CN104576672A - 半导体装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种比以往更能抑制漏电流的半导体装置及其制造方法。半导体装置(22)具有:配置于下部电极(47)上,通过第一界面(49)与下部电极(47)接触,并具有一种多数载流子的第一载流子保有层(48);以及配置在第一载流子保有层(48)上并区划出形成与第一载流子保有层(48)导通的导通路径的第二界面(58),且具有另一种多数载流子的第二载流子保有层(57)。在从垂直于基板表面的方向观察到的俯视观察中,第一界面(49)在第一载流子保有层(48)的轮廓的内侧具有轮廓,在该俯视观察中,第二界面(58)在第一载流子保有层(48)的轮廓的内侧具有轮廓。
Description
技术领域
本发明涉及半导体装置及其制造方法,以及使用半导体装置的光电转换装置及电子设备等。
背景技术
一般已知的是PIN型光电二极管这种半导体装置。在PIN型光电二极管中,下部电极上形成有半导体层。半导体层具备例如从下部电极侧开始依次层叠的n+层、i层及p+层(均为非晶硅层)。在下部电极上直接接触形成n+层。在n+层上重叠i层。在p+层上形成上部电极。p+层和上部电极在半导体层的轮廓的内侧具有轮廓。当照射到光时,产生电荷。通过加工时使上侧的p+层变窄,可以抑制漏电流。已获知即使上部电极和p+层的界面缩小,只要p+层扩大至i层表面的整个面,则无法充分抑制漏电流。
预计未来图像的高分辨率化将进一步提高。高分辨率化要求光电二极管微小化。在光电二极管中,随着半导体的微小化,漏电流的影响增大。需要进一步摸索抑制漏电流的方法。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利特开2011-77184号公报
发明内容
根据本发明的至少一个方式,可以提供一种比以往更能抑制漏电流的半导体装置。
(1)本发明的一个方式涉及半导体装置,该半导体装置具有:配置在基板上的下部电极;配置于上述下部电极上,通过第一界面与上述下部电极接触,并具有一种多数载流子的第一载流子保有层;以及配置在上述第一载流子保有层上并区划出形成与上述第一载流子保有层导通的导通路径的第二界面,且具有另一种多数载流子的第二载流子保有层,其中,在从垂直于上述基板的表面的方向观察到的俯视观察中,上述第一界面在上述第一载流子保有层的轮廓的内侧具有轮廓,在上述俯视观察中,上述第二界面在上述第一载流子保有层的轮廓的内侧具有轮廓。
在下部电极和第二载流子保有层之间,在第一界面与第二界面之间,电场得到增强。相反,沿着第一载流子保有层的端面,电场被削弱。其结果,沿着第一载流子保有层的端面,漏电流可以得到抑制。
(2)在上述第一界面的端部和上述第一载流子保有层的端部的距离a与上述第二界面的端部和上述第一载流子保有层的上述端部的距离b之间,b>a的关系可以成立。根据本发明人的验证,当距离a、b满足上述关系时,漏电流可靠地减少。
(3)距离b与距离a的差可以大于1μm且小于3μm。如果距离b与距离a的差(b-a)大于1μm,则漏电流可靠地减少。另一方面,如果距离b与距离a的差(b-a)在3μm以上,则第二界面相对于第一界面过度缩小,实际的电流路径过度狭窄,第一载流子保有层和第二载流子保有层不能充分发挥作用。
(4)半导体装置可以具备沿上述第一界面的轮廓在上述第一界面的外侧覆盖上述下部电极,并在上述下部电极上支撑上述第一载流子保有层的一部分的绝缘膜。在制造半导体装置时,在下部电极上形成绝缘膜。绝缘膜虽然在第一界面的预定区域以外的部分覆盖下部电极的表面,但保持第一界面的预定区域的露出。在下部电极和绝缘膜上形成第一载流子保有层。绝缘膜在下部电极上隔开第一载流子保有层。这样一来,按照要求,在第一载流子保有层和下部电极之间形成第一界面。
(5)上述绝缘膜的膜厚可以从上述下部电极的表面起算为300nm以上。当如此设定绝缘膜的膜厚时,绝缘膜可以可靠地在下部电极和第一载流子保有层之间实现绝缘。可以可靠地规定第一界面。
(6)上述第一载流子保有层沿上述下部电极的表面可以具有5μm以上20μm以下的长度。半导体装置可以具有足够的灵敏度。
(7)可以在上述第一载流子保有层与上述第二载流子保有层之间区划出上述第二界面。在第一载流子保有层和第二载流子保有层之间实现载流子的移动。与PIN型结构的半导体装置相比,可以省略半导体层。
(8)半导体装置可以具备形成在上述第一载流子保有层上,并通过上述第二界面与上述第二载流子保有层接触的半导体层。半导体层作为对第一载流子保有层和第二载流子保有层供给载流子的供给源而发挥作用。这样一来,半导体层可以提高载流子移动的灵敏度。可以形成所谓的PIN结构的半导体装置。
(9)半导体装置可以装入光电转换装置中使用。这种情况下,光电转换装置可以具有半导体装置。
(10)半导体装置可以装入电子设备中使用。这种情况下,电子设备可以具有半导体装置。电子设备可以例示出例如生物体认证装置。
(11)本发明的其他方面涉及半导体装置的制造方法,该制造方法具备如下工序:在基板上形成下部电极的工序;在上述下部电极上形成第一载流子保有层的工序,该第一载流子保有层在从垂直于上述基板表面的方向观察到的俯视观察中具有在与上述下部电极之间的第一界面的轮廓的外侧扩展的轮廓,并具有一种多数载流子;以及在上述第一载流子保有层上形成第二载流子保有层的工序,该第二载流子保有层区划出形成与上述第一载流子保有层导通的导通路径并在上述第一载流子保有层的轮廓的内侧具有轮廓的第二界面,且具有另一种多数载流子。
如上所述制造的半导体装置中,在下部电极和第二载流子保有层之间,以及第一界面和第二界面之间的电场得到增强。相反,沿着第一载流子保有层的端面,电场被削弱。其结果,沿着第一载流子保有层的端面,漏电流可以得到抑制。
(12)半导体装置的制造方法可以具备如下工序:在形成上述第一载流子保有层时,使上述第一界面的预定区域露出同时在上述下部电极上覆盖绝缘膜的工序;在上述下部电极和上述绝缘膜上层叠形成上述第一载流子保有层的原材料膜的工序;以及以预定的图案将上述原材料膜图案化以形成上述第一载流子保有层的工序。绝缘膜在下部电极上隔开第一载流子保有层。这样一来,按照要求,在第一载流子保有层和下部电极之间形成第一界面。
附图说明
图1是简要示出一个实施方式涉及的光电转换装置的电结构的配线图。
图2是光检测元件的等效电路图。
图3是简要示出第一实施方式涉及的光检测元件的结构的垂直截面图。
图4是简要示出光电二极管的结构的放大垂直截面图。
图5是示出元件直径和暗电流的相关关系的图。
图6是示出光谱灵敏度特性的图。
图7是示出第一界面的端部和下部接触层的端面的距离a与暗电流的相关关系的图。
图8是示出距离a和距离b的差(b-a)与暗电流之间的相关关系的图。
图9是示出第一界面缩小的效果的图。
图10是示出在下部电极上绝缘膜的膜厚与暗电流之间的相关关系的图。
图11是简要示出光电转换装置的制造方法的图,是示出形成于基板上的下部电极的垂直截面图。
图12是简要示出光电转换装置的制造方法的图,是简要示出绝缘膜的形成工序的垂直截面图。
图13是简要示出光电转换装置的制造方法的图,是简要示出下部接触层和半导体层的形成工序的垂直截面图。
图14是简要示出光电转换装置的制造方法的图,是简要示出第三层间绝缘膜的形成工序的垂直截面图。
图15是简要示出光电转换装置的制造方法的图,是简要示出上部接触层的形成工序的垂直截面图。
图16是简要示出光电转换装置的制造方法的图,是简要示出上部电极的形成工序的垂直截面图。
图17是简要示出第二实施方式涉及的光检测元件的结构的垂直截面图。
图18是简要示出第三实施方式涉及的光检测元件的结构的垂直截面图。
图19是简要示出作为电子设备的一个具体例子的生物体认证装置的结构的示意图。
符号说明
11 光电转换装置、22 半导体装置(光电二极管)、22a 半导体装置(光电二极管)、22b 半导体装置(光电二极管)、47 下部电极、48 第一载流子保有层(下部接触层)、48a 第一载流子保有层(下部接触层)、49 第一界面、51 半导体层、51a 半导体层、52 绝缘膜、57 第二载流子保有层(上部接触层)、58 第二界面、71 第一载流子保有层(p型半导体层)、72 第一界面、74 第二载流子保有层(n型半导体层)、75 第二界面、77 电子设备(生物体认证装置)。
具体实施方式
下面,参照附图对本发明的一个实施方式进行说明。此外,以下说明的本实施方式并不会不合理地限制权利要求书所记载的本发明的内容,在本实施方式中说明的构成并非全部都是作为本发明的解决手段所必须的。
(1)光电转换装置的构成
图1简要示出本发明的一个实施方式涉及的光电转换装置11的电结构。光电转换装置11具有多个光检测元件12。光检测元件12例如阵列状地排列而形成元件阵列(元件区域)13。这里,光检测元件12按照多行多列的矩阵图案配置。
光电转换装置11具有多条扫描线14和多条数据线15。扫描线14相互平行地在行方向上延伸。一条扫描线14被分配给一行光检测元件12。一条扫描线14与一行光检测元件12公共连接。扫描线14公共连接至扫描线电路16。扫描线电路16按照时间轴依次确保每一条扫描线14的导通。数据线15相互平行地在列方向上延伸。一条数据线15被分配给一列光检测元件12。一条数据线15与一列光检测元件12公共连接。数据线15公共连接至数据线电路17。数据线电路17按照时间轴依次确保每一条数据线15的导通。这样,可以检测出每个光检测元件12对应于照射光的电荷。每个光检测元件12相当于一个像素。
如图2所示,每个光检测元件12具备作为开关元件的薄膜晶体管TFT21及作为光电转换元件的光电二极管22。TFT21的源极电极23连接至数据线15。TFT21的漏极电极24上连接有光电二极管22的一个电极。光电二极管22的另一个电极连接至与数据线15并列配置的定电位线25。TFT21的栅极电极26上连接有扫描线14。如果从扫描线14施加电压至栅极电极26,则可以确保源极电极23与漏极电极24之间的导通。如下文所述,光电二极管22被构成为PIN二极管。光电二极管22是实现光电转换的半导体装置的一个具体例子。
光检测元件12具备保持电容27。保持电容27的一个电极连接至TFT21的漏极电极24,另一个电极连接至与扫描线14并列配置的定电位线28。
(2)第一实施方式涉及的光检测元件的结构
如图3所示,光电转换装置11具备基板31。基板31可以使用例如透明的玻璃基板或不透明的硅基板。基板31的表面层叠有基底绝缘膜32。基底绝缘膜32覆盖基板31的整个表面。基底绝缘膜32例如可以由氧化硅膜(SiO2)形成。在基板31上按照每一个光检测元件12岛状地形成有多晶硅的半导体膜33。半导体膜33具有例如50nm左右的膜厚。半导体膜33被绝缘层34覆盖。绝缘层34在整个基底绝缘膜32上展开。绝缘层34在半导体膜33上形成栅绝缘膜。绝缘层34由例如SiO2等绝缘材料形成。绝缘层34具有100nm左右的膜厚。
半导体膜33被沟道形成区域36分成源极区37和漏极区38。在相对于沟道形成区域36的位置在绝缘层34上形成栅极电极39。栅极电极39例如由钼(Mo)等金属材料形成。栅极电极39具有500nm左右的膜厚。绝缘层34上层叠第一层间绝缘膜41。第一层间绝缘膜41覆盖栅极电极39。第一层间绝缘膜41由例如氧化硅膜这种绝缘材料形成。第一层间绝缘膜41具有800nm左右的膜厚。
第一层间绝缘膜41上形成导电膜图案42。导电膜图案42分别包括源极电极42a和漏极电极42b。导电膜图案42由Mo等金属材料形成。导电膜图案42具有500nm左右的膜厚。源极电极42a的导电材料填充贯通第一层间绝缘膜41和绝缘层34的接触孔43。如此地,源极电极42a与半导体膜33的源极区域37连接。同样地,漏极电极42b的导电材料填充贯通第一层间绝缘膜41和绝缘层34的接触孔44。如此地,漏极电极42b与半导体膜33的漏极区域38连接。导电膜图案42包括与源极电极42a连接的数据线15。
第一层间绝缘膜41上层叠有第二层间绝缘膜45。第二层间绝缘膜45由例如平坦化膜和钝化膜的层叠体形成。平坦化膜可以使用例如膜厚3μm左右的丙烯酸树脂这种绝缘膜,钝化膜可以使用例如膜厚200μm左右的氮化硅膜(Si3N4)这种绝缘材料。第二层间绝缘膜45覆盖源极电极42a、漏极电极42b和数据线15。
第二层间绝缘膜45上配置有光电二极管22。光电二极管22具有下部电极47。下部电极47形成在第二层间绝缘膜45上。下部电极47在从垂直于第二层间绝缘膜45的表面的方向观察到的俯视观察(以下简称为“俯视观察”)上形成为预定的图案。下部电极47可以由Al(铝)、Mo(钼)等导电材料形成。
在下部电极47上配置下部接触层(第一载流子保有层)48。下部接触层48覆盖下部电极47的表面(上表面)并通过第一界面49与下部电极47接触。下部接触层48由例如非晶硅形成。下部接触层48的膜厚可以是10nm~200nm。这里,下部接触层48形成n+层。下部接触层48具有作为多数载流子的电子。但是也可以由p+层代替n+层形成下部接触层48。p+层含有空穴作为多数载流子。
在下部接触层48上形成半导体层(i层)51。半导体层51在俯视观察中被区划为预定的轮廓。这里,半导体层51的轮廓仿照圆形。半导体层51的轮廓与下部接触层48的轮廓重叠。半导体层51由例如微晶硅形成。因此,沿着半导体层51与下部接触层48之间的界面,半导体层51和下部接触层48的端面共面且连续。半导体层51的膜厚可以是400nm~1200nm。
沿第一界面49的轮廓在第一界面49的外侧的下部电极47上配置绝缘膜52。绝缘膜52从下部电极47的周缘朝向周缘的内侧覆盖下部电极47。绝缘膜52在下部电极47上的下部电极47的轮廓内侧区划出空间。在该空间内配置下部接触层48。如此地,绝缘膜52在下部电极47的表面隔开第一界面49。第一界面49在俯视观察中在下部接触层48的轮廓的内侧具有轮廓。绝缘膜52可以由例如氮化硅膜或氧化硅膜形成。绝缘膜52的膜厚可以是300nm~1000nm左右。
下部接触层48在第一界面49的外侧设置在下部电极47上的绝缘膜52上。这样,在下部接触层48上形成阶梯面53。由于这样在具有阶梯面53的下部接触层48上以均匀的膜厚形成半导体层51,因此,半导体层51的表面反映阶梯面53。在半导体层51的表面同样地形成阶梯面54。
第二层间绝缘膜45上层叠第三层间绝缘膜55。第三层间绝缘膜55覆盖下部接触层48和半导体层51。第三层间绝缘膜55由例如氧化硅膜或氮化硅膜这种绝缘材料形成。第三层间绝缘膜55的膜厚可以是例如300nm~1000nm。在半导体层51上在第三层间绝缘膜55上形成有开口56。开口56在阶梯面54的内侧凹陷并区划出与平坦的半导体层51表面接触的空间。
第三层间绝缘膜55上层叠有上部接触层(第二载流子保有层)57。上部接触层57由例如非晶硅形成。上部接触层57的膜厚可以是10nm~200nm。上部接触层57进入开口56内。上部接触层57在开口56内层叠在半导体层51的表面上。这样,上部接触层57在与半导体层51之间区划出第二界面58。在第二界面58与第一界面49之间半导体层51和下部接触层48中形成电流导通路径。第二界面58在俯视观察中在半导体层51和下部接触层48的轮廓的内侧具有轮廓。这里,上部接触层57形成p+层。但当下部接触层48采用p+层时,上部接触层57采用n+层。
在上部接触层57上形成上部电极61。上部电极61在俯视观察中形成为预定的图案。上部电极61可以由ITO(氧化铟锡)等透明导电材料形成。上部电极61的膜厚可以是例如10nm~200nm左右。上部电极61在开口56内与上部接触层57重叠。第三层间绝缘膜55和第二层间绝缘膜45上形成有通至漏极电极42b的接触孔62。上部电极61延伸到接触孔62内。这样,上部电极61与漏极电极42b连接。
如图4所示,光电二极管22中,在第一界面49的端部与下部接触层48及半导体层51的端面的距离a和第二界面58的端部与下部接触层48及半导体层51的端面的距离b之间,b>a的关系成立。这种情况下,距离b与距离a的差(b-a)大于1μm且小于3μm。而且,从下部电极47的表面起算测定的绝缘膜52的膜厚c为300nm以上。下部接触层48和半导体层51沿下部电极47的表面具有5μm以上20μm以下的长度。
光电转换装置11中,在通过定电位线25、28对光电二极管22施加逆向偏压的状态下,光射入光电二极管22。由此,光电流流过由作为p+层的上部接触层57和作为n+层的下部接触层48形成的pn结,与其对应的电荷存储在保持电容器27中。通过多条扫描线14中的每条而选择TFT21,按照每个光检测元件12存储在保持电容器27中的电荷所对应的信号被依次输出到数据线15。这样,可以分别检测每个光检测元件12接收到的光的强度。
每个光检测元件12中,在俯视观察中第一界面49在下部接触层48和半导体层51的轮廓的内侧具有轮廓,同时,在俯视观察中第二界面58在下部接触层48和半导体层51的轮廓的内侧具有轮廓。这样,与下部接触层48和半导体层51的水平截面相比,第一界面49和第二界面58被缩小。其结果,下部接触层48和半导体层51中的电流导通路径变窄。在下部电极47与上部接触层57之间,在第一界面49和第二界面58之间电场得到增强。相反,沿下部接触层48和半导体层51的端面,电场被削弱。其结果,沿下部接触层48和半导体层51的端面,漏电流可以得到抑制。
如后所述,根据本发明人的验证,光电二极管22中,如果在第一界面49的端部与下部接触层48及半导体层51的端面的距离a和第二界面58的端部与下部接触层48及半导体层51的端面的距离b之间,b>a的关系成立,则漏电流减少。如上所述,下部接触层48和半导体层51设置在绝缘膜52上。下部接触层48和半导体层51形成阶梯面53、54。在阶梯处容易发生成膜的非均匀生长,这种非均匀生长容易形成漏电流的路径。因此,如果b>a的关系成立,则上部接触层57可以远离阶梯。
尤其是,如果距离b与距离a的差(b-a)大于1μm,则漏电流可靠地减少。而另一方面,如果距离b与距离a的差(b-a)在3μm以上,则第二界面58相对于第一界面49过度缩小,实际的电流路径过窄,下部接触层48和上部接触层57不能充分地发挥作用。并且,由于下部电极47上的下部接触层48的膜厚为300nm以上,因此绝缘膜52能够可靠地实现下部电极47和下部接触层48之间的绝缘。能够可靠地缩窄在第一界面49上的电流的导通路径。
下部接触层48沿下部电极47的表面具有5μm以上20μm以下的长度。即、第一界面49具有5μm以上20μm以下的长度。假设第一界面49的长度超过20μm,则下部接触层48在没有绝缘膜52的介入而直接接触下部电极47的情况下能够充分地抑制漏电流。假设第一界面49的长度低于5μm,则光电二极管22不能接收到足够的光量。导致灵敏度降低。
半导体层51作为对下部接触层48和上部接触层57供给载流子的供给源而发挥作用。因此,半导体层51能够提高载流子移动的灵敏度。能够形成所谓PIN结构的光电二极管22。
(3)验证
本发明人验证了光电二极管22的尺寸与暗电流(漏电流)之间的相关关系。这里,半导体层51在俯视观察中形成为圆形。半导体层51的厚度是700nm。元件直径为10μm~500μm。光电二极管22上施加有5V的逆向偏压。本发明人同时对比较例进行了验证。比较例中,在下部电极47上直接形成下部接触层。因此,相对于半导体层51的轮廓,下部电极47和下部接触层48的第一界面49被规定为与半导体层51的轮廓相同。比较例中,上部接触层57和半导体层51的第二界面58与本实施方式涉及的光电二极管22同样地比半导体层51的轮廓缩小。如图5所示,已确认本实施方式涉及的光电二极管22的元件直径为5.0μm以上20.0μm以下,与比较例相比,可以抑制暗电流。本发明人发现,本实施方式涉及的光电二极管22与比较例相比,其边缘泄漏的影响得到了抑制。此外,由于当第二界面58缩小时,光电转换区域不能由半导体层51的直径决定,因此,要求元件直径要达到图6所示的光谱灵敏度特性中的相同灵敏度。本验证中,元件直径为相对于上部接触层的直径扩大了2.8μm的值。图6中,用实线示出第二界面58变窄后的光电二极管的光谱灵敏度,用虚线示出第一界面49和第二界面58与半导体层51相同的光电二极管的光谱灵敏度。
接下来,本发明人改变光电二极管22中第一界面49的端部与下部接触层48和半导体层51的端面之间的距离a,并对暗电流进行了测定。其结果,如图7所示,证实如果距离a在1.0μm以上,则暗电流得到抑制。此外,在该验证中,第二界面58的端部与下部接触层48和半导体层51的端面的距离b固定为3μm。
接下来,本发明人验证了光电二极管22中距离a和距离b的差(b-a)与暗电流之间的相关关系。其结果,如图8所示,如果差(b-a)超过1μm,则暗电流减少。其中,距离a在任何一次测定中均保持在1.0μm以上。
接下来,本发明人验证了第一界面49的缩小效果。本发明人一边保持距离a为1.5μm一边改变距离b,对暗电流进行了测定。本发明人测定了比较例的暗电流。在比较例中,第一界面49与半导体层51的轮廓一致。即,距离a保持为“0(零)”。其结果,如图9所示,已确认如果距离b在2.5μm以上,则与比较例相比,达到暗电流迅速地减小。
接下来,本发明人验证了绝缘膜52的膜厚的效果。本发明人改变绝缘膜52的膜厚,并对暗电流进行了测定。其结果,如图10所示,已确认如果绝缘膜52的膜厚为300nm以上,则暗电流得到抑制。
(4)光电转换装置的制造方法
接下来,对光电转换装置11的制造方法进行说明。在基板材料上的每个分区制作各个光电转换装置11。基板材料由与基板31相同的原材料形成。基板材料可以是例如玻璃基板晶片或硅晶片。由基板材料切出各个光电转换装置11。
制作光电转换装置11时,根据现有的形成方法在基板材料上对每个光检测元件12形成TFT21。形成TFT21时,在基板材料上的一整面上层叠第一层间绝缘膜41和第二层间绝缘膜45。在第二层间绝缘膜45的形成中,第一层间绝缘膜41的表面被膜厚3μm左右的丙烯酸树脂平坦化,并通过CVD(化学气相沉积)法形成膜厚200nm左右的氮化硅膜。然后,在第二层间绝缘膜45上与每个TFT21关联,对每个光检测元件12形成光电二极管22。
接下来,对光电二极管22的形成方法进行详细说明。如图11所示,首先,在第二层间绝缘膜45上形成下部电极47。形成时,可以采用例如光刻技术。下部电极47由均匀膜厚的导电膜被图案化为预定的图案。导电膜可以使用例如铝膜。同样的导电膜可以通过例如蒸镀法等方法形成。
如图12所示,在第二层间绝缘膜45的一整面上层叠绝缘膜52。绝缘膜52由氮化硅膜或氧化硅膜形成。层叠时,可以采用例如CVD法。在下部电极47上形成绝缘膜52。绝缘膜52被图案化为预定的图案。通过图案化,在下部电极47上区划出第一界面49的预定区域64。预定区域64被绝缘膜52包围。下部电极47的表面(上表面)在预定区域64露出。这样,绝缘膜52从下部电极47的周围向内侧覆盖。
接着,在下部电极47上形成下部接触层48和半导体层51。在形成下部接触层48和半导体层51时,如图13所示,在第二层间绝缘膜45上一整面均匀地形成下部接触层48的原材料膜65和半导体层51的原材料膜66。原材料膜65由N+非晶硅形成,原材料膜66由微晶硅形成。原材料膜65、66可以通过CVD法连续成膜。原材料膜65、66层叠在下部电极47和绝缘膜52上。原材料膜65、66覆盖第一界面49的预定区域64。由于原材料膜65、66以均匀的膜厚形成,因此原材料膜65、66的表面反映绝缘膜52的表面形状。这样,在原材料膜65、66上每个光电转换装置11均形成阶梯面53、54。在原材料膜66上形成抗蚀膜67。保护膜67仿照半导体层51和下部接触层48的形状。基于光刻技术并通过抗蚀膜67的作用,下部接触层48和半导体层51由原材料膜65、66以预定的图案被图案化。如此形成下部接触层48和半导体层51。绝缘膜52在下部电极47上隔开下部接触层48。如此,按照要求,在下部接触层48和下部电极47之间形成第一界面49。下部接触层48和半导体层51在俯视观察中具有向第一界面49的外侧扩展的轮廓。
如图14所示,在第二层间绝缘膜45上一整面均匀地形成第三层间绝缘膜55。第三层间绝缘膜55由例如氧化硅膜或氮化硅膜形成。成膜时采用CVD法。绝缘膜52、半导体层51和下部接触层48埋在第三层间绝缘膜55中。在半导体层51上第三层间绝缘膜55形成开口56。这样,半导体层51的表面(顶面)在阶梯面54的内侧露出。
如图15所示,在第三层间绝缘膜55上形成上部接触层57。上部接触层57均匀地形成。上部接触层57由P+非晶硅形成。上部接触层57可以通过CVD法成膜。在开口56内上部接触层57堵住半导体层51的露出面。在半导体层51上上部接触层57被第三层间绝缘膜55隔开。这样,在半导体层51和上部接触层57之间形成第二界面58。第二界面58在俯视观察中在半导体层51和下部接触层48的轮廓的内侧具有轮廓。
接下来,如图16所示,在上部接触层57上形成上部电极61。上部电极61可以由均匀的导电膜图案化而成。导电膜可以使用ITO膜。图案化时通过蚀刻处理除去导电膜和上部接触层57。在上部电极61和上部接触层57图案化之前,半导体层51的露出面被第三层间绝缘膜55和上部接触层57覆盖。半导体层51的端面被第三层间绝缘膜55的保护。
(5)第二实施方式涉及的光检测元件的结构
图17简要地示出第二实施方式涉及的光电转换装置的光电二极管22a。光电二极管22a中在下部电极47上层叠下部接触层(第一载流子保有层)48a。下部接触层48a在俯视观察中扩展至下部电极47的轮廓的外侧。半导体层51a的轮廓与下部接触层48a的轮廓重叠。下部接触层48a在第一界面49与下部电极47接触。第一界面49配置在下部接触层48a和半导体层51a的轮廓的内侧。其他构成与上述光电二极管22相同。光电二极管22a中,第一界面49的端部与下部接触层48a及半导体层51a的端面的距离a和第二界面58的端部与下部接触层48a及半导体层51a的端面的距离b之间,和上述相同,b>a等关系成立。因此,光电二极管22a达到与上述光电二极管22相同的作用和效果。
(6)第三实施方式涉及的光检测元件的结构
图18简要示出第三实施方式涉及的光电转换装置的光电二极管22b。光电二极管22b中在下部电极47上配置p型半导体层(第一载流子保有层)71。和上述的下部接触层48同样,P型半导体层71在下部电极47上被绝缘膜52隔开。这样,p型半导体层71在第一界面72与下部电极47接触。第一界面72在俯视观察中在p型半导体层71的轮廓的内侧具有轮廓。P型半导体层71在第一界面72的外侧设置在下部电极47上的绝缘膜52上。这样,在p型半导体层71上形成阶梯面73。第三层间绝缘膜55覆盖p型半导体层71。P型半导体层71可以采用例如黄铜矿系光吸收层。
在第三层间绝缘膜55上配置n型半导体层(第二载流子保有层)74。n型半导体层74进入开口56内。n型半导体层74在开口56内层叠在p型半导体层71的表面。这样,n型半导体层74在与p型半导体层71之间区划出第二界面75。在第二界面75与第一界面72之间,在p型半导体层71形成电流的导通路径。第二界面75在俯视观察中在p型半导体层71的轮廓的内侧具有轮廓。其他结构与光电二极管22相同。在光电二极管22b中,第一界面72的端部与p型半导体层71的端面的距离a和第二界面75的端部与p型半导体层71的端面的距离b之间,和上述同样,b>a等关系成立。上述关系对绝缘膜52的膜厚c成立。因此,光电二极管22b达到与上述的光电二极管22相同的作用效果。在p型半导体层71和n型半导体层74之间实现载流子的移动。与PIN结构的光电二极管22、22a相比,可以省略半导体层51、51a。
(7)作为电子设备的生物体认证装置
如图19所示,光电转换装置11可以装入生物体认证装置77中使用。生物体认证装置77具备微透镜阵列78。微透镜阵列78由例如矩阵排列的微透镜79形成。发光基板81与微透镜阵列78相对。发光基板81具备形成于基板主体82的表面的发光层83。发光层83由例如有机EL(电致发光)材料形成。发光层83夹在第一电极层84和第二电极层85之间。如果从第一电极层84和第二电极层85对发光层83施加电压,则发光层83向垂直于发光层83的方向发光。
发光基板81与遮光基板86重叠。遮光基板86具备形成于基板主体87的背面的遮光层88。遮光层88由例如铬膜这种金属膜或不透明的树脂膜等遮光材料形成。遮光层88对应于微透镜79的光程形成开口89。遮光基板86与光电转换装置11重叠。由微透镜79聚集的光被各个光检测元件12接收。
发光基板81和光电转换装置11连接有控制部91。控制部91控制发光层83发光并对光检测元件12的输出进行信号处理。在控制发光时,控制部91控制例如对发光基板81的第一电极层84和第二电极层85的供电。光从发光层83照射到手指FG。光是近红外线,具有例如750nm~3000nm(优选800nm~900nm)的波长。光到达手指FG的内部时发生散射,一部分作为反射光射向光检测元件12。各个光检测元件12根据近红外线光的强度输出电信号。根据阵列状的光检测元件12的输出形成光的图像。由于静脉中的血红蛋白吸收近红外线光,因此可以在图像中绘制出暗的静脉图像。控制部91可以采用微处理器单元(MPU)这种运算处理电路。
控制部91连接有存储部92和输出部93。存储部92中在特定的标识符下存储静脉图像。静脉图像由光电转换装置11取得并被注册。静脉图像因人而异。存储部92可以采用例如闪存和硬盘驱动器这种非易失性存储器。在生物体认证时,控制部91将拍摄的静脉图像和注册的静脉图像进行核对。如果拍摄的静脉图像与注册的静脉图像一致,则完成个人认证。从输出部93输出认证完毕的输出信号。如果拍摄的静脉图像与注册的静脉图像不一致,则否定个人认证。从输出部93输出认证失败的输出信号。这样,生物体认证装置77可以被用于入退室管理装置、自动存取款机(ATM)、便携式和智能手机等的用户管理等。
此外,如上所述对本实施方式进行了详细的说明,但本领域技术人员能够容易地理解,只要实质上不脱离本发明的新事项及效果,本发明可以有很多变形。因此,这样的变形例全部包括在本发明的范围内。例如,在说明书或附图中,至少一次与更广义或同义的不同术语一起被记载的术语,在说明书或附图的任何位置均可与该不同术语互换。另外,光电转换装置11和光检测元件12、开关元件、光电转换元件、生物体认证装置77、电子设备等的构成及动作并不仅限于本实施方式中的说明,可以进行各种变形。
Claims (12)
1.一种半导体装置,其特征在于,具有:
下部电极,配置在基板上;
第一载流子保有层,配置在所述下部电极上,通过第一界面与所述下部电极接触,并具有一种多数载流子;以及
第二载流子保有层,配置在所述第一载流子保有层上,区划出形成与所述第一载流子保有层导通的导通路径的第二界面,并具有另一种多数载流子,
在从垂直于所述基板的表面的方向观察到的俯视观察中,所述第一界面在所述第一载流子保有层的轮廓的内侧具有轮廓,
在所述俯视观察中,所述第二界面在所述第一载流子保有层的轮廓的内侧具有轮廓。
2.根据权利要求1所述的半导体装置,其特征在于,
在所述第一界面的端部和所述第一载流子保有层的端部的距离a与所述第二界面的端部和所述第一载流子保有层的所述端部的距离b之间,b>a的关系成立。
3.根据权利要求2所述的半导体装置,其特征在于,
所述距离b与所述距离a的差大于1μm且小于3μm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体装置,其特征在于,
所述半导体装置还具备绝缘膜,所述绝缘膜沿所述第一界面的轮廓在所述第一界面的外侧覆盖所述下部电极,并在所述下部电极上支撑所述第一载流子保有层的一部分。
5.根据权利要求4所述的半导体装置,其特征在于,
所述绝缘膜的膜厚从所述下部电极的表面起算为300nm以上。
6.根据权利要求1所述的半导体装置,其特征在于,
所述第一载流子保有层沿所述下部电极的表面具有5μm以上20μm以下的长度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的半导体装置,其特征在于,
在所述第一载流子保有层与所述第二载流子保有层之间区划出所述第二界面。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的半导体装置,其特征在于,
所述半导体装置还具备半导体层,所述半导体层形成在所述第一载流子保有层上,并通过所述第二界面与所述第二载流子保有层接触。
9.一种光电转换装置,其特征在于,
具有权利要求1至8中任一项所述的半导体装置。
10.一种电子设备,其特征在于,
具有权利要求1至8中任一项所述的半导体装置。
11.一种半导体装置的制造方法,其特征在于,具备:
在基板上形成下部电极的工序;
在所述下部电极上形成第一载流子保有层的工序,所述第一载流子保有层在从垂直于所述基板的表面的方向所观察到的俯视观察中具有在与所述下部电极之间的第一界面的轮廓的外侧扩展的轮廓,并具有一种多数载流子;以及
在所述第一载流子保有层上形成第二载流子保有层的工序,所述第二载流子保有层区划出形成与所述第一载流子保有层导通的导通路径并在所述第一载流子保有层的轮廓的内侧具有轮廓的第二界面,且具有另一种多数载流子。
12.根据权利要求11所述的半导体装置的制造方法,其特征在于,
还具备:
在形成所述第一载流子保有层时,使所述第一界面的预定区域露出同时在所述下部电极上覆盖绝缘膜的工序;
在所述下部电极和所述绝缘膜上层叠形成所述第一载流子保有层的原材料膜的工序;以及
以预定的图案使所述原材料膜图案化以形成所述第一载流子保有层的工序。
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