JP2016181667A - イメージセンサーおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを含むイメージセンサーおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明のイメージセンサーは、基板上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極およびドレイン電極に接触する酸化物半導体層と、前記酸化物半導体層上に形成された第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記ドレイン電極に接続されるフォトダイオードとを含んでなり、前記酸化物半導体層は、前記ゲート電極によって覆われる紫外線非照射部分と、前記ゲート電極によって覆われない紫外線照射部分とから構成されたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、イメージセンサーに係り、より詳しくは、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを含むイメージセンサーおよびその製造方法に関する。

従来は、医療または工業用Ｘ線撮影に、フィルムおよびスクリーンを利用する方式が採用されたが、このような場合には、撮影されたフィルムの現像および保管上の問題などに起因して費用および時間の面で非効率的であった。

これを改善するために、デジタル方式のイメージセンサーが現在広く用いられている。デジタル方式のイメージセンサーはＣＣＤ(charge coupled device)方式、ＣＭＯＳ(complementary metal oxide semiconductor)方式、ＴＦＴ(thin film transistor)方式などに分類できる。

ここで、ＴＦＴ方式は、ＴＦＴ基板を利用する方式であって、イメージセンサーを大面積に製造することができるという利点がある。このようなＴＦＴ方式のイメージセンサーには、マトリックス状に配置された画素に薄膜トランジスタおよびフォトダイオードが構成される。

一般に、薄膜トランジスタの半導体層としてアモルファスシリコンが使用される。ところが、アモルファスシリコンは、結晶シリコンと比較して移動度などの電気的特性が良くない。

これを改善するために、最近、酸化物半導体を使用することが提案された。酸化物半導体は、アモルファスシリコンと比較して移動度特性が数倍〜十数倍大きく、オフ電流(off current)特性などにも優れるという利点を持つ。

一方、イメージセンサーのセンシング能力向上のために駆動電流が向上することが好ましく、このために、酸化物半導体の比抵抗を減少させる方法が要求される。それ故に、従来は、Ｈｅ、Ａｒなどのガスを用いたプラズマ処理(plasma treatment)方法や、ＳｉＮｘ蒸着の際に発生するＨ_２を用いたＨ_２拡散法などが採用されている。ところが、このような従来の方法はイメージセンサーの製作への応用には限界がある。

すなわち、プラズマ処理方法は、連続工程の際に素子の信頼性を確保し難く、チャンネル保護層が必須的であり、後続工程によって電気的特性が低下するという問題がある。Ｈ_２拡散法は、有効チャネル長さを減少させ、工程単価が高く、複雑であるという問題がある。

本発明は、従来に比べて改善された方法で酸化物半導体の比抵抗を減少させることができる方案を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のある観点によれば、基板上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極およびドレイン電極に接触する酸化物半導体層と、前記酸化物半導体層上に形成された第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記ドレイン電極に接続されるフォトダイオードとを含んでなり、前記酸化物半導体層は、前記ゲート電極によって覆われる紫外線非照射部分と、前記ゲート電極によって覆われない紫外線照射部分とから構成されたことを特徴とする、イメージセンサーを提供する。

ここで、前記フォトダイオードは、前記ドレイン電極から延長された第１電極と、前記第１電極上に形成された半導体層と、前記半導体層上に形成された第２電極とを含み、前記第１絶縁膜は前記第２電極上に位置することができる。

前記ゲート電極および第１絶縁膜上に位置し、前記第１絶縁膜と共に前記ソース電極を露出させる第１コンタクトホール、および前記第２電極を露出させる第２コンタクトホールを含む第２絶縁膜と、前記第２絶縁膜上に位置し、前記第１コンタクトホールを介して前記ソース電極に接続される読み出し配線と、前記第２絶縁膜上に位置し、前記第２コンタクトホールを介して前記第２電極に接続されるバイアス配線とを含むことができる。

本発明の他の観点によれば、基板上にソース電極とドレイン電極を形成する段階と、前記ソース電極およびドレイン電極に接触し、第１部分と第２部分からなる酸化物半導体層を形成する段階と、前記酸化物半導体層上に第１絶縁膜を形成する段階と、前記第１絶縁膜上に、前記第１部分を覆い且つ前記第２部分を覆わないゲート電極を形成する段階と、前記ゲート電極を紫外線遮断マスクとして用いて紫外線照射を行う段階とを含み、前記ドレイン電極はフォトダイオードに接続されることを特徴とする、イメージセンサーの製造方法を提供する。

ここで、前記第１絶縁膜を形成した後、熱処理を介して前記酸化物半導体層をアニーリングする段階を含むことができる。

前記ゲート電極を形成するエッチングマスクとしてのフォトレジストパターンが前記ゲート電極上に位置した状態で、前記紫外線照射を行うことができる。

本発明によれば、酸化物半導体層は、ゲート電極によって覆われる紫外線非照射部分と、ゲート電極の外部に露出した紫外線照射部分とから構成される。

これにより、酸化物半導体層の比抵抗が減少し、イメージセンサーの駆動電流が向上できてイメージセンサーの光センシング能力が向上できる。

本発明の実施形態に係るイメージセンサーの画素を概略的に示す断面図である。 本発明の実施形態に係るイメージセンサーの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るイメージセンサーの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るイメージセンサーの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るイメージセンサーの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るイメージセンサーの駆動電流特性を示す図である。 本発明の実施形態に係るイメージセンサーの酸化物半導体の比抵抗特性を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の実施形態に係るイメージセンサーとしては、Ｘ線だけでなく、可視光線などを検出するイメージセンサーが使用できる。

図１は本発明の実施形態に係るイメージセンサーの画素を概略的に示す断面図である。

図１を参照すると、本発明の実施形態に係るイメージセンサー２００は、マトリックス状に配置された多数の画素Ｐを含む。

各画素Ｐには、入射した光を電気的信号に変換するフォトダイオードＰＤ、およびフォトダイオードＰＤと電気的に接続され、スキャン信号に応じてオン／オフスイッチング動作を行って電気的信号を読み出し配線２７１へ出力する薄膜トランジスタＴが構成される。

説明の便宜のために、薄膜トランジスタＴが形成された領域を第１領域Ａ１とし、フォトダイオードＰＤが形成された領域を第２領域Ａ２とする。

基板２１０上の第１領域Ａ１には、互いに離隔したソース電極およびドレイン電極２２１、２２２が形成されている。ソース電極およびドレイン電極２２１、２２２は単一層構造または多重層構造で形成できる。例えば、モリブデン（Ｍｏ）／アルミニウム（Ａｌ）／モリブデン（Ｍｏ）の三重層構造で形成できる。

ドレイン電極２２２は第２領域Ａ２に延長できる。このように第２領域Ａ２に延長されて形成された部分はフォトダイオードＰＤの第１電極２２５として機能する。このように、フォトダイオードＰＤは第１電極２２５を介して薄膜トランジスタＴと電気的に接続できる。

ソース電極とドレイン電極２２１、２２２が形成された基板２１０上の第１領域Ａ１には、両側でソース電極およびドレイン電極２２１、２２２と重畳して接触するように構成された酸化物半導体層２３０が形成される。ソース電極２２１とドレイン電極２２２の間の酸化物半導体層２３０領域はチャネル領域として機能する。

酸化物半導体層２３０は、例えば、ＩＧＺＯ(Indium Gallium Zinc Oxide)、ＺＴＯ(Zinc Tin Oxide）およびＺＩＯ(Zinc Indium Oxide)のいずれかからなってもよいが、これに限定されない。

一方、ソース電極およびドレイン電極２２１、２２２の形成前に、基板２１０上にバッファ層が形成できる。このようなバッファ層は、基板２１０から流出する不純物によって酸化物半導体層２３０が損傷することを防止する機能を果たすことができる。

酸化物半導体層２３０上には第１絶縁膜２３５が形成できる。第１絶縁膜２３５は無機絶縁物質、例えばＳｉＯ_２やＳｉＮｘからなってもよい。第１絶縁膜２３５は、ゲート絶縁膜であって、実質的に基板２１０の全面上に形成できる。

一方、酸化物半導体層２３０は、第１絶縁膜２３５が形成された状態で熱処理を介してアニーリング(annealing)できる。

第１絶縁膜２３５上には、酸化物半導体層２３０に対応してゲート電極２４０を形成することができる。ゲート電極２２０は単一層構造または多重層構造で形成できる。例えば、モリブデン（Ｍｏ）／アルミニウム（Ａｌ）の二重層構造で形成できる。

特に、本発明の実施形態では、ゲート電極２４０は、酸化物半導体層２３０の中央部を覆い且つ酸化物半導体層２３０の両側を露出させる形で形成できる。すなわち、平面視において、酸化物半導体層２３０は、ゲート電極２４０によって覆われる中央の第１部分Ｂ１と、ゲート電極２４０によって覆われない両側部分の第２部分Ｂ２とから構成できる。

この際、第１部分Ｂ１は、ゲート電極２２０によって覆われて紫外線ＵＶに晒されない紫外線非露出部分に該当し、第２部分Ｂ２は、ゲート電極２２０によって覆われなくて紫外線に晒される紫外線露出部分に該当する。

前述したように、第１領域Ａ１に構成されたソース電極およびドレイン電極２２１、２２２、酸化物半導体層２３０並びにゲート電極２４０は、トップゲート(top gate)方式の薄膜トランジスタＴを構成する。

第１電極２２５上に半導体層２５０が形成され、半導体層２５０上には第２電極２５５が形成できる。

ここで、第１電極２２５および第２電極２５５のうち、いずれか一方はカソード(cathode)として機能し、残りの他方はアノード(anode)として機能する。説明の便宜のために、第１電極２２５はカソードとして機能し、第２電極２５５はアノードとして機能する場合を例として挙げる。

このような場合、第２電極２５５は、第１電極２２５と比較して高い仕事関数を有する物質から構成できるが、例えば、透明導電性物質として、ＩＴＯ(indium-tin-oxide)、ＩＺＯ(indium-zinc-oxide)およびＩＴＺＯ(indium-tin-zinc-oxide)のいずれかから構成できる。

フォトダイオードＰＤとして、例えば、ＰＩＮ型フォトダイオードが使用できるが、これに限定されない。ＰＩＮ型フォトダイオードが使用される場合、半導体層２５０はｎ＋層２５１、ｉ層２５２およびｐ＋層２５３を含むことができる。半導体層２５０はアモルファスシリコンから形成できるが、これに限定されない。一方、フォトダイオードＰＤは、第１絶縁膜２３５によって覆われた状態で形成できる。

ゲート電極２４０および第１絶縁膜２３５上には、保護層である第２絶縁膜２６０が実質的に基板２１０の全面にわたって形成できる。第２絶縁膜２６０は、例えば、ＳｉＯ_２やＳｉＮｘなどの無機絶縁物質からなってもよく、アクリルなどの有機絶縁物質からなってもよい。

第２絶縁膜２６０および第１絶縁膜２３５には、ソース電極２２１を露出させる第１コンタクトホール２６１、および第２電極２５５を露出させる第２コンタクトホール２６２が形成できる。

第２絶縁膜２６０上には読み出し配線２７１とバイアス配線２７２が形成できる。読み出し配線２７１は第１コンタクトホール２６１を介してソース電極２２１に接続される。バイアス配線２７２は、第２コンタクトホール２６２を介して第２電極２５５に接続され、第２電極２５５にバイアス電圧を印加することができる。

読み出し配線２７１およびバイアス配線２７２は単一層構造または多重層構造で形成できる。例えば、モリブデン（Ｍｏ）／アルミニウム（Ａｌ）／モリブデン（Ｍｏ）の三重層構造で形成できる。

一方、第２絶縁膜２６０上には、ゲート電極２４０を覆うブラックマトリックス２７３が形成できる。このようなブラックマトリックス２７３は、読み出し配線およびバイアス配線２７１、２７２を形成する工程で同一の物質から形成できる。

前述したように、本発明の実施形態によれば、酸化物半導体層２３０は、ゲート電極２４０によって覆われる紫外線非照射部分たる第１部分Ｂ１と、ゲート電極２４０の外部に露出した紫外線照射部分たる第２部分Ｂ２とから構成される。

このような構成によって、ゲート電極２４０を紫外線マスクとして紫外線を照射すると、酸化物半導体層２３０の第２部分Ｂ２に紫外線が照射されて酸化物半導体層２３０の比抵抗が減少する。

これにより、イメージセンサー２００の駆動電流、すなわちデータ電流が向上でき、イメージセンサー２００の光センシング能力が向上できる。

以下、図２を参照して、本発明の実施形態に係るイメージセンサーの製造方法について説明する。

図２ａ〜図２ｄは本発明の実施形態に係るイメージセンサーの製造方法を示す断面図である。

まず、図２ａを参照すると、基板２１０の全面上に、少なくとも一つの金属物質からなる第１導電層を形成し、該第１導電層の上部にｎ＋アモルファスシリコン層、純粋アモルファスシリコン層、ｐ＋アモルファスシリコン層、および第２導電層を蒸着する。

その後、マスク工程を行い、ｎ＋アモルファスシリコン層、純粋アモルファスシリコン層、ｐ＋アモルファスシリコン層、および第２導電層をパターニングする。これにより、第２領域Ａ２に半導体層２５０および第２電極２５５を形成する。

次いで、第１導電層をパターニングし、第１領域Ａ１において互いに離隔した状態のソース電極およびドレイン電極２２１、２２２を形成する。

ドレイン電極２２２から第２領域Ａ２に延長された第１電極２２５は、その上部の半導体層２５０および第２電極２５５と共にフォトダイオードＰＤを構成する。

次に、図２ｂを参照すると、ソース電極およびドレイン電極２２１、２２２が形成された基板２１０上に酸化物半導体を蒸着し、マスク工程を行って第１領域Ａ１に酸化物半導体層２３０を形成する。

その後、酸化物半導体層２３０の形成された基板２１０上に第１絶縁膜２３５を形成する。

次いで、第１絶縁膜２３５の形成された基板２１０に熱処理を施すことにより、酸化物半導体層２３０に対するアニーリング(annealing)工程を行うことができる。

その次、図２ｃを参照すると、第１絶縁膜２３５上に少なくとも一つの金属物質からなる第３導電層を形成し、該第３導電層の上部にフォトレジストを形成する。その後、フォトレジストに対して露光および現像を行うことにより、フォトレジストパターン２４５を形成する。

次に、フォトレジストパターン２４５をエッチングマスクとして第３導電層をパターニングすることにより、ゲート電極２４０を形成する。

この際、ゲート電極２４０は下側の酸化物半導体層２３０の一部を覆うように形成される。すなわち、ゲート電極２４０は、酸化物半導体層２３０の第１部分Ｂ１を覆い、第１部分Ｂ１の両側の第２部分Ｂ２（すなわち、ソース電極およびドレイン電極２２１、２２２と接触する部分）を覆っていない。

その後、ゲート電極２４０およびその上部のフォトレジストパターン２４５を紫外線遮断マスクとして、紫外線（ＵＶ）照射を行う。これにより、酸化物半導体層２３０の第２部分Ｂ２には紫外線が照射される。一方、他の例として、フォトレジストパターン２４５を除去した後、ゲート電極２４０を紫外線遮断マスクとして用いて紫外線照射工程を行うこともできる。

このような紫外線照射工程を介して、酸化物半導体層２３０の比抵抗が減少できる。

紫外線照射工程の後、フォトレジストパターン２４５を除去するストリップ工程を行う。
次に、図２ｄを参照すると、ゲート電極２４０の形成された基板２１０上に第２絶縁膜２６０を形成する。

その後、マスク工程を行って第１および２絶縁膜２３５、２６０をパターニングすることにより、ソース電極２２１を露出させる第１コンタクトホール２６１、および第２電極２５５を露出させる第２コンタクトホール２６２を形成する。

次いで、第２絶縁膜２６０上に、少なくとも一つの金属物質からなる第４金属層を形成し、これに対してマスク工程を行ってパターニングする。これにより、第１コンタクトホール２６１を介してソース電極２２１に接続する読み出し配線２７１、および第２コンタクトホール２６２を介して第２電極２５５に接続するバイアス配線２７２を形成する。しかも、ゲート電極２４０を覆うブラックマトリックス２７３を形成することができる。

前述したような工程を介して、本発明の実施形態に係るイメージセンサーを製造することができる。

図３は本発明の実施形態に係るイメージセンサーの駆動電流特性を示す図、図４は本発明の実施形態に係るイメージセンサーの酸化物半導体の比抵抗特性を示す図である。

図３では、薄膜トランジスタＴＦＴのオン状態で、比較例として紫外線を照射していない場合の駆動電流特性グラフと、本実施例として紫外線を照射した場合の駆動電流特性グラフを一緒に示した。

図４では、比較例１としてアニーリングおよび紫外線照射が行われていない場合の酸化物半導体の比抵抗と、比較例２としてアニーリングのみが行われた場合の酸化物半導体の比抵抗と、本実施例としてＵＶを照射した場合の酸化物半導体の比抵抗を一緒に示した。

まず、図３を参照すると、紫外線を照射した場合は、紫外線を照射していない場合と比較して駆動電流特性が著しく向上することを確認することができる。

図４を参照すると、アニーリングおよび紫外線照射が一緒に行われた場合に比抵抗が著しく減少することを確認することができる。

前述したように、本発明の実施形態によれば、酸化物半導体層は、ゲート電極によって覆われる紫外線非照射部分と、ゲート電極の外部に露出した紫外線照射部分とから構成される。

これにより、酸化物半導体層の比抵抗が減少し、イメージセンサーの駆動電流が向上できてイメージセンサーの光センシング能力が向上できるようになる。

前述した本発明の実施形態は、本発明の一例であって、本発明の精神に含まれる範囲内で自由な変形が可能である。よって、本発明は、添付された特許請求の範囲およびこれと等価の範囲内における本発明の変形を含む。

２００ イメージセンサー
２１０ 基板
２２１ ソース電極
２２２ ドレイン電極
２２５ 第１電極
２３０ 酸化物半導体層
２３５ 第１絶縁膜
２４０ ゲート電極
２５０ 半導体層
２５１ ｎ＋層
２５２ ｉ層
２５３ ｐ＋層
２５５ 第２電極
２６０ 第２絶縁膜
２６１ 第１コンタクトホール
２６２ 第２コンタクトホール
２７１ 読み出し配線
２７２ バイアス配線
２７３ ブラックマトリックス
Ａ１、Ａ２ 第１領域、第２領域
Ｂ１、Ｂ２ 第１部分、第２部分

Claims (6)

1. 基板上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、
   前記ソース電極およびドレイン電極に接触する酸化物半導体層と、
   前記酸化物半導体層上に形成された第１絶縁膜と、
   前記第１絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
   前記ドレイン電極に接続されるフォトダイオードとを含んでなり、
   前記酸化物半導体層は、前記ゲート電極によって覆われる紫外線非照射部分と、前記ゲート電極によって覆われない紫外線照射部分とから構成されたことを特徴とする、イメージセンサー。
2. 前記フォトダイオードは前記ドレイン電極から延長された第１電極と、前記第１電極上に形成された半導体層と、前記半導体層上に形成された第２電極とを含み、
   前記第１絶縁膜は前記第２電極上に位置することを特徴とする、請求項１に記載のイメージセンサー。
3. 前記ゲート電極および前記第１絶縁膜上に位置し、前記第１絶縁膜と共に前記ソース電極を露出させる第１コンタクトホール、および前記第２電極を露出させる第２コンタクトホールを含む第２絶縁膜と、
   前記第２絶縁膜上に位置し、前記第１コンタクトホールを介して前記ソース電極に接続される読み出し配線と、
   前記第２絶縁膜上に位置し、前記第２コンタクトホールを介して前記第２電極に接続されるバイアス配線とを含むことを特徴とする、請求項２に記載のイメージセンサー。
4. 基板上にソース電極およびドレイン電極を形成する段階と、
   前記ソース電極およびドレイン電極に接触し、第１部分と第２部分からなる酸化物半導体層を形成する段階と、
   前記酸化物半導体層上に第１絶縁膜を形成する段階と、
   前記第１絶縁膜上に、前記第１部分を覆い且つ前記第２部分を覆わないゲート電極を形成する段階と、
   前記ゲート電極を紫外線遮断マスクとして用いて紫外線照射を行う段階とを含んでなり、
   前記ドレイン電極はフォトダイオードに接続されることを特徴とする、イメージセンサーの製造方法。
5. 前記第１絶縁膜を形成した後、熱処理を介して前記酸化物半導体層をアニーリングする段階を含むことを特徴とする、請求項４に記載のイメージセンサーの製造方法。
6. 前記ゲート電極を形成するエッチングマスクとしてのフォトレジストパターンが前記ゲート電極上に位置した状態で、前記紫外線照射を行うことを特徴とする、請求項４に記載のイメージセンサーの製造方法。

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