JP5860071B2

JP5860071B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP5860071B2
Application number: JP2014024091A
Authority: JP
Inventors: 張　宏勇; 宏勇張; 坂倉　真之; 真之坂倉
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2017-09-20
Also published as: JP2014142644A

Description

本発明は、イメージセンサ機能を有する一体型液晶表示パネルに関して、特に、複数の
画素電極からなる画素部とで構成されたアクティブマトリクスパネルや、画素部を有する
携帯端末機や、パソコン等の電子機器およびその作製方法に関するものである。

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される。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。更に、基板に偏光板を設け、バ
ックライトを基板の裏面に設置する構造とする。

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。

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。

本発明者は、従来のアクティブマトリクス型表示装置の製造方法、製造装置を運用して
、表示機能と撮像機能を兼ね備えた装置、すなわち、液晶パネルとイメージセンサを同一
基板上に有する装置を安価に得ることを考えた。

このように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、同一基板上に作
製することに起因する様々な諸問題が起きた。

特に、ガラス基板を用いているので、様々な入射光がセンサ部に影響を与え、ノイズの
原因となっていた。例えば、図６に示したように、対向基板からの散乱光や、ＴＦＴ基板
側からの入射光がノイズの原因として挙げられる。また、液晶表示させるためにバックラ
イトを用いているので、バックライトからの光がセンサ部に影響を与えていた。特に、図
６で示したように、ガラス基板内で複雑に反射を繰り返している光６０６が問題となって
いた。

本発明は、同一基板上に表示部とイメージセンサを有する液晶表示パネルに関して、良
好な画像を読み込むことのできるセンサ部を有する安価な液晶表示パネルを提供すること
を課題とする。

特に、ガラス基板内で複雑に反射を繰り返しセンサ部に入射する光によるノイズを防ぐ
構成とすることを課題とする。

上述した課題を解決するために、本発明のセンサ部を遮光物または光吸収膜で取り囲む
構成とする。

本明細書で開示される本発明の構成は、
少なくともマトリクス状に画素電極と、前記画素電極に接続された第１のアクティブ素
子を有する画素マトリクスからなる表示部と、
少なくとも光電変換素子と、前記光電変換素子に接続された第２のアクティブ素子から
なるセンサ部とが同一基板上に設けられ、
前記センサ部を囲って、底部を有する溝部が設けられ、
前記溝部の底部は基板であり、且つ、前記溝部には、光吸収物が埋め込まれていることを
特徴とするイメージセンサ機能を有する一体型液晶表示パネルである。

また、他の発明の構成は、
少なくともマトリクス状に画素電極と、前記画素電極に接続された第１のアクティブ素
子を有する画素マトリクスからなる表示部と、
少なくとも光電変換素子と、前記光電変換素子に接続された第２のアクティブ素子から
なるセンサ部とが同一基板上に設けられ、
前記センサ部を囲って、底部を有する溝部が設けられ、
前記溝部の底部は基板であり、且つ、前記溝部には、光吸収物からなる層と絶縁物からな
る層が積層されていることを特徴とするイメージセンサ機能を有する一体型液晶表示パネ
ルである。

なお、上記構成において、前記光吸収物は顔料またはカーボン系材料が分散された有機
樹脂材料からなることを特徴とするイメージセンサ機能を有する一体型液晶表示パネルで
ある。

また、他の発明の構成は、
少なくともマトリクス状に画素電極と、前記画素電極に接続された第１のアクティブ素
子を有する画素マトリクスからなる表示部と、
少なくとも光電変換素子と、前記光電変換素子に接続された第２のアクティブ素子から
なるセンサ部とが同一基板上に設けられたイメージセンサ機能を有する一体型液晶表示パ
ネルの作製方法であって、
絶縁物層を除去して、センサ部を囲む溝部を形成する工程と、
前記溝部に光吸収物を埋め込む工程と、
を有することを特徴とするイメージセンサ機能を有する一体型液晶表示パネルである。

本発明は、センサ受光部の箇所以外に、外部遮光物と光吸収膜を設けることで、基板内
の散乱光、または、バックライトからの光を遮断し、センサ部のノイズを抑えた。

本発明は、同一基板上に表示部とイメージセンサを有する液晶表示パネルに関して、良
好な画像を読み込むことのできるセンサ部を有する安価な液晶表示パネルを得ることがで
きる。

本発明の断面構造図（トップ型ＴＦＴ）本発明の上面図本発明の作製工程図本発明の作製工程図本発明の断面構造図（ボトム型ＴＦＴ）ガラス基板内で複雑に反射を繰り返している光を示す図本発明の応用例

図１、２を用いて、本実施形態のイメージセンサ機能を有する一体型液晶表示パネルを
説明する。図１は本実施形態の概略の断面構成図であり、図２は本実施形態の上面図であ
る。

図１に示すように、液晶表示部においては、素子基板１００と、対向基板１０１との間
に液晶１０６を有している構造となっている。素子基板１００には、薄膜トランジスタか
らなる表示部１０４と、光電変換素子からなるセンサ部１０５が形成されている。センサ
部の側部には、光吸収膜１０７が設けられている。光を吸収または遮断する材料を含有し
ているシール材１０３で素子基板１００と、対向基板１０１とを接着している。また、素
子基板１００の裏面のセンサ部の下部に相当する箇所には、外部遮光物１１０が設けられ
ており、対向基板１０１にも同様に外部遮光物１１１が設けられている。さらに遮光性を
あげるために対向基板の両面に遮光物１１１、光吸収膜１０８を設ける構成とした。

そして、図２に示すように、液晶表示部１０４と周辺駆動回路１１２とセンサ部１０５
とが同一基板上に設けられている。対向基板の外部遮光物１１１には、光信号を読み取る
ための窓を有している。

これらの遮光物の内、センサ部の側部に設けられた光吸収膜１０７は、素子基板の製造
プロセスで素子と同時に形成される。この光吸収膜１０７は、素子基板とできるだけ接し
て形成することが望ましい。また、この光吸収膜１０７の膜厚は、０．０１〜１μｍ、好
ましくは０．１〜０．５μｍとする。この光吸収膜１０７は、主にガラス基板内で複雑に
反射を繰り返している光を吸収する目的で設けられている。そのため、厚さよりも溝の幅
が広ければ広いほど基板内で反射する光を吸収できる。この光吸収膜１０７の溝幅は、０
．０１μｍ以上、好ましくは１０μｍ〜５ｃｍ、代表的には１００μｍ〜３ｃｍとする。

この光吸収膜１０７の代わりに、グリット状（細かい網目状）に溝を形成し、その溝に
光吸収物を埋める構成としてもよい。そして素子基板を完成させた後、遮光物１１０、１
１１を基板に貼りつけて作製される。この遮光物および遮光膜は、光を遮るものであれば
材質は特に限定されない。

上記構成とすることによって、ガラス基板内で複雑に反射を繰り返している光は、ガラ
ス基板内で反射を繰り返している間に、基板と接して設けられた光吸収膜１０７に吸収さ
れる。また、バックライト１０９からの光を遮光物１１０、１１１及び光吸収膜１０７に
より、遮断することができる。

以下、本発明の実施例を説明するが、本発明がこの実施例に限定されないことは勿論で
ある。

本実施例においては、センサ部を光吸収膜または遮光物で囲み、ノイズとなる光の入射
を遮断したイメージセンサ機能を有する一体型液晶表示パネルの作製工程例を図３〜４を
用いて詳述する。

まず、透明基板全面に下地膜３０１を形成する。透明基板３００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、多結晶珪素膜を形成した。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の用いる方法等を用いることができる。

次に、多結晶珪素膜をパターニングして、ＴＦＴ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３０２を形成する。次に、これら半導体層を覆うゲ
イト絶縁膜３０３を形成する。ゲイト絶縁膜はシラン（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。〔図３（Ａ）〕

次に、スパッタ法でアルミニウム膜を３００〜５００ｎｍの厚さ、本実施例では、３０
０ｎｍ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。

次に、アルミニウム膜の表面に、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、レジストマスクを形成し、アルミニウム膜をパターニングして、電極パターンを
形成する。

そして、再び陽極酸化を行い、電極パターンの側面に多孔質状の陽極酸化膜３０６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。

そして、レジストマスク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
、電極パターンの周囲に、緻密な膜質を有する陽極酸化膜３０５を形成する。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が、実質的なゲイト電極として機能
する。これらゲイト電極の周囲に形成された緻密な膜質を有する陽極酸化膜は、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。

次に、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３０４および陽極酸化膜３０５がマスクとして機能し、半導
体層にそれぞれ、Ｎ型不純物領域が自己整合的に形成される（図３（Ｂ））。

次に、多孔質状の陽極酸化膜３０６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はＮ型の高濃度不純物
領域３０７、３１１となり、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は
Ｎ型の低濃度不純物領域３０８、３１０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はチャネル形成領域３０９となる。（図３（Ｃ））

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。

この後、図示しないが、ＣＭＯＳ構造を構成するＰチャネル型ＴＦＴを作製する場合、
半導体層の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
の導電型が反転し、Ｐ型の不純物領域となる。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ことによって、Ｐチャネル型ＴＦＴを作製するこ
とができる。

そして、第１の層間絶縁膜３１２を形成し、Ｎ型高濃度不純物領域に達するコンタクト
ホールを形成する。この時、同時に遮光膜を形成するための大きな溝が形成される。コン
タクトホールの底部はシリコンがストッパーとなっているが、光吸収膜形成領域３２０に
はストッパーが存在しないため、エッチング条件によっては、下地膜、さらには基板表面
の一部をも除去される。また、基板表面が除去されると、基板内の反射光が散乱されるの
で好ましい。

また、コンタクトホール形成する工程と遮光膜を形成するための溝を形成する工程とを別
々に行う構成としてもよい。

しかる後、金属膜を形成し、パターニングして、配線３１３を形成する。〔図３（Ｄ）
〕なお、ＣＭＯＳ構造を得る場合は、この工程において配線でＮ型高濃度不純物領域とＰ
型不純物領域とを接続する。

本実施例では、第１の層間絶縁膜を厚さ５００ｎｍの窒化珪素膜で形成する。第１の層
間絶縁膜として、窒化珪素膜の他に、酸化珪素膜、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。

以上のプロセスを経て、受光部ＴＦＴが同時に完成する。

次に、ＴＦＴを覆う、第２の層間絶縁膜３１４を形成する。第２の層間絶縁膜としては
、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の層間絶縁膜に受光部ＴＦＴの配線に達するコンタクトホールを形成し、同
時に、遮光膜を形成するための大きな溝状に第２の層間絶縁膜を除去する。この後、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、受光部ＴＦＴに接続された下側電極３１５を形成する
。この導電膜としてチタン、クロムを用いることができる。〔図３（Ｅ）〕

次に、光電変換層として機能する、水素を含有する非晶質珪素膜３１６（以下、ａ−Ｓ
ｉ：Ｈ膜と表記する）を基板全面に成膜する。

次に、基板全面に透明導電膜３１７を成膜し、パターニングして、光電変換素子の透明
電極を形成する。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。また、同時に、遮光膜を形成
するため非晶質珪素膜と透明導電膜を除去する。〔図４（Ａ）〕

次に、溝にスピンコート法にて黒色顔料を分散させたアクリル樹脂を塗布し硬化させて
、光吸収膜３１８を０．３〜５μｍの厚さに形成する。本実施例においては、光吸収膜３
１８の厚さを０．５μｍとした。また、この光吸収膜１０７の溝幅は、０．０１μｍ以上
、好ましくは１０μｍ〜５ｃｍ、本実施例では、１ｃｍとした。

また、基板内を複雑に反射する光を吸収する光吸収膜３１８は、基板に可能な限り接し
て形成すると、光を吸収しやすいため、下地膜等が存在しないほうが望ましい。

この光吸収膜３１８は、溶液から形成できる塗布膜を用いる。このような塗布膜として
アクリル、ポリイミド、ポリアミド、エポキシ、ポリイミドアミド等の有機樹脂膜が用い
られる。また、溶液から形成できる膜として、ＰＳＧ、ＳｉＯ₂等の酸化珪素系塗布膜を
用いることができる。

また、溝部には、光吸収物からなる層と絶縁物からなる層を積層する構成としてもよい
。

以上の工程を経て、図４（Ｃ）に示すような素子基板が完成する。

実施例１では、受光素子を構成するＴＦＴをトップゲイト型ＴＦＴで作製した例を示し
た。本実施例では、これらのＴＦＴをボトム型のＴＦＴで構成する例を示す。図５に本実
施例の素子基板の断面構成図を示す。

本実施例のボトム型ゲイトのＴＦＴは、下地膜５０１上に形成されたゲイト電極５０５
と、ゲイト絶縁膜５０３上に形成された半導体層５０２、半導体層のチャネル領域上に形
成されたチャネルストッパー５２３と、半導体層に接続された配線５１４、５１５を有す
る。５１８は下部電極、５１９は光電変換層、５２０は上部電極となっている。また、５
２１は光吸収膜である。

この光吸収膜５２１は０．５〜４μｍの厚さに形成する。本実施例においては、光吸収
膜３１８の厚さを０．８μｍとした。また、この光吸収膜１０７の溝幅は、０．０１μｍ
以上、好ましくは１０μｍ〜５ｃｍ、本実施例では、３ｃｍとした。

本実施例のボトムゲイト型のＴＦＴの作製工程は、公知の製造方法を採用すればよく、
実施例１と同様に全てのＴＦＴを同一の工程により完成させる。

実施例１または実施例２で形成される装置をモジュール化した場合の電子機器の一例を
図７に示す。

図７（Ａ）はノ─ト型パソコンであり、表示部２００１とセンサ部２００３に本実施例
パネルを適用する。図７（Ｂ）はセンサ付きテレビ電話であり、小型の表示部２１０１と
センサ部２１０３を有する装置である。図７（Ｃ）は、表示部２２０１と２つのエリアセ
ンサ２２０３をノート型パソコンに適用した１例を示した。図７（Ｄ）は、センサ付きの
携帯情報端末機であり、同様に表示部２３０１とセンサ部２３０３を備えた装置である。

１００素子基板
１０１対向基板
１０３黒色シール材
１０４液晶表示部
１０５センサ部
１０６液晶材料
１０７光吸収膜
１０８光吸収膜
１０９バックライト
１１０外部遮光物
１１１外部遮光物
１１２周辺駆動回路部
３００素子基板
３０１下地膜
３０２島状半導体層
３０３ゲイト絶縁膜
３０４ゲイト電極
３０５緻密な陽極酸化膜
３０６多孔質陽極酸化膜
３０７、３１１高濃度不純物領域
３０８、３１０低濃度不純物領域
３０９チャネル形成領域
３１２第１の層間絶縁膜
３１３配線
３１４第２の層間絶縁膜
３１５下側電極
３１６非晶質珪素膜
３１７透明導電膜
３１８光吸収膜
６００素子基板
６０１対向基板
６０４液晶表示部
６０５センサ部
６０６ガラス基板内で複雑に反射を繰り返している光
６０９バックライト

Claims

光電変換素子からなるセンサ部と、表示部と、が設けられた透明基板と、
対向基板と、
バックライトと、を有し、
前記バックライトは、前記対向基板の前記透明基板と反対側の、前記表示部と重なり、前記センサ部と重ならない位置に設けられ、
前記透明基板と前記対向基板は、光を吸収する材料を含有したシール材で接着されており、
前記センサ部は前記シール材で囲まれており、
前記透明基板の前記対向基板と反対側の面の、前記センサ部と重なる位置に第１の遮光物が設けられ、
前記対向基板の前記透明基板に対向する側の面の、前記センサ部と重ならない位置に光を吸収する材料を含有した膜が設けられ、
前記対向基板の前記透明基板と反対側の面の、前記センサ部と重ならない位置に第２の遮光物が設けられていることを特徴とする半導体装置。