JPH07104318A - Ｍｉｍ型非線形素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ＭＩＭ型非線形素子の絶縁膜中に含まれる酸素
とタンタルの原子比をＯ／Ｔａ＜２．５とすることで電
圧−電流特性の急峻性を大きくすることを目的とする。 【構成】第一の金属膜をなすタンタル膜合金膜を、アル
コール溶媒の化成液で陽極酸化し絶縁膜中の元素比を調
整することで電圧−電流特性の急峻性の大きなＭＩＭ型
非線形素子を提供する。陽極酸化の溶媒に特性を損ねな
い範囲で、酸化しやすくするために水を加えてもよい。
さらに、第一の金属膜をタンタルと周期律表の６，７，
８属元素との合金膜を、エチレングリコール溶媒の化成
液で陽極酸化し素子容量を２２以下にすると、電気特性
の経時変化が無く急峻性の大きなＭＩＭ型非線形素子に
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＭＩＭ型非線形素子に関
し、特に液晶を駆動することに適した電圧−電流特性を
得る事及び基板内に均一な電気特性を持った素子を得る
事に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、アクティブマトリクス方式の液
晶表示装置においては、画素領域ごとに非線形素子を設
けてマトリクスアレイを形成した一方側の基板と、カラ
ーフィルタが形成された他方側の基板との間に液晶を充
填しておき、各画素領域ごとの液晶の配向状態を制御し
て、所定の情報を表示する。ここで、非線形素子として
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などの３端子素子または金
属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）型非線形素子などの２端子
素子を用いるが、液晶表示素子に対する画面の大型化お
よび低コスト化などの要求に対応するにはＭＩＭ型非線
形素子を用いた方式が製造工程が短いために有利であ
る。しかも、ＭＩＭ型非線形素子を用いた場合には、マ
トリクスアレイを形成した一方側の基板に走査線を設
け、他方側の基板には信号線を設けることができるの
で、３端子素子の不良の大きな原因となっている走査線
と信号線のクロスオーバー短絡が発生しないというメリ
ットもある。

【０００３】このようなＭＩＭ型非線形素子を用いたア
クティブマトリクス方式の液晶表示パネルにおいては、
液晶表示パネルの等価回路である図３に示すように、各
画素領域３で各走査線３１と各信号線３２との間にＭＩ
Ｍ型非線形素子１（図中、バリスタの符号で示す。）と
液晶表示素子２（図中、コンデンサの符号で示す。）が
直列接続された構成として表され、走査線３１および信
号線３２に印加された信号に基づいて、液晶表示素子２
を表示状態および非表示状態あるいはその中間状態に切
り換えて表示動作を制御する。

【０００４】図４（ａ）の４１で示すように、ＭＩＭ型
非線形素子１において、印加電圧Ｖ_NLと電流Ｉ_NLとは非
線形性の関係を有している。ＭＩＭ型非線形素子１のし
きい値電圧をＶ_th、液晶表示素子２のしきい値電圧をＶ
_b、表示状態となる電位を（Ｖ_b＋△Ｖ）とすると、図４
（ｂ）に示すように選択期間では、所定の画素領域３に
おける走査線３１と信号線３２との間の電位差Ｖ（単位
画素への印加電圧）を（Ｖ_b＋Ｖ_th）とすることによっ
て、液晶表示素子２を非表示状態とする事ができ、走査
線３１と信号線３２との間の電位差Ｖを（Ｖ_b＋Ｖ_th＋
△Ｖ）とすることによって、液晶表示素子２を表示状態
とする事ができる。一方、非選択期間では単位画素に印
加する電位Ｖを、液晶表示素子２に残留した電位に対し
て概ね近接する様に設定しその差がＶ_th以下であれば、
非選択期間内でＭＩＭ型非線形素子１は常に遮断状態と
なり、選択期間に定められた状態をそのまま維持する事
になる。

【０００５】以上は、ＭＩＭ型非線形素子の容量が十分
小さく、電圧−電流特性の非線形性が十分高い理想的な
ＭＩＭ型非線形素子１を得る事ができ、ＭＩＭ型非線形
素子に信号を与える配線の抵抗が十分に低くできた場合
の最も基本的な動作例である。容量が十分小さく，電圧
−電流特性の高い素子として、特開平２−９３４３３に
示されているように第一の金属膜をなすＴａ膜中にシリ
コンを１０原子％以下添加し、該膜を陽極酸化してなる
酸化タンタル膜中にシリコンを含ませて作製したＭＩＭ
型非線形素子１があげられる。また、Ｔａ膜は薄膜状態
では正方晶構造となり比抵抗が１８０μΩ・ｃｍと非常
に高いので、他の陽極酸化可能な金属との合金膜や陽極
酸化可能な低抵抗金属との２層構造をした膜を用いるこ
とが考えられている。

【０００６】このようなＭＩＭ型非線形素子の一般的な
構造をＭＩＭ型非線形素子の平面図である図１（ａ）の
ＡＡ´の断面図である図１（ｂ）を用いて述べる。ＭＩ
Ｍ型非線形素子１は、透明基板１１の表面側に形成さ
れ、走査線３１を介して走査回路側に導電接続するＴａ
原子を主成分とした第一の金属膜１２と、その表面側の
金属酸化膜１３と、その表面側に形成されて画素電極１
５に導電接続するＣｒからなる第二の金属膜１４とから
構成されている。金属酸化膜１３は、Ｔａ膜の表面に膜
厚が均一で、しかもピンホールがない状態で形成される
ように、第一の金属膜１２に対する陽極酸化によって形
成される。

【０００７】この構造を実現する一般的なプロセス例は
以下のようになる。

【０００８】１．ガラス基板上に、Ｔａ膜をスパッタリ
ングで堆積し、熱酸化をすることで、約１０００ÅのＴ
ａ₂Ｏ₅膜を形成する工程と、 ２．次に、図２（ａ）に示すように、コスパッタリング
法や電子ビーム蒸着法でＴａ原子を主成分としＴａ原子
以外の不純物原子を含んだ第一の金属膜を約５０００Å
堆積し、パターニングする工程と、 ３．次に、図２（ｂ）に示すように、例えばクエン酸の
希薄水溶液を化成液とし３０Ｖで陽極酸化し、第一の金
属膜の表面側に酸化膜を形成する工程と、 ４．次に、図２（ｂ）の状態の基板を真空中で４００〜
６００℃の温度で１〜２時間熱処理する工程と、 ５．次に、図２（ｃ）に示すように、第二の金属膜とな
るＣｒ膜を１５００Å程スパッタリング法で堆積し、パ
ターニングする工程と、 ６．次に、図２（ｄ）に示すように、画素電極となる透
明導電膜の１つであるＩＴＯ膜をスパッタリング法で約
２０００Å堆積し、パターニングする工程から従来はな
っていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＭＩＭ
型非線形素子１を用いた液晶表示パネルにおいては、色
の階調がきれいにでない，クロストークが目立つ，静止
画像などを表示した後に残像が発生しやすいという問題
点があった。その原因として、本発明ではマトリクスア
レイの各構成要素と表示性能との関係を調査した結果、
その原因がＭＩＭ型非線形素子１を構成する金属酸化膜
１３を構成する元素とその組成比に関連があることを確
認した。以下に個々の課題について詳細に説明する。

【００１０】第一の課題の色の階調がでないことについ
て述べる。原因としては、ＭＩＭ型非線形素子の電圧−
電流特性の急峻性が小さいこと，非選択期間でのリーク
電流が大きいこと及び素子容量が大きいことである。対
策として、金属酸化膜１３にシリコン原子等を混入させ
るとよいが、該膜を第一の金属膜に対する陽極酸化で形
成するとシリコンが水溶液中では酸化されにくいので均
一な膜形成が難しい。従って、特開平２−９３４３３で
はシリコン添加量は１０原子％以下にするとよいとの記
述がなされている。

【００１１】第二の課題のクロストークの発生原因とし
て、薄膜では抵抗値が高くなるタンタルを主成分とした
走査線３１をなす第一の金属膜１２の配線抵抗が高いこ
と及びＭＩＭ型非線形素子のオフ状態でのリーク電流が
大きいことが挙げられる。配線抵抗低下の方法として、
第一の金属膜をアルミニウムや銅などの低抵抗金属との
２層構造にしたり、前記金属との合金にして抵抗値を低
下させる方法があるが、従来から該膜の陽極酸化膜が均
一に堆積されないでいた。

【００１２】第三の課題である残像の発生は、電圧−電
流特性の経時変化が原因である。ＭＩＭ型非線形素子の
電圧−電流特性が電圧印加によって変化すると、図４
（ｂ）に示すように、動作初期段階では、走査線３１と
信号線３２との間の電位差Ｖを（Ｖ_b＋Ｖ_th）とするこ
とによって液晶表示素子３を非表示状態に、電位差Ｖを
（Ｖ_b＋Ｖ_th＋△Ｖ）とすることによって液晶表示素子
３を表示状態に制御できていたものが、ＭＩＭ型非線形
素子１の印加電圧Ｖ_NLと電流Ｉ_NLが使用履歴によってシ
フトするので、液晶表示パネルの配向状態が動作初期と
は同じように変化しなくなる。それ故、液晶表示パネル
に残像などが発生し、その表示品質が低下するなどの問
題が生じてしまう。残像現象は液晶表示素子を見にくく
するばかりでなく、コントラストの低下やカラー表示の
場合は色の純度の低下を招く事になる。

【００１３】

【課題を解決するための手段】基板の表面に形成したＭ
ＩＭ型非線形素子において、該絶縁膜をなす金属酸化膜
の酸素原子とタンタル原子の原子比をＯ／Ｔａ＜２．５
となるようにすれば、電圧−電流特性の急峻性が大きく
なる。該絶縁膜は、タンタル原子を含んだ金属膜である
第一の金属膜を、アルコール溶液で溶質を溶かした化成
液を用いて陽極酸化すると得られるほかに、第一の金属
膜に酸化されにくい元素が含まれていても均一膜質かつ
基板面内で均一な膜厚である酸化膜が形成される。特
に、アルコール溶液のなかでもエチレングリコール溶液
はムラなく酸化膜を形成でき、かつ該絶縁膜の比誘電率
を２２以下にしＭＩＭ型非線形素子の電圧−電流特性も
向上させることができる。

【００１４】上記の記述よりも液晶を駆動するに適した
ＭＩＭ型非線形素子を得るために、該絶縁膜をタンタル
とシリコン原子を含んだ金属膜である第一の金属膜のエ
チレングリコール溶液で溶質を溶かした化成液を用いた
陽極酸化膜とすることで、大量のシリコン原子が含まれ
ていても、基板内で均一な金属酸化膜が堆積でき、電圧
−電流特性の急峻性が大きく素子容量の小さなＭＩＭ型
非線形素子が得られる。さらに、該第一の金属膜にタン
グステン，レニウム，イリジウム等の周期律表の６，
７，８族原子が含まれていると金属酸化膜中に前記元素
が取り込まれ電圧印加時の電流値の経時変化が抑えられ
る。

【００１５】

【実施例】以下、本発明について、実施例に基づき詳細
に説明する。

【００１６】今回の発明に共通している製造工程を以下
に示す。図１には、本発明の液晶表示素子を用いたアク
ティブマトリクスの上面図であるａ図とＡＡ´線上の断
面図であるｂ図を示す。ＭＩＭ型非線形素子１は、第一
の金属膜からなる走査線１２と第二の金属膜１４との交
点部分に作られており、画素電極は１５で示してある。
１１はガラスや石英などの透明基板であり、１１ａはス
パッタリング法で堆積したタンタル（Ｔａ）膜をすべて
熱酸化してあるいはスパッタ法で堆積したタンタル酸化
膜（ＴａＯ_X）であり、１２はタンタルを主成分とした
金属膜である。１１ａの酸化タンタル膜は、金属酸化膜
１３堆積後の熱処理による第一の金属膜１２の膜剥がれ
と基板からの不純物の拡散を防止するためであるので、
前記の事柄が問題にならない場合は堆積する必要はな
い。次に、第一の金属膜１２をアルコールを溶媒としこ
の中に溶質を加えた化成液で陽極酸化することによっ
て、第一の金属膜１２に含まれる元素を含んだ金属酸化
膜１３が形成される。１４は第二の金属膜でその種類は
どのようなプロセスを採用するかで決定される。１５は
画素電極であり、ＩＴＯ膜等の透明導電膜が使われてい
る。また、図１１に示すように製造工程を短くするため
に、第二の金属膜を画素電極であるＩＴＯ膜等の透明導
電膜１１１で兼用してもよい。

【００１７】上述のとうり製造工程は従来技術と変化は
ない。今回の発明では、第一の金属膜の構成，金属酸化
膜の材質および製造方法について言及している。

【００１８】第一のＭＩＭ型非線形素子の急峻性を大き
くする方法を述べる。金属酸化膜１３に含まれる元素の
うちタンタル（Ｔａ）と酸素（Ｏ）の原子比は、アルコ
ールを溶媒としこの中に溶質を加えた化成液で第一の金
属膜１２を陽極酸化すると０／Ｔａ＜２．５となり、水
を溶媒とした場合のＯ／Ｔａ＞２．５と異なる。このよ
うに酸素とタンタルの原子比が０／Ｔａ＜２．５の関係
になるようにすると、電圧−電流特性の急峻性が大きく
なる。一般的には、金属酸化膜中には、ＴａとＯ以外の
元素も含まれることになるがここで述べているタンタル
と酸素の原子比は、金属酸化膜１３に含まれている元素
中のタンタルと酸素の原子比のことである。さきにＯ／
Ｔａ＜２．５にすると電圧−電流特性の急峻性が大きく
なると述べたが、具体的にはＭＩＭ型非線形素子の電圧
−電流特性を横軸に電圧を線形に表し縦軸に電流値を電
圧で除した値の対数で表した図５において、水溶液化成
の特性５１に対してアルコール溶液化成の特性は５２の
ようになることである。つまり、５２のほうが５１の傾
きより大きくなっていることを示している。また、前記
の傾きの値を今後β値と呼ぶことにする。

【００１９】さて、アルコール溶液といってもいろいろ
な種類があるが、今回の発明では液晶表示素子を駆動す
るＭＩＭ型非線形素子を対象に考えているために、該素
子の電気特性が１ｍ角程度の大きさの基板上のどこに作
製しても均一になることが条件であるが、この点に関し
てはエチレングリコール溶液が最も優れていた。

【００２０】エチレングリコールを陽極酸化の化成液に
用いると、溶質の溶解度が水溶液に比べて小さくなるも
のが多いことや、陽極酸化終了後に基板に付着した溶液
を取り除くために硫酸溶液に浸す必要があるなど、取扱
いが複雑になるので溶液をエチレングリコールと水の混
合にして、多少のβ値の低下を招くことになるが前記の
問題を解決することがある。図６に、エチレングリコー
ルと水の混合液中のエチレングリコールの濃度とβ値の
関係を示す。これは、第一の金属膜をタンタルにタング
ステンを数原子％添加した合金膜にし、陽極酸化の溶質
にはクエン酸を用い３０Ｖで化成して作製したＭＩＭ型
非線形素子の測定データである。エチレングリコール濃
度が５０％を境にしてβ値が大きく変化しているが、こ
の濃度のときにＯ／Ｔａ＝２．５となっている。つま
り、陽極酸化化成液のエチレングリコール溶媒中に水が
含まれても、Ｏ／Ｔａ＜２．５となるような水の含有量
であれば比較的大きなβ値が得られる。図６のデータを
得たＭＩＭ型非線形素子では、β値が急減に変化するエ
チレングリコール濃度は５０％であったが、陽極酸化化
成液に用いる溶質や第一の金属膜を構成する元素によっ
て、大きなβ値を得るためのエチレングリコール濃度は
異なる。従って、エチレングリコールに加える水の濃度
はプロセス条件によって異なり、それぞれに最適化する
必要がある。

【００２１】第二にβ値を大きくして、ＭＩＭ型非線形
素子の容量を小さくする必要を述べる。ＭＩＭ型非線形
素子を用いた液晶表示素子は、図３に示すように液晶と
直列につながれているので、液晶の保持期間の電荷の流
出を防ぐためには、液晶表示素子２に対してＭＩＭ型非
線形素子１の容量をできるだけ小さくすることが望まし
い。容量を小さくする方法としては、従来の方法で作製
すると比誘電率が２８であるＴａＯ_Xが主成分である金
属酸化膜１３中に該膜より比誘電率の小さな材料を添加
する方法がとられていたが、１ｍ角の基板に同じような
電圧−電流特性を有した素子を作製することは難しかっ
た。以下に比誘電率が２２以下の金属酸化膜１３を均一
に作製する方法を二通り述べる。

【００２２】まず、図２（ａ）のように第一の金属膜１
２を周期律表で６，７，８族の元素を１０原子％以下含
んだタンタル膜とし、該膜をエチレングリコールを溶媒
とし適当な溶質を溶かした溶液を用いて陽極酸化し、熱
処理のあとに図２（ｃ）のように第２の金属膜１４を堆
積すればよい。こうして作製されたＭＩＭ型非線形素子
の比誘電率は２２以下且つ原子比がＯ／Ｔａ＜２．５と
なる。該ＭＩＭ型非線形素子は従来みられた一定時間の
電圧印加前後で電圧−電流特性が異なったり、電流を流
す方向変えたときに流れる電流値が変化したりすること
はない。さらに、β値も大きくなり液晶駆動に適した素
子になっている。溶質の種類によって電気特性が異な
り、例えば、燐酸を用いれば比誘電率が１８でβ値は３
０Ｖの電圧で陽極酸化処理をして５程度になり、クエン
酸ではその値がおのおの２１，４．５となり特性は悪く
なるが、基板内の素子特性の均一性はクエン酸溶質の方
が優れている。溶質がエチレングリコールに溶解しずら
い場合は、金属酸化膜１３の比誘電率が２２以下で原子
比がＯ／Ｔａ＜２．５になる範囲で水を添加してもよ
い。

【００２３】第二の方法としては、図２（ａ）のように
第一の金属膜１２をタンタルにシリコン原子を１５原子
％以上含んだ合金膜とし、該膜をエチレングリコールを
溶媒とし適当な溶質を溶かした溶液を用いて陽極酸化
し、熱処理のあとに図２（ｃ）のように第２の金属膜１
４を堆積すればよい。水を溶媒とした化成液では、均一
な電気特性を持った素子の形成が難しかったが、エチレ
ングリコールを溶媒にすると素子の電気特性がほぼ一定
になった。また、シリコン原子の原子比率が半分以上に
なった第一の金属膜の陽極酸化は難しかったが、エチレ
ングリコールを溶媒にするとシリコン原子が８０原子％
のタンタル合金膜でもＭＩＭ型非線形素子となりうる金
属酸化膜の堆積が可能となった。さらに、β値も溶質と
陽極酸化の条件を同じにすれば水溶液中で陽極酸化した
場合と比較すると２０％ほど大きくなった。

【００２４】もし、比誘電率が２２以上のＭＩＭ型非線
形素子を作製すると、β値が小さいので非常に複雑な駆
動方法を用いるか開口率を小さくするようなパネル設計
を行わなければ液晶表示パネルを動かすことができなか
った。しかし、今回の発明で駆動回路を簡素化し開口率
を増大しおよび大型パネルでもコントラストのとれるＭ
ＩＭ型非線形素子が得られた。

【００２５】第三に、走査線の配線抵抗を低下させ、ク
ロストークを減少させる方法を述べる。図１ａに示すよ
うに第一の金属膜１２は、図３に示されている走査線３
１も兼ねることになるので液晶表示素子のサイズが大き
くなると配線遅延が問題になってくる。ところで、第一
の金属膜の主成分がＴａであると比抵抗が２００μΩ・
ｃｍと通常の金属の１０倍以上もあるので、図１ｂのか
わりに図７に示すように第一の金属膜１２をアルミニウ
ム（Ａｌ）からなる１２ｂとＴａ主成分とする合金膜１
２ａとの２層膜にしたり、第一の金属膜をＡｌを主成分
としＴａを含んだ合金膜とする方法がある。ところが、
図７に示すようにＡｌ膜１２ｂの側面に陽極酸化膜を堆
積する場合、陽極酸化化成液の溶媒を水にするとＡｌ酸
化膜が堆積されると共にＴａ膜との電気反応で水に溶け
やすくなり、結局Ａｌ膜のサイドには酸化膜が堆積され
なくなりＭＩＭ型非線形素子の第一の金属膜と第二の金
属膜が短絡してしまう。ここで、溶媒をエチレングリコ
ールにすると問題なく酸化膜が堆積される。

【００２６】Ａｌの陽極酸化にエチレングリコールを用
いる方法は特開平２−８５８２６に示されているが、本
発明ではＴａ膜とＡｌ膜を一度に酸化し、しかも堆積さ
れるＴａとＡｌの酸化膜で、Ａｌの酸化膜の電気伝導度
をＴａ酸化膜より小さい酸化膜とするためである。つま
り、Ａｌの酸化膜はＴａ酸化膜よりも十分電気伝導度が
小さいために同程度の厚さの酸化膜が堆積されれば前記
用件を達成できるので、電気反応でのＡｌ酸化膜の溶解
をエチレングリコール溶液にして防止している。尚、陽
極酸化化成液に水が含まれていても、図６にあるように
β値が大きくなる濃度領域では十分な膜厚のＡｌ酸化膜
が堆積される。

【００２７】第一の金属膜１２をＡｌとＴａの合金膜と
しても、陽極酸化の化成液をエチレングリコールを溶媒
にすると、ＡｌとＴａを含んだ金属酸化膜１３が基板面
内に均一に堆積される。水溶液でＡｌとＴａの合金膜を
陽極酸化すると、Ａｌ酸化物が安定に堆積されないため
に基板面内での膜厚のばらつきが大きかった。ＡｌとＴ
ａの合金膜を陽極酸化して作製したＭＩＭ型非線形素子
は、金属酸化膜中のＡｌ酸化物が電気伝導に関与しない
ために、電流値がＡｌの含有量に比例して減少するが、
電圧−電流特性の急峻性に変化はない。したがって、優
れた液晶表示パネルを構成するためには、金属酸化膜１
３中にＡｌが含まれていない素子よりも、該膜中のＡｌ
含有量に応じてＭＩＭ型非線形素子サイズを大きくすれ
ば、電気特性の変わりのない走査線３１の配線抵抗が小
さい液晶表示パネルを提供できる。

【００２８】第四に残像の発生原因となる電圧−電流特
性の経時変化を抑える方法について述べる。第二の方法
のところでも述べたが、第一の金属膜をタンタル原子と
周期律表の６，７，８族元素の合金膜にし、該膜をエチ
レングリコール溶媒で陽極酸化して金属酸化膜を堆積す
ることでＭＩＭ型非線形素子を作製すると、β値が大き
くなることと合わせて、素子に一定時間電圧を加えた前
後での電圧−電流特性の変化をなくすこと及び電流が第
一の金属膜から第二の金属膜に流れる場合とその逆の場
合での電流値の違いをなくすことができる。さらに、第
一の金属膜をシリコン原子が１５原子％以上含まれたタ
ンタル膜に数原子％のタングステンが含まれた膜とし、
該膜をエチレングリコールを溶媒とした化成液を用いて
陽極酸化しＭＩＭ型非線形素子を作製すると、素子容量
が小さく，β値はさらに大きく，素子に電圧を印加して
も電圧−電流特性が変化しないという液晶を駆動するに
最適の２端子素子を作製することができる。

【００２９】以上が今回の発明で解決した課題であり、
第二の金属膜は金属膜，透明導電膜などの導電膜を用い
れば同じ結果が得られる。以下に電圧−電流特性の急峻
性（β値）が大きくなったとき，及びＭＩＭ型非線形素
子の容量が小さくなったとき及び走査線の配線抵抗が低
下したときの液晶表示素子に与える影響を説明する。

【００３０】電圧−電流特性の急峻性が向上すると、例
えば液晶表示素子の駆動にどのような効果がもたらされ
るかを説明する。マルチプレクス駆動では、選択期間に
単位画素を充電する電圧の差によって表示状態を変調す
るが、信号線上では他の走査線に同期させて書き込むべ
きデータ電位が絶えず（１水平期間周期で）上下してお
り、既に選択を終えた単位画素にも選択された画素の印
加電圧の変化である外乱量として印加される。つまり、
変調の可能なダイナミックレンジと非選択時に単位画素
に加わってしまう電圧とは少なくとも正の相関関係にあ
り、十分なコントラストの表示を得ようとすれば非選択
期間に単位画素に加わる電圧を小さくする事はできない
ことになる。

【００３１】急峻性が小さい場合、十分な選択期間の電
流値を保つならば非選択期間の電流値も大きくなってし
まい、非選択期間に加わる電圧によって保持すべき液晶
層の電荷がＭＩＭ型非線形素子を通じて流出する。逆に
この電荷を保持するために変調の電圧幅を十分にとらな
い場合には、表示画素においてコントラストを上げられ
ないということになる。更に、電荷流出量が他の部分の
表示画像によって異なるためにクロストークが発生す
る。これらに加え急峻性が小さいということは、選択期
間において特に配線遅延などによって印加電圧波形が変
わった場合、液晶層に加わる電圧が大きく変わる原因に
なる。以上のように、急峻性を大きくすると前記の悪影
響が現れなくなるので、きれいな液晶表示素子を提供で
きる。

【００３２】さらに、急峻性が大きくなると、利用でき
る液晶の選択の範囲が広がる。つまり、上述したことか
ら液晶に印加できる実効値電圧の範囲を広くとることが
できる。このように液晶に印加できる実効値電圧範囲を
高くしかも広くできると、例えば高分子分散型液晶にみ
られる高電圧印加時でも透過率が徐々に大きくなる電圧
−透過率曲線を持つ液晶に対しても、その性能を十分に
引きだした利用ができる。

【００３３】次に、ＭＩＭ型非線形素子の容量
（Ｃ_MIM）が低下したときの効果について説明する。単
位画素に印加される電圧（Ｖ_ap）は、Ｃ_MIMと液晶層の
容量（Ｃ_lc）とで分割されることになるが、Ｃ_MIMの値
が大きくなるにつれて、Ｖ_apの変化分のうちＭＩＭ型非
線形素子に加わる割合が小さくなっていく。つまり、選
択期間開始時と終了時に液晶層電圧の引き上げられる量
と押し下げられる量（いわゆるフィールドスルー電圧）
が増加する。特に選択期間終了時のフィールドスルー電
圧量は、液晶電圧自体を低下させると共にフィールドス
ルー電圧量が信号の変調度によって異なるため表示画像
のダイナミックレンジも低下させることになる。具体的
には、信号電圧或いはその変調される電圧幅が同じであ
っても、Ｃ_MIMが大きい場合には表示画像として十分な
コントラストが得られなくなるという現象である。

【００３４】更に、Ｃ_MIMは非選択期間においても液晶
層電圧に大きな影響を与える。信号線上では、他の走査
線に同期させて書き込むべきデータ電位が絶えず（１水
平期間周期で）上下しており、既に選択を終えた単位画
素にもＶ_apの変化である外乱量として印加される。上述
の様に、Ｃ_MIMが大きければそれだけＶ_ap変化分の内液
晶層に加わる電圧が大きくなり、保持されるはずの液晶
層が外乱を受けるわけであるが、この外乱の量が表示画
像によって違う事、それがクロストークという表示装置
には致命的な欠陥を誘起する。実際の画像では、表示パ
ターンが薄く尾を引く現象として現れる。

【００３５】クロストークに対しては、充電時間による
表示状態のパルス幅変調などを行う事によって外乱量を
均一化（表示画像に依らない）しようという試みもなさ
れているが現在のところ十分な効果を得るに至ってはい
ない。前述したように、配線遅延によるタイミングのず
れ，画像の空間周波数の増加，パターンの偶奇数などが
原因である。つまり外乱量自体を減少させるしか根本的
な解決策はないのである。

【００３６】次に、第一の金属膜１２からなる走査線３
１の配線抵抗が低下したときの効果を説明する。図３の
ように、直列につながれたＭＩＭ型非線形素子１と液晶
表示素子３には、図８（ａ）のような信号電圧が走査回
路と信号供給回路から加えられている。このときＭＩＭ
型非線形素子１にかかる電圧は図８（ｂ）に示すように
なるので、液晶表示素子３には図８（ｃ）の如く電圧が
かかることになり光のスイッチング動作を制御すること
になる。ここで”Ｔ”で記した領域がある画素の選択期
間であり、他の領域は非選択期間である。図８は、選択
期間でＭＩＭ型非線形素子１をオン状態にしたものを記
してある。

【００３７】さて、図８（ａ）のような信号電圧は、走
査回路と信号供給回路に近い画素（図３のＡ領域）に
は、ほぼ印加波形と同じ波形が加えられる。ところが、
走査線３１の抵抗値が高いと信号遅延を起こし走査回路
から離れている画素領域２は印加波形がかなりなまって
しまう。

【００３８】例えば、図３のように走査回路と信号供給
回路が配置されたパネルにおいて、１行目の一番左の画
素（図３のＡ領域）と一番右の画素（図３のＢ領域）に
印加される電圧波形を比べてみる。尚、１行目の画素を
選んだ理由は、１つの画素に印加される電圧は信号供給
回路から与えられる電圧と走査回路から与えられる電圧
の差で決まるので、信号線３２の信号遅延を無視するた
めである。従って、信号供給回路から遠くにあるｎ行目
では、信号線の遅延も問題になってくる。ここで、この
走査線３１の信号遅延が問題になるのは、電圧値の変動
が激しい画素の選択期間にあるのでこの場合に限って説
明する。

【００３９】図９（ａ），（ｂ），（ｃ）は図３のＡ領
域にかかる電圧で、（ｄ），（ｅ），（ｆ）はＢ領域に
かかる電圧の選択期間の前後の波形であり、同じ信号を
入力した場合のものである。（ａ）と（ｄ），（ｂ）と
（ｅ），（ｃ）と（ｆ）は、それぞれ画素領域２に印加
される電圧波形，ＭＩＭ型非線形素子１に印加される電
圧波形，液晶表示素子３に印加される電圧波形を示す。

【００４０】図３のＡ領域には、図９（ａ）の電圧がか
かるのが、Ｂ領域には走査線３１の信号遅延のために、
図９（ｄ）のような波形のなまりが生じる。その結果、
Ａ領域のＭＩＭ型非線形素子１に図９（ｂ）に示すよう
な電圧が印加されるのに、Ｂ領域では図９（ｅ）のよう
になり、ＭＩＭ型非線形素子１に印加される電圧が△Ｖ
_Mだけ低下するので、液晶表示素子３の書き込み電圧に
△Ｖ_Lの電圧差が生じる。この電圧差△Ｖ_Lが一階調分に
達しないときには、△Ｖ_Lがディスプレイとして絵を表
示させても、人間の目では違いを感知できない。ところ
が、画面が大きくなったり、多階調表示になると、絵を
表示したときに△Ｖ_Lに起因する画面のムラが認識され
るようになってくる。このとき第一の金属膜の抵抗値が
高いために、△Ｖ_Lの大きさが問題となるときでも、例
えば抵抗値が１／１０になると、△Ｖ_Lも１／１０にな
り画面のムラが人間の目で感知しにくくなる。

【００４１】さらに、前記の議論から走査線３１の配線
抵抗の低下はクロストークについても低減効果がある。
なお、クロストークの低減は、前述したようにＭＩＭ型
非線形素子の容量を小さくすることによっても効果があ
るので、走査線の配線抵抗の低下を伴うと効果はさらに
上がることになる。横方向に走査線が形成されている液
晶表示パネルで、図１０に示すように、周囲が白１０１
を表示している中に黒領域１０２を表示させたとする。
このとき、領域１０３の白レベルは領域１０４の白レベ
ルより黒っぽくなっている。つまり、クロストークはあ
る走査線にかかる配線抵抗と容量の積で決定されるが、
液晶は基板に対して平行にあるとき（液晶が光を遮断し
ている状態）と垂直にあるとき（液晶が光を透過してい
る状態）とで容量が倍程度異なるので、黒領域を通過す
る走査線１０５は白領域だけを通過する走査線１０６よ
り配線抵抗と容量の積が大きくなる。従って、配線抵抗
と容量の積が走査線１０５と１０６で△Ｖ_Lに与える影
響が大差ないようにするためには、配線抵抗を低下させ
ればよい。

【００４２】また、走査線３１は上述のことから配線に
かかる液晶容量を軽くするために、配線長が短くなる方
向に設けられていたが、走査線の抵抗が小さくなると２
端子素子に顕著にあらわれるクロストークを抑えながら
配線長が長くなる方向に形成することができる。そうす
ると、画素領域を大きくすることができ開口率が向上す
るので液晶表示パネルを明るくすることができる。

【００４３】

【発明の効果】以上のとおり、ＭＩＭ型非線形素子の金
属酸化膜中のタンタルと酸素の原子比率をＯ／Ｔａ＜
２．５とすることでβ値の大きくでき、基板内均一な電
気特性を持った素子が作製できる。前記のＭＩＭ型非線
形素子をえるためには、第一の金属膜をアルコール溶媒
に適当な溶質を溶かした溶液に対する陽極酸化で金属酸
化膜を作製すればよい。このとき、走査線をもなす第一
の金属膜をＡｌとの２層配線にし低抵抗化しても液晶を
駆動できるだけのＭＩＭ型非線形素子を提供できる。ま
た、比誘電率が２２以下の素子を作製しても同様な効果
が得られる。前記ＭＩＭ型非線形素子は陽極酸化の溶媒
をエチレングリコールとすればよい。このとき、金属酸
化膜中にタングステン原子が添加されていると、一定時
間の電圧印加で生じる特性のシフト及び極性差がなくな
るので、残像の無い液晶表示素子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ） 本発明のＭＩＭ型非線形素子の上面
図。（ｂ） 本発面のＭＩＭ型非線形素子の断面図。

【図２】ＭＩＭ型非線形素子の製造工程を示す断面図。

【図３】アクティブマトリクス方式の液晶表示装置の等
価回路図。

【図４】（ａ） 従来のＭＩＭ型非線形素子の印加電圧
と電流値の関係を示す図。（ｂ） 液晶表示素子の単位
画素への印加電圧と明るさの関係を示す図。

【図５】ＭＩＭ型非線形素子の印加電圧と電流値の関係
を表す図。

【図６】陽極酸化時の溶媒のエチレングリコールと水の
濃度とＭＩＭ型非線形素子電圧−電流特性のβ値との関
係を表す図。

【図７】ＭＩＭ型非線形素子の断面図。

【図８】液晶表示パネルの駆動電圧波形を示す図。

【図９】液晶表示パネルの両端の駆動電圧波形を示す
図。

【図１０】クロストークのある液晶表示パネルを示す
図。

【図１１】（ａ） 本発明のＭＩＭ型非線形素子の上面
図。（ｂ） 本発面のＭＩＭ型非線形素子の断面図。

【符号の説明】

１ ＭＩＭ型非線形素子 ２ 液晶表示素子 ３ 画素領域 １１ 透明基板 １１ａ ＴａＯ_X膜 １２ 第一の金属膜 １２ａ タンタルを主成分とする金属膜 １２ｂ タンタルよりも抵抗の低い金属膜 １３ 金属酸化膜 １４ 第二の金属膜 １５ 画素電極 ３１ 走査線 ３２ 信号線 ４１ 初期電圧−電流特性 ４２，４３ 電圧印加後の電圧−電流特性 ５１ 水溶液溶媒で陽極酸化した電圧−電流
特性 ５２ エチレングリコール溶媒で陽極酸化し
た電圧−電流特性 １０１ 白領域 １０２ 黒領域 １０３ 黒領域の影響を受けた白領域 １０４ 黒領域の影響を受けない白領域 １０５ クロストークのある走査線 １０６ クロストークのない走査線 １１１ 第二の金属膜と画素電極をなす透明導
電膜

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板の表面に形成した第一の金属膜−絶縁
   膜−第二の金属膜または導電膜からなるＭＩＭ型非線形
   素子において、 該絶縁膜はタンタル原子を含む金属の酸化膜でありタン
   タル（Ｔａ）原子と酸素（Ｏ）原子の原子比が Ｏ／Ｔａ＜２．５ であることを特徴とするＭＩＭ型非線形素子。
2. 【請求項２】基板の表面に形成した第一の金属膜−絶縁
   膜−第二の金属膜または導電膜からなるＭＩＭ型非線形
   素子において、 該絶縁膜は、タンタル原子を含んだ金属膜である第一の
   金属膜を、アルコール溶液で溶質を溶かした化成液を用
   いて陽極酸化した膜とすることを特徴とするＭＩＭ型非
   線形素子の製造方法。
3. 【請求項３】請求項２に記載の前記絶縁膜は、タンタル
   原子を含んだ金属膜である第一の金属膜を、アルコール
   と水の混合液で溶質を溶かした化成液を用いて陽極酸化
   した膜とすることを特徴とするＭＩＭ型非線形素子の製
   造方法。
4. 【請求項４】請求項２及び請求項３記載の前記アルコー
   ルをエチレングリコールとすることを特徴とするＭＩＭ
   型非線形素子の製造方法。
5. 【請求項５】基板の表面に形成した第一の金属膜−絶縁
   膜−第二の金属膜または導電膜からなるＭＩＭ型非線形
   素子において、 該絶縁膜はタンタル原子を含む金属の酸化膜であり比誘
   電率を２２以下とすることを特徴とするＭＩＭ型非線形
   素子。
6. 【請求項６】基板の表面に形成した第一の金属膜−絶縁
   膜−第二の金属膜または導電膜からなるＭＩＭ型非線形
   素子において、 該絶縁膜は、タンタル原子と周期律表の６，７，８族の
   元素がすくなくとも１つ含まれた金属膜である第一の金
   属膜を、エチレングリコール溶液で溶質を溶かした化成
   液を用いて陽極酸化した膜とすることを特徴とするＭＩ
   Ｍ型非線形素子の製造方法。
7. 【請求項７】請求項６記載の前記絶縁膜は、タンタルと
   シリコン原子を含んだ金属膜である第一の金属膜を、エ
   チレングリコール溶液で溶質を溶かした化成液を用いて
   陽極酸化した膜とすることを特徴とするＭＩＭ型非線形
   素子の製造方法。
8. 【請求項８】請求項６記載の前記絶縁膜はタンタル，シ
   リコンとタングステン原子を含んだ金属膜である第一の
   金属膜を、エチレングリコール溶液で溶質を溶かした化
   成液を用いて陽極酸化した膜とすることを特徴とするＭ
   ＩＭ型非線形素子の製造方法。
9. 【請求項９】請求項１から８記載のＭＩＭ型非線形素子
   において、前記第二の金属膜または導電膜が透明導電膜
   であることを特徴とするＭＩＭ型非線形素子。