JP2010263182A - 薄膜トランジスタおよび画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ゲート電極とソース電極間の絶縁性を向上させ、ゲート電極とソース電極間のリーク電流を低減させることにより、確実に動作する薄膜トランジスタおよび画像表示装置を提供する。
【解決手段】基板と、前記基板上に形成されたゲート電極と、ゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成された半導体層と、前記半導体層および前記ゲート絶縁膜上に形成され、前記半導体層の直上に離間して形成された第１の開口部および第２の開口部を有する保護膜と、前記保護膜上に形成され、前記保護膜の第１の開口部で前記半導体層と電気的に接続されたソース電極と、前記保護膜上に形成され、前記保護膜の第２の開口部で前記半導体層と電気的に接続されたドレイン電極を備える薄膜トランジスタにすることにより、ゲート電極とソース電極との間の絶縁膜の膜厚が実質的に増すこととなり、絶縁性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜トランジスタおよびアクティブマトリクス型画像表示装置に関する。

近年、画像表示装置として、薄膜トランジスタアレイを用いたアクティブマトリクス型の液晶表示装置、電気泳動表示装置、有機エレクトロルミネッセンス表示装置などの画像表示装置が広く使用されている。

現在のアクティブマトリクス型表示装置においては、薄膜トランジスタアレイの半導体材料として非単結晶シリコンを用いたものが主流となっている（特許文献１）。

ここで、図５は、従来の画像表示装置に用いられている薄膜トランジスタ５０を示す概略断面図であり、図６は、薄膜トランジスタ５０を用いた従来のアクティブマトリクス型の画像表示装置４０を示す概略断面図である。以下、図５に示す薄膜トランジスタ５０について説明する。

図５に示すように、従来の薄膜トランジスタ５０は、基板３１、基板３１上に離間して設けられたゲート電極３２とキャパシタ電極３３、ゲート電極３２とキャパシタ電極３３の全面を覆うようにゲート絶縁体層３４、ゲート絶縁体層３４上に半導体層３５、半導体層３５に電気的に接続され、離間して設けられたソース電極３８及びドレイン電極３９を備えている。また、保護膜３６が設けられている場合もある。

従来構造の薄膜トランジスタ５０においては、ゲート絶縁膜４によりゲート電極２とソース電極８が絶縁されているが、ゲート電極２の端部においては電界集中が発生しやすく、また、端部のテーパー部分はゲート絶縁膜４の被膜性が悪くなりやすいため、ゲート電極２とソース電極８との間において、リークが発生しやすいという問題がある。

特開２００２−３５３４６３号公報

本発明は、ゲート電極とソース電極間の絶縁性を向上させることにより、ゲート電極とソース電極間のリーク電流を低減させて、均一かつ確実に動作させる薄膜トランジスタおよび画像表示装置を提供することを課題とする。

本発明の請求項１に係る発明は、基板と、前記基板上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成された半導体層と、前記半導体層および前記ゲート絶縁膜上に形成され、前記半導体層の直上に離間して形成された第１の開口部および第２の開口部を有する保護膜と、前記保護膜上に形成され、前記保護膜の第１の開口部で前記半導体層と電気的に接続されたソース電極と、前記保護膜上に形成され、前記保護膜の第２の開口部で前記半導体層と電気的に接続されたドレイン電極と、を備えることを特徴とする薄膜トランジスタとしたものである。

ソース電極およびドレイン電極が保護膜上に形成され、それぞれ半導体層と第１の開口部および第２の開口部で接続されていることにより、ゲート電極とソース電極との間の絶縁膜の膜厚が実質的に増すこととなり、絶縁性を向上させることができ、ゲート電極−ソース電極間のリーク電流を低減することができる。

本発明の請求項２に係る発明は、前記基板上に前記ゲート電極と離間して形成されたキャパシタ電極とを有し、前記キャパシタ電極上の前記保護膜に第３の開口部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタとしたものである。

キャパシタ電極上の保護膜に第３の開口部が形成されていることにより、保護膜によって実質的にゲート絶縁膜の膜厚が増してもドレイン電極とキャパシタ電極との間の静電容量を損なうことがない。

本発明の請求項３に係る発明は、保護膜が無機材料からなる層と、該無機材料からなる層の上部に形成された有機材料からなる層とを有することを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタとしたものである。

本発明の請求項４に係る発明は、半導体層が非単結晶シリコンからなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の薄膜トランジスタとしたものである。

本発明の請求項５に係る発明は、半導体層が有機化合物からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の薄膜トランジスタとしたものである。

本発明の請求項６に係る発明は、半導体層が金属酸化物からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の薄膜トランジスタとしたものである。

本発明の請求項７に係る発明は、保護膜の半導体層に接する層に金属酸化物絶縁材料を用いたことを特徴とする請求項６に記載の薄膜トランジスタとしたものである。

本発明の請求項８に係る発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載の薄膜トランジスタと、前記ソース電極及び前記ドレイン電極上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成された前記ドレイン電極に電気的に接続された画素電極と、前記画素電極上に設けられた表示媒体と、対向電極と、備えることを特徴とする画像表示装置としたものである。

本発明の請求項９に係る発明は、前記画素表示媒体は、電気泳動方式の表示媒体、液晶表示媒体、有機ＥＬ、無機ＥＬのいずれかであることを特徴とする請求項８に記載の画素表示装置としたものである。

本発明の請求項１０に係る発明は、基板上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極を覆うようにゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上に半導体層を形成する工程と、前記半導体層の直上に離間して形成された第１の開口部および第２の開口部を有する保護膜を形成する工程と、前記第１の開口部で前記半導体層と電気的に接続するソース電極及び前記第２の開口部で前記半導体層と電気的に接続するドレイン電極と、を形成する工程と、有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法としたものである。

本発明の請求項１１に係る発明は、保護膜を形成する工程が、前記半導体層上に第一の保護膜を形成する工程と、前記第一の保護膜上に、前記第１の開口部及び前記第２の開口部に相当する領域に開口を設けた第二の保護膜をパターン形成する工程と、前記第一の保護膜の前記第１の開口部及び前記第２の開口部に相当する領域を除去する工程と、を有することを特徴とする請求項１０に記載の薄膜トランジスタの製造方法としたものである。

本発明の請求項１２に係る発明は、保護膜を形成する工程の後、前記ソース電極およびドレイン電極を形成する工程の前に、半導体層に表面処理を施すことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の薄膜トランジスタの製造方法としたものである。

本発明の請求項１３に係る発明は、表面処理がプラズマ照射であることを特徴とする請求項１２に記載の薄膜トランジスタの製造方法としたものである。

本発明によれば、ゲート電極およびキャパシタ電極とソース電極間の絶縁性を向上させ、ゲート電極およびキャパシタ電極とソース電極間のリーク電流を低減させることにより、確実に動作する薄膜トランジスタおよび画像表示装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る薄膜トランジスタのほぼ１画素分を示す概略平面図である。なお本図においては、基板１、ゲート絶縁膜４、保護膜６は図示していない。 本発明の実施の形態に係る薄膜トランジスタのほぼ１画素分を示す概略断面図である。なお本図におけるＡ−Ａ’は図１のＡ−Ａ’に対応している。 本発明の実施の形態に係る薄膜トランジスタのほぼ１画素分を示す概略断面図である。なお本図におけるＡ−Ａ’は図１のＡ−Ａ’に対応している。 本発明の実施の形態に係る画像表示装置のほぼ１画素分を示す概略断面図である。 本発明の比較例（従来例）に係る従来構造の薄膜トランジスタのほぼ１画素分を示す概略断面図である。 本発明の比較例（従来例）に係る従来構造の画像表示装置のほぼ１画素分を示す概略断面図である。 本発明実施例の薄膜トランジスタの電流−電圧特性およびゲート電流を示す図である。 比較例の薄膜トランジスタの電流−電圧特性およびゲート電流を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ、説明する。なお実施の形態において、同一の構成要素には同一の符号を付け、実施の形態の間において重複する説明は省略する。

図１は、本発明の実施の形態に係る薄膜トランジスタ３０のほぼ１画素分を示す概略平面図である。図２および図３は、本発明の実施の形態に係る薄膜トランジスタのほぼ１画素分を示す概略断面図である。Ａ−Ａ’は図１、図２および図３において対応している。本発明の薄膜トランジスタ３０は、基板１上に、ゲート電極２と、ゲート電極上にゲート電極を覆うように形成されたゲート絶縁膜４と、ゲート絶縁膜上の半導体層５と、半導体層に接続されたソース電極８およびドレイン電極９とを備えている。そして半導体層上に保護膜６が形成されており、半導体層の直上に離間して設けられた第１の開口部７ａ、第２の開口部７ｂによりソース電極およびドレイン電極と半導体層が接続している。また、ドレイン電極の下の保護膜には開口部７ｃが設けられており、ゲート絶縁膜を挟んでキャパシタ電極３上にもドレイン電極が形成されている。

以下、本発明の各構成要素について、画像表示装置の製造工程に沿って詳細に説明する。

本発明の実施の形態に係る基板１としては、具体的にはポリメチルメタクリレート、ポリアクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレンサルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、シクロオレフィンポリマー、ポリエーテルサルフォン、トリアセチルセルロース、ポリビニルフルオライドフィルム、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合樹脂、耐候性ポリエチレンテレフタレート、耐候性ポリプロピレン、ガラス繊維強化アクリル樹脂フィルム、ガラス繊維強化ポリカーボネート、透明性ポリイミド、フッ素系樹脂、環状ポリオレフィン系樹脂、ガラスおよび石英等を使用することができるが、本発明ではこれらに限定されるものではない。これらは単独として使用してもよいが、二種以上を積層した複合の基板１として使用することもできる。

本発明の実施の形態に係る基板１が有機物フィルムである場合は、薄膜トランジスタの耐久性を向上させるために透明のガスバリア層（図示せず）を形成することが好ましい。ガスバリア層としては酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）およびダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などが挙げられるが本発明ではこれらに限定されるものではない。またこれらのガスバリア層は２層以上積層して使用することもできる。ガスバリア層は有機物フィルムを用いた基板１の片面だけに形成してもよいし、両面に形成しても構わない。ガスバリア層は真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ホットワイヤーＣＶＤ法およびゾル−ゲル法などを用いて形成することができるが本発明ではこれらに限定されるものではない。

まず基板上にゲート電極２及びキャパシタ電極３、それぞれの配線を形成する。電極部分と配線部分は明確に分かれている必要はなく、本発明では特に各薄膜トランジスタの構成要素としては電極と呼称している。また電極と配線を区別する必要のない場合には、合わせてゲート、ソース、ドレイン、キャパシタ等と記載する。

図１に示した本発明の薄膜トランジスタ３０の形態では、ゲート電極とゲート配線、キャパシタ電極とキャパシタ配線は一体化したストライプ状に形成されている。従って、このゲート及びキャパシタのライン上に薄膜トランジスタのアレイを配置していくことができる。

本発明の実施の形態に係る各電極（ゲート電極２、ソース電極８、ドレイン電極９、キャパシタ電極３、画素電極１１）及び各電極に接続される配線には、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化カドミウム（ＣｄＯ）、酸化インジウムカドミウム（ＣｄＩｎ_２Ｏ_４）、酸化カドミウムスズ（Ｃｄ_２ＳｎＯ_４）、酸化亜鉛スズ（Ｚｎ_２ＳｎＯ_４）、酸化インジウム亜鉛（Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ）等の酸化物材料を用いることができる。またこの酸化物材料に電気的特性や光学的特性、化学的耐性等の特性向上のために不純物をドープしたものも好適に用いられる。例えば、酸化インジウムにスズ（Ｓｎ）やモリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）をドープしたもの、酸化スズにアンチモン（Ｓｂ）やフッ素（Ｆ）をドープしたもの、酸化亜鉛にインジウム、アルミニウム、ガリウム（Ｇａ）をドープしたものなどである。この中では特に酸化インジウムにスズ（Ｓｎ）をドープした酸化インジウムスズ（通称ＩＴＯ）が高い透明性と低い抵抗率のために特に好適に用いられる。

また上記導電性酸化物材料と金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、及びチタン（Ｔｉ）などの金属薄膜を複数積層したものも使用できる。この場合、金属材料の酸化や経時劣化を防ぐために導電性酸化物薄膜／金属薄膜／導電性酸化物薄膜の順に積層した３層構造が特に好適に用いられる。金属薄膜層での光反射や光吸収が表示装置の視認性を妨げないために、金属薄膜層はできる限り薄くすることが好ましい。具体的には１ｎｍ以上２０ ｎｍ以下であることが望ましい。

またＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチオフェン）等の有機導電性材料も好適に用いることができる。

また透明性が必要とされない場合には、遮光性のある金属を用いても良い。具体的には上記した金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、及びチタン（Ｔｉ）などの金属を用いることができる。また一部の電極・配線のみを非透光性の材料を用いてもよい。例えば本発明の画像表示装置において、ゲート及びソースがブラックマトリクス領域のように表示領域以外の領域に形成される場合には、遮光性の金属材料で形成することもできる。

各電極及び配線は同じ材料・積層構造であっても構わないし、また全て違う材料・積層構造であっても構わない。しかし、工程数を減らすためにゲートとキャパシタ、ソースとドレインは同一の材料・積層構造であることがより望ましい。

各電極及び配線は、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、ホットワイヤーＣＶＤ法またはスクリーン印刷、凸版印刷、インクジェット法等で形成することができるが、これらに限定されず、公知一般の方法を用いることができる。パターニングは、例えばフォトリソグラフィ法を用いてパターン形成部分に保護膜を形成し、エッチングにより不要部分を除去して行うことができるが、これについてもこの方法に限定されず、公知一般のパターニング方法を用いることができる。

次にゲート電極を覆うようにゲート絶縁層４を形成する。ゲート絶縁層４は基板上全面に形成することができる。本発明の実施の形態に係るゲート絶縁膜４に使用される材料としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、ハフニウムアルミネート、酸化ジルコニア、酸化チタン等の無機材料、または、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等のポリアクリレート、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＳ（ポリスチレン）、透明性ポリイミド、ポリエステル、エポキシ、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。ゲートリーク電流を抑えるためには、絶縁材料の抵抗率は１０^１１Ωｃｍ以上、より好ましくは１０^１４Ωｃｍ以上であることが望ましい。

ゲート絶縁膜４は、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、プラズマＣＶＤ、光ＣＶＤ法、ホットワイヤーＣＶＤ法等のドライ成膜法や、スピンコート法、ディップコート法、スクリーン印刷法等のウェット成膜法を材料に応じて適宜用いて形成される。これらのゲート絶縁膜４は単層として用いても構わないし、２層以上積層して用いることもできる。また成長方向に向けて組成を傾斜したものでも構わない。

次に、図１乃至図３に示すように、半導体層５を絶縁体層４上のゲート電極２直上の位置に形成する。

本発明の実施の形態に係る半導体層５には、非単結晶シリコン、有機化合物、金属酸化物を使用することができる。

本発明の実施の形態に係る半導体層５としては、金属酸化物を主成分とする酸化物半導体材料が使用できる。酸化物半導体材料は亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、タングステン（Ｗ）、マグネシウム（Ｍｇ）、及びガリウムのうち１種類以上の元素を含む酸化物である、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム（ＩｎＯ）、酸化インジウム亜鉛（Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ）、酸化スズ（ＳｎＯ）、酸化タングステン（ＷＯ）、及び酸化亜鉛ガリウムインジウム（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ）などの材料が挙げられる。これらの材料の構造は単結晶、多結晶、微結晶、結晶とアモルファスの混晶、ナノ結晶散在アモルファス、アモルファスのいずれであっても構わない。

また半導体層に透明性が必要のない場合、用いることができるその他の無機材料としては、水素化アモルファスシリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコン等のシリコン半導体が挙げられる。

上述の酸化物半導体、シリコン半導体等の無機材料は、ＣＶＤ法、スパッタ法、パルスレーザー堆積法、真空蒸着法、ゾルゲル法等の方法を用いて形成される。ＣＶＤ法としてはホットワイヤーＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法としてはＲＦマグネトロンスパッタ法、ＤＣスパッタ法、真空蒸着としては加熱蒸着、電子ビーム蒸着、イオンプレーティング法などが挙げられるがこれらに限定されるものではない。

また有機材料を用いた半導体層としては、テトラセン、ペンタセン、オリゴチオフェン誘導体、フタロシアニン類、ペリレン誘導体等の低分子有機半導体や、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレン、ポリトリアリルアミン等の高分子有機半導体も挙げられるがこれらに限定されるものではない。これらの材料は例えば凸版印刷法、オフセット印刷法、スクリーン印刷、インクジェット法等の各種印刷法を用いてパターン形成することができる。なお半導体層５の膜厚は２０ｎｍ以上が好ましい。

次に、図２および図３に示すように、保護膜６を形成する。保護膜６は、ソース電極８やドレイン電極９のパターニングの際に半導体層５を保護するため、少なくとも半導体層５を覆うように形成し、開口部７ａ、７ｂでのみ各電極と半導体層５とが接触するようにする。さらに、基板１の全面に保護膜６を形成し、キャパシタ電極３に対応する開口部７ｃのように、所定の位置のみ開口することで、封止特性を向上させることができる。

すなわち、本発明の実施の形態に係る保護膜６は、少なくとも半導体層５を覆うように形成されるため、半導体層５を外部の影響から保護することができる。特に保護膜６は画素領域全面に形成し、所定の位置のみ開口することが封止特性の向上のために好ましい。また、ゲート電極とソース電極およびドレイン電極の間の絶縁膜が実質的に厚膜になることにより絶縁性を向上させ、ゲート電極とソース電極およびドレイン電極の間に起こるリーク電流および寄生容量を低減させることができる。更に、キャパシタ電極３を設けた場合には、キャパシタ電極３とドレイン電極９間の静電容量を損なわないために、第３の開口部７ｃを設けることができる。

保護膜６の形状は、開口部の端部が順テーパー形状となるようにすることが好ましい。順テーパー形状にすることにより、保護膜６の開口部のエッジが鈍角になることから、直線性の高い成膜法においても開口部端部の段差においてソース電極、ドレイン電極を断線することなく形成することができる。保護膜の開口部を順テーパー形状に形成するためには、樹脂化合物からなる場合は、熱リフロー性を持つ材料や、また、感光性材料であればプロキシミティ露光を用いるなどして、容易に順テーパー形状を得ることができる。また、保護膜６が無機材料からなる場合は、リアクティブイオンエッチング法（ＲＩＥ）などの手法により、エッチング条件を制御することで、テーパー形状を制御することができる。

本発明の実施の形態に係る保護膜６には、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、ハフニウムアルミネート、酸化ジルコニア、酸化チタン等の無機絶縁材料、または、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等のポリアクリレート、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＳ（ポリスチレン）、透明性ポリイミド、ポリエステル、エポキシ、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール等の有機絶縁材料を使用することができるがこれらに限定されるものではない。例えば有機絶縁材料に無機絶縁材料を混入させたものでも構わない。保護膜６は本発明に係る薄膜トランジスタの半導体層に電気的影響を与えないために、その抵抗率が１０^１１Ωｃｍ以上、特に１０^１４Ωｃｍ以上であることが好ましい。

保護膜６は真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、プラズマＣＶＤ、光ＣＶＤ法、ホットワイヤーＣＶＤ法等のドライ成膜法や、スピンコート法、ディップコート法、スクリーン印刷法等のウェット成膜法を材料に応じて適宜用いて形成される。これらの保護膜６は、下記のように一又は複数の製造方法、材料を用いて２層以上積層した多層構造としても良い。

保護膜６は、ソース電極およびドレイン電極より先に形成されるため、エッチングストッパとして機能し、半導体層５のチャネル部にダメージを与えることなく、ソース電極８およびドレイン電極９を形成することが可能である。さらに、ソース電極およびドレイン電極を形成する前に、半導体層６の当該露出した部分に表面処理を施すことも可能である。保護膜６に開口部を設け、半導体層のソース電極およびドレイン電極との接続部を露出させた後に行うことで、接続部のみに表面処理を施すことができる。例えば、半導体層がシリコン半導体等の無機材料の場合には、電極接触部にイオン注入することにより半導体層５とソース電極８およびドレイン電極９との接触抵抗を減少させることができる。また、半導体層５が金属酸化物からなる場合は、半導体層５のチャネル領域を保護しながらソース電極８およびドレイン電極９との接続部のみにＡｒ、Ｈｅ、水素等のガスを用いたプラズマ照射をすることによって、保護膜６から露出された半導体層５のソース電極８およびドレイン電極９との接続部の導電性を向上させることができる。これにより、半導体層５とソース電極８およびドレイン電極９との接触抵抗を減少させることができる。特にＲＩＥなどプラズマを用いて保護膜をパターニングする場合には、連続して半導体層６接続部のプラズマ照射を行なえるため、工程を増やさずに表面処理を行なうことが可能である。

さらに、図３で示したように、保護膜６は多層構造とすることができる。この場合、上部の保護膜６ｂをエッチングストッパあるいはレジストとして用いることで、下層の保護膜６ａを容易にパターニングすることができる。言い換えると、保護膜６ａをパターニングするためのエッチングストッパあるいはレジストとして用いた有機絶縁材料を除去せずに保護膜６ｂとして用いることができる。具体的には、まず基板全面に下層の保護膜６ａを形成する。そしてその上に上部の保護膜６ｂのパターンを形成する。保護膜６ａの存在によって、保護膜６ｂのパターニング時に、フォトリソ工程での現像液や、エッチングによる半導体層の劣化を回避することができる。次に、保護膜６ｂをエッチングストッパあるいはレジストとして、保護膜６ａの保護膜６ｂで覆われていない領域を除去する。この場合、パターニングしやすい有機絶縁材料を上層の保護膜６ｂに用いることが好ましい。さらに、下層の保護膜６ａにはバリア性、耐久性に優れた無機絶縁材料、特に金属酸化物（酸化窒化物を含む）や金属窒化物を用いることが好ましい。

また特に金属酸化物を半導体層５に用いた場合、表面を被覆する保護膜の組成によって半導体特性が大きく左右されるが、上部の保護膜６ｂと、半導体層５と接する下部の保護膜６ａに分けて形成することにより、上部の保護膜の形成方法や材料の自由度が大きくなり、さらには下部の保護膜６ａにより半導体層の特性を保持・向上させることができる。このような下部の保護膜６ａの例としては、バリア性に優れた窒化シリコン、酸化窒化シリコン等の金属窒化物絶縁材料や、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化シリコン等の半導体層５へのキャリアドープ効果のある金属酸化物絶縁材料を用いることができる。半導体層５と接する下部の保護膜６ａに金属酸化物絶縁材料を用いた場合、当該保護膜を成膜する際に酸素分圧を制御することにより、当該膜内の酸素濃度を調整し、半導体層のキャリア濃度を変化させＴＦＴ特性を向上させることができる。

以上の工程で多層構造の保護膜を容易に形成することができる。もちろん、この場合保護膜６ｂをさらに多層に成膜することにより、多層構造の保護膜６ｂとすることも可能である。例えば金属酸化物半導体を用いる場合には、半導体層５と接する層に半導体層の特性制御が可能な金属酸化物絶縁材料を用い、その上層にバリア性の高い金属窒化物絶縁材料を用いることが考えられる。

次に、ソース及びドレインを形成する。まず配線・電極材料の導電性材料を基板全面に成膜し、保護膜６を含めて被覆する。そして、ソース電極及びドレイン電極が保護膜６の開口部７ａおよび７ｂの２箇所の半導体層５が露出した部分をそれぞれ覆い、半導体層と電気的に接続されるようにパターニングする。ソース及びドレインの材料及び形成方法は、前述の通りである。またドレイン電極は、キャパシタ電極の直上に設けられている開口部７ｃ上にも位置するような形状で形成されている。

図４を参照して本発明の実施の形態に係る薄膜トランジスタ３０を用いた画像表示装置２０について説明する。図４は、本発明の実施の形態に係る画像表示装置のほぼ１画素分を示す概略断面図である。本発明の画像表示装置２０は、図２および図３の薄膜トランジスタ上に層間絶縁膜１０、画素電極１１を備えており、対向電極１３が形成された対向基板１４と画素電極の間に表示要素１２を挟持する構成となっている。層間絶縁膜１０を挟んでドレイン電極９と画素電極とが接続されている。本発明の薄膜トランジスタ３０を用いた画像表示装置としては、図４の構成に限られず、例えばドレイン電極が画素電極を兼ね、層間絶縁膜を介さずにドレイン電極と対向電極とで表示要素を挟持する構成としても良い。

本発明の実施の形態に係る薄膜トランジスタを用いた画像表示装置とするため、ソース電極８と画素電極１１を絶縁するための層間絶縁膜１０をソース及びドレインを形成した基板上に形成する。
本発明の実施の形態に係る層間絶縁膜１０は、酸化シリコン、窒化シリコン、シリコンオキシナイトライド、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、ハフニウムアルミネート、酸化ジルコニア、酸化チタン等の無機材料、または、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等のポリアクリレート、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＳ（ポリスチレン）、透明性ポリイミド、ポリエステル、エポキシ、ポリビニルフェノール等を使用することができるがこれらに限定されるものではない。層間絶縁膜１０はソース電極８と画素電極１１間を絶縁するために、その抵抗率が１０^１１Ωｃｍ以上、特に１０^１４Ωｃｍ以上であることが好ましい。層間絶縁膜１０はゲート絶縁体層４と同じ材料であっても構わないし、異なる材料であっても構わない。また成長方向に向けて組成を傾斜したものとしても良い。これらの層間絶縁膜１０は２層以上積層して用いても良い。

層間絶縁膜１０は真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、プラズマＣＶＤ、光ＣＶＤ法、ホットワイヤーＣＶＤ法等のドライ成膜法や、スピンコート法、ディップコート法、スクリーン印刷法等のウェット成膜法を材料に応じて適宜用いて形成される。

層間絶縁膜１０は、ドレイン電極９上に開口部を有しており、ドレイン電極９と画素電極１１を接続させることができる。開口部は層間絶縁膜１０の形成と同時又は形成後にフォトリソグラフィ法やエッチング等の公知の方法を用いて設けられる。層間絶縁膜１０を用いることにより、ソース電極９上にも画素電極を形成することが可能になるため、画像表示装置の開口率を向上させることができる。

次に層間絶縁膜１０上に導電性材料を成膜し、所定の画素形状にパターニングして画素電極１１を形成する。図４のようにドレイン電極が露出するように開口部が形成されている層間絶縁膜上に画素電極を形成することによりドレイン電極と画素電極の導通を取ることができる。

さらに、画素電極１１上に表示要素１２、対向電極１３および対向基板１４をこの順で設けることで、図４に示したような本発明の画像表示装置とすることができる。表示要素の例としては、電気泳動方式の表示媒体（電子ペーパー）や、液晶表示媒体、有機ＥＬ、無機ＥＬ等が挙げられる。表示要素１２、対向電極１３および対向基板１４の積層方法としては、画素電極上に対向基板１４、対向電極１３、表示要素１２の積層体を貼り合わせる方法や、画素電極上に表示要素、対向電極、対向基板を順次積層する方法等、表示要素の種類により適宜選択すればよい。

本発明者らは、半導体層５の材料としてＩｎ―Ｇａ―Ｚｎ―Ｏ系酸化物を、保護膜６の材料として酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）を用いて画像表示装置を作製し、ゲート絶縁膜４を挟んだゲート電極２とソース電極８間のリーク電流の関係について検討した。

〔本発明実施例〕
本発明実施例として図４に示す画像表示装置２０を作製した。
基板１としてコーニング社製無アルカリガラス１７３７を用いた。基板１上に、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いてＩＴＯを１００ｎｍの膜厚で成膜し、フォトリソグラフィ法により所望の形状にパターニングを行った。具体的には、感光性ポジ型フォトレジストを塗布後、露光、アルカリ現像液により現像を行い、所望の形状のレジストパターンを形成した。さらにＩＴＯエッチング液によりエッチングを行い、不要なＩＴＯを溶解させた。その後、レジスト剥離液によりフォトレジストを除去し、所望の形状のゲート電極２およびキャパシタ電極３を形成した（以下、このようなパターニング方法をフォトリソグラフィ法として省略する）。

次に、ゲート電極２およびキャパシタ電極３を形成した基板１の全面に、ＲＦマグネトロンスパッタ法により酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）を３００ｎｍの膜厚で成膜し、ゲート絶縁膜４とした。

続いて、ゲート絶縁膜４上に膜厚４０ｎｍの酸化亜鉛インジウムガリウム（Ｉｎ―Ｇａ―Ｚｎ―Ｏ）をＲＦマグネトロンスパッタリング法により成膜し、前記ゲート電極２およびキャパシタ電極３の形成と同様にフォトリソグラフィ法を用いてパターニングを行い、半導体層５を形成した。

半導体層５上にＲＦマグネトロンスパッタ法により保護膜６としてＳｉＯＮ膜を１００ｎｍの膜厚で成膜した。その上に、感光性ポジ型フォトレジストを塗布し、露光、現像を行った。リアクティブイオンエッチング法により四フッ化炭素ガスを用いてＳｉＯＮ膜のエッチングを行い、その後、剥離液を用いてレジストパターンを除去して、半導体層５とソース電極８およびドレイン電極９との接続部である開口部７ａ、および７ｂ、キャパシタ電極３とドレイン電極９の間の静電容量を損なうことのないよう開口部７ｃを形成した。

次に、ＤＣマグネトロンスパッタ法によりＩＴＯを１００ｎｍの膜厚で成膜し、フォトリソグラフィ法により所望の形状にパターニングを行い、ソース電極８およびドレイン電極９を形成した。

続いて、感光性アクリル樹脂を３μｍの膜厚で塗布し、露光、現像、焼成を行い、層間絶縁膜１０を形成した。

その上に、ＤＣマグネトロンスパッタ法により膜厚１００ｎｍのＩＴＯを成膜し、フォトリソグラフィ法によりパターニングを行い、画素電極１１とした。

その後、表示要素１２、対向電極１３、対向基板１４としてＥ Ｉｎｋ社製Ｖｉｚｐｌｅｘ Ｉｍａｇｉｎ Ｆｉｌｍを貼り付け、実施例の反射型電気泳動方式の画像表示装置とした。

〔比較例〕
比較例として図６に示す画像表示装置４０を作製した。

基板１としてコーニング社製無アルカリガラス１７３７を用いた。基板１上に、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いてＩＴＯを１００ｎｍの膜厚で成膜し、フォトリソグラフィ法により所望の形状にパターニングを行い、ゲート電極２およびキャパシタ電極３を形成した。

ゲート電極２およびキャパシタ電極３を形成した基板１の全面に、ＲＦマグネトロンスパッタ法により酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）を３００ｎｍの膜厚で成膜し、ゲート絶縁膜４とした。

続いて、ゲート絶縁膜４上に膜厚４０ｎｍの酸化亜鉛インジウムガリウム（Ｉｎ―Ｇａ―Ｚｎ―Ｏ）をＲＦマグネトロンスパッタリング法により成膜し、フォトリソグラフィ法によりパターニングを行い、半導体層５を形成した。

半導体層５を形成した基板１上に、ネガ型フォトレジストを塗布し、露光、現像を行い、ソース電極８およびドレイン電極９を形成するため、所望の形状にレジストパターンを形成し、ＤＣマグネトロンスパッタリング法によりＩＴＯを膜厚１００ｎｍに成るよう成膜した。その後、不要なフォトレジストおよびＩＴＯをリフトオフすることで、ソース電極８およびドレイン電極９を形成した。

次に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法によりＳｉＯＮ膜を１００ｎｍの膜厚で成膜し、フォトリソ法およびリアクティブイオンエッチング法により、ＳｉＯＮ膜のパターニングを行い、保護膜６を形成した。

感光性アクリル樹脂を３μｍの膜厚で塗布し、露光、現像、焼成を行い、層間絶縁膜１０を形成した。

その上に、ＤＣマグネトロンスパッタ法により膜厚１００ｎｍのＩＴＯを成膜し、フォトリソグラフィ法によりパターニングを行い、画素電極１１とした。

その後、表示要素１２、対向電極１３、対向基板１４としてＥ Ｉｎｋ社製Ｖｉｚｐｌｅｘ Ｉｍａｇｉｎ Ｆｉｌｍを貼り付け、比較例の反射型電気泳動方式の画像表示装置とした。

図７は本発明実施例に係る薄膜トランジスタのトランスファー特性（Ｉｄ／Ａ）およびゲート電流（｜Ｉｇ｜／Ａ）を示す図である。図８は比較例に係る薄膜トランジスタのトランスファー特性（Ｉｄ／Ａ）およびゲート電流（｜Ｉｇ｜／Ａ）を示す図である。ゲート電流の大きさはゲート電極におけるリーク電流を大きさを示している。実施例および比較例で作製した画像表示装置の薄膜トランジスタの特性を比較したところ、実施例の画像表示装置における薄膜トランジスタにおいては右矢印で示されているゲート電流（リーク電流）が減少し、良好な特性を得ることができたことが分かる。また、本発明の実施例の画像表示装置において良好な画像を表示することができた。

１…基板
２…ゲート電極
３…キャパシタ電極
４…ゲート絶縁膜
５…半導体層
６…保護膜
６ａ…下部保護膜
６ｂ…上部保護膜
７ａ…保護膜の第1の開口部
７ｂ…保護膜の第２の開口部
７ｃ…保護膜の第３の開口部
８…ソース電極
９…ドレイン電極
１０…層間絶縁膜
１１…画素電極
１２…表示要素
１３…対向電極
１４…対向基板
２０…画像表示装置
３０…薄膜トランジスタ
３１…基板
３２…ゲート電極
３３…キャパシタ電極
３４…ゲート絶縁体層
３５…半導体層
３６…保護膜
３８…ソース電極
３９…ドレイン電極
４１…層間絶縁膜
４２…画素電極
４３…表示要素
４４…共通電極
４５…前面基板
４０…画像表示装置
５０…薄膜トランジスタ

Claims (13)

1. 基板と、前記基板上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成された半導体層と、前記半導体層および前記ゲート絶縁膜上に形成され、前記半導体層の直上に離間して形成された第１の開口部および第２の開口部を有する保護膜と、前記保護膜上に形成され、前記保護膜の第１の開口部で前記半導体層と電気的に接続されたソース電極と、前記保護膜上に形成され、前記保護膜の第２の開口部で前記半導体層と電気的に接続されたドレイン電極と、を備えることを特徴とする薄膜トランジスタ。
2. 前記基板上に前記ゲート電極と離間して形成されたキャパシタ電極とを有し、前記キャパシタ電極上の前記保護膜に第３の開口部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
3. 前記保護膜が無機材料からなる層と、該無機材料からなる層の上部に形成された有機材料からなる層とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜トランジスタ。
4. 前記半導体層が非単結晶シリコン、からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
5. 前記半導体層が有機化合物からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
6. 前記半導体層が金属酸化物からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。
7. 前記保護膜の半導体層に接する層に金属酸化物絶縁材料を用いたことを特徴とする請求項６に記載の薄膜トランジスタ。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の薄膜トランジスタと、前記ソース電極及び前記ドレイン電極上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成された前記ドレイン電極に電気的に接続された画素電極と、前記画素電極上に設けられた表示媒体と、対向電極と、備えることを特徴とする画像表示装置。
9. 前記画素表示媒体は、電気泳動方式の表示媒体、液晶表示媒体、有機ＥＬ、無機ＥＬのいずれかであることを特徴とする請求項８に記載の画素表示装置。
10. 基板上にゲート電極を形成する工程と、
    前記ゲート電極を覆うようにゲート絶縁膜を形成する工程と、
    前記ゲート絶縁膜上に半導体層を形成する工程と、
    前記半導体層の直上に離間して形成された第１の開口部および第２の開口部を有する保護膜を形成する工程と、
    前記第１の開口部で前記半導体層と電気的に接続するソース電極及び前記第２の開口部で前記半導体層と電気的に接続するドレイン電極と、を形成する工程と、有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
11. 前記保護膜を形成する工程は、
    前記半導体層上に第一の保護膜を形成する工程と、
    前記第一の保護膜上に、前記第１の開口部及び前記第２の開口部に相当する領域に開口を設けた第二の保護膜をパターン形成する工程と、
    前記第一の保護膜の前記第１の開口部及び前記第２の開口部に相当する領域を除去する工程と、を有することを特徴とする請求項１０に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
12. 前記保護膜を形成する工程の後、前記ソース電極およびドレイン電極を形成する工程の前に、半導体層に表面処理を施すことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
13. 前記表面処理がプラズマ照射であることを特徴とする請求項１２に記載の薄膜トランジスタの製造方法。