JP2010032765A - Ｔｆｔアレイ基板およびそれを用いた液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 画素反射電極に凹凸部を有する半透過型液晶表示装置においては、半透過構造や凹凸形成のため、製造工程数が増大していた。また、凹凸部７ｃを有機樹脂膜により形成した場合、ペーパーホワイト性が低下した。
【解決手段】 ドレイン電極７ｂと画素透過電極７ｄと凹凸部７ｃとが一体として酸化物透明導電材料からなり、凹凸部７ｃにおいては水素プラズマ照射等の手段により還元されている。画素反射電極１２は凹凸部７ｃ上に形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ＴＦＴアレイ基板およびそれを用いた液晶表示装置に関するものである。

近年、半導体デバイスを用いた表示装置の分野では、省エネルギー、省スペースを特長とした液晶表示装置が、従来のＣＲＴに替わり、急速に普及しつつある。この液晶表示装置では、透明絶縁基板上に複数の電極や配線および素子が設けられている。具体的には、走査配線や信号配線、ゲート電極やソース・ドレイン電極を有する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等のスイッチング素子がアレイ状に設けられ、各表示画素に電極に独立した映像信号を印加するアクティブマトリクス型のＴＦＴアレイ基板が広く用いられるようになっている。

このＴＦＴアレイ基板の製造には、多くの工程数を要するため、製造装置数の増大、不良発生率の増大等、生産性に問題があった。従来、特許文献１に開示されているように、５回のフォトリソグラフィプロセスを実施する製造方法（以下、５枚マスクプロセスという）が一般的であった。

ここで、液晶表示装置には、バックライト（背面光源）をその背面又は側方に設置して、画像表示を行う透過型液晶表示装置以外に、基板に反射板を設置し、周囲光を反射板表面で反射させることにより画像表示を行う反射型液晶表示装置がある。この透過型液晶表示装置は、周囲光が非常に明るい場合には、周囲光に比べて表示光が暗いため表示を観察できないという問題がある。他方、反射型液晶表示装置は、周囲光が暗い場合には視認性が極端に低下するという欠点を有する。

これらの問題点を解決するために、光の一部を透過し、また光の一部を反射する半透過型反射膜を用いた液晶表示装置（以下、半透過型液晶表示装置）が提案されている（特許文献２〜４）。この半透過型液晶表示装置においても、５枚マスクプロセスを下地とした製造方法が提案されている（特許文献５、６）。

さらに、半透過型液晶表示装置においては、良好な散乱反射特性の指標である”紙に近い白”（以下、ペーパーホワイトという）と高コントラスト比の特性を示す反射板を作ることが高表示品質を実現するのに重要なポイントとなる。従来、このような反射板の製造は、有機樹脂膜に凹凸形状を形成し、その上にＡｌやＡｇのような反射率の高い金属を成膜形成することによって行なわれ、前記凹凸の高さや平面レイアウトを工夫することで反射特性を制御する方法が主に用いられている。（特許文献７〜１０）

特開平１０−２６８３５３号公報 特開平７−３３３５９８号公報 特開２０００−１９５６３号公報 特開２０００−３０５１１０号公報 特開２００３−２４８２３２号公報 特開２００８−２６４３３号公報 特開平５−３２３３７１号公報 特開平９−２５８２１９号公報 特開平６−７５２３８号公報 特開２００２−２０７２１４号公報

感光性樹脂膜を用いたフォトリソグラフィ法や、有機絶縁膜＋感光性樹脂膜パターンを用いたエッチング法によれば、滑らかな凹凸形状を形成することができるので、ペーパーホワイト性に優れ、かつ散乱反射特性に優れる反射板を作製することができる。しかし、このような凹凸形状を有する半透過液晶表示装置の製造にも、さらなる工程数の削減が要求されている。さらに、ペーパーホワイト性を向上させるにはサブミクロン単位の粒状からなる凹凸形状が望ましいが、有機絶縁膜＋感光性樹脂膜パターンを用いた場合、得られる凹凸の断面形状は１〜３μｍ単位でうねった波状となってしまい、このような形状ではペーパーホワイト性が低いものとなる。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、ホワイトペーパー性にすぐれた凹凸形状を少ない製造工程により、作成することができるＴＦＴアレイ基板とその製造方法ならびに、それを用いた液晶表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係るＴＦＴアレイ基板では、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に形成された第１導電層からなるゲート電極とゲート配線と、前記ゲート電極に接して広がるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極と対向する領域に形成される半導体膜と、第２導電層からなり、前記半導体膜と接続するように形成されるソース電極とドレイン電極と、前記ドレイン電極と一体として形成される画素透過電極と凹凸部と、少なくとも前記凹凸部が開口されたパッシベーション膜と、前記凹凸部上に形成される画素反射電極と、を備える液晶表示装置であって、前記第２導電層は、酸化物透明導電材料からなる層を含み、さらに、前記凹凸部は前記酸化物透明導電材料を還元させることにより形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、少ない製造工程により、ホワイトペーパー性にすぐれた凹凸形状を有するＴＦＴアレイ基板およびそれを用いた液晶表示装置を提供することができる。

以下、本発明にかかる液晶表示装置に用いられるＴＦＴアレイ基板の実施の形態について説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載および図面は、適宜、省略および簡略化されている。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態１にかかるＴＦＴアレイ基板における画像表示領域の一画素分の平面図である。図２は、図１のＸ−Ｘ断面図である。ガラスや石英等からなる絶縁性基板１上に、アルミ合金や高融点金属からなる第１導電層をパターニングして得られるゲート電極２、補助容量配線３が形成され、ゲート電極２と接するようにして、ＳｉＮ等からなるゲート絶縁膜４が広がっている。さらに、ゲート絶縁膜４を介してゲート電極２と対向する領域には、ａ−Ｓｉ(ｉ)層５が形成されている。

ａ−Ｓｉ（ｉ）層５上には、ａ−Ｓｉ(ｎ)層６を介してａ−Ｓｉ（ｉ）層５と接続するように、第２導電層である透明な酸化物導電膜７からなるソース電極７ａとドレイン電極７ｂとが形成されている。ドレイン電極７ｂに加えて、凹凸部７ｃと画素透過電極７ｄも形成されている。ここで、ドレイン電極７ｂ、凹凸部７ｃと画素透過電極７ｄは一体として、ドレイン画素兼用電極として形成されている。すなわち、凹凸部７ｃと画素透過電極７ｄも透明な酸化物導電膜７からなる。ここで、画素透過電極７ｄが形成されている領域が、半透過型液晶表示装置の画素における透過部に相当する。

これらを覆うようにして、ＳｉＮやＳｉＯ２等からなるパッシベーション膜８が形成されている。パッシベーション膜８は、ソース電極７ａに到達するように開口されたコンタクトホール９と、凹凸部７ｃに到達するように開口された開口部１０とを有する。ここで、凹凸部７ｃは、開口部１０により開口された領域において、酸化物導電膜が還元されることにより生じる凹凸を有している領域を指す。また、酸化物導電膜が還元されて凹凸を生じるという点では、ソース電極７ａにおいても、コンタクトホール９により開口された領域が同様な状況にある。図２においては、還元された領域にハッチングをかけて表示をしている。

パッシベーション膜８の上層として、可視光の反射率が高いアルミ（合金）層、またはそれを最上層とする積層構造のソース配線１１と、画素反射電極１２とが形成されている。ここで、ソース配線１１は、コンタクトホール９を介してソース電極７ａと接続されている。さらに、画素反射電極１２は、開口部１０と凹凸部７ｃを覆うように形成されており、凹凸部７ｃ上においては、その凹凸形状が反映された形状をその表面に有している。なお、画素反射電極１２の凹凸は、１μｍ未満程度である。そして、画素反射電極１２が形成されている領域が、半透過型液晶表示装置の画素における反射部に相当する。ただし、その中でもペーパーホワイト性に寄与する領域は、凹凸部７ｃ上の領域である。

本発明のアレイ基板では、ドレイン電極と透過画素電極と、画素反射電極の下地となる凹凸部とを同じレイヤで形成しているので、凹凸を形成するためだけに有機膜を形成せずにすむこととなり、したがってマスク枚数を削減できる。さらに有機膜で形成できる凹凸よりも細かな１μｍ未満の凹凸を形成できるので、良好なペーパーホワイト特性を有する液晶表示装置をえることができる。

次に、本実施の形態１に係るアレイ基板の製造方法について、図３〜８を用いて説明する。まず、絶縁性基板１上に、アルミ合金、高融点金属それらの積層である第１導電層をスパッタ、蒸着、メッキ等の方法で成膜する。本実施の形態では、Ａｌ−Ｎｉを２００ｎｍの厚みで成膜した。そして、感光性のレジストを塗布して、１回目の露光、現像を行い、露出する第１導電層を硝酸、燐酸、酢酸の混合液等でエッチング除去して、ゲート電極２と補助容量配線３を形成した。

次に、プラズマＣＶＤ等の方法で、ゲート絶縁膜４と半導体膜であるａ−Ｓｉ（ｉ）膜５、ａ−Ｓｉ（ｎ）膜６とを連続で成膜する。ゲート絶縁膜４の材料はＳｉＮやＳｉＯ２等でよく、膜厚は本実施では４００ｎｍとした。ａ−Ｓｉ（ｉ）膜５、ａ−Ｓｉ（ｎ）膜６の厚みは、各１５０ｎｍ、３０ｎｍとした。そして、感光性のレジストを塗布して、２回目の露光、現像を行い、露出する半導体膜を選択エッチングして除去する。除去手段としては、塩素原子、フッ素原子を含んだガスを用いたドライエッチング法を用いてもよい。ここまでの工程で形成された構造の工程断面図を図３に示す。なお、図３は、図２と同様に、図１にてＸ−Ｘで示した個所に相当する断面図である。

次に、第２導電層として、ＩＴＯ、ＩＴＺＯ、ＩＺＯ、ＩＧＺＯ等の可視光で透明な酸化物導電膜７を成膜する。成膜方法としては、スパッタ法、蒸着法等を用い、膜厚は１００ｎｍとしたが、膜厚については光学特性の最適化で適宜選択してもよい。そして、感光性のレジストを塗布して、３回目の露光、現像を行い、露出する第２導電層をシュウ酸等でエッチング除去して、図４に示すように、ドレイン電極７ｂ、凹凸部７ｃと画素透過電極７ｄとが一体として形成されているドレイン画素兼用電極と、ソース電極７ａとを形成する。その後、露出するａ−Ｓｉ（ｎ）層６をエッチングで除去して、感光性レジストを除去する。なお、ａ−Ｓｉ（ｎ）層６の除去手段にはドライエッチングを用いる。ここまでの工程で形成された構造の断面図を図４に示す。

次に、パッシベーション膜８として、ＣＶＤ等の方法により、ＳｉＮやＳｉＯ２等の膜を成膜する。膜厚は２００ｎｍとした。そして、感光性のレジスト（図示せず）を塗布して、４回目の露光、現像を行い、露出するパッシベーション膜８をエッチングして除去することにより、図５に示すように、コンタクトホール９と開口部１０とを形成する。その後、図５に示すように、水素ガスを用いたプラズマ照射処理を行う。この照射処理により、コンタクトホールと開口部との底面において露出する第２導電層である透明な酸化物導電膜７が還元される。すなわち、コンタクトホール９で露出するソース電極７ａと、開口部１０で露出する凹凸部７ｃとにおいて、透明な酸化物導電膜７が還元される。

本実施の形態において、第２導電層は酸化物導電材料からなるが、水素プラズマを照射されることにより膜中の酸素が失われ、還元されてしまう。その結果、導電膜の表面状態が粗くなり、色も透明から黒色へと変化する。この後、感光性レジストを除去する。

次に、アルミ、アルミ合金、銀の膜もしくは最上層にそれらの金属膜を有する多層構造である第３導電層をスパッタ、蒸着等により成膜する。膜厚は５０〜２００ｎｍでよい。本実施の形態では、アルミにニッケルを添加した合金を用いた。アルミ−ニッケル合金を用いた場合、コンタクトホール９や開口部１０を介してソース電極７ａや凹凸部７ｃといった酸化物導電膜と電気的に良好に接続できるという効果を奏するからである。もちろん、上層を光学的反射特性に優れたアルミもしくはアルミ合金とし、下層をモリブデン等の高融点金属膜とした積層構造でもよい。

そして、感光性のレジストを塗布して、５回目の露光、現像を行った。露出する第３導電層がアルミ合金の場合は、燐酸、酢酸、硝酸の混合液等でエッチング除去して、図１、図２に示すようにソース配線１１や画素反射電極１２を形成する。ここで画素反射電極１２は、開口部１０内の凹凸部７ｃ上に形成されているため、その表面部においても下地の形状が反映されて凹凸形状を有している。

実施の形態１に係るアレイ基板では、ドレイン電極と透過画素電極と、画素反射電極の下地となる凹凸部とを同じレイヤで形成しているので、凹凸を形成するためだけに有機膜を形成せずにすむので、マスク枚数を削減できる。さらに有機膜で形成できる凹凸よりも細かな１μｍ未満の凹凸を形成できるので、このアレイ基板を用いた半透過型液晶表示装置においても、良好なペーパーホワイト特性を得ることができた。

実施の形態２
図６は、実施の形態２にかかるアクティブマトリクス型ＴＦＴアレイ基板における画像表示領域の一画素分の平面図である。図７は、図６のＸ−Ｘ断面図である。実施の形態１と異なる点は、第２導電層は、最下層が酸化物導電材料の膜７であり、その上層に金属膜１３を有するという多層構造からなる点である。さらに、少なくとも凹凸部においては、上層の金属膜が除去されている点も実施の形態１と異なる点である。以下、図６と図７を用いて、実施の形態２にかかるＴＦＴアレイ基板の構造について説明する。なお、図面中の付番は、実施の形態１と対応するものについては同じ番号を用いている。

ガラスや石英等からなる絶縁性基板１上に、アルミ合金や高融点金属からなるゲート電極２、補助容量配線３が形成され、ゲート電極２と接するようにして、ＳｉＮ等からなるゲート絶縁膜４が広がっている。さらに、ゲート絶縁膜４を介してゲート電極２と対向する領域には、ａ−Ｓｉ(ｉ)層５が形成されている。

ａ−Ｓｉ（ｉ）層５上には、ａ−Ｓｉ(ｎ)層６を介してａ−Ｓｉ（ｉ）層５と接続するように、透明な酸化物導電膜７からなるソース電極７ａと金属膜１３ａとの積層構造が形成されている。この積層構造は、延在してソース配線としても機能している。実施の形態１のように、透明な酸化物導電膜７の単層で形成する場合は、配線抵抗が高くなってしまうため、コンタクトホールを介して別レイヤの金属配線と接続する必要があったが、実施の形態２においては、そのような必要は無いことになる。

また、同様に、ａ−Ｓｉ（ｉ）層５上には、ａ−Ｓｉ(ｎ)層６を介してａ−Ｓｉ（ｉ）層５と接続するように、透明な酸化物導電膜７からなるドレイン電極７ｂと金属膜１３ｂとの積層構造が形成されている。さらに、実施の形態１と同様に、ドレイン電極７ｂから延在して、凹凸部７ｃと画素透過電極７ｄとも形成されている。ドレイン電極７ｂ、凹凸部７ｃと画素透過電極７ｄとが一体となってドレイン画素兼用電極として形成されている点や、凹凸部７ｃと画素透過電極７ｄが透明な酸化物導電膜７からなる点も実施の形態１と同様である。

これらを覆うようにして、ＳｉＮやＳｉＯ２等からなるパッシベーション膜８が形成されている。パッシベーション膜８は、凹凸部７ｃに到達するように開口された開口部１０を有する。ここで、凹凸部７ｃは、開口部１０で開口された領域においては、還元された状態となっている。パッシベーション膜８上には、第３導電層として可視光の反射率が高いアルミ（合金）層、またはそれを最上層とする画素反射電極１２が形成されている。ここで、画素反射電極１２は、開口部１０と凹凸部７ｃを覆うように形成されており、凹凸部７ｃ上においては、凹凸形状が反映された形状をその表面に有している。なお、画素反射電極１２の凹凸形状の表面粗さは、実施の形態１と同様に、１μｍ未満程度となるように形成されている。

実施の形態２に係るアレイ基板では、実施の形態１により得られる効果に加えて、透明な酸化物導電膜と金属膜とをコンタクトホールを介さずに直接積層してソース配線を形成しているので、配線抵抗を低減できるという効果も奏する。

また、図６や図７においては、金属膜１３ｂがドレイン電極７ｂと共に、ゲート電極２の段差部を覆っている状況が示されている。ドレイン電極７ｂを構成する透明な酸化物導電膜７の膜厚は１００ｎｍ程度であるため、もし、金属膜１３ｂが無ければ、ゲート電極２の断面形状によっては被覆することができずに該段差で断線することもある。すなわち、ゲート電極２の段差を覆うように金属膜１３ｂを形成することにより、該段差でのドレイン電極７ｂのカバレッヂ性を改善する効果を奏する。

次に、実施の形態２に係るアレイ基板の製造方法について、以下に説明する。図３までは実施の形態１と同様であるので説明を省略する。図３から、ＩＴＯ、ＩＴＺＯ、ＩＺＯ、ＩＧＺＯ等の可視光で透明な酸化物導電材料からなる膜７と、その上層に金属材料からなる膜１３とを積層した多層構造として第２導電層を成膜する。成膜方法としては、スパッタ法、蒸着法等を用い、ＩＴＯ膜とＭｏ膜とを連続で成膜した。膜厚は１００ｎｍとしたが、膜厚については光学特性の最適化で適宜選択してもよい。そして、感光性のレジストを塗布して、３回目の露光、現像を行い、図８に示すようなレジストパターン１４を形成した。

レジストパターン１４は、場所によって、その厚みを変えている。具体的には、ソース電極７ａ、ドレイン電極７ｂのように、金属膜１３を最終的に残す領域と、凹凸部７ｃや透過画素電極７ｄのように金属膜１３を除去する領域とで厚みを変えており、後者の領域よりも前者の領域のレジスト膜厚を厚くしている。このような加工には、グレイトーンを含む露光マスクを用いた公知の露光方法が用いられる。

その後、露出する金属膜１３と透明な酸化物導電膜７とをシュウ酸等でエッチング除去した後、レジストパターン１４をアッシング等の手段により一様に薄くして、凹凸部７ｃや透過画素電極７ｄに相当する領域のレジストのみ消失させる。この状況を図９に示す。ここでは、金属膜１３と透明な酸化物導電膜７との連続エッチングと同時にレジストパターン１４が薄くなるようなエッチング処理を行ってもよい。

この時点で、ソース電極７ａと金属膜１３ａとの積層構造からなるソース配線や、ドレイン電極７ｂ、凹凸部７ｃ、画素透過電極７ｄが一体としてなるドレイン画素兼用電極が形成されている。しかし、凹凸部７ｃと画素透過電極７ｄとして機能するためには、上層の金属膜１３を除去する必要がある。そこで、凹凸部７ｃと画素透過電極７ｄの上層の金属膜１３を選択エッチングする。その後、ゲート電極２上で露出しているａ−Ｓｉ(ｎ)層６を除去してから、レジストパターン１４を完全に除去する。この状況を示したのが、図１０である。なお、ａ−Ｓｉ（ｎ）層６の除去手段としてはドライエッチングを用いる。

以降は、パッシベーション膜８を成膜後、凹凸部７ｃ上に開口部１０を開口した後、凹凸部７ｃを覆うようにして画素反射電極１２を形成することにより、図６と図７に示すようなアレイ基板を得ることができる。なお、実施の形態２では、コンタクトホール９について記載していないが、端子部（図示せず）など必要に応じて、開口部１０の形成と同時に開口することができる。

実施の形態２に係る製造方法では、第３の露光の際に、ソース電極やドレイン電極における感光性レジストの厚みよりも、透過画素電極と凹凸部の領域における感光性レジストの厚みが薄くなるように露光量を調整した。これにより、マスク枚数を増やすことなく、金属膜と透明な酸化物導電膜との積層からなるソース電極とドレイン電極を形成すると共に、酸化物導電膜からなる凹凸部や透過画素電極を形成することができる。別にマスクを追加することにより形成した場合、マスク枚数を削減できるという効果は奏し得ないものの、本実施の形態２に係るアレイ基板で得られる効果を奏することは可能である。

実施の形態３．
図１１に、実施の形態３の構造を示す。
ソース電極とソース配線とがコンタクトホールを介して接続する点は、実施の形態１と同様である。しかし、本実施の形態３においては、実施の形態２と同様に、第２導電層として透明な酸化物導電膜上に金属膜を積層しており、その点が実施の形態１と異なっている。したがって、実施の形態３においては、ソース電極とソース配線との接続は、金属膜同士で行うこととなり、これにより実施の形態１の場合よりもコンタクト抵抗を低減できるという効果を奏する。

実施の形態４．
実施の形態１〜３に係るアクティブマトリクス型ＴＦＴアレイ基板と、カラーフィルタまたは共通電極の少なくとも一方を備えた対向基板（図示せず）とを対向させ、表示部となる画素領域の周囲をシール剤で貼り合せて、その内部に液晶が封入されるようにする公知の方法により、液晶表示装置を作成することができる。形成される液晶表示装置は、半透過型の液晶表示装置であり、ペーパーホワイト性に優れた表示特性を有するという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係るアレイ基板の平面図である。 本発明の実施の形態１に係るアレイ基板の断面図である。 本発明の実施の形態１に係るアレイ基板の工程断面図である。 本発明の実施の形態１に係るアレイ基板の工程断面図である。 本発明の実施の形態１に係るアレイ基板の工程断面図である。 本発明の実施の形態２に係るアレイ基板の平面図である。 本発明の実施の形態２に係るアレイ基板の断面図である。 本発明の実施の形態２に係るアレイ基板の工程断面図である。 本発明の実施の形態２に係るアレイ基板の工程断面図である。 本発明の実施の形態２に係るアレイ基板の工程断面図である。 本発明の実施の形態３に係るアレイ基板の断面図である。

符号の説明

１ 絶縁性基板
２ ゲート電極
３ 補助容量配線
４ ゲート絶縁膜
５ ａ−Ｓｉ（ｉ）層
６ ａ−Ｓｉ（ｎ）層
７ 酸化物導電膜
７ａ ソース電極、７ｂ ドレイン電極
７ｃ 凹凸部、７ｄ 画素透過電極
８ パッシベーション膜
９ コンタクトホール
１０ 開口部
１１ ソース配線
１２ 画素反射電極
１３、１３ａ、１３ｂ 金属膜
１４ レジストパターン

Claims (3)

1. 絶縁性基板と、
   前記絶縁性基板上に形成された第１導電層からなるゲート電極とゲート配線と、
   前記ゲート電極に接して広がるゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極と対向する領域に形成される半導体膜と、
   第２導電層からなり、前記半導体膜と接続するように形成されるソース電極とドレイン電極と、
   前記ドレイン電極と一体として形成される画素透過電極と凹凸部と、
   少なくとも前記凹凸部が開口されたパッシベーション膜と、
   前記凹凸部上に形成される画素反射電極と、
   を備える液晶表示装置であって、
   前記第２導電層は、酸化物透明導電材料からなる層を含み、
   さらに、前記凹凸部は前記酸化物透明導電材料を還元させることにより形成されていることを特徴とするＴＦＴアレイ基板。
2. 前記第２導電層は、前記酸化物透明導電材料からなる最下層と、前記最下層上に積層されて金属膜からなる層と、からなる多層構造であることを特徴とする請求項１に記載のＴＦＴアレイ基板。
3. 請求項１記載のＴＦＴアレイ基板と対向基板との周辺をシール剤で貼り合せて、
   前記ＴＦＴアレイ基板と前記対向基板との間に液晶を封入されてなるように
   前記ＴＦＴアレイ基板を用いたことを特徴とする
   液晶表示装置。

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