JP4827796B2

JP4827796B2 - センサ付き表示装置

Info

Publication number: JP4827796B2
Application number: JP2007150759A
Authority: JP
Inventors: 宏勇張; 真之坂倉
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2017-09-12
Also published as: JP2007306011A

Description

本発明は、同一基板上に薄膜トランジスタと光電変換素子を有する装置に関し、特に薄膜トランジスタと光電変換素子の最適な配置、構造等に関する。

液晶層に画素電極から電圧を加えて液晶を配向させ、表示部に画像を形成させるようにした液晶パネルが知られている。
従来の液晶パネルの構成を簡略に以下に述べる。
薄膜トランジスタからなる表示部および周辺回路を絶縁基板上に形成した素子基板と、対向基板とをスペーサによって基板間隔が保たれ、シール材によって接着する。そして、前記素子基板と対向基板との間に液晶を有している構造となっている。また、前記液晶は一対の基板に挟まれ、シール部によって囲まれている。パネルのシール部の配置は、表示部または表示部及び周辺駆動回路をリング状に取り囲む形状としている。

上記従来の構成において、素子基板とは、アクティブマトリクス回路および周辺回路が設けられた基板を指している。また、対向基板は、素子基板に対向配置して設けられる基板であって、対向電極、カラーフィルター等が形成されたものを指している。

また、上記従来の構成において、シール材には、紫外線硬化性や熱硬化性を有する封止用の樹脂等を用いている。

一方、イメージセンサとしては、現在、複写機、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、ファクシミリ等の映像を電気信号に変換するための光センサとして広い分野で用いられており、光センサモジュールを組み込んだ装置構成としている。

このような液晶パネルとイメージセンサを同一基板上に作製した場合、パネルとイメージセンサの配置が重要な問題になってくる。

特に、イメージセンサのセンサ部は敏感な素子で構成され、また、ガラス基板の熱発散が悪いので、表示部の周辺回路からの発熱や、Ｒａｔｉｏ信号（高周波信号）によるノイズによる影響を受けてセンサの感度が低下しやすい。

本発明は、同一基板上に薄膜トランジスタと光電変換素子を有する装置において、薄膜トランジスタと光電変換素子の最適な配置、構造等を提供することを課題とする。

本明細書で開示する本発明の構成は、
２枚の基板を用いてなる一対の基板であって、
一方の基板上に光電変換素子からなるセンサ部と、薄膜トランジスタからなる液晶表示部及び該表示部を駆動させるための周辺駆動回路部とを有し、
前記液晶表示部の少なくとも１辺と平行に周辺駆動回路部が配置されており、前記液晶表示部の他の１辺と平行に前記センサ部が配置されていることを特徴とするイメージセンサを内蔵した液晶表示装置である。

また、本発明の他の構成としては、
２枚の基板を用いてなる一対の基板であって、
一方の基板上に光電変換素子からなるセンサ部と、薄膜トランジスタからなる液晶表示部及び該表示部を駆動させるための周辺駆動回路部とを有し、
前記表示部及び前記センサ部の配線を外部配線と接続する表示部の引き出し配線端子部と前記センサ部の間には、前記表示部が配置されていることを特徴とするイメージセンサを内蔵した液晶表示装置である。

また、本発明の他の構成としては、
２枚の基板を用いてなる一対の基板であって、
一方の基板上に光電変換素子からなるセンサ部と、薄膜トランジスタからなる液晶表示部及び該表示部を駆動させるための周辺駆動回路部とを有し、
前記表示部の長手方向の対称軸と、前記センサ部の長手方向の対称軸とが一致していることを特徴とするイメージセンサを内蔵した液晶表示装置である。

また、本発明の他の構成としては、
２枚の基板を用いてなる一対の基板であって、
一方の基板上に光電変換素子からなる２つのセンサ部と、薄膜トランジスタからなる液晶表示部及び該表示部を駆動させるための周辺駆動回路部とを有し、
前記２つのセンサ部は、前記表示部の長手方向の対称軸に対称な位置に配置することを特徴とするイメージセンサを内蔵した液晶表示装置である。

本発明においては、イメージセンサを内蔵した液晶表示装置とは、同一基板上に、表示部とセンサ部が形成されたものを指しており、センサ部の位置を以下に詳述するように配置する。
まず、表示部に画像を出力させた場合には、周辺駆動回路部が発熱する。主に、熱が集中する箇所は、周辺駆動回路部の中心点付近であることが発明者らの実験により判明した。

そのため、少なくとも周辺駆動回路１０４の中心点付近には、センサ部を配置せずに、図１（Ａ）〜（Ｄ）で示すような配置にする。また、引き出し配線部１０５からはノイズおよび静電気が発生し、センサ部（センサ部周辺回路を含む）１０３に影響を与えるので、図１（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、センサ部１０３と引き出し配線部１０５は間隔を離すことが望ましい。

エリアセンサは、周辺駆動回路部１０４のない側にセンサ部１０３を設置する。シングルエリアセンサの場合は、図１（Ａ）、（Ｂ）のように、使用者の画像を主に取り入れるため、表示部１０１の上部中央部に配置されることが望ましい。また、図１（Ｃ）は、基板の短辺方向にスペースを取らないように、シングルエリアセンサを表示部の側部に設置して、基板の短辺をできる限り小さくした一例である。

また、図１（Ｄ）のように、ダブルエリアセンサは、使用者の立体的な画像を主に取り入れるため、表示部１０１の対称軸を軸として対称な位置に２つ配置することが望ましい。

また、他の構成としてリニアセンサを用いた場合、図２（Ａ）、（Ｂ）のように、周辺駆動回路１０４のない側にリニアセンサ部１０７を設置する。
更に、リニアセンサ部１０７を表示部１０１に対して水平、または垂直に配置する。このような配置とすることで、移動機構を容易にすることができる。
上記構成とすることで、周辺駆動回路や、引き出し配線端子の影響（ノイズ、熱）を受けることのない、感度の良好なセンサ部を有する安価な液晶表示パネルを得ることできる。

本発明により、周辺駆動回路や、引き出し配線の影響（ノイズ、熱）を受けることのない、感度の良好なセンサ部を有する安価な液晶表示パネルを得ることできる。
また、本発明では、イメージセンサを画素マトリクス及び周辺駆動回路と同一基板上に設けたため、表示機能と撮像機能を備えた表示装置を小型化、軽量化できるとともに、センサ部と表示部とを同時に形成するため、安価に表示装置を提供することができる。

素子基板内の配置を図１（Ａ）に示した。
本実施例では、図１（Ａ）に示すようにセンサ部１０３は、周辺駆動回路１０４のない箇所に設けられ、引き出し端子部１０５は表示部１０１を挟んで反対側に設けられている。こうすることで、周辺駆動回路１０４からのノイズ、発熱の影響、そして、引き出し端子部１０５で発生し易い静電気等の影響を受けることなく、良好な画像の読み込みを可能とした。また、作製工程における基板の分断時にも基板の分断面から離れているので、応力の影響を受けない配置である。

さらに、他の配置構成として、図１（Ｂ）で示したように、引き出し端子部１０５を表示部側部の周辺駆動回路１０４と並列して設けてもよい。

また、他の配置構成として、基板の短辺方向にスペースを取らないように、シングルエリアセンサ１０３を表示部１０１の側部に設置して、基板の短辺をできる限り小さくしたものが図１（Ｃ）である。

同一基板上にセンサ部と表示部を配置した電気機器の一例として、表示部６０１の上部中央部にエリアセンサ６０３が配置された液晶パネルを適用したノート型パソコンを図６（Ａ）に示し、また、他の応用例として、テレビ携帯電話を図６（Ｂ）に示した。

素子基板内の配置を図１（Ｄ）に示した。
本実施例では、図１（Ｄ）に示すようにセンサ部１０３は、周辺駆動回路の中央部から遠い箇所に設けられ、左右対象に設けられている。２つのセンサを左右対象に設けることで使用者の画像を立体的に取り込むことができる。本実施例では、周辺駆動回路１０４の近くに配置されているが、周辺駆動回路の発熱する箇所は中央部であるので、エリアセンサ部１０３には、影響はない。
このようにして、表示部の上部にエリアセンサが２つ配置された液晶パネルを適用したノート型パソコンを図６（Ｃ）に示した。

図３〜５を用いて、実施例１、２の素子基板の作製方法を説明する。先ず、図３（Ａ）に示すように、透明基板１００全面に下地膜１１０を形成する。透明基板１００としてガラス基板や石英基板を用いることができる。下地膜１１０として、プラズマＣＶＤ法によって、酸化珪素膜を２００ｎｍの厚さに形成した。

次に、プラズマＣＶＤ法によって非晶質珪素膜を３０〜１００ｎｍ、好ましくは３０ｎｍの厚さに成膜し、エキシマレーザ光を照射して、多結晶珪素膜６０を形成した。この結晶化工程は、特にＣＭＯＳ−ＴＦＴ４００の移動度を高くするのに重要な工程となる。なお、非晶質珪素膜の結晶化方法として、ＳＰＣと呼ばれる熱結晶化法、赤外線を照射するＲＴＡ法、熱結晶化とレーザアニールとを用いる方法等を用いることができる（図３（Ａ））。

次に、多結晶珪素膜６０をパターニングして、ＴＦＴ２００、３００、４００のソース領域、ドレイン領域、チャネル形成領域を構成する島状の半導体層３０１、２０１、４０１、４０２を形成する。次に、これら半導体層３０１、２０１、４０１、４０２を覆うゲイト絶縁膜１２０を形成する。ゲイト絶縁膜１２０はシラン（ＳｉＨ₄）とＮ₂Ｏを原料ガスに用いて、プラズマＣＶＤ法で１２０ｎｍの厚さに形成する。

次に、スパッタ法でアルミニウム膜６１を３００〜５００ｎｍの厚さ、本実施例では、３００ｎｍに形成する。ヒロックやウィスカーの発生を抑制するために、アルミニウム膜６１にはスカンジウム（Ｓｃ）やチタン（Ｔｉ）やイットリウム（Ｙ）を０．０４〜１．０重量％含有させる（図３（Ｂ））。

次に、アルミニウム膜６１の表面に、図示しない緻密な膜質を有する陽極酸化膜を形成する。陽極酸化膜を形成するには、３％の酒石酸を含んだエチレングリコール溶液中で、アルミニウム膜６１を陽極にし白金を陰極にして、この電極間に電流を流せばよい。陽極酸化膜の膜厚は印加電圧によって制御する。本実施例では、陽極酸化膜の膜厚を１０〜３０ｎｍとする。

次に、レジストマスク６２を形成し、アルミニウム膜６１をパターニングして、電極パターン２０２、３０２、４０３、４０４を形成する（図３（Ｃ））。

そして、再び陽極酸化を行い、図４（Ａ）に示すように、電極パターン２０２、３０２、４０３、４０４の側面に多孔質状の陽極酸化膜２０３、３０３、４０５、４０６をそれぞれ形成する。この場合の陽極酸化工程は、電極パターン２０２、３０２、４０３、４０４を陽極にし、白金を陰極にして、濃度３％のシュウ酸水溶液中で、この電極間に電流を流せばよい。陽極酸化膜２０３、３０３、４０５、４０６の膜厚は電圧の印加時間によって制御できる。陽極酸化膜２０３、３０３、４０５、４０６は、半導体層に低濃度不純物領域を自己整合的に形成するために利用される（図４（Ａ））。

そして、レジストマスク６２を専用の剥離液によって除去した後、再び陽極酸化工程を行い、電極パターン２０２、３０２、４０３、４０４の周囲に、緻密な膜質を有する陽極酸化膜２０４、３０４、４０７、４０８をそれぞれ形成する。以上の陽極酸化工程において陽極酸化されなかった電極パターン２０２、３０２、４０３、４０４が、実質的なゲイト電極２０５、３０５、４０９、４１０として機能する。これらゲイト電極２０５、３０５、４０９、４１０の周囲に形成された緻密な膜質を有する陽極酸化膜２０４、３０４、４０７、４０８は、ゲイト電極を電気的、物理的に保護する機能を果たす。更に、これらの陽極酸化膜によって、オフセット構造を自己整合的に形成することができる（図４（Ｂ））。

図４（Ｂ）に示す状態が得られたら、半導体にＮ型の導電性を付与するために、Ｐイオンをドープする。本実施例では、イオンドーピング法を用いる。条件はドーズ量１×１０¹⁵／cm²、加速電圧８０ｋｖとする。この結果、ゲイト電極および陽極酸化膜がマスクとして機能し、半導体層２０１、３０１、４０１、４０２にそれぞれ、Ｎ型不純物領域２０６、３０６、４１１、４１２が自己整合的に形成される（図４（Ｃ））。

次に、多孔質状の陽極酸化膜２０３、３０３、４０５、４０６を除去した後、再び、イオンドーピング法でＰイオンをドープする。ドーピング条件はドーズ量５×１０¹³／cm²、加速電圧７０ｋｖとする。この結果、２回のドーピング工程ともＰイオンが注入された領域２０７、３０７、４１３、４１４はＮ型の高濃度不純物領域となり、図４（Ｄ）に示した２度目のドーピング工程のみ、Ｐイオンが注入された領域２０８、３０８、４１５、４１６はＮ型の低濃度不純物領域となる。また、２回のドーピング工程ともＰイオンが注入されなかった領域２０９、３０９、４１７、４１８はチャネル形成領域となる。（図４（Ｄ））

また、ソース領域とドレイン領域の間の領域の内の緻密な陽極酸化膜の下部領域にはオフセット構造が自己整合的に形成される。

次に、図５（Ａ）に示すように、ＣＭＯＳ−ＴＦＴ４００の半導体層４０２のＮ型の不純物領域をＰ型に反転するため、他の半導体層をレジストマスク６３で覆う。この状態で、Ｐ型の導電性を付与するＢイオンをイオンドーピング法で注入する。条件はドーズ量２×１０¹⁵／cm²、加速電圧６５ｋＶとする。この結果、Ｎ型の不純物領域４１４、４１６の導電型が反転し、Ｐ型の不純物領域４１９、４２０となる。そしてレーザアニールを行い、ドーピングされたＰイオン、Ｂイオンを活性化する（図５（Ａ））。

そして、第１の層間絶縁膜１３０を形成し、Ｎ型高濃度不純物領域２０７、３０７、４１３およびＰ型不純物領域４１９に達するコンタクトホールを形成する。しかる後、金属膜を形成し、パターニングして、配線２１０、２１１、３１０、３１１、４２１、４２２、４２３を形成する。なお、ＴＦＴ４００をＣＭＯＳ構造とするために、配線４２２でＮ型高濃度不純物領域４１４とＰ型不純物領域４１９とが接続される。

本実施例では、第１の層間絶縁膜１３０を厚さ５００ｎｍの窒化珪素膜で形成する。第１の層間絶縁膜１３０として、窒化珪素膜の他に、酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜を用いることができる。また、これらの絶縁膜の多層膜としても良い。

また、配線２１０、２１１、３１０、３１１、４２１、４２２、４２３の出発膜となる金属膜として、本実施例では、スパッタ法で、チタン膜、アルミニウム膜、チタン膜でなる積層膜を形成する。これらの膜厚はそれぞれ１００ｎｍ、３００ｎｍ、１００ｎｍとする。

以上のＣＭＯＳプロセスを経て、画素ＴＦＴ２００、受光部ＴＦＴ３００、ＣＭＯＳ−ＴＦＴ４００が同時に完成する（図５（Ｂ））。

次に、ＴＦＴ２００、３００、４００を覆う、第２の層間絶縁膜１４０を形成する。第２の層間絶縁膜１４０としては、下層の凹凸を相殺して、平坦な表面が得られる樹脂膜が好ましい。このような樹脂膜として、ポリイミド、ポリアミド、ポリイミドアミド、アクリルを用いることができる。また、第２の層間絶縁膜１４０の表面層は平坦な表面を得るため樹脂膜とし、下層は酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素等の無機絶縁材料の単層、多層としても良い。本実施例では、第２の層間絶縁膜１４０としてポリイミド膜を１．５μｍの厚さに形成する。

次に、第２の層間絶縁膜１４０に受光部ＴＦＴの配線３１０に達するコンタクトホールを形成した後、導電膜を形成する。本実施例では導電膜として厚さ２００ｎｍのチタン膜をスパッタ法で成膜する。

次に、導電膜をパターニングし、表示部ＴＦＴの遮光膜２２１と、受光部ＴＦＴに接続された下側電極３２１とをそれぞれ形成する。この導電膜としてチタン、クロムを用いることができる。

次に、光電変換層３２２として機能する、水素が添加された非晶質珪素膜（以下、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜と表記する）を基板全面に成膜する。そして、受光部だけにａ−Ｓｉ：Ｈ膜が残存するようにパターニングをし、光電変換層３２２とする

そして、第３の層間絶縁膜１５０を形成する。第３の層間絶縁膜１５０を構成する絶縁被膜として、ポリイミド、ポリアミド、ポリイミドアミド、アクリル等の樹脂膜を形成すると平坦な表面を得ることができるため、好ましい。あるいは第３の層間絶縁膜１５０の表面層は上記の樹脂膜とし、下層は酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素等の無機絶縁材料の単層、多層膜を成膜してもよい。本実施例では、絶縁被膜として厚さ０．５μｍのポリイミド膜を基板全面に形成した。

また、本発明の最高プロセス温度は、ポリイミドの耐熱温度３２０℃より低い温度になるようにする。

ポリイミド膜を成膜した後パターニングする。このパターニングにより、光電変換層３２２上のポリイミド膜を除去して、残存したポリイミド膜を第３の層間絶縁膜１５０とする。

更に、第３、第２の層間絶縁膜に配線２１１に達するコンタクトホールを形成する。次に、基板全面に透明導電膜を成膜し、パターニングして、画素ＴＦＴに接続された画素電極２２３、光電変換素子の透明電極３２３を形成する。透明導電膜にはＩＴＯやＳｎＯ₂を用いることができる。本実施例では、透明導電膜として厚さ１２０ｎｍのＩＴＯ膜を形成する。

以上の工程を経て、図５（Ｃ）に示すような素子基板が完成する。本実施例では、読みとられた画像データを表示するための制御を行う制御回路を同一基板上に設けたため、多機能化しても装置が大型化することがない。

エリアセンサのパネル配置図リニアセンサのパネル配置図ＴＦＴの作製工程図ＴＦＴの作製工程図ＴＦＴの作製工程図本発明の応用例

符号の説明

１０１表示部
１０３エリアセンサ部
１０４周辺駆動回路
１０５引き出し端子部
１０７リニアセンサ部

Claims

同一の基板上に、センサ部、表示部、引き出し配線部、並びに第１及び第２の周辺駆動回路を有し、
前記センサ部は、薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタに電気的に接続された光電変換素子と、を有し、
前記薄膜トランジスタ及び前記光電変換素子は、重なっており、
前記基板の形状は、第１の長辺と、第２の長辺と、第１の短辺と、第２の短辺と、を有する形状であり、
前記第１の長辺の一端は前記第１の短辺の他端と接しており、
前記第１の短辺の一端は前記第２の長辺の他端と接しており、
前記第２の長辺の一端は前記第２の短辺の他端と接しており、
前記第２の短辺の一端は前記第１の長辺の他端と接しており、
前記センサ部は、前記第１の短辺側に設けられており、
前記第１の周辺駆動回路は、前記第２の短辺側に設けられており、
前記引き出し配線部及び前記第２の周辺駆動回路は、前記第１の長辺側に設けられており、
前記引き出し配線部の中心点は、前記第２の周辺駆動回路の中心点よりも前記第２の短辺側に位置し、
前記表示部は、前記第１の周辺駆動回路と前記センサ部に挟まれて設けられていることを特徴とするセンサ付き表示装置。