ＩＴＯ膜の形成方法及び液晶表示素子の製造方法
【目的】ＩＴＯ膜の結晶化を十分進行させ、且つＩＴＯ膜中に含まれる酸素のばらつきを無くしあるいは少なくすることができ、これによって安定した特性を有するＩＴＯ膜を形成し得るＩＴＯ膜の形成方法、及びかかるＩＴＯ膜の形成方法を適用した液晶表示装置の製造方法を提供する。
【構成】ＩＴＯ膜の形成方法は、スパッタリング法によって成膜されたＩＴＯ膜３０上に水素を含有する膜３２を形成した後、熱処理することを特徴とする。あるいは又、スパッタリング法によって成膜されたＩＴＯ膜を水素ガス雰囲気中で熱処理することを特徴とする。また、このＩＴＯ膜の形成方法を適用して液晶表示装置の画素電極を形成する。
【構成】ＩＴＯ膜の形成方法は、スパッタリング法によって成膜されたＩＴＯ膜３０上に水素を含有する膜３２を形成した後、熱処理することを特徴とする。あるいは又、スパッタリング法によって成膜されたＩＴＯ膜を水素ガス雰囲気中で熱処理することを特徴とする。また、このＩＴＯ膜の形成方法を適用して液晶表示装置の画素電極を形成する。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はＩＴＯ膜の形成方法、及び液晶表示素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】液晶表示装置の駆動電極（画素電極）には、透明電極としてＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜が使用されている。また、マルチカラー液晶表示装置の一形態においては、絶縁基板上に薄膜トランジスタが形成された基板とＩＴＯ膜から成る透明電極との間にカラーフィルターが設けられている。この形態のマルチカラー液晶表示装置は、液晶セルに印加される電圧がカラーフィルターによって電圧降下することがない、カラーフィルターが透明電極で被覆されているため液晶セルの信頼性が向上するという特徴を有する。
【０００３】通常、例えばＩＴＯ焼結体を出発原料として、基板上あるいはカラーフィルター上にＩＴＯ膜をスパッタリングする。次いで、ＩＴＯ膜をウエットエッチングすることによって透明電極を形成する。スパッタリングによるＩＴＯ膜の成膜時、基板の温度は以下の理由から制約される。
【０００４】ＩＴＯ膜をウエットエッチングすることによって透明電極を形成するが、ＩＴＯ膜成膜時の基板温度が１５０°Ｃを越えると、ＩＴＯの結晶化が急速に進むため、ＩＴＯ膜のウエットエッチングが困難になる。従って、ＩＴＯ膜成膜時の基板温度を１５０°Ｃ以下にする必要がある。
【０００５】カラーフィルター上にＩＴＯ膜を成膜する場合、染料タイプのカラーフィルターは１８０°Ｃを越えると、また、顔料タイプのカラーフィルターは２００°Ｃを越えると染料あるいは顔料が変質してしまう。従って、ＩＴＯ膜成膜時の基板温度を、カラーフィルターの染料あるいは顔料が変質しない温度以下にする必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ＩＴＯ膜の結晶化は１５０°Ｃ以上で進行する。それ故、上記のような基板温度でＩＴＯ膜を成膜した場合、ＩＴＯ膜は完全には結晶化されず一部は非晶質状態であり、ＩＴＯ膜の特性が非常に不安定となる。従って、成膜されたＩＴＯ膜に対して熱処理を行い、ＩＴＯ膜の結晶化を行っている。ところが、従来の技術においては、成膜されたＩＴＯ膜の熱処理を大気中又は窒素ガス雰囲気中で行っているため、ＩＴＯ膜に含まれている酸素のばらつきを均一化することができない。
【０００７】ＩＴＯ膜をスパッタリングによって基板上に成膜した場合、成膜されたＩＴＯ膜の特性にばらつきが生じる原因は、多量の負イオン（主に酸素イオン）が含まれるプラズマがエロージョン領域に局在しており、この負イオンがターゲット表面の電界で加速され、ターゲット電位とほぼ等しいエネルギーで基板に入射することにある。つまりエロージンの中央領域においては酸素イオンが多量に含まれ、中央領域から遠ざかる程、酸素イオンが少なくなる。この酸素イオン量のばらつきによって、ＩＴＯ膜中の酸素含有率にばらつきが生じる。その結果、ＩＴＯ膜の抵抗値が高くなり、光透過率が低くなり、あるいはこれらの値に大きなばらつきが生じる。
【０００８】従って、本発明の第１の目的は、ＩＴＯ膜の結晶化を十分進行させ、且つＩＴＯ膜中に含まれる酸素のばらつきを無くしあるいは少なくすることができ、これによって安定した特性を有するＩＴＯ膜を形成し得るＩＴＯ膜の形成方法を提供することにある。更に、本発明の第２の目的は、このようなＩＴＯ膜の形成方法を採用した液晶表示装置の製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の第１の目的は、本発明の第１の態様により、スパッタリング法によって成膜されたＩＴＯ膜上に水素を含有する膜を形成した後、熱処理することを特徴とするＩＴＯ膜の形成方法によって達成することができる。。
【００１０】水素を含有する膜は、プラズマＣＶＤ法にて形成された窒化シリコン膜（以下、ｐ−ＳｉＮ膜と略す）、アモルファスシリコン膜、ゲルマニウム膜等とすることができる。熱処理は、１５０°Ｃ乃至５００°Ｃ、より好ましくは３００°Ｃ乃至４５０°Ｃで行うことが望ましい。熱処理の温度が１５０゜Ｃ以下では、ＩＴＯ膜の結晶化が十分進行しないからであり、５００゜Ｃを越えると、ＩＴＯの結晶化及び結合速度が早くなりすぎ、そのためシート抵抗値や光透過率の制御が困難になるからである。また、熱処理の時間は、２０乃至１２０分とすることが望ましい。熱処理は、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中、水素ガス雰囲気中、真空中で行うことができる。
【００１１】更に、上記の第１の目的は、本発明の第２の態様により、スパッタリング法によって成膜されたＩＴＯ膜を水素ガス雰囲気中で熱処理することを特徴とするＩＴＯ膜の形成方法によって達成することができる。
【００１２】水素ガス雰囲気とは、水素ガス１００％雰囲気のみならず、水素ガスと他のガスの混合ガス雰囲気も含む。水素ガス雰囲気中で熱処理するとＩＴＯ膜の膜質改善が認められるが、特に効果が認められるのは水素ガスが２容積％乃至３０容積％の場合である。ガスの他の成分は、窒素やアルゴン等とすることができる。熱処理は、１５０°Ｃ乃至５００°Ｃ、より好ましくは３００°Ｃ乃至４５０°Ｃで行うことが望ましい。また、熱処理の時間は、２０乃至１２０分とすることが望ましい。
【００１３】上記の第２の目的は、本発明の第３の態様である液晶表示装置の製造方法によって達成することができる。即ち、本発明の液晶表示装置の製造方法は、マトリックス状に配列された薄膜トランジスタ、及び該薄膜トランジスタに接続された画素電極が絶縁基板上に形成された一方の基板と、対向電極を有し該一方の基板と対向して配置された他方の基板と、これらの基板に挟持された液晶層とを備えた液晶表示装置の製造方法である。そして、薄膜トランジスタが形成された前記絶縁基板上に、スパッタリング法によってＩＴＯ膜を成膜した後、ＩＴＯ膜をパターニングし、次いで、このＩＴＯ膜上に水素を含有する膜を形成した後、熱処理を行うことによって画素電極を形成することを特徴とする。
【００１４】薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴと略す）は、α−Ｓｉ ＴＦＴ、ｐ−ＳｉＴＦＴ等、如何なるタイプのＴＦＴであってもよい。液晶表示装置の動作モードは、電界によって分子配列の制御を行い得る動作モードであれば如何なる動作モードでもよく、例えば、ＴＮモード、ＳＴＮモードを例示することができる。また、液晶表示装置の表示形態は、単純マトリックス表示形あるいはアクティブマトリックス表示形とすることができる。
【００１５】スパッタリング法によってＩＴＯ膜を絶縁基板上に成膜するが、ここで、「絶縁基板上」とは、絶縁基板それ自体の上だけでなく、絶縁基板上に形成されたＴＦＴの上、絶縁基板上に形成された各種処理膜の上、カラーフィルターの上等、広くＩＴＯ膜が成膜されるべき下地の上を意味する。
【００１６】
【作用】本発明のＩＴＯ膜の形成方法あるいは液晶表示装置の製造方法においては、熱処理によって、ＩＴＯ膜の結晶化が十分に進行し、且つ結晶化の過程で水素とＩＴＯ膜中の酸素が反応する。反応は、ＩＴＯ膜の内、酸素が多量に含まれている部分では活発に進行し、酸素が少量しか含まれていない部分では逆に余り進行しない。つまり、ＩＴＯ膜の酸素含有率が均一化され、その結果、ＩＴＯ膜の抵抗値及び光透過率のばらつきが抑えられ均一化される。また、ＩＴＯ膜の結晶化は結晶核が成長していく形態であり、水素の存在下で熱処理を行うと、ＩＴＯ結晶には粒界が形成され難く、通常の大気中あるいは窒素雰囲気中での熱処理と比較して、格段にＩＴＯ膜の抵抗値を下げることができる。
【００１７】ｐ−ＳｉＮ膜中の水素含有率は２０重量％乃至２５重量％程度である。従って、ｐ−ＳｉＮ膜を使用する場合、ＩＴＯ膜中に含まれる酸素を還元するために必要とされる水素の量に制約がある。しかし水素ガス雰囲気中で熱処理を行うことにより、還元作用に必要とされる水素の量が制限されることがなく、成膜されたＩＴＯの膜質に合わせ水素の量を供給することができる。
【００１８】
【実施例】以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明する。
（実施例１）先ず、本発明の第１の態様について説明する。この第１の態様のＩＴＯ膜の形成方法は、スパッタリング法によって成膜されたＩＴＯ膜上に水素を含有する膜を形成した後、熱処理することを特徴とする。
【００１９】図１に模式的な一部断面図を示すような薄膜トランジスタを従来の方法にて形成する。図１中、１０は絶縁基板であり、１２はソース・ドレイン領域が形成されたポリシリコン層、１４はゲート電極領域、１６はアルミニウム配線層、１８はＰＳＧから成る第１の層間絶縁層、２０はＰＳＧから成る第２の層間絶縁層、２２は開口部である。次に、第２の層間絶縁層２０上及び開口部２２にスパッタリングによってＩＴＯ膜３０を形成する。ＩＴＯ膜の出発原料としてＩＴＯ焼結体を使用し、スパッタリングの条件を以下のとおりとした。
カソード電源 ： ＤＣ（ＲＦ）
パワー ： １．５ Ｗ／ｃｍ2デポジッション圧力 ： ９ ｍＴｏｒｒＡｒ／Ｏ2 ： １００／２ ｓｃｃｍこのＩＴＯ膜を液晶表示装置の駆動電極として用いるために、従来のフォトリソグラフィ法及びウエットエッチング法にてＩＴＯ膜３０をパターニングした（図１参照）。
【００２０】次に、図２に示すように、従来のプラズマＣＶＤ法にてｐ−ＳｉＮ膜から成る膜中に水素を含有する膜３２を全面に形成した後、熱処理を行う。４００゜Ｃに設定された窒素ガス雰囲気下のアニール炉に２０〜１２０分間、基板を入れることによって、熱処理を行った。こうして、絶縁基板上にＴＦＴが形成され、更にＩＴＯ膜から成る画素電極を有する基板を完成させた。尚、窒素ガスの代わりに、アルゴンガスあるいはフォーミングガスを使用することもできる。このようにして得られた試料−１のＩＴＯ膜のシート抵抗値及び光透過率を測定した。これらの値については後述する。
【００２１】（実施例２）次に、本発明の第２の態様について説明する。この第２の態様のＩＴＯ膜の形成方法は、スパッタリング法によって成膜されたＩＴＯ膜を水素ガス雰囲気中で熱処理することを特徴とする。
【００２２】図１に示した実施例１と同様の方法で薄膜トランジスタを作製し、更に、ＩＴＯ膜の形成及びパターニングを行った。この状態でＩＴＯ膜をＴＥＭ観察したところ、粒径２０〜３０ｎｍの非晶質のＩＴＯが相当数見い出された。次に、水素ガス雰囲気中で熱処理した。即ち、窒素ガス９８容積％及び水素ガス２容積％の雰囲気にある４００゜Ｃに設定したアニール炉に、３０分間基板入れることによって、熱処理を行った。熱処理後のＩＴＯ膜をＴＥＭ観察したところ、ＩＴＯの結晶が粒径約３００ｎｍの大きさに成長していた。
【００２３】（実施例３）熱処理の水素ガス雰囲気を窒素ガス９０容積％及び水素ガス１０容積％とした以外は実施例２と同様の方法で、試料−３を作製した。こうして得られた試料−２及び試料−３のＩＴＯ膜のシート抵抗値及び光透過率を測定した。これらの値については後述する。
【００２４】（実施例４）熱処理のガス雰囲気を、窒素ガス９７容積％及び水素ガス３容積％とした以外は実施例１と同様の方法で、試料−４を作製した。即ち、実施例４においては、ＩＴＯ膜上にｐ−ＳｉＮ膜が形成され、水素ガス雰囲気中で熱処理を行った。
【００２５】（比較例１）図１に示した実施例１と同様の方法で薄膜トランジスタを作製し、更に、ＩＴＯ膜の形成及びパターニングを行った。この状態の試料を比較試料−１とした。この比較試料−１は、何ら熱処理を施していない。
【００２６】（比較例２）次に、比較例１の試料を熱処理した。２００゜Ｃに設定された空気雰囲気下のアニール炉に６０分間、基板を入れるこによって熱処理を行った。こうして得られた試料を比較試料−２とし、これらの比較試料−１及び比較試料−２のＩＴＯ膜のシート抵抗値及び光透過率を測定した。
【００２７】（比較例３）図３に示すように、ＩＴＯ膜３０の成膜前にＰＳＧから成る第２の層間絶縁層２０の上にｐ−ＳｉＮ膜３２を形成すると、ｐ−ＳｉＮ膜３２の熱応力によって第２の層間絶縁層２０にクラック２４が発生した。この状態で酸処理等を行うと、クラック２４から処理液がしみ込み、アルミニウム配線層１６が断線して不良となった。
【００２８】しかしながら、実施例１にて説明した工程で処理を行えば、その後の酸処理工程がない。それ故、たとえ第２の層間絶縁層２０にクラック２４が何らかの原因で入っても、アルミニウム配線層１６が断線することなく、不良の発生を防止することができる。
【００２９】各試料のＩＴＯ膜のシート抵抗値（単位：Ω）及び光透過率（単位：％）の測定結果は以下のとおりであった。
シート抵抗値 同左 同左 同左 （平均値） （最大値） （最小値） （面内分布）
試料−１ ３０．１ ３４．０ ２８．２ ９．３ 試料−２ ３４．５ ４０．８ ３１．１ １３．５ 試料−３ ３３．８ ３７．９ ３２．０ ８．４ 試料−４ ３４．８ ４８．４ ３２．０ ２０．４ 比較試料−１ ７２．４ １９１．０ ４６．９ ６０．６ 比較試料−２ ２１１．９ ３６８．９ １２３．９ ４９．７ 光透過率（450nm） 同（550nm） 同（630nm）
試料−１ ９０．５ ９８．０ ９３．４ 試料−２ ８５．８ ９７．８ ８９．２ 試料−３ ８９．５ ９７．２ ９３．５ 試料−４ ８３．７ ９５．４ ９０．６ 比較試料−１ ６５．４ ８７．９ ８３．５ 比較試料−２ ７９．８ ８８．３ ８１．６
【００３０】上記の測定結果から、水素の存在下ＩＴＯ膜を熱処理することによって、ＩＴＯ膜の低抵抗化並びに抵抗値のばらつき減少、及び光透過特性の向上を図ることができることが判る。
【００３１】試料−１、試料−３、比較試料−１及び比較試料−２のそれぞれに関して、ＩＴＯ膜のシート抵抗値の分布を調べた。測定結果を図４に示す。図４の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）は、試料−１、試料−３、比較試料−１及び比較試料−２に対応し、図中の線は、同一シート抵抗値を示す部分を結んだ線であり、一種のシート抵抗値等高線である。図４から明らかなように、比較試料−１及び比較試料−２は、ＩＴＯ膜のシート抵抗値のばらつきが極めて大きいが、本発明の方法で形成されたＩＴＯ膜のシート抵抗値のばらつきは極めて小さい。
【００３２】ＩＴＯの結晶化は結晶核が成長していく形態であり、ＩＴＯの結晶には粒界が形成され易く、従来の大気中あるいは窒素雰囲気中での熱処理ではＩＴＯ膜の低抵抗化に限界がある。ところが、本発明においては、水素の存在下、熱処理を行うので、ＩＴＯ結晶に粒界が形成され難く、従来の方法と比較して格段にＩＴＯ膜の抵抗値を下げることができる。
【００３３】尚、水素の存在下で熱処理を行うので、ポリシリコン層１２中のダンブリングボンドを水素と結合させるための、ポリシリコン層１２の水素化を同時に進行させることができる。
【００３４】次に、本発明の第３の態様である液晶表示装置の製造方法について説明する。この液晶表示装置の製造方法は、基本的には、先に説明した本発明の第１の態様のＩＴＯ膜の形成方法を適用した液晶表示装置の製造方法である。
【００３５】図１に模式的な一部断面図を示すようなｐ−Ｓｉ ＴＦＴを、ガラスから成る絶縁基板１０の上に、マトリックス状に配列されるように従来の方法で形成した。次に、実施例１と同様の方法及び条件で、第２の層間絶縁層２０上、開口部２２及びＴＦＴが形成されたいない絶縁基板１０の上にスパッタリングによってＩＴＯ膜３０を形成した。このＩＴＯ膜を液晶表示装置の駆動電極として用いるために、従来のフォトリソグラフィ法及びウエットエッチング法にてＩＴＯ膜３０をパターニングした（図１参照）。尚、図１においては、ＴＦＴが形成されていない絶縁基板上のＩＴＯ膜の図示は省略した。
【００３６】次に、図２に示すように、従来のプラズマＣＶＤ法にてｐ−ＳｉＮ膜から成る膜中に水素を含有する膜３２を全面に形成した後、熱処理を行った。４００゜Ｃに設定され窒素ガス雰囲気下のアニール炉に３０分間基板を入れることによって、熱処理を行った。こうして、図５に模式的な一部断面図を示すように、絶縁基板１０上にＴＦＴ４２が形成され、更にＴＦＴ４２に接続された画素電極４４が形成された基板４０（以下、一方の基板という）を完成させた。
【００３７】一方、従来の方法、あるいは上述した本発明の第１の態様によるＩＴＯ膜の形成方法によって絶縁基板５２上にＩＴＯ膜を形成し、従来の方法でこのＩＴＯ膜をパターニングして、対向電極を形成した。こうして、対向電極５４を有する基板５０（以下、他方の基板という）を完成させた。
【００３８】一方の基板４０の画素電極４４が設けられた側の表面、及び他方の基板５０の対向電極５４が設けられた側の表面のそれぞれの全面に配向膜４６，５６を形成した。そして、これらの基板４０，５０の間に形成された間隙に液晶層６０を挟持し、基板４０，５０の外側表面に偏光板４８，５８を配設して、液晶表示装置を完成させた。
【００３９】以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。ＩＴＯ膜を形成するための下地となる構造は、薄膜トランジスタに限定されるものではなく、カラーフィルターとすることもできる。薄膜トランジスタの構造及び構成材料も、先に説明したもの以外にも適宜選択することができる。
【００４０】マトリックス状に配列された薄膜トランジスタ、及び薄膜トランジスタに接続された画素電極が絶縁基板上に形成された一方の基板と、対向電極を有し一方の基板と対向して配置された他方の基板と、これらの基板に挟持された液晶層とを備えた液晶表示装置の製造に、本発明の第２の態様であるＩＴＯ膜の形成方法を適用する場合には、薄膜トランジスタが形成された絶縁基板上に、スパッタリング法によってＩＴＯ膜を成膜した後、ＩＴＯ膜をパターニングし、次いで、このＩＴＯ膜を水素ガス雰囲気中で熱処理することによって画素電極を形成することができる。
【００４１】
【発明の効果】本発明のＩＴＯ膜の形成方法においては、水素が存在する状態でＩＴＯ膜を熱処理する。従って、ＩＴＯ膜の結晶化が十分進行し、しかも結晶の粒界が形成され難い。また、水素はＩＴＯ膜中の酸素と結合する。これによって、ＩＴＯ膜の成膜条件に左右されることなく、ＩＴＯ膜における酸素含有率を均一化することができ、ＩＴＯ膜の低抵抗化並びに抵抗値のばらつき減少、及び高い光透過率を得ることができる。また、水素の量を制御することで、ＩＴＯ膜の抵抗値及び光透過率を制御することができる。
【００４２】液晶表示装置用の薄膜トランジスタの製造工程においては、ソース・ドレイン領域のポリシリコン層の水素化と同時にＩＴＯ膜の結晶化を図ることができ、製造工程の削減ができる。また、アルミニウム配線層の断線不良を減少させることができる。更に、水素ガスの還元作用によりポリシリコン層とＩＴＯ膜のコンタクトが良好になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＩＴＯ膜の形成方法の工程を説明するための、薄膜トランジスタの模式的な一部断面図である。
【図２】図１に続く工程を説明するための、薄膜トランジスタの模式的な一部断面図である。
【図３】ＩＴＯ膜の形成方法の比較例を説明するための、薄膜トランジスタの模式的な一部断面図である。
【図４】本発明の方法で形成された試料及び比較試料のＩＴＯ膜のシート抵抗値のばらつきを示す図である。
【図５】本発明の液晶表示装置の製造方法によって製造された液晶表示装置の一部断面図である。
【符号の説明】
１０ 絶縁基板
１２ ポリシリコン層
１４ ゲート電極領域
１６ アルミニウム配線層
１８ 第１の層間絶縁層
２０ 第２の層間絶縁層
２２ 開口部
２４ クラック
３０ ＩＴＯ膜
３２ ｐ−ＳｉＮ膜
４０ 一方の基板
４２ ＴＦＴ
４４ 画素電極
５０ 他方の基板
５２ 絶縁基板
５４ 対向電極
４８，５８ 偏光板
６０ 液晶層
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はＩＴＯ膜の形成方法、及び液晶表示素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】液晶表示装置の駆動電極（画素電極）には、透明電極としてＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜が使用されている。また、マルチカラー液晶表示装置の一形態においては、絶縁基板上に薄膜トランジスタが形成された基板とＩＴＯ膜から成る透明電極との間にカラーフィルターが設けられている。この形態のマルチカラー液晶表示装置は、液晶セルに印加される電圧がカラーフィルターによって電圧降下することがない、カラーフィルターが透明電極で被覆されているため液晶セルの信頼性が向上するという特徴を有する。
【０００３】通常、例えばＩＴＯ焼結体を出発原料として、基板上あるいはカラーフィルター上にＩＴＯ膜をスパッタリングする。次いで、ＩＴＯ膜をウエットエッチングすることによって透明電極を形成する。スパッタリングによるＩＴＯ膜の成膜時、基板の温度は以下の理由から制約される。
【０００４】ＩＴＯ膜をウエットエッチングすることによって透明電極を形成するが、ＩＴＯ膜成膜時の基板温度が１５０°Ｃを越えると、ＩＴＯの結晶化が急速に進むため、ＩＴＯ膜のウエットエッチングが困難になる。従って、ＩＴＯ膜成膜時の基板温度を１５０°Ｃ以下にする必要がある。
【０００５】カラーフィルター上にＩＴＯ膜を成膜する場合、染料タイプのカラーフィルターは１８０°Ｃを越えると、また、顔料タイプのカラーフィルターは２００°Ｃを越えると染料あるいは顔料が変質してしまう。従って、ＩＴＯ膜成膜時の基板温度を、カラーフィルターの染料あるいは顔料が変質しない温度以下にする必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ＩＴＯ膜の結晶化は１５０°Ｃ以上で進行する。それ故、上記のような基板温度でＩＴＯ膜を成膜した場合、ＩＴＯ膜は完全には結晶化されず一部は非晶質状態であり、ＩＴＯ膜の特性が非常に不安定となる。従って、成膜されたＩＴＯ膜に対して熱処理を行い、ＩＴＯ膜の結晶化を行っている。ところが、従来の技術においては、成膜されたＩＴＯ膜の熱処理を大気中又は窒素ガス雰囲気中で行っているため、ＩＴＯ膜に含まれている酸素のばらつきを均一化することができない。
【０００７】ＩＴＯ膜をスパッタリングによって基板上に成膜した場合、成膜されたＩＴＯ膜の特性にばらつきが生じる原因は、多量の負イオン（主に酸素イオン）が含まれるプラズマがエロージョン領域に局在しており、この負イオンがターゲット表面の電界で加速され、ターゲット電位とほぼ等しいエネルギーで基板に入射することにある。つまりエロージンの中央領域においては酸素イオンが多量に含まれ、中央領域から遠ざかる程、酸素イオンが少なくなる。この酸素イオン量のばらつきによって、ＩＴＯ膜中の酸素含有率にばらつきが生じる。その結果、ＩＴＯ膜の抵抗値が高くなり、光透過率が低くなり、あるいはこれらの値に大きなばらつきが生じる。
【０００８】従って、本発明の第１の目的は、ＩＴＯ膜の結晶化を十分進行させ、且つＩＴＯ膜中に含まれる酸素のばらつきを無くしあるいは少なくすることができ、これによって安定した特性を有するＩＴＯ膜を形成し得るＩＴＯ膜の形成方法を提供することにある。更に、本発明の第２の目的は、このようなＩＴＯ膜の形成方法を採用した液晶表示装置の製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の第１の目的は、本発明の第１の態様により、スパッタリング法によって成膜されたＩＴＯ膜上に水素を含有する膜を形成した後、熱処理することを特徴とするＩＴＯ膜の形成方法によって達成することができる。。
【００１０】水素を含有する膜は、プラズマＣＶＤ法にて形成された窒化シリコン膜（以下、ｐ−ＳｉＮ膜と略す）、アモルファスシリコン膜、ゲルマニウム膜等とすることができる。熱処理は、１５０°Ｃ乃至５００°Ｃ、より好ましくは３００°Ｃ乃至４５０°Ｃで行うことが望ましい。熱処理の温度が１５０゜Ｃ以下では、ＩＴＯ膜の結晶化が十分進行しないからであり、５００゜Ｃを越えると、ＩＴＯの結晶化及び結合速度が早くなりすぎ、そのためシート抵抗値や光透過率の制御が困難になるからである。また、熱処理の時間は、２０乃至１２０分とすることが望ましい。熱処理は、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中、水素ガス雰囲気中、真空中で行うことができる。
【００１１】更に、上記の第１の目的は、本発明の第２の態様により、スパッタリング法によって成膜されたＩＴＯ膜を水素ガス雰囲気中で熱処理することを特徴とするＩＴＯ膜の形成方法によって達成することができる。
【００１２】水素ガス雰囲気とは、水素ガス１００％雰囲気のみならず、水素ガスと他のガスの混合ガス雰囲気も含む。水素ガス雰囲気中で熱処理するとＩＴＯ膜の膜質改善が認められるが、特に効果が認められるのは水素ガスが２容積％乃至３０容積％の場合である。ガスの他の成分は、窒素やアルゴン等とすることができる。熱処理は、１５０°Ｃ乃至５００°Ｃ、より好ましくは３００°Ｃ乃至４５０°Ｃで行うことが望ましい。また、熱処理の時間は、２０乃至１２０分とすることが望ましい。
【００１３】上記の第２の目的は、本発明の第３の態様である液晶表示装置の製造方法によって達成することができる。即ち、本発明の液晶表示装置の製造方法は、マトリックス状に配列された薄膜トランジスタ、及び該薄膜トランジスタに接続された画素電極が絶縁基板上に形成された一方の基板と、対向電極を有し該一方の基板と対向して配置された他方の基板と、これらの基板に挟持された液晶層とを備えた液晶表示装置の製造方法である。そして、薄膜トランジスタが形成された前記絶縁基板上に、スパッタリング法によってＩＴＯ膜を成膜した後、ＩＴＯ膜をパターニングし、次いで、このＩＴＯ膜上に水素を含有する膜を形成した後、熱処理を行うことによって画素電極を形成することを特徴とする。
【００１４】薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴと略す）は、α−Ｓｉ ＴＦＴ、ｐ−ＳｉＴＦＴ等、如何なるタイプのＴＦＴであってもよい。液晶表示装置の動作モードは、電界によって分子配列の制御を行い得る動作モードであれば如何なる動作モードでもよく、例えば、ＴＮモード、ＳＴＮモードを例示することができる。また、液晶表示装置の表示形態は、単純マトリックス表示形あるいはアクティブマトリックス表示形とすることができる。
【００１５】スパッタリング法によってＩＴＯ膜を絶縁基板上に成膜するが、ここで、「絶縁基板上」とは、絶縁基板それ自体の上だけでなく、絶縁基板上に形成されたＴＦＴの上、絶縁基板上に形成された各種処理膜の上、カラーフィルターの上等、広くＩＴＯ膜が成膜されるべき下地の上を意味する。
【００１６】
【作用】本発明のＩＴＯ膜の形成方法あるいは液晶表示装置の製造方法においては、熱処理によって、ＩＴＯ膜の結晶化が十分に進行し、且つ結晶化の過程で水素とＩＴＯ膜中の酸素が反応する。反応は、ＩＴＯ膜の内、酸素が多量に含まれている部分では活発に進行し、酸素が少量しか含まれていない部分では逆に余り進行しない。つまり、ＩＴＯ膜の酸素含有率が均一化され、その結果、ＩＴＯ膜の抵抗値及び光透過率のばらつきが抑えられ均一化される。また、ＩＴＯ膜の結晶化は結晶核が成長していく形態であり、水素の存在下で熱処理を行うと、ＩＴＯ結晶には粒界が形成され難く、通常の大気中あるいは窒素雰囲気中での熱処理と比較して、格段にＩＴＯ膜の抵抗値を下げることができる。
【００１７】ｐ−ＳｉＮ膜中の水素含有率は２０重量％乃至２５重量％程度である。従って、ｐ−ＳｉＮ膜を使用する場合、ＩＴＯ膜中に含まれる酸素を還元するために必要とされる水素の量に制約がある。しかし水素ガス雰囲気中で熱処理を行うことにより、還元作用に必要とされる水素の量が制限されることがなく、成膜されたＩＴＯの膜質に合わせ水素の量を供給することができる。
【００１８】
【実施例】以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明する。
（実施例１）先ず、本発明の第１の態様について説明する。この第１の態様のＩＴＯ膜の形成方法は、スパッタリング法によって成膜されたＩＴＯ膜上に水素を含有する膜を形成した後、熱処理することを特徴とする。
【００１９】図１に模式的な一部断面図を示すような薄膜トランジスタを従来の方法にて形成する。図１中、１０は絶縁基板であり、１２はソース・ドレイン領域が形成されたポリシリコン層、１４はゲート電極領域、１６はアルミニウム配線層、１８はＰＳＧから成る第１の層間絶縁層、２０はＰＳＧから成る第２の層間絶縁層、２２は開口部である。次に、第２の層間絶縁層２０上及び開口部２２にスパッタリングによってＩＴＯ膜３０を形成する。ＩＴＯ膜の出発原料としてＩＴＯ焼結体を使用し、スパッタリングの条件を以下のとおりとした。
カソード電源 ： ＤＣ（ＲＦ）
パワー ： １．５ Ｗ／ｃｍ2デポジッション圧力 ： ９ ｍＴｏｒｒＡｒ／Ｏ2 ： １００／２ ｓｃｃｍこのＩＴＯ膜を液晶表示装置の駆動電極として用いるために、従来のフォトリソグラフィ法及びウエットエッチング法にてＩＴＯ膜３０をパターニングした（図１参照）。
【００２０】次に、図２に示すように、従来のプラズマＣＶＤ法にてｐ−ＳｉＮ膜から成る膜中に水素を含有する膜３２を全面に形成した後、熱処理を行う。４００゜Ｃに設定された窒素ガス雰囲気下のアニール炉に２０〜１２０分間、基板を入れることによって、熱処理を行った。こうして、絶縁基板上にＴＦＴが形成され、更にＩＴＯ膜から成る画素電極を有する基板を完成させた。尚、窒素ガスの代わりに、アルゴンガスあるいはフォーミングガスを使用することもできる。このようにして得られた試料−１のＩＴＯ膜のシート抵抗値及び光透過率を測定した。これらの値については後述する。
【００２１】（実施例２）次に、本発明の第２の態様について説明する。この第２の態様のＩＴＯ膜の形成方法は、スパッタリング法によって成膜されたＩＴＯ膜を水素ガス雰囲気中で熱処理することを特徴とする。
【００２２】図１に示した実施例１と同様の方法で薄膜トランジスタを作製し、更に、ＩＴＯ膜の形成及びパターニングを行った。この状態でＩＴＯ膜をＴＥＭ観察したところ、粒径２０〜３０ｎｍの非晶質のＩＴＯが相当数見い出された。次に、水素ガス雰囲気中で熱処理した。即ち、窒素ガス９８容積％及び水素ガス２容積％の雰囲気にある４００゜Ｃに設定したアニール炉に、３０分間基板入れることによって、熱処理を行った。熱処理後のＩＴＯ膜をＴＥＭ観察したところ、ＩＴＯの結晶が粒径約３００ｎｍの大きさに成長していた。
【００２３】（実施例３）熱処理の水素ガス雰囲気を窒素ガス９０容積％及び水素ガス１０容積％とした以外は実施例２と同様の方法で、試料−３を作製した。こうして得られた試料−２及び試料−３のＩＴＯ膜のシート抵抗値及び光透過率を測定した。これらの値については後述する。
【００２４】（実施例４）熱処理のガス雰囲気を、窒素ガス９７容積％及び水素ガス３容積％とした以外は実施例１と同様の方法で、試料−４を作製した。即ち、実施例４においては、ＩＴＯ膜上にｐ−ＳｉＮ膜が形成され、水素ガス雰囲気中で熱処理を行った。
【００２５】（比較例１）図１に示した実施例１と同様の方法で薄膜トランジスタを作製し、更に、ＩＴＯ膜の形成及びパターニングを行った。この状態の試料を比較試料−１とした。この比較試料−１は、何ら熱処理を施していない。
【００２６】（比較例２）次に、比較例１の試料を熱処理した。２００゜Ｃに設定された空気雰囲気下のアニール炉に６０分間、基板を入れるこによって熱処理を行った。こうして得られた試料を比較試料−２とし、これらの比較試料−１及び比較試料−２のＩＴＯ膜のシート抵抗値及び光透過率を測定した。
【００２７】（比較例３）図３に示すように、ＩＴＯ膜３０の成膜前にＰＳＧから成る第２の層間絶縁層２０の上にｐ−ＳｉＮ膜３２を形成すると、ｐ−ＳｉＮ膜３２の熱応力によって第２の層間絶縁層２０にクラック２４が発生した。この状態で酸処理等を行うと、クラック２４から処理液がしみ込み、アルミニウム配線層１６が断線して不良となった。
【００２８】しかしながら、実施例１にて説明した工程で処理を行えば、その後の酸処理工程がない。それ故、たとえ第２の層間絶縁層２０にクラック２４が何らかの原因で入っても、アルミニウム配線層１６が断線することなく、不良の発生を防止することができる。
【００２９】各試料のＩＴＯ膜のシート抵抗値（単位：Ω）及び光透過率（単位：％）の測定結果は以下のとおりであった。
シート抵抗値 同左 同左 同左 （平均値） （最大値） （最小値） （面内分布）
試料−１ ３０．１ ３４．０ ２８．２ ９．３ 試料−２ ３４．５ ４０．８ ３１．１ １３．５ 試料−３ ３３．８ ３７．９ ３２．０ ８．４ 試料−４ ３４．８ ４８．４ ３２．０ ２０．４ 比較試料−１ ７２．４ １９１．０ ４６．９ ６０．６ 比較試料−２ ２１１．９ ３６８．９ １２３．９ ４９．７ 光透過率（450nm） 同（550nm） 同（630nm）
試料−１ ９０．５ ９８．０ ９３．４ 試料−２ ８５．８ ９７．８ ８９．２ 試料−３ ８９．５ ９７．２ ９３．５ 試料−４ ８３．７ ９５．４ ９０．６ 比較試料−１ ６５．４ ８７．９ ８３．５ 比較試料−２ ７９．８ ８８．３ ８１．６
【００３０】上記の測定結果から、水素の存在下ＩＴＯ膜を熱処理することによって、ＩＴＯ膜の低抵抗化並びに抵抗値のばらつき減少、及び光透過特性の向上を図ることができることが判る。
【００３１】試料−１、試料−３、比較試料−１及び比較試料−２のそれぞれに関して、ＩＴＯ膜のシート抵抗値の分布を調べた。測定結果を図４に示す。図４の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）は、試料−１、試料−３、比較試料−１及び比較試料−２に対応し、図中の線は、同一シート抵抗値を示す部分を結んだ線であり、一種のシート抵抗値等高線である。図４から明らかなように、比較試料−１及び比較試料−２は、ＩＴＯ膜のシート抵抗値のばらつきが極めて大きいが、本発明の方法で形成されたＩＴＯ膜のシート抵抗値のばらつきは極めて小さい。
【００３２】ＩＴＯの結晶化は結晶核が成長していく形態であり、ＩＴＯの結晶には粒界が形成され易く、従来の大気中あるいは窒素雰囲気中での熱処理ではＩＴＯ膜の低抵抗化に限界がある。ところが、本発明においては、水素の存在下、熱処理を行うので、ＩＴＯ結晶に粒界が形成され難く、従来の方法と比較して格段にＩＴＯ膜の抵抗値を下げることができる。
【００３３】尚、水素の存在下で熱処理を行うので、ポリシリコン層１２中のダンブリングボンドを水素と結合させるための、ポリシリコン層１２の水素化を同時に進行させることができる。
【００３４】次に、本発明の第３の態様である液晶表示装置の製造方法について説明する。この液晶表示装置の製造方法は、基本的には、先に説明した本発明の第１の態様のＩＴＯ膜の形成方法を適用した液晶表示装置の製造方法である。
【００３５】図１に模式的な一部断面図を示すようなｐ−Ｓｉ ＴＦＴを、ガラスから成る絶縁基板１０の上に、マトリックス状に配列されるように従来の方法で形成した。次に、実施例１と同様の方法及び条件で、第２の層間絶縁層２０上、開口部２２及びＴＦＴが形成されたいない絶縁基板１０の上にスパッタリングによってＩＴＯ膜３０を形成した。このＩＴＯ膜を液晶表示装置の駆動電極として用いるために、従来のフォトリソグラフィ法及びウエットエッチング法にてＩＴＯ膜３０をパターニングした（図１参照）。尚、図１においては、ＴＦＴが形成されていない絶縁基板上のＩＴＯ膜の図示は省略した。
【００３６】次に、図２に示すように、従来のプラズマＣＶＤ法にてｐ−ＳｉＮ膜から成る膜中に水素を含有する膜３２を全面に形成した後、熱処理を行った。４００゜Ｃに設定され窒素ガス雰囲気下のアニール炉に３０分間基板を入れることによって、熱処理を行った。こうして、図５に模式的な一部断面図を示すように、絶縁基板１０上にＴＦＴ４２が形成され、更にＴＦＴ４２に接続された画素電極４４が形成された基板４０（以下、一方の基板という）を完成させた。
【００３７】一方、従来の方法、あるいは上述した本発明の第１の態様によるＩＴＯ膜の形成方法によって絶縁基板５２上にＩＴＯ膜を形成し、従来の方法でこのＩＴＯ膜をパターニングして、対向電極を形成した。こうして、対向電極５４を有する基板５０（以下、他方の基板という）を完成させた。
【００３８】一方の基板４０の画素電極４４が設けられた側の表面、及び他方の基板５０の対向電極５４が設けられた側の表面のそれぞれの全面に配向膜４６，５６を形成した。そして、これらの基板４０，５０の間に形成された間隙に液晶層６０を挟持し、基板４０，５０の外側表面に偏光板４８，５８を配設して、液晶表示装置を完成させた。
【００３９】以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。ＩＴＯ膜を形成するための下地となる構造は、薄膜トランジスタに限定されるものではなく、カラーフィルターとすることもできる。薄膜トランジスタの構造及び構成材料も、先に説明したもの以外にも適宜選択することができる。
【００４０】マトリックス状に配列された薄膜トランジスタ、及び薄膜トランジスタに接続された画素電極が絶縁基板上に形成された一方の基板と、対向電極を有し一方の基板と対向して配置された他方の基板と、これらの基板に挟持された液晶層とを備えた液晶表示装置の製造に、本発明の第２の態様であるＩＴＯ膜の形成方法を適用する場合には、薄膜トランジスタが形成された絶縁基板上に、スパッタリング法によってＩＴＯ膜を成膜した後、ＩＴＯ膜をパターニングし、次いで、このＩＴＯ膜を水素ガス雰囲気中で熱処理することによって画素電極を形成することができる。
【００４１】
【発明の効果】本発明のＩＴＯ膜の形成方法においては、水素が存在する状態でＩＴＯ膜を熱処理する。従って、ＩＴＯ膜の結晶化が十分進行し、しかも結晶の粒界が形成され難い。また、水素はＩＴＯ膜中の酸素と結合する。これによって、ＩＴＯ膜の成膜条件に左右されることなく、ＩＴＯ膜における酸素含有率を均一化することができ、ＩＴＯ膜の低抵抗化並びに抵抗値のばらつき減少、及び高い光透過率を得ることができる。また、水素の量を制御することで、ＩＴＯ膜の抵抗値及び光透過率を制御することができる。
【００４２】液晶表示装置用の薄膜トランジスタの製造工程においては、ソース・ドレイン領域のポリシリコン層の水素化と同時にＩＴＯ膜の結晶化を図ることができ、製造工程の削減ができる。また、アルミニウム配線層の断線不良を減少させることができる。更に、水素ガスの還元作用によりポリシリコン層とＩＴＯ膜のコンタクトが良好になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＩＴＯ膜の形成方法の工程を説明するための、薄膜トランジスタの模式的な一部断面図である。
【図２】図１に続く工程を説明するための、薄膜トランジスタの模式的な一部断面図である。
【図３】ＩＴＯ膜の形成方法の比較例を説明するための、薄膜トランジスタの模式的な一部断面図である。
【図４】本発明の方法で形成された試料及び比較試料のＩＴＯ膜のシート抵抗値のばらつきを示す図である。
【図５】本発明の液晶表示装置の製造方法によって製造された液晶表示装置の一部断面図である。
【符号の説明】
１０ 絶縁基板
１２ ポリシリコン層
１４ ゲート電極領域
１６ アルミニウム配線層
１８ 第１の層間絶縁層
２０ 第２の層間絶縁層
２２ 開口部
２４ クラック
３０ ＩＴＯ膜
３２ ｐ−ＳｉＮ膜
４０ 一方の基板
４２ ＴＦＴ
４４ 画素電極
５０ 他方の基板
５２ 絶縁基板
５４ 対向電極
４８，５８ 偏光板
６０ 液晶層
【特許請求の範囲】
【請求項１】スパッタリング法によって成膜されたＩＴＯ膜上に水素を含有する膜を形成した後、熱処理することを特徴とするＩＴＯ膜の形成方法。
【請求項２】スパッタリング法によって成膜されたＩＴＯ膜を水素ガス雰囲気中で熱処理することを特徴とするＩＴＯ膜の形成方法。
【請求項３】マトリックス状に配列された薄膜トランジスタ、及び該薄膜トランジスタに接続された画素電極が絶縁基板上に形成された一方の基板と、対向電極を有し該一方の基板と対向して配置された他方の基板と、これらの基板に挟持された液晶層とを備えた液晶表示装置の製造方法であって、薄膜トランジスタが形成された前記絶縁基板上に、スパッタリング法によってＩＴＯ膜を成膜した後、ＩＴＯ膜をパターニングし、次いで、このＩＴＯ膜上に水素を含有する膜を形成した後、熱処理を行うことによって画素電極を形成することを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
【請求項１】スパッタリング法によって成膜されたＩＴＯ膜上に水素を含有する膜を形成した後、熱処理することを特徴とするＩＴＯ膜の形成方法。
【請求項２】スパッタリング法によって成膜されたＩＴＯ膜を水素ガス雰囲気中で熱処理することを特徴とするＩＴＯ膜の形成方法。
【請求項３】マトリックス状に配列された薄膜トランジスタ、及び該薄膜トランジスタに接続された画素電極が絶縁基板上に形成された一方の基板と、対向電極を有し該一方の基板と対向して配置された他方の基板と、これらの基板に挟持された液晶層とを備えた液晶表示装置の製造方法であって、薄膜トランジスタが形成された前記絶縁基板上に、スパッタリング法によってＩＴＯ膜を成膜した後、ＩＴＯ膜をパターニングし、次いで、このＩＴＯ膜上に水素を含有する膜を形成した後、熱処理を行うことによって画素電極を形成することを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開平５−２４２７４５
【公開日】平成５年（１９９３）９月２１日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平４−７５８３２
【出願日】平成４年（１９９２）２月２８日
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【公開日】平成５年（１９９３）９月２１日
【国際特許分類】
【出願日】平成４年（１９９２）２月２８日
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
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