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JPH04356025A - Thin film two-terminal element - Google Patents

Thin film two-terminal element

Info

Publication number
JPH04356025A
JPH04356025A JP3089641A JP8964191A JPH04356025A JP H04356025 A JPH04356025 A JP H04356025A JP 3089641 A JP3089641 A JP 3089641A JP 8964191 A JP8964191 A JP 8964191A JP H04356025 A JPH04356025 A JP H04356025A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
hard carbon
elements
thin film
mim
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP3089641A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hitoshi Kondo
均 近藤
Hidekazu Ota
英一 太田
Yuji Kimura
裕治 木村
Masayoshi Takahashi
高橋 正悦
Kenji Kameyama
健司 亀山
Katsuyuki Yamada
勝幸 山田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2122646A external-priority patent/JPH0418526A/en
Application filed by Ricoh Co Ltd filed Critical Ricoh Co Ltd
Priority to JP3089641A priority Critical patent/JPH04356025A/en
Publication of JPH04356025A publication Critical patent/JPH04356025A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Liquid Crystal (AREA)

Abstract

PURPOSE:To provide an MIM element suitable for a halftone display device having 4 or more levels of gradation. CONSTITUTION:This MIM element consists of a metal-hard carbon film-metal material and has the relation between kappa and beta in formula I=kappaexp(betaV<1/2>) within the range defined by the following four lines of lnkappa=-2.8beta-22.5...(A), lnkappa=-2.0beta-22.0...(B), lnkappa=0.5beta-27.0...(a), and lnkappa=0.5beta-41.5...(b).

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【技術分野】本発明は、改良された薄膜二端子素子、す
なわちMIM素子に関する。
TECHNICAL FIELD This invention relates to improved thin film two-terminal devices, or MIM devices.

【0002】0002

【従来技術】従来、導体−絶縁膜−導体(MIM)素子
としてはガラス板のような絶縁基板上に下部電極として
Ta,Al,Ti等の金属電極を設け、その上に前記金
属の酸化物、又はSiOx,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Al,Cr等の金
属電極を設けたものが知られている。しかし絶縁膜に金
属酸化物を用いたMIM素子(特開昭57−19658
9号、同61−232689号、同62−62333号
等)の場合、絶縁膜は下部金属電極の陽極酸化又は熱酸
化により形成するため、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
実にするため、高温熱処理が必要)、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
化物の結晶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MIM素子を組込んだ
装置、例えば液晶表示装置等からの仕様を十分に満たす
デバイスを設計、作製することが不可能であることを意
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)及び電圧(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I(−)/I(+)〕のバラツキが
大きくなるという問題も生じる。その他、MIM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/MIM容量比は10以上が必要なので、MIM容
量は小さい方が望ましいが、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、従って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SiOxやSiNxを用いたMIM
素子(特開昭61−260219号)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成する際に気相でダストが
多く発生し、膜のピンホールが多いため素子の歩留まり
が低下する。あるいは膜のストレスが大きく膜剥離がお
こり、この点からも素子の歩留まりが低下する。また本
発明者らは先に絶縁膜として硬質炭素膜(i型カーボン
)を使用したMIM素子を提案したが、絶縁膜の厚さは
20〜100Åと薄いものである。この絶縁膜の場合、
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、歩留まり(欠陥率)、素子特性の均一性、閾値電圧
の点から膜厚は厚い方が望ましい。
[Prior Art] Conventionally, a conductor-insulating film-conductor (MIM) element has a metal electrode such as Ta, Al, Ti, etc. provided as a lower electrode on an insulating substrate such as a glass plate, and an oxide of the metal Alternatively, an insulating film made of SiOx, SiNx, etc. is provided, and a metal electrode such as Al, Cr, etc. is provided thereon as an upper electrode. However, MIM elements using metal oxide as an insulating film (Japanese Patent Laid-Open No. 57-19658
No. 9, No. 61-232689, No. 62-62333, etc.), the insulating film is formed by anodic oxidation or thermal oxidation of the lower metal electrode, so the process is complicated and requires high-temperature heat treatment (anode Even with the oxidation method, high-temperature heat treatment is required to ensure the removal of impurities, etc.), film controllability (uniformity and reproducibility of film quality and film thickness) is poor, the substrate is limited to heat-resistant materials, and insulation Since the film is made of metal oxide crystals with fixed physical properties, the device material and device characteristics cannot be freely changed, and the degree of freedom in design is limited. This means that it is impossible to design and manufacture a device incorporating an MIM element, such as a liquid crystal display device, that fully satisfies the specifications. In addition, if film controllability is poor in this way, the current (I) and voltage (V) characteristics as element characteristics, especially the symmetry of the IV characteristics and IV characteristics [current at positive bias and negative bias A problem also arises in that the variation in the ratio I(-)/I(+) becomes large. In addition, when using an MIM element for a liquid crystal display (LCD), the liquid crystal capacitance/MIM capacitance ratio needs to be 10 or more, so it is desirable that the MIM capacitance is smaller, but in the case of metal oxide films, the dielectric constant Since it is large, the element capacitance also becomes large, which requires microfabrication to reduce the element capacitance and therefore the element area. In this case, there is also the problem that the insulating film is mechanically damaged during the rubbing process or the like during the filling of the liquid crystal material, resulting in a reduction in yield in combination with microfabrication. On the other hand, MIM using SiOx or SiNx as an insulating film
In the case of the device (Japanese Unexamined Patent Publication No. 61-260219), the insulating film is formed by a gas phase method such as plasma CVD or sputtering, but since the substrate temperature usually needs to be around 300°C, low-cost substrates are not suitable. Moreover, when increasing the area, the film thickness and quality tend to become non-uniform due to the substrate temperature distribution. Further, when these insulating films are synthesized, a lot of dust is generated in the gas phase, and the film has many pinholes, which reduces the yield of devices. Alternatively, the stress on the film is so great that film peeling occurs, which also reduces the yield of the device. Further, the present inventors have previously proposed an MIM element using a hard carbon film (i-type carbon) as an insulating film, but the thickness of the insulating film is as thin as 20 to 100 Å. In the case of this insulating film,
The conduction mechanism is tunnel conduction, and it is rather suitable for applications as ultra-thin film devices such as high-speed switches and tunnel light emission. However, when applied to liquid crystal display devices and the like, it is desirable that the film be thicker in terms of breakdown voltage, yield (defect rate), uniformity of device characteristics, and threshold voltage.

【0003】0003

【目的】本発明の目的は、4階調以上の中間調表示に適
したMIM素子を提供する点にある。本発明の他の目的
は比較的低温でしかも簡単な工程で形成でき、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
)を使用することにより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、また閥値電圧
、耐圧に優れ、歩留りの良いMIM素子を提供すること
にある。
[Object] An object of the present invention is to provide an MIM element suitable for displaying intermediate gradations of four or more gradations. Another object of the present invention is to use a low dielectric constant insulating film (hard carbon film) that can be formed at a relatively low temperature and in a simple process and has excellent film controllability and mechanical strength, so that it can be used in a wide range of device designs. It is an object of the present invention to provide an MIM element which is capable of the above, has little variation in element characteristics, is excellent in threshold voltage and withstand voltage, and has a high yield.

【0004】0004

【構成】本発明の薄膜二端子素子は上部導体および下部
導体間に介在させた絶縁膜が硬質炭素膜であり、かつ電
流(I)−電圧(V)特性が、
[Structure] In the thin film two-terminal device of the present invention, the insulating film interposed between the upper conductor and the lower conductor is a hard carbon film, and the current (I)-voltage (V) characteristics are as follows.

【数2】 で近似される薄膜二端子素子であって、κとβの関係が
式 ln κ=−2.8β−22.5     …(A)l
n κ=−2.0β−22.0     …(B)ln
 κ=  0.5β−27.0     …(a)ln
 κ=  0.5β−41.5     …(b)で示
される線で囲まれた範囲内のものであることを特徴とし
ている。
It is a thin film two-terminal device approximated by [Equation 2], and the relationship between κ and β is expressed by the formula ln κ=-2.8β-22.5...(A)l
nκ=-2.0β-22.0...(B)ln
κ=0.5β-27.0...(a)ln
κ=0.5β-41.5...It is characterized by being within the range surrounded by the line shown in (b).

【0005】本発明のMIM素子の電流−電圧特性は図
4のように示され、近似的には以下に示すような伝導式
で表わされる。
The current-voltage characteristics of the MIM element of the present invention are shown in FIG. 4, and are approximately expressed by the conduction equation shown below.

【数3】 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:キャリヤ密度  μ:キャリヤモビリティ  q:
電子の電荷量 Φ:トラップ深さ  ρ:比抵抗  d:硬質炭素の膜
厚(Å)k:ボルツマン定数  T:雰囲気温度  ε
1:硬質炭素の誘電率 ε2:真空誘電率
[Equation 3] I: Current V: Applied voltage κ: Conductivity coefficient β: Poole-Frenkel coefficient n: Carrier density μ: Carrier mobility q:
Electron charge Φ: Trap depth ρ: Specific resistance d: Hard carbon film thickness (Å) k: Boltzmann constant T: Ambient temperature ε
1: Dielectric constant of hard carbon ε2: Vacuum dielectric constant

【0006】本発明の薄膜二端素子と液晶とは等価回路
的に図1に示すごとく接続されている。両端に印加され
る電圧パルスは図8に示される。Vsは走査信号、Vd
はデータ信号でパルス幅が中間調(ここでは4階調)に
対応して(イ)〜(ニ)のように変調される。ある画素
に(イ)〜(ニ)の信号を入力した時、入力信号による
透過率の差が10%以上あり、かつ、パネル内の全画素
にある中間調の信号を入力した時、画素による透過率の
差が±10%以下である時に4階調表示が可能であると
判断される(透過率10%(off)から90%(on
)の間に4階調設けるには1つの中間調に許される透過
率の幅は20%である。)。
The thin film two-terminal element of the present invention and the liquid crystal are connected as shown in FIG. 1 in terms of an equivalent circuit. The voltage pulses applied across are shown in FIG. Vs is the scanning signal, Vd
is a data signal whose pulse width is modulated as shown in (a) to (d) corresponding to the intermediate tone (here, four gradations). When signals (A) to (D) are input to a certain pixel, the difference in transmittance due to the input signal is 10% or more, and when a halftone signal is input to all pixels in the panel, It is determined that 4-gradation display is possible when the difference in transmittance is ±10% or less (transmittance from 10% (off) to 90% (on)).
) To provide four gradations between the two, the permissible transmittance width for one halftone is 20%. ).

【0007】本発明のMIM素子の作製方法について説
明する。まず、ガラス、プラスチック板、プラスチック
フィルム等の透明絶縁性基板1上に、画素電極用透明電
極材料を蒸着、スパッタリング等の方法で堆積し、所定
のパターンにパターニングし、画素電極4とする。次に
、蒸着、スパッタリング等の方法で下部電極用導体薄膜
を形成し、ウエット又はドライエッチングにより所定の
パターンにパターニングして下部電極となる第1導体(
下部導体)7とし、その上にプラズマCVD法、イオン
ビーム法等により硬質炭素膜2を被覆後、ドライエッチ
ング、ウエットエッチング又はレジストを用いるリフト
オフ法により所定のパターンにパターニングして絶縁膜
とし、次にその上に蒸着、スパッタリング等の方法によ
りバスライン用導体薄膜を被覆し、所定のパターンにパ
ターニングしてバスラインとなる第2導体(上部電極)
6を形成し、最後に下部電極7の不必要部分を除去し、
透明電極パターンを露出させ、画素電極4とする。この
場合、MIM素子の構成はこれに限られるものではなく
、MIM素子の作成後、最上層に透明電極を設けたもの
、透明電極が上部又は下部電極を兼ねた構成のもの、下
部電極の側面にMIM素子を形成したもの等、種々の変
形が可能である。ここで下部電極、上部電極及び透明電
極の厚さは通常、夫々数百〜数千Å、数百〜数千Å、数
百〜数千Åの範囲である。硬質炭素膜の厚さは、100
〜8000Å、望ましくは200〜6000Å、さらに
望ましくは300〜4000Åの範囲である。又プラス
チック基板の場合、いままでその耐熱性から能動素子を
用いたアクティブマトリックス装置の作製が非常に困難
であった。しかし硬質炭素膜は室温程度の基板温度で良
質な膜の作製が可能であり、プラスチック基板において
も作製が可能であり、非常に有効な画質向上手段である
A method for manufacturing the MIM device of the present invention will be explained. First, a transparent electrode material for a pixel electrode is deposited on a transparent insulating substrate 1 such as glass, a plastic plate, or a plastic film by a method such as vapor deposition or sputtering, and patterned into a predetermined pattern to form a pixel electrode 4. Next, a conductor thin film for the lower electrode is formed by a method such as vapor deposition or sputtering, and is patterned into a predetermined pattern by wet or dry etching to form a first conductor (
After covering the hard carbon film 2 by plasma CVD, ion beam method, etc., it is patterned into a predetermined pattern by dry etching, wet etching, or a lift-off method using a resist to form an insulating film. A conductor thin film for bus lines is coated thereon by a method such as vapor deposition or sputtering, and the second conductor (upper electrode) is patterned into a predetermined pattern to become a bus line.
6, and finally remove unnecessary portions of the lower electrode 7,
The transparent electrode pattern is exposed to serve as the pixel electrode 4. In this case, the configuration of the MIM element is not limited to this, and after the MIM element is created, a transparent electrode is provided on the top layer, a transparent electrode also serves as an upper or lower electrode, and a side surface of the lower electrode. Various modifications are possible, such as one in which an MIM element is formed on the top. Here, the thickness of the lower electrode, the upper electrode, and the transparent electrode is usually in the range of several hundred to several thousand Å, several hundred to several thousand Å, and several hundred to several thousand Å, respectively. The thickness of the hard carbon film is 100
~8000 Å, preferably 200 to 6000 Å, more preferably 300 to 4000 Å. Furthermore, in the case of plastic substrates, it has been extremely difficult to fabricate active matrix devices using active elements due to their heat resistance. However, a hard carbon film can be produced at a substrate temperature of about room temperature, and can also be produced on a plastic substrate, making it a very effective means for improving image quality.

【0008】次に本発明で使用されるMIM素子の材料
について更に詳しく説明する。下部電極となる第1導体
7の材料としては、Al,Ta,Cr,W,Mo,Pt
,Ni,Ti,Cu,Au,ITO,ZnO:Al,I
n2O3,SnO2等種々の導電体が使用される。次に
バスラインとなる第2導体6の材料としては、Al,C
r,Ni,Mo,Pt,Ag,Ti,Cu,Au,W,
Ta,ITO,ZnO:Al,In2O3,SnO2等
種々の導電体が使用されるが、I−V特性の安定性及び
信頼性が特に優れている点からNi,Pt,Agが好ま
しい。絶縁膜として硬質炭素膜2を用いたMIM素子は
電極の種類を変えても対称性が変化せず、またlnI∝
√Vの関係からプールフレンケル型の伝導をしているこ
とが判る。またこの事からこの種のMIM素子の場合、
上部電極と下部電極との組合せをどのようにしてもよい
ことが判る。しかし硬質炭素膜と電極との密着力や界面
状態により素子特性(I−V特性)の劣化及び変化が生
じる。これらを考慮すると、Ni,Pt,Agが良いこ
とがわかった。
Next, the material of the MIM element used in the present invention will be explained in more detail. The material of the first conductor 7 serving as the lower electrode includes Al, Ta, Cr, W, Mo, and Pt.
, Ni, Ti, Cu, Au, ITO, ZnO: Al, I
Various conductors such as n2O3 and SnO2 are used. Next, the material of the second conductor 6 which becomes the bus line is Al, C.
r, Ni, Mo, Pt, Ag, Ti, Cu, Au, W,
Various conductors can be used, such as Ta, ITO, ZnO:Al, In2O3, SnO2, etc., but Ni, Pt, and Ag are preferred because of their particularly excellent stability and reliability of IV characteristics. In the MIM device using the hard carbon film 2 as an insulating film, the symmetry does not change even if the type of electrode is changed, and lnI∝
From the relationship √V, it can be seen that Poole-Frenkel type conduction is occurring. Also, from this fact, in the case of this type of MIM element,
It can be seen that the upper electrode and lower electrode may be combined in any way. However, the device characteristics (IV characteristics) deteriorate and change depending on the adhesion between the hard carbon film and the electrode and the state of the interface. Considering these, it was found that Ni, Pt, and Ag are good.

【0009】次に図3により液晶表示装置の作製法を述
べる。まず絶縁基板1′上に共通電極4′用の透明導体
、たとえばITO,ZnO:Al,SnO2,In2O
3等をスパッタリング、蒸着等で数百Åから数μm堆積
させ、ストライプ状にパターニングして共通電極4′と
する。この共通電極4′を設けた基板1′と先にMIM
素子をマトリックス状に設けた基板1の各々の表面にポ
リイミドのような配向材8を付け、ラビング処理を行な
い、シール材を付け、ギャップ材9を入れてギャップを
一定にし、液晶3を封入して液晶表示装置とする。この
ようにして液晶表示装置が得られる。尚、カラーフィル
ターをセルの内側又は外側に設け、カラー液晶表示装置
としてもよい。
Next, a method for manufacturing a liquid crystal display device will be described with reference to FIG. First, a transparent conductor for the common electrode 4', such as ITO, ZnO:Al, SnO2, In2O, is placed on the insulating substrate 1'.
3 or the like is deposited to a thickness of several hundred Å to several μm by sputtering, vapor deposition, etc., and patterned into a stripe shape to form a common electrode 4'. The substrate 1' provided with this common electrode 4' and the MIM
An alignment material 8 such as polyimide is applied to the surface of each substrate 1 on which elements are arranged in a matrix, a rubbing treatment is performed, a sealing material is applied, a gap material 9 is inserted to make the gap constant, and a liquid crystal 3 is sealed. This is used as a liquid crystal display device. In this way, a liquid crystal display device is obtained. Note that a color filter may be provided inside or outside the cell to form a color liquid crystal display device.

【0010】本発明における硬質炭素膜について詳しく
説明する。硬質炭素膜を形成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れば、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CH4,C2H6,C3H8,C4H10等のパラフ
ィン系炭化水素、C2H4等のアセチレン系炭化水素、
オレフィン系炭化水素、ジオレフィン系炭化水素、さら
には芳香族炭化水素などすベての炭化水素を少なくとも
含むガスが使用可能である。さらに、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、CO,CO2等、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。
The hard carbon film in the present invention will be explained in detail. An organic compound gas, especially a hydrocarbon gas, is used to form a hard carbon film. The phase state of these raw materials does not necessarily have to be a gas phase at normal temperature and pressure; they can be used in either a liquid or solid phase as long as they can be vaporized through melting, evaporation, sublimation, etc. by heating or reduced pressure. be. Regarding the hydrocarbon gas as the raw material gas, for example, paraffinic hydrocarbons such as CH4, C2H6, C3H8, C4H10, acetylenic hydrocarbons such as C2H4,
Gases containing at least all hydrocarbons such as olefinic hydrocarbons, diolefinic hydrocarbons, and even aromatic hydrocarbons can be used. Furthermore, other than hydrocarbons, compounds containing at least the carbon element can be used, such as alcohols, ketones, ethers, esters, CO, and CO2.

【0011】本発明における原料ガスからの硬質炭素膜
の形成方法としては、成膜活性種が、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、低温成膜の目的で、低
圧下で堆積を行なうため、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成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、次の通りである。 RF出力:0.1〜50W/cm2           圧    力:1/103〜10
Torr堆積温度:室温〜950℃ 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(非晶質)及び微
結晶質(結晶の大きさは数10Å〜数μm)の少くとも
一方を含む硬質炭素膜が堆積する。また、硬質炭素膜の
諸特性を表1に示す。
[0011] In the method of forming a hard carbon film from a raw material gas in the present invention, active species for film formation are formed through a plasma state generated by a plasma method using direct current, low frequency, high frequency, microwave, etc. However, since the deposition is performed under low pressure for the purpose of increasing the area, improving uniformity, and forming a film at a low temperature, a method using a magnetic field effect is more preferable. Active species can also be formed by thermal decomposition at high temperatures. In addition, it may be formed through an ionic state generated by ionization vapor deposition, ion beam vapor deposition, etc., or may be formed from neutral particles generated by vacuum vapor deposition, sputtering, etc. However, it may also be formed by a combination of these. An example of the deposition conditions for the hard carbon film produced in this manner is as follows in the case of the plasma CVD method. RF output: 0.1~50W/cm2 Pressure: 1/103~10
Torr deposition temperature: Room temperature to 950°C Due to this plasma state, the raw material gas is decomposed into radicals and ions and reacts, thereby forming carbon atoms (C) on the substrate.
A hard carbon film containing at least one of amorphous (amorphous) and microcrystalline (crystal size is several tens of angstroms to several μm) is deposited. Further, Table 1 shows various properties of the hard carbon film.

【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、下記数4式の関係より決定。
[Table 1] Note) Measurement method; Specific resistance (ρ): Determined from IV characteristics using a coplanar cell. Optical bandgap (Egopt): Obtain the absorption coefficient (α) from the spectral characteristics and determine from the relationship of the following equation 4.

【数4】 膜中水素量〔C(H)〕:赤外吸収スペクトルから29
00/cm付近のピークを積分し、吸収断面積Aを掛け
て求める。すなわち、 〔C(H)〕=A・∫α(v)/v・dvSP3/SP
2比:赤外吸収スペクトルを、SP3,SP2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。 ヒ゛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。
[Equation 4] Amount of hydrogen in the film [C(H)]: 29 from the infrared absorption spectrum
It is determined by integrating the peak around 00/cm and multiplying it by the absorption cross section A. That is, [C(H)]=A・∫α(v)/v・dvSP3/SP
2 ratio: The infrared absorption spectrum is decomposed into Gaussian functions assigned to SP3 and SP2, respectively, and determined from the area ratio. Vickers hardness (H): Based on a micro Vickers meter. Refractive index (n): By ellipsometer. Defect density: Based on ESR.

【0012】こうして形成される硬質炭素膜はラマン分
光法及びIR吸収法による分析の結果、夫々、図7及び
図6に示すように炭素原子がSP3の混成軌道とSP2
の混成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。SP3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。IRスペクトルには、2800〜3150/cm
に多くのモードのスペクトルが重なって測定されるが、
夫々の波数に対応するピークの帰属は明らかになってお
り、図5の如くガウス分布によってピーク分離を行ない
、夫々のピーク面積を算出し、その比率を求めればSP
3/SP2を知ることができる。また、X線及び電子回
折分析によればアモルファス状態(a−C:H)、及び
/又は約50Å〜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っている。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、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。さらに、この方法は常温〜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、MIM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徴を
もっている。また硬質炭素膜の構造、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。さらには膜の比誘電率
も2〜6と従来のMIM素子に使用されていたTa2O
5,Al2O3,SiNxと比較して小さいため、同じ
電気容量を持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、歩留りが
向上する(駆動条件の関係からLCDとMIM素子の容
量比はC(LCD)/C(MIM)=10:1程度必要
である)。また、素子急峻性はβ∝1/√ε・√dであ
るため、比誘電率εが小さければ急峻性は大きくなり、
オン電流Ionとオフ電流Ioffとの比が大きくとれ
るようになる。このためより低デューティ比でのLCD
駆動が可能となり、高密度のLCDが実現できる。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りが向上する。以
上の点を顧みるに、硬質炭素膜を使用することで、低コ
スト、階調性(カラー化)、高密度LCDが実現できる
As a result of analysis by Raman spectroscopy and IR absorption method, the hard carbon film thus formed shows that the carbon atoms have SP3 hybrid orbitals and SP2 hybrid orbitals, as shown in FIGS. 7 and 6, respectively.
It has become clear that there are interatomic bonds that form a hybrid orbital. The ratio of SP3 bonds to SP2 bonds can be approximately estimated by peak-separating the IR spectrum. 2800-3150/cm for IR spectrum
Although the spectra of many modes overlap and are measured,
The attribution of peaks corresponding to each wave number is clear, and if we perform peak separation using a Gaussian distribution as shown in Figure 5, calculate the area of each peak, and find the ratio, we can obtain SP.
3/SP2 can be known. Moreover, according to X-ray and electron diffraction analysis, it has been found that it is in an amorphous state (a-C:H) and/or an amorphous state containing microcrystalline grains of about 50 Å to several μm. In the case of the plasma CVD method, which is generally suitable for mass production, the lower the RF output, the higher the specific resistance and hardness of the film, and the lower the pressure, the longer the life of active species, so lowering the substrate temperature and increasing the The area can be made uniform, and the specific resistance and hardness tend to increase. Furthermore, since the plasma density decreases at low pressures, methods using magnetic field confinement effects are particularly effective in increasing resistivity. Furthermore, this method has the characteristic that it can form a hard carbon film of good quality even under relatively low temperature conditions of about room temperature to 150° C., so it is optimal for lowering the temperature of the MIM element manufacturing process. Therefore, the degree of freedom in selecting the substrate material to be used is increased, and the substrate temperature can be easily controlled, so that a uniform film can be obtained over a large area. Furthermore, as shown in Table 1, the structure and physical properties of the hard carbon film can be controlled over a wide range, so there is an advantage that device characteristics can be designed freely. Furthermore, the dielectric constant of the film is 2 to 6, which is Ta2O, which is used in conventional MIM devices.
5.Since it is smaller than Al2O3 and SiNx, when making an element with the same capacitance, the element size only needs to be larger, so it does not require much fine processing and the yield improves (because of the driving conditions, LCD The capacitance ratio of C(LCD)/C(MIM) = approximately 10:1 is required between C(LCD) and MIM element. Also, since the element steepness is β∝1/√ε・√d, the smaller the dielectric constant ε, the greater the steepness.
The ratio between the on-current Ion and the off-current Ioff can be increased. Therefore, LCD with lower duty ratio
This makes it possible to drive a high-density LCD. Furthermore, since the film has high hardness, there is less damage caused by the rubbing process during encapsulation of the liquid crystal material, which also improves the yield. Considering the above points, by using a hard carbon film, a low-cost, gradation (color), and high-density LCD can be realized.

【0013】以上のような硬質炭素膜には必要に応じて
抵抗値の制御、あるいは膜の安定性、耐熱性の向上、さ
らに硬度の向上のために、不純物として周期律表第II
I族元素、同第IV族元素、同第V族元素、アルカリ金
属元素、アルカリ土類金属元素、窒素原子、酸素原子、
カルコゲン系元素又はハロゲン原子をドープ含有させる
ことができる。この第3成分のドープにより素子の安定
性及びデバイス設計の自由度はいっそう増大する。特に
コプレナー型MIM素子においては、液晶駆動に適する
素子特性から、硬質炭素膜の膜厚、W/L比(W:素子
部間隙の巾、L:前記間隙の長さ)及び比抵抗の適正範
囲が決まるが、膜剥離の点から膜厚は1μm以下、画素
の一辺の長さとフォトリソグラフィの精度からW/L比
は1/100以上が作製上有利である。この時駆動条件
から比抵抗の適正範囲は104〜108Ω・cmとなる
。ノンドープの硬質炭素膜の比抵抗は106〜1013
Ω・cmであり、これにIII族、V族、アルカリ金属
、アルカリ土類金属、N又はO元素を適当量ドープする
ことにより上記範囲の比抵抗とすることが可能である。 本発明において、硬質炭素膜中に構成元素の1つとして
含まれている水素原子の量は、全構成元素に対して10
〜50atom%、好ましくは20〜45atom%で
ある。また、本発明において、硬質炭素膜中に構成元素
の1つとして含まれている炭素原子の量は、全構成元素
に対して50〜90atom%、好ましくは55〜80
atom%である。周期律表第III族元素としては、
B,Al,Ga,及びInが挙げられ、且つ本発明にお
いて、硬質炭素膜中に構成原子の1つとして含まれてい
る周期律表第III族元素の量は、全構成元素に対して
5atom%以内、好ましくは0.001〜3atom
%であることが好ましい。周期律表第IV族元素として
は、Si,Ge及びSnが挙げられ、且つ第IV族元素
の量は、全構成原子に対して20atom%以内、好ま
しくは0.01〜17atom%である。周期律表第V
族元素としては、P,As及びSbが挙げられ、且つ第
V族元素の量は、全構成原子に対して5atom%以内
、好ましくは0.001〜3atom%である。アルカ
リ金属元素としては、Li,Na及びKが挙げられ、且
つアルカリ金属元素の量は、全構成原子に対して5at
om%以内、好ましくは0.001〜3atom%であ
る。アルカリ土類金属元素としては、Ca及びMgが挙
げられ、アルカリ土類金属原子の量は、全構成原子に対
して5atom%以内、好ましくは0.001〜3at
om%である。窒素原子の量は、全構成原子に対して5
atom%以内、好ましくは0.001〜3atom%
である。酸素原子の量は、全構成原子に対して5ato
m%以内、好ましくは0.001〜3atom%である
。カルコゲン元素としては、S,Se及びTeが挙げら
れ、且つカルコゲン元素の量は、全構成原子に対して、
20atom%以内、好ましくは0.01〜17ato
m%である。ハロゲン元素としては、F,Cl,Br及
びIが挙げられ、且つハロゲン元素の量は、全構成原子
に対して、35atom%以内、好ましくは0.1〜3
5atom%が好ましい。尚、前述の元素又は原子の量
は元素分析の常法、例えばオージェ分析によって測定す
ることが出来る。また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。この量は原料ガスに含まれる他の化合物の量や
成膜条件等で調節可能である。不純物をドープされた硬
質炭素膜の膜厚はノンドープのものに比べて約2〜3倍
に厚くすることができ、またこれにより素子作製時のピ
ンホールの発生を防止すると共に、素子の機械的強度を
飛躍的に向上することができる。更に窒素原子又は酸素
原子の場合は以下に述べるような周期律表第IV族元素
等の場合と同様な効果がある。同様に周期律表第IV族
元素、カルコゲン系元素又はハロゲン元素を導入したも
のは硬質炭素膜の安定性が飛躍的に向上すると共に、膜
の硬度も改善されることも相まって高信頼性の素子が作
製できる。これらの効果が得られるのは第IV族元素及
びカルコゲン系元素の場合は硬質炭素膜中に存在する活
性な2重結合を減少させるからであり、またハロゲン元
素の場合は、1)水素に対する引抜き反応により原料ガ
スの分解を促進して膜中のダングリングボンドを減少さ
せ、2)成膜過程でハロゲン元素XがC−H結合中の水
素を引抜いてこれと置換し、C−X結合として膜中に入
り、結合エネルギーが増大する(C−H間及びC−X間
の結合エネルギーはC−X間の方が大きい)からである
In order to control the resistance value, improve the stability and heat resistance of the film, and further improve the hardness, the hard carbon film as described above may contain impurities containing compounds from periodic table II.
Group I elements, Group IV elements, Group V elements, alkali metal elements, alkaline earth metal elements, nitrogen atoms, oxygen atoms,
A chalcogen element or a halogen atom can be doped therein. Doping with this third component further increases the stability of the element and the degree of freedom in device design. In particular, in coplanar MIM elements, appropriate ranges for the film thickness of the hard carbon film, W/L ratio (W: width of the element gap, L: length of the gap), and specific resistance are determined from the element characteristics suitable for liquid crystal driving. However, from the viewpoint of film peeling, it is advantageous for the film thickness to be 1 μm or less, and for the W/L ratio to be 1/100 or more from the side length of the pixel and the precision of photolithography. At this time, the appropriate range of specific resistance is 10 4 to 10 8 Ω·cm based on the driving conditions. The specific resistance of non-doped hard carbon film is 106 to 1013
Ω·cm, and by doping an appropriate amount of Group III, Group V, alkali metal, alkaline earth metal, N, or O element, it is possible to obtain a specific resistance within the above range. In the present invention, the amount of hydrogen atoms contained as one of the constituent elements in the hard carbon film is 10% of the total constituent elements.
~50 atom%, preferably 20-45 atom%. Further, in the present invention, the amount of carbon atoms contained as one of the constituent elements in the hard carbon film is 50 to 90 atom%, preferably 55 to 80 atom%, based on the total constituent elements.
It is atom%. Group III elements of the periodic table include:
Examples include B, Al, Ga, and In, and in the present invention, the amount of Group III elements of the periodic table contained as one of the constituent atoms in the hard carbon film is 5 atoms with respect to all constituent elements. % or less, preferably 0.001 to 3 atoms
% is preferable. Examples of Group IV elements of the periodic table include Si, Ge, and Sn, and the amount of Group IV elements is within 20 atom %, preferably 0.01 to 17 atom % based on the total constituent atoms. periodic table V
Examples of group elements include P, As, and Sb, and the amount of group V elements is within 5 atom %, preferably 0.001 to 3 atom % based on all constituent atoms. Examples of the alkali metal elements include Li, Na, and K, and the amount of the alkali metal elements is 5at based on all constituent atoms.
om% or less, preferably 0.001 to 3 atom%. Examples of alkaline earth metal elements include Ca and Mg, and the amount of alkaline earth metal atoms is within 5 atom%, preferably 0.001 to 3 at.
om%. The amount of nitrogen atoms is 5 for all constituent atoms.
Within atom%, preferably 0.001 to 3 atom%
It is. The amount of oxygen atoms is 5ato to all constituent atoms.
m% or less, preferably 0.001 to 3 atom%. Chalcogen elements include S, Se, and Te, and the amount of chalcogen elements is as follows with respect to all constituent atoms:
Within 20 atom%, preferably 0.01 to 17 atom
m%. Examples of the halogen element include F, Cl, Br, and I, and the amount of the halogen element is within 35 atom%, preferably 0.1 to 3
5 atom% is preferable. Incidentally, the amount of the above-mentioned elements or atoms can be measured by a conventional method of elemental analysis, for example, Auger analysis. Further, the amounts of these elements or atoms can be measured by conventional methods of elemental analysis, such as Auger analysis. This amount can be adjusted by adjusting the amount of other compounds contained in the source gas, film forming conditions, etc. The thickness of a hard carbon film doped with impurities can be made approximately 2 to 3 times thicker than that of a non-doped film, and this prevents the occurrence of pinholes during device fabrication and improves the mechanical properties of the device. Strength can be dramatically improved. Further, in the case of a nitrogen atom or an oxygen atom, the same effect as in the case of a group IV element of the periodic table as described below can be obtained. Similarly, devices incorporating Group IV elements of the periodic table, chalcogen elements, or halogen elements dramatically improve the stability of the hard carbon film and improve the hardness of the film, resulting in highly reliable elements. can be made. These effects can be obtained because Group IV elements and chalcogen elements reduce the active double bonds present in the hard carbon film, and in the case of halogen elements, 1) abstraction for hydrogen The reaction promotes the decomposition of the raw material gas and reduces dangling bonds in the film, and 2) during the film formation process, the halogen element X pulls out hydrogen in the C-H bond and replaces it, forming a C-X bond. This is because it enters the film and increases the bond energy (the bond energy between C-H and between C-X is larger for C-X).

【0014】これらの元素を膜の構成元素とするために
は、原料ガスとしては炭化水素ガス及び水素の他に、ド
ーパントとして膜中に周期律表第III族元素、同第I
V族元素、同第V族元素、アルカリ金属元素、アルカリ
土類金属元素、窒素原子、酸素原子、カルコゲン系元素
又はハロゲン元素を含有させるために、これらの元素又
は原子を含む化合物(又は分子)(以下、これらを「他
の化合物」ということもある)のガスが用いられる。こ
こで周期律表第III族元素を含む化合物としては、例
えばB(OC2H5)3,B2H6,BCl3,BBr
3,BF3,Al(O−i−C3H7)3,(CH3)
3Al,(C2H5)3Al,(i−C4H9)3Al
,AlCl3,Ga(O−i−C3H7)3,(CH3
)3Ga,(C2H5)3Ga,GaCl3,GaBr
3,(O−i−C3H7)3In,(C2H5)3In
等がある。周期律表第IV族元素を含む化合物としては
、例えばSi3H8,(C2H5)3SiH,SiF4
,SiH2Cl2,SiCl4,Si(OCH3)4,
Si(OC2H5)4,Si(OC3H7)4,GeC
l4,GeH4,Ge(OC2H5)4,Ge(C2H
5)4,(CH3)4Sn,(C2H5)4Sn,Sn
Cl4等がある。周期律表第V族元素を含む化合物とし
ては、例えばPH3,PF3,PF5,PCl2F3,
PCl3,PCl2F,PBr3,PO(OCH3)3
,P(C2H5)3,POCl3,AsH3,AsCl
3,AsBr3,AsF3,AsF5,AsCl3,S
bH3,SbF3,SbCl3,Sb(OC2H5)3
等がある。アルカリ金属原子を含む化合物としては、例
えばLiO−i−C3H7,NaO−i−C3H7,K
O−i−C3H7等がある。 アルカリ土類金属原子を含む化合物としては、例えばC
a(OC2H5)3,Mg(OC2H5)2,(C2H
5)2Mg等がある。窒素原子を含む化合物としては、
例えば窒素ガス、アンモニア等の無機化合物、アミノ基
、シアノ基等の官能基を有する有機化合物及び窒素を含
む複素環等がある。酸素原子を含む化合物としては、例
えば酸素ガス、オゾン、水(水蒸気)、過酸化水素、一
酸化炭素、二酸化炭素、亜酸化炭素、一酸化窒素、二酸
化窒素、三酸化二窒素、五酸化二窒素、三酸化窒素等の
無機化合物、水酸基、アルデヒド基、アシル基、ケトン
基、ニトロ基、ニトロソ基、スルホン基、エーテル結合
、エステル結合、ペプチド結合、酸素を含む複素環等の
官能基或いは結合を有する有機化合物、更には金属アル
コキシド等が挙げられる。カルコゲン系元素を含む化合
物としては、例えばH2S,(CH3)(CH2)4S
(CH2)4CH3,CH2=CHCH2SCH2CH
=CH2,C2H5SC2H5,C2H5SCH3,チ
オフェン、H2Se,(C2H5)2Se,H2Te等
がある。またハロゲン元素を含む化合物としては、例え
ば弗素、塩素、臭素、沃素、弗化水素、弗化炭素、弗化
塩素、弗化臭素、弗化沃素、塩化水素、塩化臭素、塩化
沃素、臭化水素、臭化沃素、沃化水素等の無機化合物、
ハロゲン化アルキル、ハロゲン化アリール、ハロゲン化
スチレン、ハロゲン化ポリメチレン、ハロホルム等の有
機化合物が用いられる。液晶駆動MIM素子として好適
な硬質炭素膜は、駆動条件から膜厚が100〜8000
Å、比抵抗が106〜1013Ω・cmの範囲であるこ
とが有利である。硬質炭素膜のピンホールによる素子の
欠陥数は膜厚の減少にともなって増加し、300Å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30Å程度
が限度で、膜厚のバラツキが10%を越える)ことから
、膜厚は300Å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1/10
00以下)で駆動するために、膜厚は4000Å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300〜4000Å、比抵抗率は
107〜1011Ω・cmであることが一層好ましい。
In order to use these elements as constituent elements of the film, in addition to hydrocarbon gas and hydrogen as raw material gases, elements from group III of the periodic table and elements from group I of the periodic table are added to the film as dopants.
In order to contain group V elements, group V elements, alkali metal elements, alkaline earth metal elements, nitrogen atoms, oxygen atoms, chalcogen elements, or halogen elements, compounds (or molecules) containing these elements or atoms. (Hereinafter, these may be referred to as "other compounds") gases are used. Examples of compounds containing Group III elements of the periodic table include B(OC2H5)3, B2H6, BCl3, BBr
3, BF3, Al(O-i-C3H7)3, (CH3)
3Al, (C2H5)3Al, (i-C4H9)3Al
, AlCl3, Ga(O-i-C3H7)3, (CH3
)3Ga, (C2H5)3Ga, GaCl3, GaBr
3, (O-i-C3H7)3In, (C2H5)3In
etc. Examples of compounds containing Group IV elements of the periodic table include Si3H8, (C2H5)3SiH, SiF4
, SiH2Cl2, SiCl4, Si(OCH3)4,
Si(OC2H5)4, Si(OC3H7)4, GeC
l4,GeH4,Ge(OC2H5)4,Ge(C2H
5) 4, (CH3)4Sn, (C2H5)4Sn, Sn
There are Cl4 etc. Examples of compounds containing Group V elements of the periodic table include PH3, PF3, PF5, PCl2F3,
PCl3, PCl2F, PBr3, PO(OCH3)3
, P(C2H5)3, POCl3, AsH3, AsCl
3, AsBr3, AsF3, AsF5, AsCl3,S
bH3, SbF3, SbCl3, Sb(OC2H5)3
etc. Examples of compounds containing alkali metal atoms include LiO-i-C3H7, NaO-i-C3H7, K
There are O-i-C3H7 and the like. Examples of compounds containing alkaline earth metal atoms include C
a(OC2H5)3, Mg(OC2H5)2, (C2H
5) There are 2Mg, etc. Compounds containing nitrogen atoms include:
Examples include nitrogen gas, inorganic compounds such as ammonia, organic compounds having functional groups such as amino groups and cyano groups, and nitrogen-containing heterocycles. Examples of compounds containing oxygen atoms include oxygen gas, ozone, water (steam), hydrogen peroxide, carbon monoxide, carbon dioxide, suboxide, nitrogen monoxide, nitrogen dioxide, dinitrogen trioxide, and dinitrogen pentoxide. , inorganic compounds such as nitrogen trioxide, hydroxyl groups, aldehyde groups, acyl groups, ketone groups, nitro groups, nitroso groups, sulfone groups, ether bonds, ester bonds, peptide bonds, and functional groups or bonds such as heterocycles containing oxygen. Further, examples thereof include organic compounds having a metal alkoxide, metal alkoxides, and the like. Examples of compounds containing chalcogen elements include H2S, (CH3)(CH2)4S
(CH2)4CH3,CH2=CHCH2SCH2CH
=CH2, C2H5SC2H5, C2H5SCH3, thiophene, H2Se, (C2H5)2Se, H2Te, etc. Examples of compounds containing halogen elements include fluorine, chlorine, bromine, iodine, hydrogen fluoride, carbon fluoride, chlorine fluoride, bromine fluoride, iodine fluoride, hydrogen chloride, bromine chloride, iodine chloride, and hydrogen bromide. , inorganic compounds such as iodine bromide and hydrogen iodide,
Organic compounds such as halogenated alkyl, halogenated aryl, halogenated styrene, halogenated polymethylene, and haloform are used. A hard carbon film suitable as a liquid crystal driving MIM element has a film thickness of 100 to 8000 mm depending on the driving conditions.
Å, the specific resistance is advantageously in the range from 10 6 to 10 13 Ω·cm. The number of device defects due to pinholes in hard carbon films increases as the film thickness decreases, and becomes especially noticeable below 300 Å (defect rate exceeds 1%), and the uniformity of the in-plane distribution of film thickness (The accuracy of film thickness control is limited to about 30 Å, and the variation in film thickness exceeds 10%). Therefore, it is more desirable that the film thickness is 300 Å or more. . In addition, in order to make it difficult for the hard carbon film to peel off due to stress, and to lower the duty ratio (preferably 1/10
00 or less), the film thickness is more desirably 4000 Å or less. Taking all of these into consideration, it is more preferable that the hard carbon film has a thickness of 300 to 4000 Å and a specific resistivity of 10 7 to 10 11 Ω·cm.

【0015】[0015]

【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 (パイレックス)透明絶縁性基板上に、図2に示すよう
に画素電極及び薄膜二端子素子を以下のようにして作製
した。まずITOをスパッタリング法により500Å厚
に堆積後、パターニングして画素電極4を形成した。次
に、Alを蒸着法により600Å厚に堆積後、パターニ
ングして下部導体7を形成した。その上に硬質炭素膜を
プラズマCVD法により堆積させたのち、ドライエッチ
ングによりパターニングし、絶縁膜2とした。さらに、
この上にNiをEB蒸着法により1000Å厚に堆積後
、パターニングして上部導体(走査電極を兼ねる)6を
形成し、薄膜二端子素子を得た。この時の硬質炭素膜の
成膜条件及び膜厚は以下の通りである。 圧  力    :0.035TorrCH4 流量:
20  SCCM H2   流量:  0  SCCM RFパワー:0.30W/cm2         膜  厚    :1100Å素子特
性の平均値はβ=4.5、ln κ=−33.5であり
、4階調表示は可能であった。
[Examples] Examples will be shown next, but the present invention is not limited thereto. Example 1 A pixel electrode and a thin film two-terminal element were fabricated on a (Pyrex) transparent insulating substrate as shown in FIG. 2 in the following manner. First, ITO was deposited to a thickness of 500 Å by sputtering, and then patterned to form the pixel electrode 4. Next, Al was deposited to a thickness of 600 Å by vapor deposition, and then patterned to form the lower conductor 7. A hard carbon film was deposited thereon by plasma CVD, and then patterned by dry etching to form an insulating film 2. moreover,
Ni was deposited on this to a thickness of 1000 Å by EB evaporation, and then patterned to form an upper conductor (also serving as a scanning electrode) 6 to obtain a thin film two-terminal element. The film-forming conditions and film thickness of the hard carbon film at this time are as follows. Pressure: 0.035TorrCH4 Flow rate:
20 SCCM H2 Flow rate: 0 SCCM RF power: 0.30 W/cm2 Film thickness: 1100 Å The average values of the device characteristics were β = 4.5, ln κ = -33.5, and 4-gradation display was possible. .

【0016】実施例2 (プラスチック)透明絶縁性基板1上に、図9に示すよ
うに画素電極及び薄膜二端子素子を以下のようにして作
製した。まずAlを蒸着法により1000Å厚に堆積後
、パターニングして下部導体(走査電極を兼ねる)7と
した。その上に硬質炭素膜をプラズマCVD法により堆
積させたのち、ドライエッチングによりパターニングし
、絶縁膜2とした。さらに、その上にEB蒸着法により
1000Å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(画素電極を兼ねる)6を形成
し、薄膜二端子素子を得た。この時の硬質炭素膜の成膜
条件及び膜厚は以下の通りである。 圧  力    :0.035  TorrCH4 流
量:20  SCCM H2   流量:  0  SCCM RFパワー:0.90  W/cm2         膜厚      :1100Å素子特
性の平均値はβ=4.5、ln κ=−31.5であり
、4階調表示は可能であった。
Example 2 A pixel electrode and a thin film two-terminal element were fabricated on a (plastic) transparent insulating substrate 1 as shown in FIG. 9 in the following manner. First, Al was deposited to a thickness of 1000 Å by vapor deposition, and then patterned to form a lower conductor (also serving as a scanning electrode) 7. A hard carbon film was deposited thereon by plasma CVD, and then patterned by dry etching to form an insulating film 2. Further, an ITO film having a thickness of 1000 Å was coated thereon by EB evaporation, and patterned by etching to form an upper conductor (also serving as a pixel electrode) 6 to obtain a thin film two-terminal element. The film-forming conditions and film thickness of the hard carbon film at this time are as follows. Pressure: 0.035 TorrCH4 Flow rate: 20 SCCM H2 Flow rate: 0 SCCM RF power: 0.90 W/cm2 Film thickness: 1100 Å The average value of the device characteristics is β = 4.5, ln κ = -31.5. , 4-gradation display was possible.

【0017】実施例3 実施例1と同様の薄膜二端子素子を作製した。ただし硬
質炭素膜の成膜条件及び膜厚は以下の通りである。 圧  力    :0.035  TorrCH4 流
量:20  SCCM H2   流量:  0  SCCM RFパワー:0.25  W/cm2         膜厚      :1100Å素子特
性の平均値はβ=4.5、ln κ=−35.0であり
、4階調表示は可能であった。 比較例1〜4 実施例1と同様の薄膜二端子素子を作製した。ただし硬
質炭素膜の成膜条件、膜厚及び素子特性の平均値(β,
lnκ)は各々表2に示す通りとした。4階調表示はで
きなかった。 実施例4 実施例2と同様の薄膜二端子素子を作製した。ただし硬
質炭素膜の成膜条件及び膜厚は以下の通りである。 圧  力    :0.035  TorrCH4 流
量:20  SCCM H2   流量:  0  SCCM RFパワー:0.23  W/cm2         膜厚      :650Å素子特性
の平均値はβ=6.0、ln κ=−34.5であり、
4階調表示は可能であった。 実施例5 実施例1と同様の薄膜二端子素子を作製した。ただし硬
質炭素膜の成膜条件及び膜厚は以下の通りである。 圧  力    :0.035  TorrCH4 流
量:  5  SCCM H2   流量:15  SCCM RFパワー:0.13  W/cm2         膜厚      :650Å素子特性
の平均値はβ=6.0、ln κ=−38.0であり、
4階調表示は可能であった。
Example 3 A thin film two-terminal device similar to Example 1 was produced. However, the film forming conditions and film thickness of the hard carbon film are as follows. Pressure: 0.035 TorrCH4 Flow rate: 20 SCCM H2 Flow rate: 0 SCCM RF power: 0.25 W/cm2 Film thickness: 1100 Å The average value of the device characteristics is β = 4.5, ln κ = -35.0. , 4-gradation display was possible. Comparative Examples 1 to 4 Thin film two-terminal devices similar to those in Example 1 were produced. However, the average value (β,
lnκ) were as shown in Table 2. 4-gradation display was not possible. Example 4 A thin film two-terminal device similar to Example 2 was produced. However, the film forming conditions and film thickness of the hard carbon film are as follows. Pressure: 0.035 TorrCH4 Flow rate: 20 SCCM H2 Flow rate: 0 SCCM RF power: 0.23 W/cm2 Film thickness: 650 Å The average value of the device characteristics is β = 6.0, ln κ = -34.5. ,
Four-gradation display was possible. Example 5 A thin film two-terminal device similar to Example 1 was produced. However, the film forming conditions and film thickness of the hard carbon film are as follows. Pressure: 0.035 TorrCH4 Flow rate: 5 SCCM H2 Flow rate: 15 SCCM RF power: 0.13 W/cm2 Film thickness: 650 Å The average values of the device characteristics are β = 6.0, ln κ = -38.0. ,
Four-gradation display was possible.

【0018】比較例5〜6 実施例1と同様の薄膜二端子素子を作製した。ただし硬
質炭素膜の成膜条件、膜厚及び素子特性の平均値(β,
lnκ)は各々表3に示す通りとした。4階調表示はで
きなかった。 実施例6 実施例1と同様の薄膜二端子素子を作製した。ただし硬
質炭素膜の成膜条件及び膜厚は以下の通りである。 圧  力    :0.035  TorrCH4 流
量:  5  SCCM H2   流量:15  SCCM RFパワー:0.13  W/cm2         膜厚      :500Å素子特性
の平均値はβ=7.0、ln κ=−37.5であり、
4階調表示は可能であった。 比較例7 実施例1と同様の薄膜二端子素子を作製した。ただし硬
質炭素膜の成膜条件及び膜厚は以下の通りである。 圧  力    :0.035  TorrCH4 流
量:  5  SCCM H2   流量:15  SCCM RFパワー:0.10  W/cm2         膜厚      :500Å素子特性
の平均値はβ=7.0、ln κ=−38.5であり、
4階調表示はできなかった。 実施例7 実施例1と同様の薄膜二端子素子を作製した。ただし硬
質炭素膜の成膜条件及び膜厚は以下の通りである。 圧  力    :0.035  TorrCH4 流
量:20  SCCM H2   流量:  0  SCCM RFパワー:2.4  W/cm2         膜厚      :5900Å素子特
性の平均値はβ=2.0、ln κ=−26.5であり
、4階調表示は可能であった。 実施例8 実施例1と同様の薄膜二端子素子を作製した。ただし硬
質炭素膜の成膜条件及び膜厚は以下の通りである。 圧  力    :0.035  TorrCH4 流
量:20  SCCM H2   流量:  0  SCCM RFパワー:1.8  W/cm2         膜厚      :5900Å素子特
性の平均値はβ=2.0、ln κ=−28.0であり
、4階調表示は可能であった。 比較例8〜9 実施例1と同様の薄膜二端子素子を作製した。ただし硬
質炭素膜の成膜条件、膜厚及び素子特性の平均値(β,
lnκ)は各々表3に示す通りとした。4階調表示はで
きなかった。 実施例9 実施例1と同様の薄膜二端子素子を作製した。ただし硬
質炭素膜の成膜条件及び膜厚は以下の通りである。 圧  力    :0.035  TorrCH4 流
量:20  SCCM H2   流量:  0  SCCM RFパワー:2.4  W/cm2         膜厚      :8000Å素子特
性の平均値はβ=1.7、ln κ=−26.5であり
、4階調表示は可能であった。 比較例10 実施例1と同様の薄膜二端子素子を作製した。ただし硬
質炭素膜の成膜条件及び膜厚は以下の通りである。 圧  力    :0.035  TorrCH4 流
量:20  SCCM H2   流量:  0  SCCM RFパワー:3.0  W/cm2         膜厚      :8000Å素子特
性の平均値はβ=1.7、ln κ=−26.0であり
、4階調表示はできなかった。
Comparative Examples 5 and 6 Thin film two-terminal devices similar to those in Example 1 were produced. However, the average value (β,
lnκ) were as shown in Table 3. 4-gradation display was not possible. Example 6 A thin film two-terminal device similar to Example 1 was produced. However, the film forming conditions and film thickness of the hard carbon film are as follows. Pressure: 0.035 TorrCH4 Flow rate: 5 SCCM H2 Flow rate: 15 SCCM RF power: 0.13 W/cm2 Film thickness: 500 Å The average value of the device characteristics is β = 7.0, ln κ = -37.5. ,
Four-gradation display was possible. Comparative Example 7 A thin film two-terminal device similar to Example 1 was produced. However, the film forming conditions and film thickness of the hard carbon film are as follows. Pressure: 0.035 TorrCH4 Flow rate: 5 SCCM H2 Flow rate: 15 SCCM RF power: 0.10 W/cm2 Film thickness: 500 Å The average value of the device characteristics is β = 7.0, ln κ = -38.5. ,
4-gradation display was not possible. Example 7 A thin film two-terminal device similar to Example 1 was produced. However, the film forming conditions and film thickness of the hard carbon film are as follows. Pressure: 0.035 TorrCH4 Flow rate: 20 SCCM H2 Flow rate: 0 SCCM RF power: 2.4 W/cm2 Film thickness: 5900 Å The average value of the device characteristics is β = 2.0, ln κ = -26.5. , 4-gradation display was possible. Example 8 A thin film two-terminal device similar to Example 1 was produced. However, the film forming conditions and film thickness of the hard carbon film are as follows. Pressure: 0.035 TorrCH4 Flow rate: 20 SCCM H2 Flow rate: 0 SCCM RF power: 1.8 W/cm2 Film thickness: 5900 Å The average value of the device characteristics is β = 2.0, ln κ = -28.0. , 4-gradation display was possible. Comparative Examples 8 to 9 Thin film two-terminal devices similar to those in Example 1 were produced. However, the average value (β,
lnκ) were as shown in Table 3. 4-gradation display was not possible. Example 9 A thin film two-terminal device similar to Example 1 was produced. However, the film forming conditions and film thickness of the hard carbon film are as follows. Pressure: 0.035 TorrCH4 Flow rate: 20 SCCM H2 Flow rate: 0 SCCM RF power: 2.4 W/cm2 Film thickness: 8000 Å The average value of the device characteristics is β = 1.7, ln κ = -26.5. , 4-gradation display was possible. Comparative Example 10 A thin film two-terminal device similar to Example 1 was produced. However, the film forming conditions and film thickness of the hard carbon film are as follows. Pressure: 0.035 TorrCH4 Flow rate: 20 SCCM H2 Flow rate: 0 SCCM RF power: 3.0 W/cm2 Film thickness: 8000 Å The average value of the device characteristics is β = 1.7, ln κ = -26.0. , 4-gradation display was not possible.

【0019】以上の例について成膜条件、特性及び4階
調表示の可否を表2〜表3にまとめた。また素子特性(
β,lnκ)と4階調表示の可否の関係を第10図に示
した。この図から4階調表示の可能な範囲は、4本の直
線 lnκ=−2.8β−22.5…(A)lnκ=−2.
0β−22.0…(B)lnκ=  0.5β−27.
0…(a)lnκ=  0.5β−41.0…(b)で
囲まれた部分であることがわかる。
Tables 2 and 3 summarize the film forming conditions, characteristics, and whether four-gradation display is possible for the above examples. Also, element characteristics (
FIG. 10 shows the relationship between β, lnκ) and whether four-gradation display is possible. From this figure, the possible range of four-gradation display is four straight lines lnκ=-2.8β-22.5...(A) lnκ=-2.
0β-22.0...(B)lnκ=0.5β-27.
It can be seen that the area is surrounded by 0...(a) lnκ=0.5β-41.0...(b).

【表2】[Table 2]

【表3】[Table 3]

【0020】[0020]

【効果】本発明のMIM素子に用いられる硬質炭素膜は
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に制御でき、従って
デバイス設計上の自由度が大きい、 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い、 4)  膜厚、膜質の均一性に優れているため、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、このため特に信頼性の高い液晶表示用スイッチ
ング素子として好適である。さらに本発明の薄膜二端子
素子はとくに、4階調以上の中間調表示を行うための素
子として欠くことのできないものである。
[Effects] The hard carbon film used in the MIM device of the present invention is 1) manufactured by a vapor phase synthesis method such as plasma CVD, so its physical properties can be controlled over a wide range by changing the film formation conditions, and therefore there is greater freedom in device design. 2) It is hard and can be made into a thick film, so it is less susceptible to mechanical damage, and the thicker the film can be expected to reduce the number of pinholes, 3) It is possible to form a high-quality film even at low temperatures near room temperature. 4) Excellent uniformity in film thickness and film quality, making it suitable for thin film devices; 5) Low dielectric constant, so advanced microfabrication technology is not required; It has advantages such as being advantageous in increasing the area of the display, and is therefore particularly suitable as a highly reliable switching element for liquid crystal display. Furthermore, the thin film two-terminal device of the present invention is particularly indispensable as a device for displaying intermediate tones of four or more gradations.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

【図1】本発明の薄膜二端子素子と液晶との等価回路を
示す。
FIG. 1 shows an equivalent circuit of a thin film two-terminal element of the present invention and a liquid crystal.

【図2】本発明実施例1の薄膜二端子素子を示す。FIG. 2 shows a thin film two-terminal device according to Example 1 of the present invention.

【図3】本発明のMIM素子を用いた液晶表示装置の1
例を示す。
FIG. 3: 1 of a liquid crystal display device using the MIM element of the present invention
Give an example.

【図4】(a)および(b)は本発明MIM素子の典型
的なI−V特性およびlnI−√V特性図を示す。
FIGS. 4(a) and 4(b) show typical IV characteristics and lnI-√V characteristics of the MIM device of the present invention.

【図5】本発明のMIM素子に用いられる硬質炭素膜系
絶縁膜のIRスペクトルのガウス分布を示す。
FIG. 5 shows the Gaussian distribution of the IR spectrum of the hard carbon film-based insulating film used in the MIM device of the present invention.

【図6】前記絶縁膜のIRスペクトルを示す。FIG. 6 shows an IR spectrum of the insulating film.

【図7】前記絶縁膜のラマンスペクトルを示す。FIG. 7 shows a Raman spectrum of the insulating film.

【図8】本発明MIM素子の両端に印加される電圧パル
ス巾が4階調に変化している様子を(イ)〜(ニ)で示
す。
FIG. 8 shows (A) to (D) how the voltage pulse width applied to both ends of the MIM element of the present invention changes in four gradations.

【図9】本発明実施例2のMIM素子の断面図を示す。FIG. 9 shows a cross-sectional view of an MIM element according to Example 2 of the present invention.

【図10】素子特性と4階調表示の関係を示す。FIG. 10 shows the relationship between element characteristics and four-gradation display.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1  絶縁基板 1′  絶縁基板 2  硬質炭素膜 3  液晶 4  画素電極 4′  共通電極 5  能動素子(MIM素子) 6  第2導体(バスライン)(上部導体)7  第1
導体(下部導体) 8  配向膜 9  ギャップ材
1 Insulating substrate 1' Insulating substrate 2 Hard carbon film 3 Liquid crystal 4 Pixel electrode 4' Common electrode 5 Active element (MIM element) 6 Second conductor (bus line) (upper conductor) 7 First
Conductor (lower conductor) 8 Orientation film 9 Gap material

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  上部導体および下部導体間に介在させ
た絶縁膜が硬質炭素膜であり、かつ電流(I)−電圧(
V)特性が、 【数1】 で近似される薄膜二端子素子であって、κとβの関係が
式 ln κ=−2.8β−22.5     …(A)l
n κ=−2.0β−22.0     …(B)ln
 κ=  0.5β−27.0     …(a)ln
 κ=  0.5β−41.5     …(b)で示
される線で囲まれた範囲内のものであることを特徴とす
る薄膜二端子素子。
Claim 1: The insulating film interposed between the upper conductor and the lower conductor is a hard carbon film, and the current (I) - voltage (
V) A thin film two-terminal device whose characteristics are approximated by [Equation 1], and the relationship between κ and β is expressed by the formula ln κ=-2.8β-22.5...(A)l
nκ=-2.0β-22.0...(B)ln
κ=0.5β-27.0...(a)ln
A thin film two-terminal device characterized in that κ=0.5β−41.5 falls within the range surrounded by the line shown in (b).
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