JPH03163533A - 薄膜二端子素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は薄膜二端子素子に関し、詳しくは、ＯＡ機器用
やＴＶ用等のフラットパネルディスプレイなどに好適に
使用しうるスイッチング素子、特に液晶表示装置のスイ
ッチング素子として有用な薄膜二端子素子に関する。

〔従来の技術〕

ＯＡ機器端末機や液晶ＴＶには大面積液晶パネルの使用
の要望が強く、そのため、アクティブ・マトリックス方
式では各画素ごとにスイッチを設け、電圧を保持するよ
うに工夫されている。

ところで、前記スイッチの一つとしてＭＩＮ（Ｍｅｔａ
ｌ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ　Ｍｅｔａｌ）素子が多く用い
られている。これは薄膜二端子素子がスイッチングに良
好な非線形な電流一電圧特性を示すためである。

そして、従来からの薄膜二端子素子は，ガラス板のよう
な絶縁基板上に下部電極としてＴａ．　ＡＱ−　Ｔｉ等
の金属電極を設け、その上に前記金属の酸化物又はＳｉ
Ｏｘ．　ＳｉＮｘ等からなる絶縁膜を設け、更にその上
に、上部電極として肋、Ｃｒ等の金ｒＡ電極を設けたも
のが知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、絶縁体（絶縁膜）に金属酸化物を用いた薄膜二
端子素子（特開昭５７−１９６５８９号，何６１−２３
２６８９号、同６２−６２３３３号等の公報に記載）の
場合、絶縁膜は下部電極の陽極酸化又は熱酸化により形
威されるため、工程が複雑であり、しかも高温熱処理を
必要とし（陽極酸化法でも不純物の除去等を確実にする
には高温熱処理が必要である）、また膜制御性（膜質及
び膜厚の均一性及び再現性）に劣る上、基板が耐熱材料
に限られること、及び、絶縁膜は物性が一定な金属酸化
物からなること等から、デバイスの材料やデバイス特性
を自由に変えることができず、設計上の自由度が狭いと
いう欠点がある。これは薄膜二端子素子を組込んだ液晶
表示装置からの仕様を十分に満たすデバイスを設計・作
製することが困難であることを意味する。また、このよ
うに膜制御性が悪いと、素子特性としての電流（Ｉ）電
圧（ｖ）特性、特にＩ−Ｖ特性やＩ−Ｖ特性の対称性（
プラスバイアス時とマイナスバイアス時との電流比エー
／工＋）のバラッキが大きくなるという問題も生じる。

その他、薄膜二端子素子を液晶表示装置（ＬＣＤ）用と
して使用する場合、液晶部容量／薄膜二端子素子容量比
は一般に１０以上が望ましいが，金属酸化物膜の場合は
誘電率が大きいことから素子容量も大きくなり、このた
め、素子容量を減少させること即ち素子面積を小さくす
るための微細加工を必要とする。またこの場合、液晶材
料封入時のラビング工程等で絶縁膜が機械的損傷を受け
ることにより、微細加工とも相まって歩留り低下を来た
すという問題もある。

一方、絶縁膜にＳｉＯｚやＳＵＮ）（を用いた肘阿素子
（特開昭６１−２６０２１９号公報）の場合、絶縁膜は
プラズマＣＶＤ法、スパッタ法等の気相法で成膜するが
、基板温度が通常３００℃程度必要であるため、低コス
ト基板は使用できず、また大面積化の際、基板温度分布
のため膜厚，膜質が不均一になり易いという欠点がある
。また，これらの絶縁膜を合戊する際には気相でなされ
ることから、ダストが多く発生し、膜のビンホールが多
いため素子の歩留りが低下する。更には、膜ストレスが
大きく、膜剥離が起こり、この点からも素子の歩留りが
低下する。

本発明者らは、先に、絶縁膜として硬質炭素膜（ｉ型カ
ーボン（ｉ−Ｃ）膜）を使用したＭＩＭ素子を提案した
が、絶縁膜の厚さは２０〜１００λと薄いものであった
．この絶縁膜（ｉ−Ｃ膜）の場合、その伝導機構はトン
ネル伝導であり，むしろ高速スイッチやトンネル発光等
、超薄膜素子としての応用には適している。しかし，液
晶表示装置等に応用する場合は、耐圧、歩留り（欠陥率
）、素子特性の均一性、しきい値電圧の点から膜厚は厚
い方が望ましい。

本発明の第１の目的は、比較的低温でしかも簡単な工程
で形戒でき、膜制御性及び機械的強度に優れた低誘電率
の絶縁膜（硬質炭素膜）を使用することで、広範囲での
デバイス設計が可能で、しかも素子特性のバラツキが少
なく，またしきい値電圧，耐圧に優れ、歩留りの良い薄
膜二端子素子を提供することである。

また、本発明の第２の目的は、下部導体材料を選定する
ことにより、リーク電流が小さく、液晶酩動に適する特
性のマージンが広くとれ、かつ素子の信頼性、歩留りが
より高くなる薄膜二端子素子を提供することである。

〔課題を解決するための手段及び作用〕本発明の薄膜二
端子素子は、第一の導体と第二の導体との間に絶縁膜を
介在させてなる薄膜二端子素子において，該絶縁膜が硬
質炭素膜からなり、かつ該絶縁膜に接してその下に設け
られる導体（以後、下部導体と称す）が少なくとも脚を
主たる構成元素として含んでいることを特徴としている
。

以下本発明の薄膜二端子素子につき図面を参照しながら
詳細に説明するゆ 第１図は本発明を液晶表示素子の薄膜二端子素子に適用
した場合の素子構成例を示す斜視図であり、画素電極４
が形成された基板（図示せず）上に一部が該画素電極４
の上面に重なるごとく下部導体１が形成され、該下部導
体１上に図示のように絶縁膜２及び上部導体３が形威さ
れ、薄膜二端子素子が構成されている。この薄膜二端子
素子の構成上の特徴は、絶縁膜３が硬質炭素膜より形或
されるとともに、下部導体１が少なくとも静を主たる構
成元素として含んでいる材料から形威されることにある
。

下部導体１は、上記のように少なくともＡＱを主たる構
成元素として含む材料を用いて蒸着法、スパッタリング
法等により数百〜数千人の膜厚に形或される．絶縁膜２
には例えば後述の方法で成膜される硬質炭素膜が１００
〜８０００人、望ましくは３００〜４０００入の膜厚で
使用される。上部導体３は、例え？Ｐｔ．　Ｎｉ．　Ａ
ｇ．　Ｃｕ，　Ａｕ，ＩＱ，　Ｃｒ，Ｔｉ．　Ｗ、阿ｏ
．　Ｔａ、ＩＴＯ，　ＺｎＯ：［１．　Ｉｎ２０，、Ｓ
ｉｎ■等の導電体材料を用いて蒸着法、スパッタリング
法等により数百〜数千人の膜厚に形成される。

本発明の薄膜二端子素子においては、両導体１，２間に
介在する絶縁膜３が硬質炭素膜で形成されているが、該
硬質炭素膜は，炭素原子及び水素原子を・主要な組織形
成元素として非品質及び微結晶質の少なくとも一方を含
む硬質炭素膜（ｉ−Ｃ膜、ダイヤモンド状炭素膜、アモ
ルファスダイヤモンド膜、ダイヤモンド薄膜とも呼ばれ
る）からなっている。

硬質炭素膜の一つの特徴は気相成長膜であるがために，
後述するように、その諸物性が製膜条件によって広範囲
に制御できることである。従って、絶縁膜といってもそ
の抵抗値は半絶縁体から絶縁体までの領域をカバーして
おり、この意味では本発明の薄膜二端子素子はＭＩＭ素
子は勿論のこと、それ以外でも例えば特開昭６１−２６
０２１９号公報でいうところのＭＳＩ素子（Ｍｅｔａｌ
−Ｓｅｍｉ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）や、ＳＩＳ素子（半
導体一絶縁体一半導体であって、ここでの「半導体」は
不純物を高濃度にドープさせたものである）としても位
置付けられるものである。

なお，この硬質炭素膜中には，さらに物性制御範囲を広
げるために、構成元素の一つとして少なくとも周期律表
第■族元素を全構成原子に対し５原子ｚ以下、同じく第
■族元素を３５原子２以下，同じく第Ｖ族元素を５ｙＸ
子２以下、アルカリ土類金属元素を５原子＄以下、アル
カリ金属元素を５原子２、窒素原子を５原子＄以下、酸
素原子を５ｙＡ子２以下、カルコゲン系元素を３５原子
２以下，またはハロゲン系元素を３５原子２以下の量で
含有させてもよい。

これら元素又は原子の量は元素分析の常法例えばオージ
ェ分析によって測定することができる。また、この量の
多少は原料ガスに含まれる他の化合物の量や或膜条件で
調節可能である。

こうした硬質炭素膜を形或するためには有機化合物ガス
、特に炭化水素ガスが用いられる，これら原料における
相状態は常温常圧において必ずしも気相である必要はな
く，加熱或いは減圧等により溶融、蒸発，昇華等を経て
気化し得るものであ？ば，液相でも固相でも使用可能で
ある。

原料ガスとしての炭化水素ガスについては、例えばＣＨ
４，Ｃ，｝Ｉ，，Ｃ４Ｈ■。等のパラフィン系炭化水素
、Ｃ２Ｈ４等のオレフイン系炭化水素、ジオレフイン系
炭化水素、アセチレン系炭化水素、さらには芳香族炭化
水素などすべての炭化水素を少なくとも含むガスが使用
可能である。

また、炭化水素以外でも、例えばアルコール類、ケトン
類、エーテル類、エステル類などであって少なくとも炭
素元素を含む化合物であれば使用可能である． 本発明における原料ガスからの硬質炭素膜の形威方法と
しては、或膜活性種が直流，低周波、高周波或いはマイ
クロ波等を用いたプラズマ法により生成されるプラズマ
状態を経て形成される方法が好ましいが，より大面積化
、均一性向上及び／又は低温製膜の目的で低圧下で堆積
を行わせしめるのには磁界効果を利用する方法がさらに
好ましい。また、高温における熱分解によっても活性種
を形成できる． その他にも、イオン化蒸着法或いはイオンビーム蒸着法
等により生威されるイオン状態を経て形成されてもよい
し，真空蒸着法或いはスパッタリング法等により生成さ
れる中性粒子から形成されてもよいし，さらには，これ
らの組み合わせにより形成されてもよい。

こうして作製される硬質炭素膜の堆積条件の一例はプラ
ズマＣＶＤ法の場合，概ね次の通りである。

ＲＦ出力：　０．１−５０　Ｗ／ｃＪ 圧　　　力：　１０’−３−１０Ｔｏｒｒ堆積温度：室
温〜９５０℃で行なうことができるが、好ましくは室温
〜３００℃， このプラズマ状態により原料ガスがラジカルとイオンと
に分解され反応することによって、基板上に炭素原子Ｃ
と水素原子Ｈとからなるアモルファス（非品質）及び微
結晶質（結晶の大きさは数１０人〜数μｍ）の少くとも
一方を含む硬質炭素膜が堆積する。硬質炭素膜の諸特性
を表−１に示す。

表−１ 注）測定法； 比抵抗（ρ）：コプレナー型セルによるＩ−Ｖ特性より
求める。

光学的バンドギャップ（Ｅｇｏｐｔ）　：分光特性から
吸収係数（α）を求め、 （αｈｖ）１／２＝Ｂ（ｈｙ’−Ｅｇｏｐｔ）の関係よ
り決定する。

膜中水素量（ＣＭ）　：赤外吸収スペクトルから２９０
０ｃｍ−１付近のピークを積分し、吸収断面＠Ａ をかけて求める。すなわち、 ＣＨ：Ａ−ｆα（ｖ）／ｗ・ｄｖ ＳＰ３／ＳＰ”比：赤外吸収スペクトルを、ｓｐ”，ｓ
ｐ２にそれぞれ帰属されるガウス関数に分解 し、その面積比より求める。

ビッカース硬度（Ｈ）：マイクロビッカース計による。

屈折率（ｎ）：エリプソメーターによる。

欠陥密度：　ＥＳＲによる。

こうして形或される硬質炭素膜はＩＲ吸収法及びラマン
分光法による分析の結果、夫々、第２図及び第３図に示
すように炭素原子がｓｐ”の混成軌道とｓｐ”の混或軌
道とを形成した原子間結合が混在していることが明らか
になっている。ＳＰＪ結合とＳＰ２結合の比率は、ＩＲ
スペクトルをピーク分離することで概ね推定できる。Ｉ
Ｒスペクトルには、２８００〜３１５０ｃｍ−１に多く
のモードのスペクトルが重なって測定されるが，それぞ
れの波数に対応するピークの帰属は明らかになっており
、第４図に示したごときガウス分布によってピーク分離
を行ない、それぞれのピーク面積を算出し、その比率を
求めればＳＰ３／ＳＰ”を知ることができる。

また、前記の硬質炭素膜は、Ｘ線及び電子線回折分析に
よれば，アモルファス状態（ａ−Ｃ：Ｈ）、及び／又は
、数１０人〜数μｍ程度の微結晶粒を含むアモルファス
状態にあることが判かる。

一般に量産に適しているプラズマＣｖＤ法の場合には、
ＲＦ出力が小さいほど膜の比抵抗値および硬度が増加し
、また、低圧力なほど活性種の寿命が増加するために、
基板温度の低温化，大面積での均一化が図られ，かつ比
抵抗、硬度が増加する傾向にある。更に、低圧力ではプ
ラズマ密度が減少するため、磁場閉じ込め効果を利用す
る方法は，比抵抗の増加には特に効果的である。更にま
た、この方法（プラズマＣＶＤ法）は常温〜１５０℃程
度の比較的低い温度条件でも同様に良質の硬質炭素膜を
形成できるという特徴を有しているため，薄膜二端子素
子製造プロセスの低温化には最適である。

従って、使用する基板材料の選択自由度が広がり、基板
温度をコントロールし易いために大面積に均一な膜が得
られるという特長をもっている。

硬質炭素膜の構造、物性は表−１に示したように、広範
囲に制御可能であるため、デバイス特性を自由に設計で
きる利点もある。さらには，膜の誘電率も３〜５と従来
のＭＩＭ素子に使用されていたＴａ２０，　ＩＡｆｌ，
Ｏ，，　ＳｉＮｘなどと比較して小さいため、同じ電気
容量をもった素子を作る場合、素子サイズが大きくてす
むので、それほど微細加工を必要とせず、歩留まりが向
上する（駆動条件の関係からＬＣＤとＭＩ阿素子との容
量比はＣＬＣＤ　：　ＣＭＩＭ”ｌＯ：１程度必要であ
る）。

さらに膜の硬度が高いため、液晶材料封入時のラビング
工程による損傷が少なく、この点からも歩留まりが向上
する。

液晶駆動用薄膜二端子素子として好適な硬質炭素膜は、
馳動条件から膜厚が１００〜８０００Ａ　．比抵抗が１
０’−１０１３Ω・ｃｆｆＩの範囲であることが有利で
ある。

なお、駆動電圧と耐圧（絶縁破壊電圧）とのマージンを
考慮すると膜厚は２００人以上であることが望ましく、
また、画素部と薄膜二端子素子部の段差（セルギャップ
差）に起因する色むらが実用上問題とならないようにす
るには膜厚は６０００大以下であることが望ましいこと
から、硬質炭素膜の膜厚は２００−６０００人、比抵抗
は５Ｘ　１０’−１０”Ω”ｃｍであることがより好ま
しい。

硬質炭素膜のピンホールによる素子の欠陥数は膜厚が減
少にともなって増加し、３００人以下では特に顕著にな
ること（欠陥率は１％を越える）、及び、膜厚の面内分
布の均一性（ひいては素子特性の均一性）が確保できな
くなる（膜厚制御の精度は３０Ａ程度が限度で、膜厚の
パラツキが１０％を越える）ことから、膜厚は３００入
以上であることがより望ましい。

また、ストレスによる硬質炭素膜の剥離が起こりにくく
するため、及び、より低デューティ比（望ましくは１／
１０００以下）で廓動するために、膜厚は４０００λ以
下であることがより望ましい。

これらを総合して考慮すると、硬質炭素膜の膜厚は３０
０−４０００入、比抵抗は１０’−１０１１Ω・ｃＩＩ
１であることが一層好ましい。

ところで、本発明者らは、絶縁膜（硬質炭素膜）に接し
てその下に設けられる下部導体の材料と硬質炭素膜の膜
物性との関係について鋭意検討を重ねた結果、下部導体
材料の選定によって硬質炭素膜の膜物性が異なり、下部
導体材料として、少なくとも肋を主たる構成元素として
含む材料を選定した場合、素子のＩ−Ｖ特性（特に液晶
駐動用スイッチング素子に用いて好適な特性）、耐圧、
歩留り（剥離しにくさ）等゛の面で特に優れていること
を見出した。表−２は各種下部導体材料による硬質炭素
膜及び素子の諸特性を比較して示す表である。なお、素
子構成は第１図に示す構成とした。

表−２ 表−２より、素子特性として、ｉｌ士Ｉｏｎ　（ｏｎ電
流）が最も小さく、また耐圧が最も高いことがわかる。

Ｉｏｎが小さいということは硬質炭素膜の比抵抗が大き
いことを意味し、■リーク電流が小さて、■液晶腫動に
適する特性（κ，β）のマージンが広い等の利点を有す
る。

ここで■について第５図を用いて説明を加える。

第５図はシミュレーションによって求めた液晶卵動適正
範囲を示す概念図である。駆動条件によって値、幅のシ
フトは発生するが、形状的には相似である。κ，βは本
発明の薄膜二端子素子のＩ−Ｖ特性を表わすプールフレ
ンケル伝導式における係数であり、以下の関係式で示さ
れる。

Ｉ＝κｅｘｐ（βｖｔ７２）　　　　　　　　　　　　
　−（１）Ｉ：電流　Ｖ：印加電圧　κ：導電係数　β
：プールフレンケル係数 ｎ：キャリャ密度　　μ：キャリャモビリテイｑ：電子
の電荷量　　Φ：トラップ深さρ：比抵抗　　　　　ｄ
：絶縁膜の厚さ（人）ｋ：ボルツマン定数　Ｔ：雰囲気
温度 ε、：絶縁膜の誘電率 （２）式より、比抵抗が大きいほどκが小さくなり、し
たがって第５図より駆動に適する特性のマージンが広く
なることがわかる。また、耐圧が高いということは（イ
）素子の信頼性が高い、（口）駆動電圧を上げることが
できるので高デューテイ化に適する，等の利点を有する
。

このような素子特性は硬質炭素膜の膜中水素量と関係づ
けることができる。すなわち、下部導体材料がＡＱの場
合、膜中水素量が最も多く，炭素原子の未結合手が効果
的にターミネートされているために欠陥密度が下がり、
その結果比抵抗が大きくなり、耐圧も上がると考えられ
る。さらに剥離しにくさにおいてもｉは良好（Ｃｒも同
様に良好）な結果を示し、歩留りが高くなるという利点
を有する。

なお、下部導体としてはＡｆｌ単体に限られるものでは
なく、必要に応じて他の元素、例えばＳＬ，　Ｃｕ等を
含有させても同様な効果を得ることができる．〔実施例
〕 次に実施例を示すが、本発明はこれらに限定されるもの
ではない。

実施例１ 第１図に示すように，パイレックス透明基板（図示せず
）上に、ＩＴＯ透明導電性薄膜をスパッタリング法によ
り数百〜数千λ厚に堆積後、パターニングして画素電極
４を形威した。次に薄膜二端子素子を次のようにして作
製した。まず肝を蒸着法によりＩＯＯＯＡ厚に堆積後、
パターニングして下部導体１を形威した。その上に硬質
炭素膜をプラズマＣＶＤ法により８００人堆積させたの
ち、ドライエッチングによりパターニングして、Ｎ縁膜
２を形威した。さらに、この上にＮｉをＥＢ蒸着法によ
りｌ０００人厚に堆積後パターニングして上部導体３を
形或した。この時の硬質炭素膜の或膜条件は以下の通り
である。

圧　　　力：０，０３５Ｔｏｒｒ ＣＨ４流量：１０ｓｃｃｎ ＲＦパワー：０．２Ｖ／ａ＃ 実施例２ 第６図に示すような薄膜二端子素子を次のようにして作
製した。まずプラスチック透明基板５上に蒸着法により
ＩＯＯＯＡ厚のＡＱ薄膜を形成し，パターニングして下
部導体１とした。その上に絶縁膜２として硬質炭素膜を
プラズマＣｖＤ法により１１００入堆積させたのち，ド
ライエッチングによりパターニングした。さらにその上
にＥＢ蒸着法により１０００人厚のＩＴＯ膜を被覆し、
エッチングによりパターニングして上部導体３を形成し
た．この時の硬質炭素膜の成膜条件は以下の通りである
．圧　　　力：０，０３５Ｔｏｒｒ ＣＨ４流量：２０ｓｃｃｍ ＲＦパワー：０．ＩＶ／ａｉｌ 実施例１あるいは２の構戒によれば、素子特性（■−■
特性あるいはＩ−Ｖ特性の対称性）が良好なものとなり
、また耐圧は２０Ｖ以上あり、連続動作に対する安定性
も問題なかった。一方、下部導体としてＮｉを用いると
同一構成において耐圧がｌＯｖ以下と低かった。またＣ
ｒを用いると連続動作において短時間（数分〜数１０分
）で素子特性に異常をきたす（膜の変質を伴う）ことが
わかった。

〔発明の効果〕

本発明の薄膜二端子素子は第一の導体と第二の導体間に
介在させた絶縁膜が硬質炭素膜であり、この膜は １）プラズマＣＶＤ法等の気相合成法で作製されるため
，成膜条件によって物性が広範囲に制御でき，従ってデ
バイス設計の自由度が大きい、 ２）硬質でしかも厚膜にできるため、機械的損傷を受け
難く，また厚膜化によるピンホールの減少も期待できる
、 ３）室温付近の低温においても良質な膜を形成できるの
で、基板材質に制約がなり）、４）膜厚、膜質の均一性
に優れて％Ｘるため、薄膜デバイス用として適している
、 ５）誘電率が低いので、高度の微細加工技術を必要とせ
ず、従って素子の大面積化に有利である， 等の特長を有し，このような絶縁膜を用レ１た薄膜二端
子素子は液晶表示用スイッチング素子とじて好適である
。

さらに、本発明の薄膜二端子素子の下部導体ｉ±少なく
ともＡＱを主たる構成元素として含有してｂ）るので、 １）リーク電流が小さい，あるレ１は液晶院動番こ適す
る特性のマージンが広い， ２）耐圧が高くなるため，素子の信頼性が高いあるいは
翻動電圧を上げることができ、高デューティに適する、 ３）硬質炭素膜が剥離しにくいので歩留りが高い、 等の特長を持つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る薄膜二端子素子の代表的な一例（
実施例１）の斜視図、第２図、第３図及び第４図は硬質
炭素膜の物性を説明するための図、第５図はシミュレー
ションより求めた液晶酩動適正範囲を示す概念図、第６
図は本発明の実施例２に係る薄膜二端子素子の構成を説
明するための断面図である．

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）第一の導体と第二の導体との間に絶縁膜を介在さ
   せてなる薄膜二端子素子において、該絶縁膜が硬質炭素
   膜からなり、かつ該絶縁膜に接してその下に設けられる
   導体が少なくともＡｌを主たる構成元素として含んでい
   ることを特徴とする薄膜二端子素子。