JPS6143712B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は画像表示装置に用いられる半導体集積
回路に関するものであり、MOSトランジスタの
光導電効果によるリーク電流を抑制することによ
り画像表示装置の性能向上を目的とする。また本
発明の別の目的は金属反射電極の拡大を可能なら
しめることにより画像の明るさを大きくすること
にある。

液晶とMOSトランジスタを組合せて構成され
る固体画像表示装置としてたとえば川崎清弘他
“テレビ表示用積層型液晶マトリクスパネルにつ
いて”電子通信学会技術研究報告CPM78−71に
示された例を第１図〜第３図に示す。

第１図はその等価回路で、単位絵素を構成する
のはMOSトランジスタ１，蓄積用コンデンサ
２，そして液晶セル３であり、画像表示装置とし
ての動作原理は次のようなものである。例えば、
いまXi端子にゲート信号が印加されて横方向群
のMOSトランジスタがONとなると映像信号はyi
端子からトランジスタ１を通つてコンデンサ２を
充電する。ゲート信号が消滅してトランジスタ１
がOFFになつてもコンデンサ２に貯えられた電
荷が液晶セル３に電圧を与え続ける間は、液晶セ
ル３はその電圧に応じて動的散乱の大きさを変化
させるので液晶セル３中を通過する光は映像信号
電圧によつて変調を受け続けることが可能であ
る。コンデンサ２に貯えられた電荷は次なるゲー
ト信号が印加されるまではトランジスタ１の
OFF抵抗および液晶セル３の抵抗分を通して放
電していく。

第１図に示したように多数の単位絵素をマトリ
クス状に配列し、縦方向（xi，xi＋_１，……）に
ゲート信号を走査することによりテレビジヨンを
構成することが可能で、先述したように横方向に
一斉にトランジスタ群をONさせて映像信号群コ
ンデンサ群に書き込ませ、縦方向に順次ゲート信
号を走査するいわゆる線走査によつてCRTと同
等の作用が得られる。

第２図は第１図に示される単位絵素をシリコン
基板に集積回路化した場合の平面図を示し、上記
した文献では単位絵素ユニツトの大きさを200×
150μｍとしている。MOSトランジスタ１はドレ
イン４、ソース５および多結晶シリコンゲート６
よりなり、７はアルミニウムで薄い酸化シリコン
膜を介してシリコン基板１０とともにコンデンサ
２を形成している。第３図は第２図のＡ−A′上
に相当する断面図である。９は基板１０の表面に
形成された酸化シリコン膜でトランジスタ１のゲ
ート酸化膜１１およびコンデンサ用酸化膜１２を
構成する領域のみ1000Åと薄く、残りの部分は
3000〜9000Åと厚くなつている。もちろん多結晶
シリコンゲート６は横方向の配線も兼ねるため不
純物がドープされて導電性が与えられている。ま
たアルミニウム電極７は酸化膜９の開口部８を通
して前記５とオーミツク接触をしている。

集積回路を形成されたシリコン基板１０と一主
面上に透明電極１４が被着形成されたガラス板１
５との間に動的散乱モードで動作する液晶１３を
充填することにより透明電極１４とアルミニウム
電極７よりなる前記液晶セル３が構成される。

ガラス板１５上方より入射した光１６は、液晶
セル３内で散乱を受けない場合には第３で示した
ようにアルミニウム電極７を反射鏡として単に反
射されていくだけであるが、液晶セル３に適当な
電圧が加わつていると入射光は液晶セル３中で無
秩序な液晶の動きによつて散乱され、主として前
方散乱成分がアルミニウム電極７で反射されて観
測者の目に届くことになる。したがつて入射光の
方向と観測者の見る方向を選んで直接反射光を避
けて観測するならば反射型の画像表示装置が得ら
れる。

第３図からも明らかなように外光１６はシリコ
ン基板１０の全面を照射しており光導電効果によ
る各種のリーク電流が外光の強度に応じて発生す
る。まずこの例では映像信号路も兼ねているドレ
イン拡散層４と基板１０との間で生じる光リーク
電流であるが、光リーク電流が存在することによ
つて当然のことながらドレイン拡散層４のシリコ
ン基板１０に対するインピーダンスが低下するの
で映像信号を供給するドライバの出力インピーダ
ンスを低く設計しなければならない。このことは
ドライバの消費電力が増加することを意味し、液
晶を使つて低消費電力の画像表示装置を実現させ
る場合の障害となるであろう。

つぎにソース拡散層５とシリコン基板１０との
間で生じる光リーク電流であるが、これは少なけ
れば少ないほど良いのであつて、もしソース拡散
層５からのリーク電流が大きいと映像蓄積用コン
デンサ２に貯えられた電荷は直ちに放電してしま
うために画像表示装置として必要なメモリ機能が
得られなくなつてしまう。コンデンサ２に貯えら
れた電荷は液晶セル３の抵抗分とMOSトランジ
スタ１のOFF抵抗よりなる抵抗の並列回路で放
電していくので、液晶の抵抗率が決まればMOS
トランジスタ１のリーク電流は最大１μＡである
ことが計算できる。このリーク電流は熱的なGR
センタよりの寄生のみであればPAのものである
ので何ら差支えないのであるが、光の照射によつ
て一挙に数μＡにまで増大するので何らかの対策
が必要である。トランジスタ１のチヤンネル部、
すなわちソース５とドレイン４との間にはソー
ス・ドレインからの空乏層が伸びているのでソー
ス拡散層５と同様に光に敏感である。

上述したような光導電効果によるリーク電流に
対して何らの対策も講じない場合には3000l_xを越
える明るさでは画像表示装置と動作しないことが
分つたので、本発明者らはガラス板１５上に赤外
線カツトフイルタを置いたり、あるいは液晶１３
に微量の染料を分散させることによりシリコン基
板１０の表面上に入射する光の強度を実効的に弱
める試みや、さらには第４図に示すように金属反
射電極７′がMOSトランジスタのソース拡散層５
やチヤンネル部をおおうように形成することによ
り１万luxまでの明るさでは画像表示装置として
動作させることができた。なお第４図ｂの断面図
において多結晶シリコンゲート６の表面酸化され
て絶縁物化しているのは言うまでもないであろ
う。

野外、特に直接日光下は10万luxを越す明るさ
であり、第４図ａに示す程度の光シールドでは金
属反射電極７′の端部からの回折光が回りこんで
ソース拡散層５に到達するものと考えられる。し
たがつて金属反射電極を単位絵素内で目一杯大き
く形成する対策も考えられるが、そのためには多
結晶シリコンゲート６の表面を厚く酸化して金属
反射電極７′と多結晶シリコンゲート６との間の
静電容量を減少させたり、さらにフイールド酸化
膜９を厚くしたり、場合によつてはチヤンネルス
トツパを形成してシリコン基板１０の表面に反転
層が生じないようにしないと寄生リーク電流や映
像信号のクロストークが発生するなどの問題点が
残る。これらの問題点を克服してもシリコン基板
１０の表面の段差部、例えばコンデンサの端部１
７などからの乱反射が増加してダークレベルが上
昇するためコントラスト比が低下し、反射光量が
増しても画質は逆に低下してまい、また光導電効
果の抑制は必ずしも十分でなかつた。

以上述べた要因を解決し、直射日光下での使用
を可能とすべく、本発明者らは金属反射電極とコ
ンデンサ電極を第１と第２の絶縁膜で分離し、第
１と第２の絶縁膜との間に金属層を配置すること
によつて光シールド機能を与え、第１と第２の絶
縁膜及び金属層に開口部を設けて金属反射電極と
コンデンサ電極を接続することによつて従来と同
等の構成を得たものである。なお金属層に設けら
れた開口部は金属反射電極と接触しないように第
１と第２の絶縁膜に設けられた開口部よりも大き
く設定される。以下これをもとにした本発明の実
施例について第５図とともに述べる。

第５図は本発明による新規構造の断面図であ
る。第３図と比較してみるとよく分るように、コ
ンデンサ電極１８と金属反射電極１９が２つの絶
縁膜２０，２１を貫通する開口部２２を通して接
続されている。特筆すべきは２つの絶縁層２０，
２１の中間に金属反射電極１９と短絡しないよう
に開口部２２よりも大きな開口部２３を有する金
属層２４が存在することである。

第５図の上方より本画像表示装置を眺めれば分
るように、見えるのは金属反射電極１９と金属反
射電極１９の〓間だけである。その〓間に見える
のは第２の絶縁層２１のみで、絶縁層２１がある
程度の透明性を有してれば金属層２４しか見えな
い。このことはどんなに強い外光１６が入射して
もソース拡散層５，ソース拡散層４，多結晶シリ
コンゲート６よりなるMOSトランジスタは光が
届かないことを意味する。厳密に言えば金属反射
電極１９の〓間から入り、金属層２４と金属反射
電極１９と絶縁膜２１よりなるトンネル内を多重
反射しながら開口部２３に到達し、そこから
MOSトランジスタに届く光がないわけではな
い。しかしながら金属反射電極１９の大きさが開
口部２３に比べて圧倒的に大きいため、直射日光
下のように10万luxを越す明るさの下でも光導電
効果によるリーク電流の発生は皆無であつた。

したがつて映像信号を供給するドライバの出力
インピーダンスも高く設定でき、蓄積用コンデン
サ２に貯えられる電荷も外光の強度に無関係で、
常に一定のコントラスト比が得られるなど従来に
比べて著しく性能が向上した。また金属反射電極
１９は絶縁膜２０，２１によつてシリコン基板１
０の表面と分離されているので、単位絵素内で目
一杯大きく形成しても多結晶シリコンゲート６と
の間のクロストークを生じたり、寄生リーク電流
をもたらす恐れは全くない。このことは反射型の
画像表示装置にとつては画像の明るさが向上する
意味で極めて有効である。

本発明の基本構成は上述の通りであり、次に他
の実施例について述べる。絶縁膜２０，２１とし
ては酸化シリコン膜が一般的であるが、金属反射
電極１９と多結晶シリコンゲート６やドレイン拡
散層４との間の寄生容量を小さくするためには例
えば厚みを3000Å以上に選ばねばならない。ただ
し金属層２４を接地した場合には絶縁膜２０の厚
みの大小によらずそれらの寄生容量は皆無とな
り、その代りゲート６やドレイン拡散層４の接地
容量が増すことになる。容量の問題は別にして、
コンデンサ電極１８が金属である場合には酸化シ
リコン膜に開口部２２を形成する工程で露出した
電極１８の表面に弗化物が生じて電極１８と金属
反射電極１９との間の導電性が損なわれる恐れが
ある。

ポリイミドは有機高分子で粘性の高い液体であ
り、キユアと称する200〜400℃の熱処理によつて
硬化し硬化後は優れた耐熱性，耐湿性および絶縁
性を有する。スピナによる回転塗布が可能である
ことと酸素ガスプラズマによる灰化が容易である
ことから感光性樹脂並みの取扱いができ、高温工
程終了後の集積回路においてパシベーシヨン膜あ
るいは層間絶縁膜として広く用いられるようにな
つてきた。しかも幸いなことに熱硬化後は液晶に
溶解しないことが判明した。酸素ガスプラズマに
よるポリイミド膜への開口部２２の形成は下地の
電極１８の表面に特殊な合金を生じないし、また
ポリイミド膜をある程度、例えば１μｍ以上に厚
く塗布すればシリコン基板１０の表面上の段差を
吸収して滑らかなポリイミド膜の表面が得られて
ポリイミド膜上に被着形成される金属反射電極１
９の表面も滑らかとなりダークレベルの減少に寄
与させることもできる。以上の点で絶縁膜２０，
２１にポリイミド膜を採用することは点欠陥の減
少という歩留向上とコントラスト比の改善に大き
く寄与するものである。

先述したように金属層２４の役割は光シールド
であるが、金属反射電極１９の周囲の〓間から絶
縁層２１を通して金属層２４に外光が入射し、金
属層２４からの反射光が正反射として観測者に届
くので視角が狭くなり画質の劣化をもたらす。し
たがつて本発明において金属層２４は反射率の低
い材質が望ましく、他の実施例はそのような材質
を限定したものである。例えばMoやMoSi₂はAl
に比べると反射率が1/5〜1/10と小さく、蒸着も
しくはスパツタ時に水素ガスを混入するとさらに
反射率を下げることができるので金属反射電極１
９の周囲が黒く見えてブラツク・ストライプ化が
実現できる。

金属層２４は電位的に浮いていても画像表示装
置としての動作に支障はない。もし接地してシリ
コン基板１０の電位と同じにするならば、絶縁層
２１が薄ければ蓄積用コンデンサ２の容量が増す
ことになることが第５図から分る。このことは画
像表示装置のメモリ機能が増強されたことと等価
であり、良好な画質が保証される。あるいは単位
絵素を小さくして高品位の画質を得る場合の大い
なる改善となる。なぜならば第２図を見ても分る
ようにコンデンサ２を形成するために必要な面積
は単位絵素内の30％程度をしめており、拡散層４
や多結晶シリコン６の抵抗値を上げぬためにそれ
らやMOSトランジスタの寸法を小さくせずに単
位絵素を小さくしようとするとコンデンサ２を形
成する面積が小さくなつて、コンデンサ酸化膜１
２を極めて薄くしなければならないからである。
これらの改善は光導電効果の抑制と全く無関係で
はあるが極めて有意義な副次効果である。

金属層２４は光シールドであるから必ずしも金
属である必要はない。半導体の光導電効果が顕著
な可視光から赤外線領域にかけて吸収係数の大き
な物質であれば十分なのであり、例えば多結晶シ
リコンでもその厚みが１μｍの場合に外光が３万
luxまでの動作が保証された。要は余り厚くない
厚みで前記した光を吸収する材質であれば良いの
である。

要するに従来の例ではコンデンサ電極は金属反
射電極も兼ねていたのであるが、本発明において
は両者を絶縁膜で分離し、絶縁膜中に光シールド
材を挿入することにより光導電効果の抑制と反射
光量の増大に成功したわけであり、本発明の構成
は光導電効果を呈示する全ての半導体装置に適用
されることは言うまでもない。引例で述べたよう
なシリコン系半導体装置に限定されるものではな
く、また液晶に限らずEL素子などと半導体集積
回路を組み合わせて構成される発光型の画像表示
装置においても本発明は有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は液晶と半導体集積回路を組み合わせて
得られる画像表示装置の等価回路図、第２図は第
同装置の単位絵素部概略平面図、第３図は第２図
のＡ−A′線部の断面図、第４図ａは同じく簡便
な改善による施された同装置の要部概略平面図、
同ｂは同ａのＢ−B′線相当の断面図、第５図は本
発明の一実施例にかかる新規構造の表示装置の単
位絵素部の断面図である。 １……MOSトランジスタ、２……蓄積用コン
デンサ、３……液晶セル、４，５……拡散層、６
……多結晶シリコン、１９……金属反射電極、１
０……シリコン基板、１３……液晶、１４……透
明電極、１５……ガラス板、１６……外光、１８
……コンデンサ電極、２０，２１……絶縁膜、２
２……絶縁膜の開口部、２３……金属膜の開口
部、２４……金属膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 表示セルを構成する一方の基板の一主面上
   に、トランジスタとこのトランジスタと接続され
   た電極を有するコンデンサよりなる構成単位が走
   査線と信号線信号線とによつて相互接続されて２
   次元のマトリクスに配置され、第１の絶縁膜が前
   記基板の一主面のトランジスタとコンデンサの電
   極上に形成され、光シールド用の薄層と第２の絶
   縁膜が前記第１の絶縁膜上の前記トランジスタと
   コンデンサの電極上に形成され、前記第１と第２
   の絶縁膜を貫通する第１の開口部が形成され、前
   記薄層には前記第１の開口部の周囲で第１の開口
   部よりも大きな第２の開口部が形成されており、
   前記第２の絶縁膜上に選択的に形成された反射電
   極となる金属層が前記基板上のコンデンサの電極
   と前記第１の開口部を通して接続されていること
   を特徴とする画像表示装置用半導体装置。 ２ 絶縁膜がポリイミド系樹脂であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の画像表示装
   置用半導体装置。 ３ 薄層がMoまたはMoSi₂であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の画像表示装置
   用半導体装置。 ４ 薄層が可視光から赤外線領域にかけて吸収率
   の大きい薄膜よりなることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の画像表示装置用半導体装
   置。