(57)【要約】【課題】  製造プロセスの複雑化を招くことなく、電気的特性および信頼性の向上を図ることのできる非線形素子、この非線形素子を画素スイッチング素子として備えた電気光学装置、及び非線形素子の製造方法を提供すること。【解決手段】  非線形素子１０は、タンタルなどからなる下部電極１３と、下部電極１３の表面を陽極酸化してなる酸化膜１４と、酸化膜１４を介して下部電極１３に対向する上部電極１５とを有している。下部電極１３は、下層側に酸素を含有しない酸素非含有層１３２、上層側に向けて酸素含有率が連続的に増加する酸素含有率傾斜増加層１３３と、酸素を含有する最上層１３１とを備えている。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一金属あるいは合金からなる下部電極と、該下部電極の上層側に形成された酸化膜と、該酸化膜を介して前記下部電極に対向する上部電極とを備えた非線形素子において、
前記下部電極は、少なくとも最上層が酸素を含有するとともに、前記下部電極の膜厚方向で酸素含有率が異なることを特徴とする非線形素子。
【請求項２】
前記下部電極は、前記最上層の下層側に、上層側に向けて酸素含有率が連続的に増加する酸素含有率傾斜増加層、および上層側に向けて酸素含有率が連続的に減少する酸素含有率傾斜減少層のうちの少なくとも一方を備えていることを特徴とする請求項１に記載の非線形素子。
【請求項３】
前記下部電極は、前記最上層の下層側に、当該最上層より酸素含有率の低い酸素低含有層または酸素を含有しない酸素非含有層を備え、
前記酸素低含有層または前記酸素非含有層と、前記最上層との間に前記酸素含有率傾斜増加層を備えていることを特徴とする請求項２に記載の非線形素子。
【請求項４】
前記下部電極は、酸素を含有する最下層を備えるとともに、当該最下層の上層側に前記酸素含有率傾斜減少層を備え、かつ、当該酸素含有率傾斜減少層と前記最上層との間に前記酸素含有率傾斜増加層を備え、
前記下部電極は、前記最下層が基板に直接、積層されていることを特徴とする請求項２に記載の非線形素子。
【請求項５】
前記下部電極は、タンタル、あるいはタンタルを主体とする合金で構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の非線形素子。
【請求項６】
前記下部電極の前記最上層における酸素含有率が５原子％から４５原子％までの範囲であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の非線形素子。
【請求項７】
前記酸化膜は、前記下部電極の陽極酸化膜であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の非線形素子。
【請求項８】
前記酸化膜は、前記下部電極側面の最下部の上にも形成され、
前記上部電極は、前記下部電極の上面から当該下部電極の側面の最下部上を経て前記下部電極の下地面まで連続するように形成されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の非線形素子。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の非線形素子と、当該非線形素子を介して駆動される画素電極とを備えたことを特徴とする電気光学装置。
【請求項１０】
単一金属あるいは合金によって下部電極を形成する下部電極形成工程と、前記下部電極の表面側に酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、前記酸化膜を介して前記下部電極に対向する上部電極を形成する上部電極形成工程とを有する非線形素子の製造方法において、
前記下部電極形成工程では、前記下部電極を形成する際、前記下部電極の膜厚方向で酸素含有率が異なるように前記単一金属あるいは前記合金を成膜し、かつ、当該下部電極の少なくとも最上層を形成する際、酸素を含有するように前記単一金属あるいは前記合金を成膜することを特徴とする非線形素子の製造方法。
【請求項１１】
前記下部電極形成工程では、タンタル、あるいはタンタルを主成分とする合金で前記下部電極を形成することを特徴とする請求項１０に記載の非線形素子の製造方法。
【請求項１２】
前記酸化膜形成工程では、陽極酸化法により前記酸化膜を形成することを特徴とする請求項１０または１１に記載の非線形素子の製造方法。
【請求項１３】
前記下部電極形成工程ではスパッタ法により成膜を行い、スパッタ時の酸素分圧を変化させて前記下部電極の膜厚方向で酸素含有率が異なるように前記単一金属あるいは前記合金を成膜することを特徴とする請求項１０乃至１２の何れか一項に記載の非線形素子の製造方法。
【請求項１４】
前記下部電極形成工程ではスパッタ法により成膜を行い、スパッタ時の酸素分圧を連続的に変化させて前記下部電極の膜厚方向で酸素含有率が異なるように前記単一金属あるいは前記合金を成膜することを特徴とする請求項１０乃至１２の何れか一項に記載の非線形素子の製造方法。
【請求項１５】
さらに、前記酸化膜形成工程を行った後、前記酸化膜に熱処理を行う熱処理工程を有することを特徴とする請求項１０乃至１４の何れか一項に記載の非線形素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下部電極、酸化膜及び上部電極がこの順に積層された非線形素子、この非線形素子を画素スイッチング素子として備えた電気光学装置、及び非線形素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、非線形の電圧電流特性を有する素子、例えばＴＦＴ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：薄膜トランジスタ）やＴＦＤ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｄｉｏｄｅ：薄膜ダイオード）などの非線形素子を画素スイッチン素子として画素毎に備えた液晶装置が市販されている。このような非線形素子の例として、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ：金属−絶縁体−金属）の積層構造を備えたダイオード型の非線形素子がある。
【０００３】
このようなＭＩＭ型の非線形素子を備えた液晶装置では、図２０に示す非線形素子を備えた素子基板の製造プロセスとして、例えば以下の工程を行っている。まず、ガラス基板１１′にタンタル酸化膜（Ｔａ２Ｏ５）からなる下地層１２′を全面的に形成し、この下地層１２′の上にタンタル（Ｔａ）により下部電極１３′と、これに接続された配線層（図示せず）を含む通電パターンを形成する。次に、電解液内において上記の通電パターンを介して下部電極１３′に通電し、陽極酸化法により下部電極１３′の表面側にＴａ２Ｏ５からなる酸化膜１４′を形成する。また、このようにして構成されたＭＩＭ構造の電気特性（電流電圧特性）をさらに改善するために、３２０〜４００℃程度の温度で酸化膜１４に対して熱処理（アニール処理）を行う。その後、上記の酸化膜１４′の上層側にクロム（Ｃｒ）からなる上部電極１５′を形成することによってＭＩＭ構造を形成する。
【０００４】
上記のＭＩＭ構造を備えた非線形素子については、その電気特性を改善し、動作の安定性や特性ばらつきの低減を図るために、従来から種々の改良が提案されている。例えば、ＭＩＭ型非線形素子の印加電圧と電流の関係を経時的に安定させるために、Ｔａ２Ｏ５からなる酸化膜を形成する工程において、Ｖ属元素を含むアニオン種を配合した水溶液とクエン酸水溶液を交互に用いて陽極酸化を行い、多層構造の陽極酸化膜を形成する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、ＭＩＭ構造では、下部電極層と酸化膜、酸化膜と上部電極層の界面の平滑性が素子の耐圧・リーク電流に影響を与えることが知られているが、下部電極層及び酸化膜を形成した後にプラズマ照射により表面を平滑化する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
さらに、酸化膜にピンホールなどの欠陥があっても層間ショートが発生しないようにするため、酸化膜成膜後に陽極酸化処理を行うことにより、ピンホールなどの欠陥をなくす技術も知られている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平７−２５４７３６号公報
【特許文献２】特開２００２−４３５２９号公報
【特許文献３】特開２００３−４５８８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の非線形素子の製造プロセスでは、ＭＩＭ構造の特性改善のために熱処理を行う場合があるが、この場合、熱処理によって下部電極１３′が膨張し、これによって、図２０に示すように酸化膜１４′の端縁１４０′が側方へ張り出したヒサシ構造が形成されることが判明した。この状態で上部電極１５′を成膜すると、酸化膜１４′の端縁１４０′及び下地層１２′の表面と上部電極１５′との間に隙間Ｇが形成されやすくなるので、上部電極１５′のパターニング時において上記の隙間Ｇにエッチャントが侵入し、上部電極１５′の断線が発生することがある。また、一般に、上部電極１５′を厚くすれば配線抵抗を低くすることができるので、縦クロストークを防止することができる点で好ましいが、上部電極１５′を厚くするとそのパターニング時間も長くなるため、上記の断線が発生する確率も大きくなるという問題点がある。
【０００８】
また、下部電極１３′を成膜する場合、タンタルをスパッタ法によりガラス基板１１′上に成膜すれば、通常、β−Ｔａの配向膜が得られるが、スループット向上のため成膜速度を早くするとその配向性が悪化し、非線形素子の電気的特性の均一性に支障が生ずる。この電気的特性の均一性確保のためには成膜速度を上げて完全に多結晶にするか、成膜速度を下げて完全に配向をそろえることが考えられるが、成膜速度を上げることは装置能力やターゲットのエロージョン発生などの問題から不可能である。一方、成膜速度を下げると、配向性は向上するが、生産性が低下するとともに、却って下部電極１３の電気抵抗率の面内均一性が低下し、液晶表示装置では表示ムラが発生するという問題点がある。
【０００９】
さらに、非線形素子の製造プロセスに関する前述の種々の改良は、いずれも上記の問題点を解決することができず、しかも、製造工程を複雑化するものであるため、余分な工程が必要になったり、製造時間が長くなったりするという問題点がある。例えば、特許文献１に記載された方法では、定電圧条件下での陽極酸化工程を省略しているが、陽極酸化用の電解液を２種類以上必要とし、２つの定電流条件下での陽極酸化工程を要するので、コストやタクトタイム的に問題がある。また、特許文献２に記載された方法では、下部電極と絶縁膜、絶縁膜と上部電極の界面の平滑性を向上させる上で効果があるが、プラズマ照射により表面を平滑にする工程を必要とし、やはりコストやタクトタイム的に問題がある。さらに、特許文献３に記載された方法では、絶縁膜の形成後にさらに陽極酸化工程を必要とするので、やはりコストやタクトタイム的に問題がある。
【００１０】
その上、上記の非線形素子では、素子特性の向上、すなわちスイッチング動作の安定化、リーク電流の低減、素子容量の低減などを図るために非線形係数を高くするとともに、素子特性の可逆的及び非可逆的な経時変化を抑制することが要請されるが、従来の技術では、非線形係数の向上と、素子特性の経時変化とを両立することが困難であるという問題点がある。
【００１１】
上記問題点に鑑みて、本発明の課題は、製造プロセスの複雑化を招くことなく、電気的特性および信頼性の向上を図ることのできる非線形素子、この非線形素子を画素スイッチング素子として備えた電気光学装置、及び非線形素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明では、単一金属あるいは合金からなる下部電極と、該下部電極の上層側に形成された酸化膜と、該酸化膜を介して前記下部電極に対向する上部電極とを備えた非線形素子において、前記下部電極は、少なくとも最上層が酸素を含有するとともに、前記下部電極の膜厚方向で酸素含有率が異なっていることを特徴とする。
【００１３】
本願発明者らが鋭意研究を重ねたところ、図２０に示す構造において、矢印Ｏ2で示すように、熱処理の際に酸化膜中の酸素が下部電極のタンタル内に侵入拡散することにより、下部電極が膨張することが判明した。そこで、下部電極の成膜時に酸素を導入する検討を行ったところ、熱処理を行っても上記のヒサシ構造はほとんど発生しなくなり、その結果、上部電極の断線も発生しなくなることが確認された。このことは、熱処理温度を４００℃程度と高温にしても同様であり、これにより、上部電極の断線不良を招くことなく、高温のアニール処理を行って非線形素子の電気的特性を向上させることが可能になった。
【００１４】
また、上記のように下部電極に酸素を含有させると、下部電極の配向性が乱され、その結晶性が低下することが見出された。そして、このことにより、下部電極の構造的均一性が向上するとともに、非線形素子の電気的特性のばらつきが低減されることが確認された。
【００１５】
さらに、下部電極に酸素を含有させることにより、下部電極の表面が平滑化されることが判明した。下部電極の表面の平滑化は、酸化膜の平滑化をも生じさせるので、酸化膜で構成される接合面の高品位化を図ることができ、その結果、非線形素子の電気的特性の向上及び安定化を得ることができる。その上、この下部電極の表面の平滑化は、上層の酸化膜の表面の平滑性や膜質をも向上させる効果を奏するので、特に酸化膜を陽極酸化法により形成する場合には、陽極酸化工程の定電圧ステップを短縮若しくは省略することができるという利点がある。
【００１６】
さらにまた、下部電極に酸素を導入することにより、酸化膜中の酸素空孔などの欠陥が少なくなるとともに、上記のように下部電極の表面粗さの低減による接合界面の平滑化、及び、酸化膜の膜質向上などを実現できるため、素子特性の経時変化、特に、可逆的な素子特性の経時変化であるドリフト現象を低減することができる。
【００１７】
しかも、本発明では、熱処理の際の下部電極のＴａ内への酸素の侵入拡散防止や、下部電極の構造的均一性の向上などに必要な下部電極の最上層については、必要な量の酸素を含有する層とし、下部電極の膜厚方向で酸素含有率を相違させてあるので、下部電極の機能を高めることができる。例えば、下部電極の最上層以外については酸素含有率を低下させることによりそのシート抵抗を低減することができる。また、下部電極の最下層については、酸素含有率の多い層とすることにより、基板と下部電極との間に形成していた下地層を省くことができる。
【００１８】
このように、本発明では、非線形素子の電気的特性や信頼性を向上するにあたって、下部電極に酸素を含有させるだけでよいので、本質的に新たな製造工程を導入する必要がなく、製造時間の延長も不要である。例えば、下部電極をスパッタ法により成膜する場合、スパッタ装置に不活性ガス（アルゴンなど）とともに酸素を導入するだけでよいため、実質的に何等、製造工程を変える必要がない。それ故、本発明によれば、製造コストの増大を回避できる。
【００１９】
本発明において、前記最上層の下層側に、上層側に向けて酸素含有率が連続的に増加する酸素含有率傾斜増加層、および上層側に向けて酸素含有率が連続的に減少する酸素含有率傾斜減少層のうちの少なくとも一方を備えていることが好ましい。すなわち、下部電極の膜厚方向で酸素含有率を相違させて下部電極の機能を高めるにあたっては、酸素含有率を連続的に変化させることが好ましい。このような構成であれば、スパッタ装置内の酸素分圧を時間とともに変化させるだけでよいため、酸素分圧が所定の条件になるまで成膜を中断する必要がない。
【００２０】
本発明において、前記下部電極は、前記最上層の下層側に、当該最上層より酸素含有率の少ない酸素低含有層、または酸素を含有しない酸素非含有層を備えることが好ましく、この場合、前記酸素低含有層または前記酸素非含有層と、前記最上層との間に前記酸素含有率傾斜増加層を備えていることが好ましい。このような構成を採用すれば、最上層については、熱処理の際の下部電極のＴａ内への酸素の侵入拡散防止や、下部電極の構造的均一性の向上などに必要な量の酸素を含有する層としたまま、下層側には、シート抵抗の低い酸素低含有層や酸素非含有層を形成することができる。従って、下部電極に酸素を含有させた場合でも、下部電極およびこの下部電極と一体に形成された配線については電気抵抗の低減を図ることができる。また、酸素低含有層や酸素非含有層と最上層との境界領域は、上層側に向けて酸素含有率が連続的に増加する酸素含有率傾斜増加層になっているため、下部電極をスパッタ法により成膜する場合、酸素分圧が低い状態あるいは酸素を導入しない状態で成膜を行った以降、酸素分圧を高めていけばよい。このため、成膜工程を途中で中断する必要がないので、非線形素子を製造する際のスループットが低下しない。
【００２１】
本発明において、前記下部電極は、酸素を含有する最下層を備えるとともに、当該最下層の上層側に前記酸素含有率傾斜減少層を備え、かつ、当該酸素含有率傾斜減少層と前記最上層との間に前記酸素含有率傾斜増加層を備えることが好ましく、この場合、前記下部電極は、前記最下層が基板に直接、積層されている構成を採用することができる。このような構成を採用すれば、最下層が酸素を含有する層であるため、基板との密着性が高い。従って、基板に下地層を形成せず、下部電極を基板に直接、積層されることができ、下地層の形成工程を省略できる。また、下部電極の中間層は、酸素含有率の少ない、あるいは酸素を含まない層になっており、かかる層は、シート抵抗が低いので、下部電極に酸素を含有させた場合でも、下部電極およびこの下部電極と一体に形成された配線については電気抵抗の低減を図ることができる。また、下部電極は、十分な酸素を含有する最下層、酸素含有率傾斜減少層、酸素含有率傾斜増加層、十分な酸素を含有する最上層を備えているので、スパッタ成膜を行う際、酸素分圧が高い状態で最下層を成膜した以降、成膜を継続しながら、酸素分圧を低下させた後、酸素分圧を高めていけばよい。このため、成膜工程を途中で中断する必要がないので、非線形素子を製造する際のスループットが低下しない。
【００２２】
本発明において、前記下部電極は、例えば、タンタル、あるいはタンタルを主体とする合金で構成されている。Ｔａ若しくはＴａを主成分とする合金は、従来からＭＩＭ構造を有する非線形素子の下部電極として多用されており、安定した特性が得られることが確認されている。
【００２３】
本発明において、前記下部電極の前記最上層における酸素含有率は、例えば、５原子％から４５原子％までの範囲である。この範囲を下回ると、酸素導入の効果が低下し、具体的には下部電極の表面の平滑化効果が見られなくなる。逆に上記範囲を上回ると、下部電極の電気抵抗が増大し、非線形素子としての電気的特性を確保することが難しくなる。特に、下部電極への酸素導入効果を確実に得るためには、下部電極の酸素含有率は１５〜４０原子％であることが望ましい。この範囲内であれば、上述の全ての効果（すなわち、上部電極の断線不良の防止効果、下部電極の表面の平滑化効果、及び、ガラス基板への密着性の向上効果）を得ることができる。この範囲内でも、特に、２０〜３５原子％の範囲では、下部電極の表面の平滑化効果が顕著であり、しかも、電気抵抗が酸素を導入しない場合とほとんど変わらないので、非線形素子を構成する上で最も望ましい。
【００２４】
本発明において、前記酸化膜は、例えば、前記下部電極の陽極酸化膜によって構成することができる。
【００２５】
本発明において、前記酸化膜は、前記下部電極側面の最下部の上にも形成され、前記上部電極は、前記下部電極の上面から当該下部電極の側面の最下部上を経て前記下部電極の下地面まで連続するように形成されていることが好ましい。この構造では、酸化膜を介した非線形素子の接合面積を充分に確保することができ、しかも基板上などに非線形素子を容易に構成することが可能になり、しかも、上部電極が下部電極の上方からその端縁上を経て下地面上に亘る範囲に形成されるので、非線形素子と他の層（例えば画素電極）との接続も容易に行うことができるなどといった利点がある。このような構造では、上述のように、従来、下部電極の膨張によりその端縁が側方へ張り出すことにより、酸化膜及び下地面と上部電極との間に隙間が発生しやすくなり、上部電極の断線という問題が顕著になっていたが、本発明ではこれを確実に防止することができる。なお、下地面とは、基板上に下地層が形成されている場合には、この下地層のことを意味し、基板上に下地層が形成されていない場合には、この基板面自身のことをいう。
【００２６】
本発明に係る非線形素子は、電気光学装置において画素スイッチング用非線形素子として用いることができ、このような電気光学装置において、非線形素子は、電位供給経路を構成する配線と画素電極との間に接続され、非線形素子を介して画素電極が駆動される。本発明によれば非線形素子の電気的特性を向上することができるので、電気光学装置の光学特性の向上や安定化を図ることができる。また、前述と同様の理由により電気光学装置の製造コストの増大も回避できる。このような電気光学装置は、例えば、携帯電話機やモバイルコンピュータなどといった電子機器に用いられる。
【００２７】
本発明を適用した非線形素子を製造するにあたっては、単一金属あるいは合金によって下部電極を形成する下部電極形成工程と、前記下部電極の表面側に酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、前記酸化膜を介して前記下部電極に対向する上部電極を形成する上部電極形成工程とを有する非線形素子の製造方法において、前記下部電極形成工程では、前記下部電極を形成する際、当該下部電極の膜厚方向で酸素含有率が異なるように前記単一金属あるいは前記合金を成膜し、かつ、当該下部電極の少なくとも最上層を形成する際、酸素を含有するように前記単一金属あるいは前記合金を成膜することを特徴とする。
【００２８】
ここで、前記下部電極形成工程では、タンタル、あるいはタンタルを主成分とする合金で前記下部電極を形成する。
【００２９】
本発明において、前記酸化膜形成工程では、陽極酸化法により前記酸化膜を形成することができる。陽極酸化膜は高品位の絶縁膜を形成することができる点で非線形素子の製造に適している。従来においては陽極酸化膜の膜質向上のために定電流制御期間の後に定電圧制御期間を設けていたが、本発明では、下部電極の表面が平滑化されているので、短時間で高品位の膜質を得ることができる。したがって、定電圧制御期間を短縮したり、省略したりすることが可能になり、その結果、陽極酸化工程の工程時間を短縮することができる。
【００３０】
本発明において、前記下部電極形成工程ではスパッタ法により成膜を行い、スパッタ時の酸素分圧を変化させて前記下部電極の膜厚方向で酸素含有率が異なるように前記単一金属あるいは前記合金を成膜する。この場合、スパッタ時の酸素分圧を連続的に変化させて前記下部電極の膜厚方向で酸素含有率が異なるように前記単一金属あるいは前記合金を成膜することが好ましい。ここで、酸素を含有する層を形成する際、スパッタ時の酸素分圧を０．０５〜０．０９Ｐａの範囲内で変化させれば、下部電極の酸素含有率を５〜４７原子％とすることができる。また、スパッタ時の酸素分圧を０．０１〜０．０６Ｐａとすることにより、下部電極の酸素含有率を１５〜４０原子％とすることができ、さらに、酸素分圧を０．０２〜０．０４Ｐａとすることで、下部電極の酸素含有率を２０〜３５原子％とすることができる。
【００３１】
本発明においては、前記酸化膜形成工程を行った後、さらに、前記酸化膜に熱処理を行う熱処理工程を有することが好ましい。この熱処理工程（アニール工程）は、非線形素子の電気的特性の向上及び安定化に大きく寄与する。通常、加熱温度は３２０〜４００℃程度であるが、特に陽極酸化膜の場合、この範囲であれば加熱温度が高いほど、非線形素子の電気的特性の向上及び安定化効果が高くなる傾向が見られる。しかし、従来構造では加熱温度を高くすると上述のように断線不良が発生しやすくなるので、加熱温度を最適化することができなかった。しかるに本発明では、加熱温度を高めても支障が生じないので、非線形素子の電気的特性の向上及び安定化を最大限、図ることができるという利点を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３３】
［実施の形態１］
（非線形素子の構成）
図１は、本発明を適用した非線形素子の構造を模式的に示す拡大縦断面図である。図１に示す非線形素子１０（ＴＦＤ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｄｉｏｄｅ）素子）は、ガラス、石英、プラスチックなどで構成された基板１１の上に形成された下部電極１３と、この下部電極１３の表面を覆うように設けられた酸化膜１４と、酸化膜１４を覆うように設けられた上部電極１５とを有している。ここで、基板１１と下部電極１３との間に図示しない下地層を形成し、基板１１と下部電極１３との密着性を高めても構わない。
【００３４】
下部電極１３は、後述するように、酸素を含有する金属若しくは合金、例えば、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）などの弁金属で構成できるが、特に、タンタル、若しくはタンタルを主成分とする合金、例えばタンタルとタングステンとの合金（Ｔａ−Ｗ：Ｗは０．１〜１．０ｗｔ％程度）などが好ましい。この場合、基本的にはタンタルに酸素以外の０．１〜６．０ｗｔ％程度の他元素（例えば、タングステン、クロム、モリブデン（Ｍｏ）、シリコン（Ｓｉ）、レニウム（Ｒｅ）、イリジウム（Ｉｒ）など、周期律表において第６族〜第８族に属する元素）を混入したもの、或いは、これに不可避不純物を含むものを用いることができる。下部電極１３の厚さは特に限定されないが、例えば５０〜２００ｎｍ程度、典型的には約１００ｎｍとする。
【００３５】
酸化膜１４は、下部電極１３の表面上に形成されている。酸化膜１４はタンタル酸化物（Ｔａ２Ｏ５）で構成されることが好ましく、特に後述するように陽極酸化膜であることが望ましい。ただし、上記以外でも、充分な素子特性が得られるのであれば、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）やチタン酸化物（ＴｉＯ２）などの他の素材で構成された酸化膜を用いることができる場合もある。酸化膜１４は、本実施形態の場合、下部電極１３の表面を全て覆うように構成され、下部電極１３の端縁１３０上にも形成されている。ただし、酸化膜１４は、下部電極１３の表面を全て覆う必要はなく、下部電極１３と上部電極１５とが対向する部分に形成されていれば非線形素子を構成することができる。酸化膜１４の厚さは通常１０〜１００ｎｍ程度であり、特に２０〜４０ｎｍ程度であることが望ましい。
【００３６】
上部電極１５は、適宜の金属材料で構成することができるが、配線抵抗の低さ、特性の安定性などから、クロム、モリブデン、タングステンなどで構成することが好ましい。このとき、酸化膜１４が下部電極１３の端縁（下部電極１３の側面の最下部）１３０上にも形成されていれば、上部電極１５を酸化膜１４上から上記端縁１３０の上方を経て下部電極１３の下地面（図示例では基板１１の表面）上に亘って連続して形成することができるので、上部電極１５と他の層（例えば、画素電極や他の配線など）との導電接続が容易になる。上部電極１５の厚さは特に限定されないが、１００〜５００ｎｍ程度であることが好ましい。一般的には、厚くなるほど配線抵抗が低下するため、特に液晶表示装置を構成する場合の縦クロストークを防止する上で好ましいが、成膜時間やパターニング時間も増大するため、上記範囲内の厚さであることが望ましい。
【００３７】
このように構成した非線形素子１０において、本形態では、詳しくは、後述するが、下部電極１３は、少なくとも最上層１３１が酸素を含有するとともに、膜厚方向で酸素含有率が異なっている。
【００３８】
（非線形素子の製造方法）
図２を参照して、本発明に係る非線形素子１０の製造方法を説明する。図２に示すように、本発明に係る非線形素子１０の製造工程Ｐ１では、まず、図２に示すように、ステップＳ０１において下部電極１３の材料を基板１１上にスパッタ法などによって成膜し、次に、ステップＳ０２において、成膜された層をフォトリソグラフィ法などを利用してパターニングし、下部電極１３を形成する。
【００３９】
スパッタ法では、ＲＦスパッタ装置やマグネトロンスパッタ装置などで行われる。このような成膜装置において、チャンバー内に下部電極用の原料（タンタルあるいはタンタル−タングステン合金など）のターゲットを配置し、真空ポンプなどの排気装置でチャンバー内を減圧し、アルゴンなどの不活性ガスを導入した状態で、高周波電界を印加してプラズマを形成する。その結果、プラズマ中の正イオンがターゲットに加速衝突し、その反動でターゲット材料が基板１１上に堆積する。
【００４０】
このスパッタ工程では、チャンバー内に上記不活性ガスとともに酸素ガスＯ２を導入すれば、下部電極１３に酸素を含有させることができ、酸素分圧によって下部電極１３の酸素含有率を制御できる。
【００４１】
図３は、スパッタ時におけるチャンバー内の酸素分圧と、成膜された下部電極１３の酸素含有率との関係を示すグラフである。成膜時の酸素分圧が上昇するほど、下部電極１３の酸素含有率も高まるが、全体として酸素分圧が高くなるほど、酸素含有率の上昇率は低下していく。酸素分圧が０．０８Ｐａ以下、或いは、酸素含有率が４５原子％以下では、酸素含有率の制御性が比較的良好であることがわかる。本実施形態では、下部電極１３の酸素含有率を５〜４５原子％の範囲内にするために、酸素分圧を０．００５〜０．０８Ｐａの範囲内に設定して成膜を行う。ここで、酸素含有率１５〜４０原子％に対応する酸素分圧の範囲は０．０１〜０．０６Ｐａであり、酸素含有率２０〜３５原子％に対応する酸素分圧の範囲は０．０２〜０．０４Ｐａである。
【００４２】
なお、酸素を含有した下部電極１３の形成方法としては、上記方法に限らず、例えば、酸素を含有したターゲット材料を用いる方法も考えられる。この場合、スパッタ条件が一定であれば、ターゲット材料の酸素含有率と成膜された層の酸素含有率との間にも所定の関係が得られるので、ターゲット材料とスパッタ条件とを設定することによって上記酸素含有率の下部電極１３を容易に形成することができる。もちろん、スパッタ法に限らず、蒸着法やＣＶＤ法などの他の成膜方法を用いて下部電極１３を形成しても構わない。
【００４３】
図４は、上記のように形成した下部電極１３のＸ線回析プロファイルを示す。ここで、図４には酸素含有率が異なる５種類のグラフが描いてあるが、図示の都合上、そのうち酸素含有率０％の実線で示すグラフを矢印Ｓで示す量だけ上方にシフトさせて（ずらして）描いてある。また、図中下に重ねて示してあるグラフは実験用スパッタ装置により比較的低速で成膜した場合の無酸素層及び酸素含有層のＸ線回折プロファイルを示し、図中矢印Ｓだけ上方にシフトさせて示すグラフは量産ラインのスパッタ装置で比較的高速に成膜した無酸素層のＸ線回折プロファイルを示す。一般に、ガラス基板上に形成された通常のＴａ層はβ−Ｔａ構造を有し、それに対応するのがピークＡであると考えられる。ここで、量産ラインで比較的高速に成膜させると、ピークＡの脇の領域に小さなピーク群Ｂが見られるようになる。これらのピーク群Ｂは、β−Ｔａの配向性が悪化することによる配向のばらつきに起因するものであると思われる。このような下部電極の配向性のばらつきは、非線形素子の電気的特性のばらつきや歩留まりの低下を生ずる可能性があり好ましくない。
【００４４】
一方、下部電極１３中の酸素含有率が比較的低い場合（１０原子％以下の場合）は上記と同様にピークＡが観測されるが、酸素含有率が高くなる（１５原子％を越える）と、上記のピークＡは消失し、その代わりに上記ピーク群Ｂが存在した領域になだらかなピークＣが発生する。酸素含有率がさらに高くなると、このピークＣも小さくなり、やがてほとんど消失する。この結果から、下部電極中の酸素含有率が高まると、徐々に配向性が悪化し、ピーク群Ｂと同じ領域に一旦ピークＣが現れるが、このピークＣがなだらかな形状をしていることから、配向の乱れは全体に無秩序かつ均一に発生していて、やがてさらに配向性が低下することによって全体として結晶性の存在しないランダムな構造（無定形若しくはアモルファス構造に類似した構造）になっていくものと考えられる。これによって、結晶性は悪いものの、全体としては均一な構造を有し、その結果、非線形素子の基板面内均一性が安定したものになると思われる。
【００４５】
再び図２において、上記のように下部電極１３の形成が完了すると、次に、ステップＳ０３において陽極酸化法により下部電極１３の表面に酸化膜１４を形成する。この工程では、下部電極１３の陽極酸化によってタンタル酸化物（Ｔａ２Ｏ５）からなる酸化膜１４が形成される。図５（ａ）は、タンタルの陽極酸化時の電流及び電圧の経時変化を示すグラフである。陽極酸化法では、燐酸塩、クエン酸塩、サリチル酸塩やフタル酸塩などの芳香族カルボン酸塩の水溶液或いはアルコール溶液などの電解液（化成液）に基板を浸漬させ、電解液中において陰極板と対向させた状態で、図示しない通電パターンを介して下部電極１３と陰極板との間に電圧を印加する。上記の芳香族カルボン酸塩としては、サリチル酸アンモニウム、安息香酸アンモニウム、γ−レゾルシン酸アンモニウム、フタル酸水素アンモニウム、フタル酸ジアンモニウムなどを用いることができる。このとき、下部電極１３の表面が露出している当初、あるいは酸化膜が極めて薄い期間は電流が流れ易いので、通常は、最初に定電流制御下で（或いは定電流源に接続して）電圧を印加し（定電流酸化過程：ｔ＝０〜ｔ１）、陽極酸化が進行して下部電極１３の表面に或る程度の厚さの酸化膜が形成され、電圧が所定値まで上昇した時点（ｔ１）で、定電圧制御下で（或いは低電圧源に接続して）酸化処理を続ける（定電圧酸化過程：ｔ＝ｔ１〜ｔ２）といった方法が採用されている。ここで、定電圧酸化過程には、図５（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、膜密度を安定させるとともに、酸化膜１４の表面粗さを低減し、かつ、膜厚を制御するといった狙いがある。これによって酸化膜１４の膜質が良好になり、非線形素子１０の電気的特性が向上し、安定するのである。
【００４６】
本実施形態でも、上記と同様に定電流酸化過程と定電圧酸化過程とを順次に行うことができる。ただし、後述するように、本実施形態では、下部電極１３の表面が滑らかであるので、上記定電圧酸化過程を大幅に短縮したり、或いは、定電圧酸化過程を省略したりすることも可能である。
【００４７】
次に、ステップＳ０４において、上記酸化膜１４の膜質や絶縁性を向上させ、素子特性のばらつきを低減するとともに素子特性の経時的安定性を得るために、３２０〜４００℃で１０〜１２０分程度、熱処理（アニール処理）を行う。この処理により、従来は、酸化膜から下部電極へ酸素原子が拡散し、Ｔａからなる下部電極が膨張して図２０に示すようなヒサシ構造が発生したが、本発明では、下部電極１３に予め酸素が含有されているため、この熱処理工程における酸化膜１４から下部電極１３への酸素の侵入が少なくなる。通常、この熱処理工程の温度が高いほど素子特性は良好になるが、その分、下部電極への酸素原子の拡散も発生しやすくなる。本実施形態では、予め酸素が下部電極１３に含まれていることにより熱処理時における酸素原子の拡散量が大幅に低減される。
【００４８】
この後、上部電極１５の形成工程を行う。すなわち、ステップＳ０５において基板１１の表面にクロムをスパッタ法などにより堆積させ、その後、ステップＳ０６においてその上にレジストを用いるフォトリソグラフィ法などによりマスクを形成し、このマスクを介してエッチングを行うことなどにより、パターニングを行い、上部電極１５を形成する。
【００４９】
（酸素添加の主な効果）
図６は、上記実施形態の下部電極１３の膜中の酸素含有率と表面粗さとの関係を示すグラフである。下部電極１３の酸素含有率が５原子％以上あれば平滑性の変化が見られ、１５原子％以上で平滑性が顕著になり、２０原子％以上で平滑性がほぼ一定になることがわかる。酸素を含有しない下部電極の表面粗さはＲａ＝０．５ｎｍと比較的大きいが、酸素を僅かでも導入すると表面粗さは急激に低下し、酸素含有率が５原子％でＲａ＝約０．４ｎｍ、１５原子％で約０．２８ｎｍ、最終的に酸素含有率が２０原子％以上で約０．２ｎｍと大幅に改善されている。この原因は必ずしも明らかではないが、酸素を導入することで、下部電極の膜質の均一性が改善され、多結晶化或いは無定形化されることにより、その表面も平滑化されたものと思われる。
【００５０】
上記の下部電極１３の表面粗さの改善は、非線形素子１０の接合面（特に下部電極１３と酸化膜１４との界面）の平滑性に直結し、電気的特性の向上をもたらす。特に、酸化膜１４を上記のように陽極酸化法によって形成された陽極酸化膜で構成する場合、陽極酸化膜は下部電極１３の表層自体を酸化することによって得られるので、下部電極１３の表面の平滑性はそのまま酸化膜１４の表面の平滑性に繋がり、その結果、酸化膜１４と上部電極１５との界面の平滑性も向上する。このように接合面の平滑性が向上すると、電気的特性の改善及び安定化（経時的変化の低減）に大きな効果が得られる。
【００５１】
図７は、上記実施形態の下部電極１３の膜中の酸素含有率と、下部電極１３の電気抵抗率との関係を示すグラフである。ここで、縦軸（電気抵抗率）は対数スケールとなっている。下部電極１３の酸素含有率が増えるに従って電気抵抗率が高くなるが、酸素含有率が３５原子％以下ではその変化率は比較的少ない。また、酸素含有率が４５原子％を越えると電気抵抗率が高くなりすぎて下部電極として使用することは極めて困難になる。したがって、非線形素子の下部電極としては、酸素含有率が４５％以下であることが好ましく、特に４０％以下、さらに好ましくは３５％以下であることが望ましいことがわかる。
【００５２】
以上のように、本実施形態の非線形素子１０では、下部電極１３に酸素を含有させたことにより、酸化膜１４の熱処理時における下部電極１３の体積変化が低減され、その結果、上述のヒサシ構造が発生しにくくなるので、上部電極１５のパターニング時において断線不良が発生しにくくなる。特に、従来においては上部電極１５を厚くして配線抵抗を低減させようとした場合に上部電極１５のパターニング時間が長くなると上記の断線不良が発生しやすくなるが、本実施形態では、逆に、断線不良を防止することのできるために上部電極１５の厚肉化が可能になり、その結果、配線抵抗の低減を図ることができる。
【００５３】
また、本実施形態の非線形素子１０では、下部電極１３に酸素を含有させたことにより、下部電極１３の金属構造が変質し、その均一性が向上するので、製品の特性ばらつきを低減することができ、歩留まりも向上する。
【００５４】
さらに、本実施形態の非線形素子１０では、下部電極１３に酸素を含有させたことにより、下部電極１３の表面粗さが改善されるので、非線形素子の接合面を平滑化することができるため、素子特性の向上及び安定化を図ることができ、製品の歩留まりも高めることができる。特に、酸化膜１４を下部電極１３の陽極酸化膜として形成する場合には非線形素子の接合面の平滑化効果がさらに高いものとなる。
【００５５】
一方、本実施形態の非線形素子１０の製造方法では、下部電極１３に酸素を含有させるだけでよいので、製造工数を増やす必要がなく、製造時間も製造コストもほとんど増大することがない。また、基板１１と下部電極１３との密着性が向上するので、酸化膜などの下地層を形成する必要がなくなるため、下地層を形成しないことで工数が削減され、製造時間や製造コストを低減することが可能になる。
【００５６】
本実施形態の非線形素子１０では、上記以外に、電流（Ｉ）・電圧（Ｖ）特性の可逆的経時変化（以下、単に「ドリフト現象」という。）を抑制できるという効果も得られる。このドリフト現象は、素子に電圧を印加することで一時的に現れる現象であり、電圧印加を解除して一定時間が経過すれば元の特性に戻るが、素子特性の変化により当該素子を用いた各種装置、例えば、以下の電気光学装置などの表示特性に残像などの悪影響を与える。
【００５７】
ここで、非線形素子の電気特性に関する作用効果を説明するために、まず、一般的な非線形素子の電流・電圧特性について説明する。図８は、一般的な非線形素子の電流（Ｉ）・電圧（Ｖ）特性を示すグラフであり、図９は同非線形素子のｌｏｇ（Ｉ／Ｖ）とＶ１／２の関係を示すグラフである。非線形素子のＩＶ特性の非線形性は、以下の式
Ｉ／Ｖ＝α・ｅｘｐ［β・Ｖ１／２］…（１）
で表されることが知られている。上記（１）式中のαは導電係数、βは非線形係数であり、下記の式
α＝（ｎμｑ／ｄ）・ｅｘｐ［−φ／ｋＴ］…（２）
β＝（１／ｋＴ）・（ｑ３／πε１ε０ｄ）１／２…（３）
で表される。ここで、ｎはキャリア密度、μはキャリアの移動度、ｑは電子の電荷量、ｄは絶縁膜の厚さ、φはトラップ深さ、ｋはボルツマン定数、Ｔは周囲温度、ε０は真空中の誘電率、ε１は絶縁膜の比誘電率である。
【００５８】
従って、図９のグラフはほぼ直線になり、その傾きが上記βを示すことになる。そこで、以下、上記のβの値を単にβ値という。このβ値は、非線形素子の非線形の度合を示す値であり、その値が大きいほど、非線形性が高いことになる。上記（３）式に示すように、非線形素子の非線形は絶縁膜の誘電率ε１が小さくなるほど大きくなり、また、この誘電率ε１が小さくなると非線形素子の静電容量も小さくなる。非線形性が高くなると、リーク電流が小さくなり、静電容量も小さくなるため、電圧の保持特性が向上することから、非線形素子を備えた電気光学装置（表示装置）の駆動特性も向上する。図８及び図９に示す点線で示すグラフ、破線で示すグラフ及び実線で示すグラフは、この順で非線形性が徐々に高くなっている様子を示す。
【００５９】
上記のドリフト現象は、非線形素子に対する電圧印加に起因する可逆的な経時変化であり、具体的には、図８及び図９のグラフが一時的に平行移動する態様でシフトする（すなわち、横軸方向に移動する）現象である。このドリフト現象が生ずると、例えば、電気光学装置へ素子を介して供給する電圧が変化してしまうため、所定の電圧で駆動したときに各画素の表示階調が変動し、残像が発生するなど、良好な表示品位を保つことができない。
【００６０】
上記のドリフト現象は、通常は絶縁膜中の酸素空孔や結合不良などの欠陥が原因と考えられる。絶縁膜が陽極酸化膜である場合には、Ｘ線回折などでは特定の面方位に対応する回折ピークが弱く、ある程度巨視的に見ると非晶質のように見えるが、微視的に見ると多結晶構造を有する。たとえば、絶縁膜が酸化タンタルで構成されている場合には、その微細な結晶粒はタンタル酸化物（Ｔａ２Ｏ５）の結晶構造を有する。このような結晶粒において酸素空孔や欠陥が存在すると、絶縁膜中における局所的な電荷の偏りに起因して、素子に対する電圧の印加履歴に応じた一時的な電気特性の変化が生ずるものと考えられる。
【００６１】
本実施形態では、下部電極１３中に酸素が含まれていることにより、下部電極１３の密度が低下していることから、酸素イオンの移動が容易になるため、絶縁膜中の酸素空孔や欠損が低減され、組成がより完全なものに近づいているものと考えられる。例えば、表１には、従来の酸素をほとんど含有しない下部電極（Ｔａ−Ｗ）の表面に陽極酸化によって形成した絶縁膜（比較例１）と、本実施形態の酸素を含有する下部電極（Ｔａ−Ｗ）の表面に同じ条件で陽極酸化を施して形成した絶縁膜（実施例）の密度、組成比、及び、Ｔａと結合している酸素原子の割合を示す。
【００６２】
【表１】
2006222113.tif 000003
【００６３】
ここで、絶縁膜の密度は、ＧＩＸＲ法（Ｘ線反射率法）にて得た数値であり、また、絶縁膜の組成比は、ＥＳＣＡ法（Ｘ線光電子分光法）の分光スペクトルのピーク強度比（ピーク面積の比）にて得た数値である。さらに、酸素原子のうちＴａと結合した酸素原子の割合は、ＥＳＣＡ法で得られた分光スペクトルのピーク強度比（ピーク面積の比）により得たものである。すなわち、例えば、Ｔａと結合した酸素原子の割合は、図１０に示すように、分光スペクトルのうち、酸素原子の１ｓ軌道の電子に相当する２つのスペクトルピークＯａ、Ｏｂを相互に分離して（ガウス曲線などで両ピークのフィッティングを行うことによりそれぞれのピークＯａ、Ｏｂの形状寸法を求め）、Ｔａに結合した酸素原子に相当するスペクトルピークＯａと、Ｔａに結合していない酸素原子に相当するスペクトルピークＯｂとの面積比により、Ｔａに結合した酸素原子の割合を算出したものである。
【００６４】
上記の表１によれば、実施例は比較例１よりも密度が小さく、これに対応して、酸素原子の組成比率も高くなっており、さらに、この酸素原子のうち、Ｔａに結合した酸素原子の割合も高くなっている。したがって、実施例の絶縁膜の組成は、従来の絶縁膜よりも化学量論的組成（Ｔａ２Ｏ５）に近くなっているだけでなく、金属原子と結合した酸素原子が多いため、酸素空孔その他の結晶欠陥が大幅に少なくなっているものと考えられる。また、本実施形態では、下部電極の表面粗さが大きく低減されることから、下部電極と絶縁膜との接合界面、並びに、絶縁膜と上部電極との接合界面の平滑性が優れているため、これらの界面の電気的安定性も向上している。したがって、本実施形態では、絶縁膜の欠陥が少ないとともに接合界面の電気的安定性も高くなっていることにより、上記のドリフト現象が少なくなり、安定した電気的特性を得ることができる。
【００６５】
（下部電極１３の詳細な構成）
図１１（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る非線形素子の下部電極の構造を示す拡大縦断面図、及びその製造条件を示す説明図である。
【００６６】
本発明を適用した非線形素子１０を構成するにあたって、本形態では、下部電極１３は、少なくとも最上層１３１が酸素を含有するとともに、膜厚方向で酸素含有率が異なっている。すなわち、図１および図１１（ａ）に示すように、非線形素子１０において、下部電極１３は、その上面部１３８および側面部１３９が酸化膜１４と接しているが、下部電極１３の上面部１３８と酸化膜１４との接触面積は、下部電極１３の側面部１３９と酸化膜１４との接触面積に比較して十分、広いため、下部電極１３の少なくとも最上層１３１に酸素を含有させておけば、上記の効果を奏する。
【００６７】
そこで、本形態の非線形素子１０の下部電極１３は、図１１（ａ）に示すように、最上層１３１については、熱処理の際の下部電極１３のタンタル膜内への酸素の侵入拡散防止や、下部電極１３の構造的均一性の向上などに必要な量の酸素を含有する層としたまま、下層側には、酸素を含有しない酸素非含有層１３２が形成されている。また、酸素非含有層１３２と最上層１３１との境界領域については、上層側に向けて酸素含有率が連続的に増加する酸素含有率傾斜増加層１３３になっている。
【００６８】
このような構成の非線形素子１０を製造するにあたって、本形態では、下部電極形成工程において、下部電極１３を構成するためのタンタル膜をスパッタ法で形成する際、スパッタ装置のチャンバー内の酸素分圧を連続的に変化させる。
【００６９】
より具体的には、図１１（ｂ）に示すように、まず、スパッタ装置のチャンバー内に酸素を導入しない状態で厚さが５００ｎｍの下層側のタンタル膜（酸素非含有層１３２）を形成した後、酸素分圧を連続的に高め、最終的には酸素分圧が０．０３〜０．０４Ｐａになるように調整しながら厚さ５００ｎｍの上層側のタンタル膜を形成する。その結果、上層側のタンタル膜は、酸素含有率が２５〜３５原子％の最上層（下部電極１３の最上層１３１）を備えるともに、下層側のタンタル膜（酸素非含有層１３２）と下部電極１３の最上層１３１との境界領域に、上層側に向けて酸素含有率が０原子％から連続的に増加する酸素含有率傾斜増加層１３３を備えることになる。ここで、上層１３１の酸素含有率を５〜４５原子％にする場合には、最終的な酸素分圧を０．００５〜０．０８Ｐａの範囲に設定すればよく、最上層１３１の酸素含有率を１５〜４０原子％にする場合には、最終的な酸素分圧を０．０１〜０．０６Ｐａに設定すればよく、最上層１３１の酸素含有率を２０〜３５原子％にする場合には、最終的な酸素分圧を０．０２〜０．０４Ｐａに設定すればよい。
【００７０】
このように本形態では、下部電極１３の最上層１３１については、熱処理の際の下部電極１３内への酸素の侵入拡散防止や、下部電極１３の構造的均一性の向上などに必要な量の酸素を含有する層としたまま、下層側には、シート抵抗の低い酸素非含有層１３２を形成する。このため、下部電極１３に酸素を含有させた場合でも、下部電極１３およびこの下部電極１３と一体に形成された配線については電気抵抗の低減を図ることができる。
【００７１】
また、下層側の酸素非含有層１３２と最上層１３１との境界領域は、上層側に向けて酸素含有率が連続的に増加する酸素含有率傾斜増加層１３３になっているため、下部電極１３をスパッタ法により成膜する場合、酸素を導入しない状態で成膜を行った以降、酸素分圧を高めていけばよい。このため、成膜工程を途中で中断する必要がないので、非線形素子１０を製造する際のスループットが低下しない。
【００７２】
なお、下層側にシート抵抗の低い層を形成するにあたっては、酸素非含有層１３２に代えて、酸素分圧の低い条件下で成膜を行って、酸素含有率の低い酸素低含有層を形成してもよい。
【００７３】
［実施の形態２］
図１２（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る非線形素子の下部電極の構造を示す拡大縦断面図、及びその製造条件を示す説明図である。
【００７４】
本発明を適用した非線形素子１０を構成するにあたって、本形態でも、実施の形態１と同様、下部電極１３は、少なくとも最上層１３１が酸素を含有するとともに、膜厚方向で酸素含有率が異なっている。すなわち、本形態の非線形素子１０の下部電極１３は、図１２（ａ）に示すように、熱処理の際の下部電極１３のタンタル膜内への酸素の侵入拡散防止や、下部電極１３の構造的均一性の向上などに必要な量の酸素を含有する最上層１３１を有するとともに、十分な酸素を含有する最下層１３４を備えている。また、下部電極１３は、最下層１３４の上層側に、上層側に向けて酸素含有率が連続的に減少する酸素含有率傾斜減少層１３５を備えるとともに、この酸素含有率傾斜減少層１３４と最上層１３１との間に、上層側に向けて酸素含有率が連続的に増加する酸素含有率傾斜増加層１３６を備えている。その他の構成は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００７５】
このような構成の非線形素子１０を製造するにあたって、本形態では、下部電極形成工程において、下部電極１３を構成するためのタンタル膜をスパッタ法で形成する際、スパッタ時の酸素分圧を連続的に変化させる。
【００７６】
より具体的には、図１２（ｂ）に示すように、まず、スパッタ装置のチャンバー内の酸素分圧を０．０４〜０．０９Ｐａに設定して成膜を開始した後、酸素分圧を０Ｐａになるまで連続的に低下させて厚さ５００ｎｍの下層側のタンタル膜を形成する。その結果、下層側のタンタル膜として、酸素含有率が３０〜４７原子％の最下層１３４と、この最下層１３４の上層側で、上層側に向かって酸素含有率が減少する酸素含有率傾斜減少層１３５とが形成される。次に、スパッタ装置のチャンバー内に酸素を導入しない状態で成膜を開始した後、酸素分圧が０．０３〜０．０４Ｐａになるまで上昇させて厚さ５００ｎｍの上層側のタンタル膜を形成する。その結果、上層側のタンタル膜として、上層側に向かって酸素含有率が増加する酸素含有率傾斜増加層１３６と、酸素含有率が２５〜３５原子％の最上層１３１が形成される。
【００７７】
このように本形態では、下部電極１３の最上層１３１については、熱処理の際の下部電極１３内への酸素の侵入拡散防止や、下部電極１３の構造的均一性の向上などに必要な量の酸素を含有する層としたまま、酸素含有率の少ない、あるいは酸素を含まない中間層１３７を形成することができ、かかる中間層１３７は、シート抵抗が低いので、下部電極１３に酸素を含有させた場合でも、下部電極１３およびこの下部電極１３と一体に形成された配線については電気抵抗の低減を図ることができる。
【００７８】
また、最下層１３４が酸素を含有する層であるため、基板１１との密着性が高い。従って、基板１１に下地層を形成せず、下部電極１３を基板１１に直接、積層されることができ、下地層の形成工程を省略できる。
【００７９】
さらに、最下層１３４と最上層１３１との間には、上層側に向けて酸素含有率が連続的に減少する酸素含有率傾斜減少層１３５と、上層側に向けて酸素含有率が連続的に増加する酸素含有率傾斜増加層１３６とを備えており、このような下部電極１３を形成するには、酸素分圧が高い状態で最下層を成膜した以降、成膜を継続しながら、酸素分圧を連続的に低下させた後、酸素分圧を連続的に高めていけばよい。このため、成膜工程を途中で中断する必要がないので、非線形素子１０を製造する際のスループットが低下しない。
【００８０】
［電気光学装置の構成］
（全体構成）
図１３は、本発明が適用される電気光学装置（液晶装置）の電気的構成を示すブロック図である。図１４は、電気光学装置の構成を模式的に示す断面図である。
【００８１】
図１３に示すように、本形態の電気光学装置１００では、複数本の走査線５１が行（Ｘ）方向に延在して形成され、また、複数本のデータ線５２が列（Ｙ）方向に延在して形成されている。また、走査線５１とデータ線５２との各交差点に対応する位置に画素５３が形成され、これらの画素５３は、マトリクス状に配置されている。各画素５３では、液晶層５４と、前記した非線形素子１０（ＴＦＤ素子）とが直列接続しており、図１３に示す例では、液晶層５４が走査線５１の側に、非線形素子１０がデータ線５２の側にそれぞれ接続されている。なお、液晶層５４がデータ線５２の側に、非線形素子１０が走査線５１の側にそれぞれ接続されることもある。また、各走査線５１は、走査線駆動回路５７によって駆動される一方、各データ線５２は、データ線駆動回路５８によって駆動される構成となっている。
【００８２】
このような電気光学装置１００は、具体的には、例えば、図１４に示すように構成される。ここで、対向配置された一対の基板のうち、一方の基板は、前記の非線形素子１０や画素電極が形成される素子基板２０であり、他方の基板は、対向基板３０である。これらの基板のうち、素子基板２０の内側表面には、複数本のデータ線５２と、それらのデータ線５２に接続される複数の非線形素子１０と、それらの非線形素子１０と１対１に接続される画素電極２３とが形成されている。データ線５２は、図１４において紙面に対して垂直方向に延在して形成される一方、非線形素子１０及び画素電極２３は、ドットマトリクス状に配列している。そして、画素電極２３などの表面には、一軸配向処理、例えばラビング処理が施された配向膜２４が形成されている。
【００８３】
対向基板３０の内側表面には、カラーフィルタ３８が形成されており、「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」の３色の着色層を構成している。なお、これら３色の着色層の隙間には、ブラックマトリクス３９が形成されて、着色層の隙間からの入射光を遮蔽する構成となっている。カラーフィルタ３８及びブラックマトリクス３９の表面には平坦化膜３７が形成され、さらにその表面には、走査線５１として機能する対向電極３１が、データ線５２と直交する方向に形成されている。なお、平坦化膜３７は、カラーフィルタ３８及びブラックマトリクス３９の平滑性を高めて、対向電極３１の断線を防止する目的などのために設けられる。さらに、対向電極３１の表面には、ラビング処理が施された配向膜３４が形成されている。なお、配向膜２４、３４は、一般にポリイミド等から形成される。
【００８４】
素子基板２０と対向基板３０とは、スペーサ（図示省略）を含むシール材１０４によって一定の間隙を保って接合され、この間隙に、液晶１０５が封入された構成となっている。素子基板２０の外側表面には、配向膜２４へのラビング方向に対応した光軸を有する偏光板２１７などが貼着され、対向基板３０の外側表面には、配向膜３４へのラビング方向に対応した光軸を有する偏光板３１７などが貼着されている。なお、本形態の電気光学装置１００は、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）技術が適用されており、素子基板２０の表面に直接、液晶駆動用ＩＣチップ２６０が実装されている。
【００８５】
（画素の構成）
図１５は、電気光学装置において、非線形素子を含む数画素分のレイアウトを示す平面図であり、図１６は、各画素に形成された非線形素子の説明図である。
【００８６】
図１５及び図１６に示すように、本形態の非線形素子１０は、第１の非線形素子１０ａ及び第２の非線形素子１０ｂからなり、素子基板２０の表面に形成された下地層２０１上において、下部電極１３と、この下部電極１３の表面に陽極酸化によって形成された酸化膜１４と、この表面に形成されて相互に離間した上部電極１５ａ、１５ｂとから構成されている。上部電極１５ａは、そのままデータ線５２となる金属層１５ｃと一体に形成されている一方、上部電極１５ｂは、画素電極２３に接続されている。なお、データ線５２は、下部電極１３と同時形成された金属層１３ａを備えている。下地層２０１は、例えば、厚さが５０〜２００ｎｍ程度のタンタル酸化膜などの絶縁膜によって構成され、下部電極１３の構成によっては省略してもよい。
【００８７】
本形態の非線形素子１０において、金属層１３ａ及び下部電極１３は、例えば、厚さが１００〜１５０ｎｍ程度のタンタル膜によって形成され、酸膜膜１４は、陽極酸化法によって金属層１３ａ及び下部電極１３の表面を酸化することによって形成された厚さが２０〜４０ｎｍの陽極酸化膜である。上部電極１５ａ、１５ｂは、例えばクロム（Ｃｒ）等といった金属膜によって１００〜５００ｎｍ程度の厚さに形成されている。
【００８８】
ここで、第１の非線形素子１０ａは、データ線５２の側からみると順番に、上部電極１５ａ／酸化膜１４／下部電極１３となって、金属（導電体）／絶縁体／金属（導電体）のサンドイッチ構造を採るため、ダイオードスイッチング特性を有することになる。一方、第２の非線形素子１０ｂは、データ線５２の側からみると順番に、下部電極１３／酸化膜１４／上部電極１５ｂとなって、第１の非線形素子１０ａとは、反対のダイオードスイッチング特性を有することになる。従って、非線形素子１０は、２つのダイオードを互いに逆向きに直列接続した形となっているため、１つのダイオードを用いる場合と比べると、電流−電圧の非線形特性が正負の双方向にわたって対称化されることになる。なお、このように非線形特性を厳密に対称化する必要がないのであれば、１つの非線形素子のみを用いても良い。
【００８９】
画素電極２３は、透過型として用いられる場合には、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）などの導電性の透明膜から形成される一方、反射型として用いられる場合には、アルミニウムや銀などの反射率の大きな反射性金属膜から形成されることがある。なお、画素電極２３は、反射型であってもＩＴＯなどの透明性金属から形成される場合もある。この場合には、反射層としての反射性金属が形成された後、絶縁層を介して透明な画素電極２３が形成される。一方、半透過反射型として用いられる場合には、反射層を薄く形成して半透過反射膜とするか、あるいは、スリットが設けられる構成となる。素子基板２０自体は、例えば、石英やガラスなどの絶縁性を有するものが用いられる。なお、透過型として用いる場合には、透明であることも素子基板２０の要件となるが、反射型として用いる場合には、透明であることが要件にならない。また、素子基板２０の表面に下地層２０１が設けられる理由は、熱処理により、下部電極１３などが下地から剥離しないようにするとともに、下部電極１３、１３ａに不純物が拡散しないようにするためである。したがって、これが問題とならない場合には、下地層２０１は省略可能である。
【００９０】
（電気光学装置の製造方法）
図１７は、本形態の電気光学装置１００の製造方法の一例を示す工程図である。図１８は、素子基板形成工程の一部を示す工程断面図である。
【００９１】
本形態において、電気光学装置１００を製造するにあたっては、図１７に示す非線形素子形成工程Ｐ１〜シール材印刷工程Ｐ５からなる素子基板形成工程と、カラーフィルタ形成工程Ｐ６〜ラビング処理工程Ｐ１０からなる対向基板形成工程とは別々に行われる。また、これらの工程は、素子基板２０及び対向基板３０を多数取りできる大型の元基板の状態で行われるが、以下の説明では、単品サイズ及び大型の元基板については区別せず、素子基板２０及び対向基板３０と称する。
【００９２】
本形態では、大型の素子基板２０に対して、まず、非線形素子形成工程Ｐ１を行うことにより、電気光学装置複数個分のデータ線５２及び非線形素子１０を形成する。この非線形素子形成工程Ｐ１では、まず、図１８に示す下地層形成工程（ａ）において、大型の素子基板２０の表面にタンタル酸化物などの絶縁膜を一様な厚さに成膜して下地層２０１を形成する。下地層２０１は、下部電極１３の構成によっては省略してもよい。
【００９３】
次に、第１金属層形成工程（ｂ）において、例えば、タンタルをスパッタ法等によって一様な厚さで成膜し、さらにフォトリソグラフィ技術を用いてデータ線５２の金属層１３ａ、及び非線形素子１０の下部電極１３を同時に形成する（図２に示す下部電極形成工程に相当する）。このとき、データ線５２の金属層１３ａと下部電極１３とはブリッジ部（図示せず）で繋がっている。また、この工程では給電パターン（図示せず）も形成する。
【００９４】
このような第１金属層形成工程（ｂ）においてタンタル膜を形成する際、図１１（ａ）、（ｂ）および図１２（ａ），（ｂ）を参照して説明した構成を適用する。
【００９５】
次に、絶縁層形成工程（ｃ）においては、大型の素子基板２０を電解槽内で電解液に浸漬した状態で、素子基板２０に給電し、陽極酸化を行う（図２に示す陽極酸化処理に相当する）。その際、データ線５２の金属層１３ａを介して下部電極１３に給電され、それらの表面には、酸化膜１４として作用する陽極酸化膜が形成される。
【００９６】
次に、アニール工程（ｄ）においては、素子基板２０を加熱炉内で加熱する（図２に示す熱処理工程に相当する）。その結果、酸化膜１４内の転位や空孔などの欠陥密度が低減されるので、非線形素子１０のＩ／Ｖ値を高くすることができるなどの効果を奏する。
【００９７】
次に、第２金属層形成工程（ｅ）において、Ｃｒをスパッタ等によって一様な厚さで成膜した後、フォトリソグラフィ技術を利用して、データ線５２の最上層としての金属層１５ｃ、第１の非線形素子１０ａの上部電極１５ａ、及び第２の非線形素子１０ｂの上部電極１５ｂを形成する（図２に示す上部電極形成工程に相当する）。以上により、非線形素子である非線形素子１０が素子基板２０の表面に必要な数だけ形成される。
【００９８】
次に、ブリッジ部除去及び下地層除去工程（ｆ）においては、例えば、ドライエッチングによりブリッジ部を大型の素子基板２０から除去する。これにより、第１非線形素子１０ａ及び第２非線形素子１０ｂの下部電極１３及び酸化膜１４が、データ線５２から島状に分断される。なお、この工程では、ブリッジ部の他に、給電パターンのうち、大型の素子基板２００を切断した際に素子基板２０に残ってしまう不要な部分についても除去する。また、画素電極２３に相当する領域の下地層２０１を除去する。
【００９９】
次に、図１７の画素電極形成工程Ｐ２が行われる。具体的には、電極形成工程（ｇ）において、画素電極２３を形成するためのＩＴＯをスパッタ等によって一様な厚さで成膜し、さらに、フォトリソグラフィ技術により、１画素分の大きさに相当する所定形状の画素電極２３をその一部が上部電極１５ｂに重なるように形成する。これらの一連の工程により、図１５及び図１６に示す非線形素子１０及び画素電極２３が形成される。
【０１００】
しかる後には、図１７の配向膜工程Ｐ３において、元基板２００の表面にポリイミド、ポリビニルアルコール等を一様な厚さに形成することによって配向膜２４を形成した後、ラビング処理工程Ｐ４において、配向膜２４に対してラビング処理その他の配向処理を行う。
【０１０１】
次に、シール材印刷工程Ｐ５において、ディスペンサーやスクリーン印刷等によってシール材１０４を環状に塗布する。なお、シール材１０４の一部分には、液晶注入口を形成しておく。
【０１０２】
以上の素子基板形成工程とは別に、対向基板形成工程（カラーフィルタ形成工程Ｐ６〜ラビング処理工程Ｐ１０）を行う。それには、まず、ガラス基板等といった透光性材料によって形成された大型の対向基板３０を用意した後、カラーフィルタ形成工程Ｐ６において、大型の対向基板３０の表面上にブラックマトリクス３９、及びカラーフィルタ３８を形成する。ここで、カラー表示が必要でない場合には、カラーフィルタ３８を形成する必要はない。
【０１０３】
次に、平坦化層形成工程Ｐ７において、カラーフィルタ３８の上に平坦化膜３７を一様な厚さに形成して表面を平坦化する。
【０１０４】
次に、対向電極形成工程Ｐ８において、ＩＴＯ膜等によりストライプ状の対向電極３１、すなわち、走査線５１を形成する。
【０１０５】
次に、配向膜形成工程Ｐ９において、走査線５１等の上にポリイミド等によって一様な厚さの配向膜３４を形成した後、ラビング処理工程Ｐ１０において、配向膜３４に対してラビング処理等といった配向処理を施す。
【０１０６】
その後、大型の素子基板２００と大型の対向基板３０とを位置合わせした上でシール材１０４を間に挟んで貼り合わせ（貼り合わせ工程Ｐ１１）、さらに紫外線硬化その他の方法でシール材１０４を硬化させる（シール材硬化工程Ｐ１２）。これにより、液晶表示装置複数個分を含んでいる空のパネル構造体が形成される。その後、空のパネル構造体を短冊状のパネル構造体に切断する（１次切断工程Ｐ１３）。この短冊状のパネル構造体の切断個所では、シール材１０４の途切れ部分からなる液晶注入口が外部に開口しているので、露出した液晶注入口からパネル構造体の内側に液晶を減圧注入した後（液晶注入工程Ｐ１４）、各液晶注入口に対して樹脂等の封止材を塗布して、各液晶注入口を封止する（注入口封止工程Ｐ１５）。なお、この工程により、パネル構造体に液晶が付着するので、液晶を注入し終えたパネル構造体を洗浄する（洗浄工程Ｐ１６）。その後、パネル構造体をさらに切断することにより、複数個の電気光学装置１００が切り出される（２次切断工程Ｐ１７）。しかる後に、電気光学装置１００に液晶駆動用ＩＣチップ２６０などを実装し、電気光学装置１００が完成する（実装工程Ｐ１８）。
【０１０７】
（電気光学装置のその他の例）
以上説明した実施形態では、非線形素子を備えた電気光学装置として液晶表示装置を構成した例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、エレクトロルミネッセンス装置、有機エレクトロルミネッセンス装置、プラズマディスプレイ装置、電気泳動ディスプレイ装置、電子放出素子を用いた装置（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ  及びＳｕｒｆａｃｅ−Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｅｍｉｔｔｅｒ  Ｄｉｓｐｌａｙ等）などの各種の電気光学装置においても本発明を同様に適用することが可能である。
【０１０８】
（電子機器の実施形態）
図１９は、本発明に係る電気光学装置が搭載される電子機器の一例を示す携帯電話機の説明図である。図１９に示すように、携帯電話機９０は、複数の操作ボタン９１と、本発明を適用した電気光学装置１を有している。なお、本形態の電気光学装置は、携帯電話機の他、モバイル型のパーソナルコンピュータなどに用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明に係る非線形素子の構造を示す拡大縦断面図である。
【図２】非線形素子の製造プロセスを示す工程図である。
【図３】下部電極の成膜工程における下部電極の酸素含有率のスパッタ装置内の酸素分圧に対する依存性を示すグラフである。
【図４】下部電極の酸素含有率別のＸ線回析プロファイルを示すグラフである。
【図５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ、陽極酸化工程における電流・電圧の経時変化を示すグラフ、膜密度の経時変化を示すグラフ、表現粗さの経時変化を示すグラフ、及び膜厚の経時変化を示すグラフである。
【図６】下部電極の酸素含有率と表面粗さとの関係を示すグラフである。
【図７】下部電極の酸素含有率と電気抵抗率との関係を示すグラフである。
【図８】非線形素子の電流・電圧特性を示すグラフ。
【図９】非線形素子のβ値を傾きとして表すグラフ。
【図１０】絶縁膜中の酸素原子のうち、Ｔａと結合した酸素原子の割合を算出する方法を説明するためのＥＳＣＡの分光スペクトルの一部を示す拡大説明図。
【図１１】（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る非線形素子の下部電極の構造を示す拡大縦断面図、及びその製造条件を示す説明図である。
【図１２】（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る非線形素子の下部電極の構造を示す拡大縦断面図、及びその製造条件を示す説明図である。
【図１３】本発明が適用される電気光学装置（液晶表示装置）の電気的構成を示すブロック図である。
【図１４】電気光学装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図１５】電気光学装置において、非線形素子を含む数画素分のレイアウトを示す平面図である。
【図１６】電気光学装置において、各画素に形成された非線形素子の説明図である。
【図１７】本発明を適用した電気光学装置の製造方法の一例を示す工程図である。
【図１８】本発明を適用した電気光学装置の製造工程のうち、素子基板形成工程の一部を示す工程断面図である。
【図１９】本発明に係る液晶表示装置を用いた電子機器の一実施形態としての携帯電話機の説明図である。
【図２０】従来の非線形素子の構造を示す拡大縦断面図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１０  非線形素子、１１  基板、１３  下部電極、１４  酸化膜、１５  上部電極、１３１  最上層、１３２  酸素非含有層、１３３、１３６  酸素含有率傾斜増加層、１３４  最下層、１３５  酸素含有率傾斜減少層、１３７  中間層
【図１】
2006222113.tif 000004
【図２】
2006222113.tif 000005
【図３】
2006222113.tif 000006
【図４】
2006222113.tif 000007
【図５】
2006222113.tif 000008
【図６】
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【図７】
2006222113.tif 000010
【図８】
2006222113.tif 000011
【図９】
2006222113.tif 000012
【図１０】
2006222113.tif 000013
【図１１】
2006222113.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
2006222113.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2006222113.tif 000019
【図１７】
2006222113.tif 000020
【図１８】
2006222113.tif 000021
【図１９】
2006222113.tif 000022
【図２０】
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