JP5782768B2 - 光電変換装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、カルコパイライト型半導体を利用した光電変換技術に関する。
カルコパイライト型の半導体を利用した光電変換技術が従来から提案されている。例えば特許文献１には、薄膜トランジスターを含む回路層と、カルコパイライト型半導体の光電変換層とを基板上に形成した撮像装置が開示されている。また、Ｉａ族元素を拡散することでカルコパイライト型半導体の光電変換効率が向上することを考慮し、特許文献２では、Ｉａ族元素を含む化合物層を光電変換層（光吸収層）に積層した構造が提案されている。化合物層は、例えばＮａ3ＡlＦ6等のアルカリ化合物で形成される。
特許文献１の撮像装置における光電変換効率を向上させるために回路層と光電変換層との間に特許文献２の化合物層を介在させた場合、化合物層に含まれるＩａ族元素が回路層内に拡散し、薄膜トランジスターの半導体層内で可動イオンとして作用する。したがって、薄膜トランジスターの特性の劣化や誤差が発生する（すなわち信頼性が低下する）という問題がある。以上の事情を考慮して、本発明は、回路層に対するＩａ族元素の拡散を防止しながら光電変換効率を向上することを目的とする。
本発明の光電変換装置は、半導体素子を含む回路層と、カルコパイライト型半導体で形成された光電変換層と、回路層と光電変換層との間に形成されてＩａ族元素を含む供給層と、供給層と回路層との間に形成されて回路層に対するＩａ族元素の拡散を防止する保護層とを具備する。以上の構成では、供給層に含まれるＩａ族元素が光電変換層に拡散することで光電変換効率が向上する。また、供給層と回路層との間には保護層が介在するから、供給層から回路層に対するＩａ族元素の拡散は防止される。Ｉａ族元素としてはナトリウム（Ｎa）やカリウム（Ｋ）やリチウム（Ｌi）が好適である。
本発明の好適な態様において、供給層は酸化珪素（ＳiＯx）で形成され、保護層は窒化珪素（ＳiＮx）で形成され、供給層と保護層とは相互に接触する。酸化珪素と窒化珪素とは密着性が高いから、以上の構成では、供給層が保護層から剥離することを防止できるという利点がある。
本発明の光電変換装置の製造方法は、半導体素子を含む回路層を基板上に形成する工程（例えば工程Ｐ1）と、回路層に対するＩａ族元素の拡散を防止する保護層を回路層上に形成する工程（例えば工程Ｐ2）と、Ｉａ族元素を含む供給層を保護層上に形成する工程（例えば工程Ｐ3および工程Ｐ4Aまたは工程Ｐ4B）と、カルコパイライト型半導体の光電変換層を供給層上に形成する工程（例えば工程Ｐ5）とを含む。以上の方法によれば、本発明の光電変換装置と同様の効果が実現される。
本発明に係る製造方法の好適例において、保護層を形成する工程では、保護層を窒化珪素（ＳiＮx）で形成し、供給層を形成する工程では、供給層を酸化珪素（ＳiＯx）で形成する。以上の態様では、供給層の剥離を防止できるという利点がある。
本発明に係る製造方法の第１例において、供給層を形成する工程は、保護層上に基礎層を形成する工程（例えば工程Ｐ3）と、Ｉａ族元素が付加されたシャワープレートを介して供給される不活性ガスを利用したプラズマ処理で基礎層にＩａ族元素を拡散させる工程（例えば工程Ｐ4A）とを含む。また、本発明に係る製造方法の第２例において、供給層を形成する工程は、保護層上に基礎層を形成する工程（例えば工程Ｐ3）と、Ｉａ族元素と不活性ガスとを含む混合ガスを利用したプラズマ処理で基礎層にＩａ族元素を拡散させる工程（例えば工程Ｐ4A）とを含む。第１例および第２例の何れにおいても、プラズマ処理によりＩａ族元素を基礎層に確実に拡散させることが可能である。また、第２例の製造方法によれば、基礎層に対するＩａ族元素の拡散濃度を容易かつ正確に制御できるという利点がある。
＜Ａ：第１実施形態＞
＜光電変換装置１００の構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る光電変換装置１００の模式図である。光電変換装置１００は、例えば認証処理のために生体の静脈像を撮像する撮像装置（静脈センサー）であり、図１に示すように基板１０と複数の単位素子Ｕとを具備する。基板１０は、ガラス基板等の板状部材である。複数の単位素子Ｕは、基板１０の面上に行列状に配列される。
＜光電変換装置１００の構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る光電変換装置１００の模式図である。光電変換装置１００は、例えば認証処理のために生体の静脈像を撮像する撮像装置（静脈センサー）であり、図１に示すように基板１０と複数の単位素子Ｕとを具備する。基板１０は、ガラス基板等の板状部材である。複数の単位素子Ｕは、基板１０の面上に行列状に配列される。
１個の単位素子Ｕについて図１に代表的に図示した通り、各単位素子Ｕは、定電位線１１２と検出線１１４との交差に対応して配置され、トランジスター１２とトランジスター１３２とトランジスター１３４と光電変換素子１４とを含んで構成される。光電変換素子１４は、受光量に応じた電荷を発生する。定電位線１１２と検出線１１４との間にトランジスター１２とトランジスター１３４とが直列に接続される。トランジスター１２のゲート電極は光電変換素子１４に接続され、トランジスター１３２はトランジスター１２のゲート電極と定電位線１１２との間に接続される。
トランジスター１２のゲート電極の電位は、トランジスター１３２がオン状態に制御されることで定電位線１１２の電位に初期化されてから光電変換素子１４の受光量に応じた電位に変化する。したがって、トランジスター１３４がオン状態に制御されると、光電変換素子１４の受光量（トランジスター１２のゲート電極の電位）に応じた電流値の検出信号が定電位線１１２からトランジスター１２とトランジスター１３４とを経由して検出線１１４に出力される。すなわち、単位回路Ｕ内の各トランジスター（１２，１３２，１３４）は、検出信号の入出力の制御（光電変換素子１４の駆動）に使用される半導体素子である。なお、単位素子Ｕの具体的な構成は任意である。
図２は、光電変換装置１００のうち１個の単位素子Ｕに対応する部分の断面図である。図２に示すように、光電変換装置１００は、回路層２０と保護層３２と供給層３４と受光層４０とを基板１０の面上に積層した構造である。供給層３４は回路層２０と受光層４０との間に介在し、保護層３２は回路層２０と供給層３４との間に介在する。
回路層２０は、下地層２２と図１のトランジスター１２と層間絶縁膜２４とを含んで構成される。下地層２２は、トランジスター１２を形成する下地として機能する薄膜であり、例えば窒化珪素（ＳiＮx）で基板１０の表面に形成された第１層２２１と、例えば酸化珪素（ＳiＯx）で第１層２２１の表面に形成された第２層２２３との積層で構成される。なお、下地層２２を省略することも可能である。
トランジスター１２は、半導体層５１とゲート絶縁膜５２とゲート電極５３と第１電極５４（ソース電極およびドレイン電極の一方）と第２電極５５（ソース電極およびドレイン電極の他方）とを含む薄膜トランジスターである。半導体層５１は、ポリシリコン等の半導体材料で下地層２２の面上に島状に形成される。ゲート電極５３は、ゲート絶縁膜５２を挟んで半導体層５１のチャネル領域に対向する。層間絶縁膜２４は、半導体層５１とゲート電極５３とを覆うように基板１０の全域に形成される。第１電極５４および第２電極５５の各々は、層間絶縁膜２４の面上に形成され、層間絶縁膜２４およびゲート絶縁膜５２を貫通する導通孔を介して半導体層５１に導通する。
図２の保護層３２は、回路層２０（層間絶縁膜２４）を覆うように基板１０の全域に形成され、供給層３４は、保護層３２を覆うように基板１０の全域に形成される。保護層３２と供給層３４とは相連続する工程で順次に形成されて相互に接触する。
供給層３４は、光電変換素子１４にＩａ族元素（アルカリ金属）を供給する要素である。酸化珪素（ＳiＯ2）の薄膜にＩａ族元素を拡散することで形成される。供給層３４に拡散されるＩａ族元素（すなわち光電変換素子１４の変換効率を上昇させる物質）としては、ナトリウム（Ｎa）やカリウム（Ｋ）やリチウム（Ｌi）が好適である。
回路層２０と供給層３４との間に介在する保護層（パシベーション層）３２は、供給層３４から回路層２０（トランジスター１２）に対するＩａ族元素の拡散を防止する。例えば、Ｉａ族元素の拡散を阻止する機能を備えた窒化珪素（Ｓi3Ｎ4）が保護層３２の材料として好適である。
図２の受光層４０は、図１の光電変換素子１４を含む。光電変換素子１４は、第１電極４１と第２電極４２との間に光電変換層４３を介在させた受光素子である。第１電極４１は、例えばモリブデン（Ｍo）等の低抵抗な導電材料で形成され、供給層３４と保護層３２と層間絶縁層２４とを貫通する導通孔を介してトランジスター１２のゲート電極５３に導通する。
光電変換層４３は、カルコパイライト型半導体で形成された光吸収層であり、受光量に応じた電荷を発生させる。カルコパイライト型半導体としては、例えばＣuＩnＳe2（ＣＩＳ）やＣu(Ｉn，Ｇa)Ｓe2（ＣＩＧＳ）等が好適である。第１電極４１および光電変換層４３が形成された供給層３４の表面は絶縁層４５で覆われる。第２電極４２は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）やＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）等の光透過性の導電材料で形成されて複数の単位素子Ｕにわたって連続する。第２電極４２は、絶縁層４５に形成された開口部４６を介して光電変換層４３に接触する。
以上の構成では、供給層３４に含まれるＩａ族元素が受光層４０の形成中に光電変換層４３に拡散することで光電変換効率が向上する。他方、供給層３４と回路層２０との間には保護層３２が介在するから、供給層３４から回路層２０に対するＩａ族元素の拡散は保護層３２で阻止される。したがって、半導体層５１に対するＩａ族元素の拡散に起因したトランジスター１２の特性の劣化や誤差を有効に防止することが可能である。すなわち、第１実施形態によれば、回路層２０に対するＩａ族元素の拡散の防止と光電変換素子１４の光電変換効率の向上とを両立できるという利点がある。
＜光電変換装置１００の製造方法＞
図３は、以上に説明した光電変換装置１００の製造工程図である。最初の工程Ｐ1では、トランジスター１２を含む回路層２０が基板１０の面上に形成される。回路層２０の形成には公知の技術が任意に採用される。
図３は、以上に説明した光電変換装置１００の製造工程図である。最初の工程Ｐ1では、トランジスター１２を含む回路層２０が基板１０の面上に形成される。回路層２０の形成には公知の技術が任意に採用される。
工程Ｐ1の実行後の工程Ｐ2では、回路層２０を覆う保護層３２が窒化珪素（Ｓi3Ｎ4）で形成される。保護層３２の形成には公知の成膜技術（例えばスパッタリングや真空蒸着等）が任意に採用され得るが、特にプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）が好適である。回路層２０に対するＩａ族元素の拡散が有効に防止されるように、保護層３２は、例えば３０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の膜厚に形成される。
工程Ｐ2の実行後の工程Ｐ3および工程Ｐ4Aでは供給層３４が形成される。工程Ｐ3では、保護層３２を覆う基礎層３６が酸化珪素（ＳiＯ2）で形成される。基礎層３６（供給層３４）は、例えば２００ｎｍ〜２０００ｎｍ程度の膜厚に形成される。基礎層３６の形成には公知の成膜技術（例えばスパッタリングや真空蒸着等）が任意に採用され得るが、保護層３２と同様にプラズマＣＶＤが特に好適である。保護層３２および基礎層３６は、基板１０を加工室（チャンバー）から取出さずに連続的に形成することが可能である。
工程Ｐ3の実行後の工程Ｐ4Aでは、工程Ｐ3で形成した基礎層３６にＩａ族元素を拡散させることで供給層３４を形成する。基礎層３６に対するＩａ族元素の拡散にはプラズマ処理が好適である。具体的には、図３に示すように、Ｉａ族元素が付着されたシャワープレート７０を介して不活性ガス（例えば水素，ヘリウム，アルゴン）を基板１０に噴射しながらプラズマを発生させるプラズマ処理で、基礎層３６の内部にＩａ族元素が導入される。
工程Ｐ4Aの実行後の工程Ｐ5では、工程Ｐ4Aで形成した供給層３４の面上に受光層４０が形成される。受光層４０の形成には、公知の技術（成膜技術やパターニング技術）が任意に採用される。前述の通り、光電変換層４３はカルコパイライト型半導体（ＣＩＳ，ＣＩＧＳ）で形成される。光電変換層４３が形成されると、供給層３４内のＩａ族元素が光電変換層４３内に拡散する。他方、回路層２０に対するＩａ族元素の拡散は保護層３２で阻止される。
図４は、基礎層３６（供給層３４）の膜厚と工程Ｐ4Aで基礎層３６に拡散されるＩａ族元素の濃度（以下「拡散濃度」という）との関係を、工程Ｐ4Aのシャワープレート７０に対するＩａ族元素の付着量Ｓ（Ｓ0〜Ｓ3）を変化させた複数の場合（Ｓ0＜Ｓ1＜Ｓ2＜Ｓ3）の各々について図示したグラフである。図４の縦軸には、１秒毎のＩａ族元素の計数値（Counts Per Second）が拡散濃度の指標として図示されている。図４の部分(A)は、ナトリウム（Ｎa）を基礎層３６に拡散した場合に対応し、図４の部分(B)は、カリウム（Ｋ）を基礎層３６に拡散した場合に対応する。シャワープレート７０に対するＩａ族元素の付着量Ｓが多いほど、基礎層３６に対するＩａ族元素の拡散濃度が高いという傾向が図４から把握される。
図４の部分(A)から理解されるように、Ｉａ族元素のうちのナトリウム（Ｎa）を基礎層３６に拡散させた場合、基礎層３６の膜厚が大きいほど拡散濃度は高くなる。したがって、拡散濃度を高めて光電変換素子１４の光電変換効率を充分に向上させるという観点からは、基礎層３６を充分に厚く形成することが望ましい。ただし、基礎層３６の膜厚を過度に増加させると、基礎層３６の膜応力で基板１０が変形する可能性がある。また、拡散濃度を過度に上昇させると、保護層３２を相当に厚く形成しなければ回路層２０に対するＩａ族元素の拡散を完全には阻止できない可能性がある。
以上の事情を考慮すると、前述のように保護層３２を３０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の膜厚に形成するという条件のもとでは、基礎層３６（供給層３４）を２００ｎｍから２０００ｎｍ程度の膜厚に形成し、拡散濃度が１×１０10〜１×１０16ｃｍ-2程度（更に好適には１×１０12ｃｍ-2）となるようにシャワープレート７０に対するＩａ族元素の付着量Ｓを制御することが望ましい。図４の部分(B)に図示されたカリウムの場合も、保護層３２および基礎層３６（供給層３４）の膜厚やＩａ族元素の拡散濃度は同様に選定される。
ところで、光電変換層４３にＩａ族元素を拡散させるという観点からすると、特許文献２に開示されたＮａ3ＡlＦ6等のアルカリ化合物で供給層３４を形成することも可能である。しかし、保護層３２を構成する窒化珪素とアルカリ化合物とでは膜応力等の特性が顕著に相違するから、供給層３４（基礎層３６）が保護層３２から剥離する可能性がある。他方、第１実施形態では、窒化珪素で形成された保護層３２との密着性（親和性）が高い酸化珪素で供給層３４が形成されるから、供給層３４の剥離を有効に防止することが可能である。また、潮解性を持つアルカリ化合物は取扱いが困難であるのに対して、酸化珪素は物質的に安定で形成が容易である。したがって、酸化珪素で供給層３４を形成する第１実施形態によれば、光電変換装置１００の製造工程が簡素化されるという利点もある。
＜Ｂ：第２実施形態＞
本発明の第２実施形態を以下に説明する。第２実施形態では、第１実施形態の工程Ｐ4Aに代えて図５の工程Ｐ4Bが実行される。図５に示すように、工程Ｐ4Bでは、不活性のキャリアガス（例えば水素，ヘリウム，アルゴン）とＩａ族元素との混合ガスを基板１０に噴射しながらプラズマを発生させるプラズマ処理により、工程Ｐ3で形成された基礎層３６に対してＩａ族元素が拡散される。混合ガスにおけるＩａ族元素の濃度は、供給層３４に対するＩａ族元素の拡散濃度が、第１実施形態と同様に１×１０10〜１×１０16ｃｍ-2程度（更に好適には１×１０12ｃｍ-2）となるように選定される。
本発明の第２実施形態を以下に説明する。第２実施形態では、第１実施形態の工程Ｐ4Aに代えて図５の工程Ｐ4Bが実行される。図５に示すように、工程Ｐ4Bでは、不活性のキャリアガス（例えば水素，ヘリウム，アルゴン）とＩａ族元素との混合ガスを基板１０に噴射しながらプラズマを発生させるプラズマ処理により、工程Ｐ3で形成された基礎層３６に対してＩａ族元素が拡散される。混合ガスにおけるＩａ族元素の濃度は、供給層３４に対するＩａ族元素の拡散濃度が、第１実施形態と同様に１×１０10〜１×１０16ｃｍ-2程度（更に好適には１×１０12ｃｍ-2）となるように選定される。
第２実施形態でも第１実施形態と同様の効果が実現される。また、第２実施形態では、Ｉａ族元素を含有する混合ガスがプラズマ処理に利用されるから、シャワープレート７０にＩａ族元素を付加する第１実施形態と比較してＩａ族元素の拡散濃度を容易かつ正確に制御できるという利点がある。
＜Ｃ：変形例＞
以上に例示した各形態は多様に変形され得る。具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様を適宜に併合することも可能である。
以上に例示した各形態は多様に変形され得る。具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様を適宜に併合することも可能である。
（１）変形例１
保護層３２の材料は窒化珪素（ＳiＮx）に限定されない。すなわち、Ｉａ族元素の拡散を防止し得る性質の任意の材料を保護層３２の形成に採用することが可能である。同様に、供給層３４の材料は酸化珪素（ＳiＯx）に限定されない。例えば、特許文献２に開示されたＮａ3ＡlＦ6等のアルカリ化合物で供給層３４を形成することも可能である。ただし、製造工程での取扱いの容易性という前述の観点からすると、供給層３４の材料には酸化珪素が好適である。また、保護層３２を窒化珪素で形成した場合には、保護層３２との密着性という前述の観点からも、供給層３４の材料には酸化珪素が格別に好適である。
保護層３２の材料は窒化珪素（ＳiＮx）に限定されない。すなわち、Ｉａ族元素の拡散を防止し得る性質の任意の材料を保護層３２の形成に採用することが可能である。同様に、供給層３４の材料は酸化珪素（ＳiＯx）に限定されない。例えば、特許文献２に開示されたＮａ3ＡlＦ6等のアルカリ化合物で供給層３４を形成することも可能である。ただし、製造工程での取扱いの容易性という前述の観点からすると、供給層３４の材料には酸化珪素が好適である。また、保護層３２を窒化珪素で形成した場合には、保護層３２との密着性という前述の観点からも、供給層３４の材料には酸化珪素が格別に好適である。
（２）変形例２
光電変換装置１００の各層（回路層２０，保護層３２，供給層３４，受光層４０）の層間には適宜に他層が介挿される。例えば、保護層３２と供給層３４との間に他層を介在させることも可能である。ただし、保護層３２を窒化珪素で形成するとともに供給層３４を酸化珪素で形成する構成では、保護層３２と供給層３４との密着性という前述の観点から、各形態での例示の通り、保護層３２と供給層３４とを連続的に形成して相互に接触させた構成が好適である。
光電変換装置１００の各層（回路層２０，保護層３２，供給層３４，受光層４０）の層間には適宜に他層が介挿される。例えば、保護層３２と供給層３４との間に他層を介在させることも可能である。ただし、保護層３２を窒化珪素で形成するとともに供給層３４を酸化珪素で形成する構成では、保護層３２と供給層３４との密着性という前述の観点から、各形態での例示の通り、保護層３２と供給層３４とを連続的に形成して相互に接触させた構成が好適である。
（３）変形例３
前述の各形態では、トランジスター１２のゲート電極５３に光電変換素子１４（第１電極４１）を接続したが、光電変換素子１４の接続先は適宜に変更される。例えば、トランジスター１２の第１電極５４や第２電極５５に光電変換素子１４を接続した構成も採用され得る。もっとも、回路層２０に形成される半導体素子はトランジスター１２に限定されない。例えばダイオード等の半導体素子を回路層２０に形成した構成にも本発明は適用される。また、前述の各形態では、基板１０の表面に形成されたトランジスター１２（薄膜トランジスター）を例示したが、半導体基板を基板１０として利用した構成では、トランジスター１２を基板１０に直接に形成することが可能である。
前述の各形態では、トランジスター１２のゲート電極５３に光電変換素子１４（第１電極４１）を接続したが、光電変換素子１４の接続先は適宜に変更される。例えば、トランジスター１２の第１電極５４や第２電極５５に光電変換素子１４を接続した構成も採用され得る。もっとも、回路層２０に形成される半導体素子はトランジスター１２に限定されない。例えばダイオード等の半導体素子を回路層２０に形成した構成にも本発明は適用される。また、前述の各形態では、基板１０の表面に形成されたトランジスター１２（薄膜トランジスター）を例示したが、半導体基板を基板１０として利用した構成では、トランジスター１２を基板１０に直接に形成することが可能である。
１００……光電変換装置、１０……基板、Ｕ……単位素子、１２……トランジスター、１４……光電変換素子、２０……回路層、３２……保護層、３４……供給層、３６……基礎層、４０……受光層、４１……第１電極、４２……第２電極、４３……光電変換層、７０……シャワープレート。
Claims (4)
- 半導体素子を含む回路層と、
カルコパイライト型半導体で形成された光電変換層と、
前記回路層と前記光電変換層との間に酸化珪素で２００ｎｍ〜２０００ｎｍの膜厚に形成され、１×１０ 10 ｃｍ -2 〜１×１０ 16 ｃｍ -2 の拡散濃度でＩａ族元素を含む供給層と、
前記供給層と前記回路層との間に前記供給層と接触するように窒化珪素で３０ｎｍ〜１０００ｎｍの膜厚に形成されて前記回路層に対する前記Ｉａ族元素の拡散を防止する保護層と
を具備する光電変換装置。 - 半導体素子を含む回路層を基板上に形成する工程と、
前記回路層に対するＩａ族元素の拡散を防止する保護層を前記回路層上に窒化珪素で３０ｎｍ〜１０００ｎｍの膜厚に形成する工程と、
１×１０ 10 ｃｍ -2 〜１×１０ 16 ｃｍ -2 の拡散濃度でＩａ族元素を含む供給層を前記保護層上に酸化珪素で２００ｎｍ〜２０００ｎｍの膜厚に形成する工程と、
カルコパイライト型半導体の光電変換層を前記供給層上に形成する工程と
を含む光電変換装置の製造方法。 - 前記供給層を形成する工程は、
前記保護層上に基礎層を形成する工程と、
前記Ｉａ族元素が付加されたシャワープレートを介して供給される不活性ガスを利用したプラズマ処理で前記基礎層に前記Ｉａ族元素を拡散させる工程とを含む
請求項２の光電変換装置の製造方法。 - 前記供給層を形成する工程は、
前記保護層上に基礎層を形成する工程と、
前記Ｉａ族元素と不活性ガスとを含む混合ガスを利用したプラズマ処理で前記基礎層に前記Ｉａ族元素を拡散させる工程とを含む
請求項２の光電変換装置の製造方法。
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