) スパッタ法を用い
てブロッキング層２１としての酸化珪素膜を１０００〜
３０００Åの厚さに作製する。プロセス条件は酸素１０
０％雰囲気、成膜温度１５℃、出力４００〜８００Ｗ、
圧力０．５Ｐａとした。タ−ゲットに石英を用いた成膜
速度は３０〜１００Å／分であった。

【００５３】この上にプラズマＣＶＤ法により珪素膜２
２を作製した。成膜温度は２５０℃〜３５０℃で行い、
本実施例では３２０℃とし、モノシラン(SiH₄)を用い
た。モノシラン(SiH₄)に限らず、ジシラン(Si₂H₆) また
トリシラン(Si₃H₈) を用いてもよい。これらをＰＣＶＤ
装置内に３Ｐａの圧力で導入し、１３．５６ＭＨｚの高
周波電力を加えて成膜した。この際、高周波電力は０．
０２〜０．１０Ｗ／ｃｍ²が適当であり、本実施例では
０．０５５Ｗ／ｃｍ²を用いた。また、モノシラン(SiH
₄)の流量は２０ＳＣＣＭとし、その時の成膜速度は約１
２０Å/ 分であった。この珪素膜は真性半導体でも、ま
た、ホウ素をジボランを用いて１×10¹⁵〜１×10¹⁸cm^-3
の濃度として成膜中に添加してもよい。

【００５４】また、ソ−ス、ドレインに対してより結晶
化を助長させるため、酸素濃度を７×10¹⁹cm^-3以下、好
ましくは１×10¹⁹cm^-3以下とし、ピクセル構成するＴＦ
Ｔのチャネル形成領域のみに酸素をイオン注入法により
５×10²⁰〜５×10²¹cm^-3となるように添加してもよい。
上記方法によって、アモルファス状態の珪素膜を５００
〜５０００Å、本実施例では１０００Åの厚さに成膜し
た。

【００５５】その後、フォトレジスト２３をマスクを
用いてＮＴＦＴのソース・ドレイン領域となるべき領域
のみ開孔したパターンを形成した。そして、レジスト２
３をマスクとして、リンイオンをイオン注入法により、
２×１０¹⁴〜５×１０¹⁶ｃｍ^-2、好ましくは２×１０¹⁶
ｃｍ^-2だけ、注入し、ｎ型不純物領域２４を形成した。
その後、レジスト１０３は除去された。

【００５６】その後、図７（Ｂ）に示すように、珪素膜
２２上に、厚さ５０〜３００ｎｍ、例えば、１００ｎｍ
の酸化珪素被膜２５を、上記のＲＦスパッタ法によって
形成した。そして、ＸｅＣｌエキシマレーザーを用い
て、ソース・ドレイン・チャネル領域をレーザーアニー
ルによって、結晶化・活性化した。レーザーアニール終
了後は酸化珪素膜２５は取り去った。

【００５７】また、この結晶化は、その他に熱アニール
法によりおこなうことも可能である。その際には、４５
０〜７００度Ｃの温度、好ましくは５５０〜６００度Ｃ
の温度で、１２〜７０時間、例えば２４時間、非酸化性
雰囲気、例えば、水素あるいは窒素雰囲気、にて加熱処
理をおこなえばよい。

【００５８】その後、フォトマスクによって、アイラ
ンド状のＮＴＦＴ領域２８を形成した。この上に酸化珪
素膜２６をゲイト絶縁膜として５００〜２０００Å例え
ば１０００Åの厚さに形成した。これはブロッキング層
としての酸化珪素膜の作製と同一条件とした。

【００５９】この後、この上側にリンが１〜５×10²¹cm
^-3の濃度に入ったシリコン膜またはこのシリコン膜とそ
の上にモリブデン(Mo)、タングステン(W),MoSi₂または
WSi₂との多層膜を形成した。これを第３のフォトマスク
にてパタ−ニングして、図７(D) に示すように、ＮＴ
ＦＴ用のゲイト電極２７を形成した。例えばチャネル長
７μｍ、ゲイト電極としてリンド−プ珪素を０．２μ
ｍ、その上にモリブデンを０．３μｍの厚さに形成し
た。

【００６０】さらに、図７（Ｅ）において、層間絶縁物
２９を前記したスパッタ法により酸化珪素膜の形成とし
て行った。この酸化珪素膜の形成はＬＰＣＶＤ法、光Ｃ
ＶＤ法、常圧ＣＶＤ法を用いてもよい。例えば０．２〜
０．６μｍの厚さに形成し、その後、第４のフォトマス
クを用いて電極用の窓３１を形成した。その後、さら
に、これら全体にアルミニウムを０．３μｍの厚みにス
パッタ法により形成し第５のフォトマスクを用いてリ
−ド３０およびコンタクト３２を作製した後、表面を平
坦化用有機樹脂３４、例えば透光性ポリイミド樹脂を塗
布形成し、再度の電極穴あけを第６のフォトマスクに
て行った。さらに、これら全体にＩＴＯ（インジウム酸
化錫）を０．１μｍの厚みにスパッタ法により形成し第
７のフォトマスクを用いて画素電極３３を形成した。
このＩＴＯは室温〜１５０℃で成膜し、２００〜４００
℃の酸素または大気中のアニ−ルにより成就した。以上
のようにして得られたＴＦＴの電気的な特性は移動度は
９０（cm²/Vs）、Ｖthは４．８（Ｖ）であった。

【００６１】上記の様な方法に従って作製された液晶電
気光学装置用の一方の基板を得ることが出来た。他方の
基板の作製方法は実施例１と同じであるので省略する。
その後、前記第一の基板と第二の基板によって、液晶表
示装置を構成せしめ、基板上のリードにＴＡＢ形状の駆
動ＩＣと共通信号、電位配線を有するＰＣＢを接続し、
外側に偏光板を貼り、透過型の液晶電気光学装置を得
た。これと冷陰極管を３本配置した後部照明装置、テレ
ビ電波を受信するチューナーを接続し、壁掛けテレビと
して完成させた。従来のＣＲＴ方式のテレビと比べて、
平面形状の装置となったために、壁等に設置することも
出来るようになった。この液晶テレビの動作は図２に示
したものと、実質的に同等な信号を液晶画素に印加する
ことにより、１２８階調の表示が可能であることが確認
された。

【００６２】

【発明の効果】本発明では、従来のネマティック液晶を
用いたアナログ方式の階調表示に対し、強誘電性もしく
は反強誘電性液晶材料あるいはそれらのポリマー液晶材
料を用いたデジタル方式の階調表示を行うことを特徴と
している。その効果として、例えば６４０×４００ドッ
トの画素数を有する液晶電気光学装置を想定したばあ
い、合計２５６，０００個のＴＦＴすべての特性をばら
つき無く作製することは、非常に困難を有し、現実的に
は量産性、歩留りを考慮すると、１６階調表示が限界と
考えられているのに対し、本発明のように、全くアナロ
グ的な信号を加えることなく純粋にデジタル制御のみで
階調表示することにより、２５６階調表示以上の階調表
示が可能となった。完全なデジタル表示であるので、Ｔ
ＦＴの特性ばらつきによる階調の曖昧さは全くなくな
り、したがって、ＴＦＴのばらつきが少々あっても、極
めて均質な階調表示が可能であった。したがって、従来
はばらつきの少ないＴＦＴを得るために極めて歩留りが
悪かったのに対し、本発明によって、ＴＦＴの歩留りが
さほど問題とされなくなったため、ＴＦＴの歩留りは向
上し、作製コストも著しく抑えることができた。

【００６３】例えば６４０×４００ドットの２５６，０
００組のＴＦＴを３００ｍｍ角に作成した液晶電気光学
装置に対し通常のアナログ的な階調表示を行った場合、
ＴＦＴの特性ばらつきが約±１０％存在するために、１
６階調表示が限界であった。しかしながら、本発明によ
るデジタル階調表示をおこなった場合、ＴＦＴ素子の特
性ばらつきの影響を受けにくいために、２５６階調表示
まで可能になりカラー表示ではなんと１６，７７７，２
１６色の多彩であり微妙な色彩の表示が実現できてい
る。テレビ映像の様なソフトを映す場合、例えば同一色
からなる『岩』でもその微細な窪み等から微妙に色合い
が異なる。自然の色彩に近い表示を行おうとした場合、
１６階調では困難を要する。本発明による階調表示によ
って、これらの微細な色調の変化を付けることが可能に
なった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による駆動波形の例を示す。

【図２】本発明による駆動波形の例を示す。

【図３】本発明による駆動波形の例を示す。

【図４】本発明によるマトリクス構成の例を示す。

【図５】実施例によるカラーフィルターの工程を示
す。

【図６】実施例によるＴＦＴのプロセスを示す。

【図７】実施例によるＴＦＴのプロセスを示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者竹村保彦神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｎ本の信号線Ｘ_1,Ｘ_2,..Ｘ_n,..Ｘ_Nと、そ
れに直交するＭ本の信号線Ｙ_1,Ｙ_2,..Ｙ_m,..Ｙ_Mとによ
ってマトリクス状に形成された配線と、各マトリクスの
交差点領域には、少なくとも１つのＮチャネル型薄膜ト
ランジスタあるいは、Ｐチャネル型薄膜トランジスタ
と、各信号線の交差点領域に設けられた画素Ｚ
_11,Ｚ₁₂,...Ｚ_mn,...Ｚ_MNとを有し、各薄膜トランジス
タのソースもしくはドレインの一方は各画素を構成する
電極の一方に接続され、該薄膜トランジスターのゲイト
電極は走査線Ｘ_1,Ｘ₂,..Ｘ_n,..Ｘ_Nに、ソースもしくは
ドレインの他の一方は信号線Ｙ_1,Ｙ_2,..Ｙ_m,..Ｙ_Mに接
続された第１の基板と、透明な導電性被膜の形成された
第２の基板とを有し、前記第１および第２の基板を１０
μｍ以下の間隔で対向させて、その間に強誘電性液晶も
しくは反強誘電性液晶、もしくはそれらの高分子化合物
との微細混合物が挟まれた液晶表示装置において、任意
の信号線Ｘ_nに印加されるパルスのうち、ｉ番目と（ｉ
＋１）番目のパルスの間隔は、２^i-1Ｔ₁（ｉは有限な
自然数、Ｔ₁は定数）で表されることを特徴とする電気
光学装置の画像表示方法。