JP7458164B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は、有機材料による光電変換素子を用いた光センサを有する半導体装置に関する。
光電変換を利用した光センサは、画像の認識のみでなく、生体認証等の分野でも使用され、用途が広がっている。有機材料を利用した光電材料は、暗電流を小さくできる、光電変換効率を向上できる、波長選択性を加えることが出来る等から、開発が進んでいる。
光電変換素子として用いられる有機材料を記載したものとして、例えば特許文献１が挙げられる。また、有機材料を用いた光電変換素子としての膜構成を記載したものとして特許文献２が挙げられる。
有機光導電膜を用いたフォトダイオード（以後、有機光導電膜ダイオード ＯＰＤ：Ｏｒｇａｎｉｃ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅともいう）を用いたセンサ装置は、外部からの光の利用効率を上げるために、反射電極を用いる。反射電極としては反射率が高い銀が使用される。そして、この銀を、有機光導電膜ダイオードの一方の電極として用いる。銀は１００ｎｍ程度の薄膜が用いられるが、このような薄膜は、還元作用が高く、膜形成直後から大気中の酸素と結合して酸化し、高抵抗になってしまう。
一方、有機光導電膜材料は、水分に弱いので、大気からの水分をブロックする必要がある。水分のブロックに対しては、アルミニウム酸化膜（以後アルミナ（ＡｌＯｘ）ともいう）が優れた特性を有している。したがって、反射電極としての銀と水分ブロックのためにアルミナ（ＡｌＯｘ）を積層して使用する。
しかし、アルミナ（ＡｌＯｘ）は酸素を含んでいる。また、アルミナ（ＡｌＯｘ）は、反応性スパッタリングによって形成されることが多いので、酸素をより多く含んでいる。したがって、アルミナ（ＡｌＯｘ）と積層した銀は、アルミナ（ＡｌＯｘ）からの酸素によってさらに酸化しやすくなる。銀が酸化すると、高抵抗となって、電極の役割をなさなくなるだけでなく、酸化した銀は、黒色あるいは透明になって、反射電極としての役割も持たなくなる。
本発明の課題は、フォトダイオードの一方の電極に、銀膜とアルミナ（ＡｌＯｘ）膜の積層膜を用いた場合に銀膜が酸化されることによる不具合を対策することである。なお、このような課題は、フォトダイオードの場合のみでなく、例えば、有機材料を用いる有機ＥＬ表示装置（ＯＬＥＤ）等においても同様である。
本発明は上記課題を解決するものであり、主な具体的な手段は次のとおりである。
（１）基板の上に薄膜トランジスタが形成された半導体装置であって、前記薄膜トランジスタに電気的に接続される電極は、銀膜で形成され、前記銀膜の上に第１のＩＴＯ膜が形成され、前記第１のＩＴＯ膜の上にアルミナ（ＡｌＯｘ）膜が形成されていることを特徴とする半導体装置。
（２）前記半導体装置は、光センサを有し、前記光センサは、前記薄膜トランジスタより上層に、アノード、光導電膜、カソードで構成されたフォトダイオードを含み、前記電極は、前記フォトダイオードのアノードである、（１）に記載の半導体装置。
（３）前記光導電膜は有機光導電膜であることを特徴とする（２）に記載の半導体装置。
（４）前記第１のＩＴＯ膜の厚さは、５ｎｍ乃至２０ｎｍであることを特徴とする（３）に記載の半導体装置。
（５）前記銀膜の厚さは９０ｎｍ乃至２００ｎｍであることを特徴とする（４）に記載の半導体装置。
（６）前記アルミナ（ＡｌＯｘ）膜の厚さは１０ｎｍ乃至５０ｎｍであることを特徴とする（５）に記載の半導体装置。
（７）前記第１のＩＴＯ膜は非晶質であることを特徴とする（６）に記載の半導体装置。
以下に本発明の内容を、実施例を用いて説明する。実施例１では、センサアレイの下面から光を受ける場合の光センサ装置について説明し、実施例２でセンサアレイの上面から光を受ける場合の光センサ装置について説明する。また、本発明は、有機材料を発光素子として用いる、有機ＥＬ表示装置（ＯＬＥＤ）についても適用することが出来る。
図１は本発明が適用される光センサ装置の平面図である。図１において、センサ領域には、センサ要素がマトリクス状に形成されている。センサ領域の大きさは、例えば、横方向の径ｘｘが３ｃｍ、縦方向の径ｙｙが３ｃｍである。センサ領域には、走査線１１が横方向（ｘ方向）に延在し、縦方向（ｙ方向）に配列している。検出線１２と電源線１３が縦方向に延在し、横方向に配列している。走査線１１と検出線１２、あるいは、走査線１１と電源線１３で囲まれた領域がセンサ要素となっている。各センサ要素内には、スイッチングＴＦＴ１５と有機光導電膜ダイオード１０が形成されている。
センサ領域外側の横方向には走査線駆動回路２０が配置し、上方向には電源回路４０が配置し、下方向には検出回路３０が配置している。走査線駆動回路２０や検出回路３０は、ＴＦＴで形成されている。走査線駆動回路２０内のシフトレジスタによって、走査線１１が上方向から順次選択される。
電源線１３は、各フォトダイオードのアノードと接続し、縦方向に延在して、センサ領域上側における電源回路４０において、同一電源に接続される。そして、電源線１３にはアノード電位が供給される。検出線１２は、スイッチングＴＦＴのドレインと接続し、スイッチングＴＦＴのソースは、フォトダイオード１０のカソードと接続する。検出線１２は、各センサ要素から下方向に延在し、検出回路３０にて光電流が検出される。図１において、走査線１１によって選択されたセンサ要素に光が照射されると、フォトダイオード１０から光電流が発生し、この光電流を検出線１２を通して検出回路３０にて検出する。
図２は各センサ要素の平面図である。図２は図を複雑化しないために、一部の電極等は省略されている。各センサ要素の大きさは、例えば、横方向ｘ１が５０μｍ、縦方向ｙ１が５０μｍである。図２において、走査線１１が横方向に延在して縦方向に配列している。また、電源線１３及び検出線１２が縦方向に延在し、横方向に配列している。走査線１１と電源線１３、あるいは、走査線１１と検出線１２で囲まれた領域にフォトダイオードのカソード１２６、有機光導電膜１２７、アノード１２８等が形成されている。
また、アノード電極１２８はセンサ領域全域に一体的に形成されている。つまり、アノード電極１２８はセンサ領域全域において一つであり、その一つのアノード電極１２８に複数のカソード電極１２６が重なることとなる。
検出線１２からスルーホール１３５を介して半導体膜１０７がｘ方向に延在し、屈曲して走査線１１の下を通過する。この時ＴＦＴが形成される。この場合、走査線１１がＴＦＴのゲート電極になる。半導体膜１０７はｙ方向に延在してスルーホール１２３において、ＩＴＯで形成された、フォトダイオードのカソード１２６に接続する。スルーホール１２３は、図３で説明するように、厚い有機パッシベーション膜１２２に形成されるので、径が大きい。カソード１２６の上に有機光導電膜１２７が形成され、その上にアノード１２８が銀膜によって形成される。これによって有機光導電膜ダイオードが形成される。また、有機光導電膜１２７もセンサ領域全面に一体的に形成されており、センサ領域において複数のセンサ要素ごとに島状に形成されているものではない。つまり有機光導電膜１２７はセンサ領域全面において一つであり、その一つの有機光導電膜１２７に一つのアノード電極１２８及び複数のカソード電極１２６が重なることとなる。
図２の構成では、上述のように、有機光導電膜１２７とアノード１２８は、各要素共通に、センサ領域全面に形成される。したがって、図２では、センサ要素内では、カソード１２６の形状のみ描かれているが、有機光導電膜１２７とアノード１２８はカソード１２６に積層している。より具体的には第１方向ｘ及び第２方向ｙに隣り合うカソード電極１２６同士の間、つまりカソード電極１２６が形成されていない領域においても有機光導電膜１２７とアノード電極１２８が存在している。アノード電極１２８は１００ｎｍ程度の銀膜１２８で形成され、膜厚が小さいので、複数の電源線１３に接続されることによってカソード全体としての抵抗を小さくしている。電源線１３は、銀膜１２８に積層してそのまま電源回路４０に延在してもよいし、途中で有機パッシベーション膜１２２に形成されたスルーホールを介してＴＦＴのドレイン電極あるいは、ソース電極と同じ層を延在してもよい。
図３は、図１の光センサ装置の断面図である。図３に示す光センサは、基板１００側から光が入力する方式である。図１に示すように、センサ領域の外側には、ＴＦＴで形成した駆動回路が形成されている。ポリシリコン半導体は移動度が大きいので、駆動回路を構成するＴＦＴはポリシリコン半導体で形成するのが有利である。
一方、センサ領域に形成されるスイッチングＴＦＴは、リーク電流の小さい酸化物半導体（ＯＳ：Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒと呼ぶこともある）で形成することが有利である。そこで、本実施例では、ポリシリコン半導体ＴＦＴと酸化物半導体ＴＦＴの両方を用いた、ハイブリッド方式のアレイ基板を使用している。図３において、左側が周辺回路用のポリシリコンＴＦＴであり、中央部分が有機膜フォトダイオードとそのためのスイッチングＴＦＴである。
ポリシリコンは、ａ-Ｓｉをエキシマレーザによってポリシリコン化した、いわゆる低温ポリシリコンを用いるが、それでも、ポリシリコン半導体のアニール温度は、酸化物半導体を形成するためのプロセス温度を超えるので、先ず、ポリシリコン半導体ＴＦＴを形成し、その後、酸化物半導体ＴＦＴを形成する。したがって、まず、周辺回路から製造することになる。
図３において、ガラス基板１００の上に窒化シリコン（ＳｉＮ）と酸化シリコン（ＳｉＯ）の積層膜による下地膜１０１を形成する。ガラス基板１００からの不純物がポリシリコン半導体１０２や酸化物半導体１０７を汚染することを防止するためである。ＳｉＯ膜の厚さは、例えば２００ｎｍ、ＳｉＮ膜の厚さは例えば２０ｎｍである。
その上にＴＦＴのためのポリシリコン膜１０２を形成する。ポリシリコン膜１０２は、先ずａ-Ｓｉ膜を形成し、その後、エキシマレーザによってａ-Ｓｉをポリシリコンに変換し、パターニングしたものである。ポリシリコン膜１０２の厚さは例えば５０ｎｍである。なお、下地膜１０１であるＳｉＯ膜とＳｉＮ膜、及びａ-Ｓｉ膜はＣＶＤによって連続して形成することが出来る。
その後、ポリシリコン半導体膜１０２を覆って第１ゲート絶縁膜１０３をＳｉＯによって形成する。第１ゲート絶縁膜１０３の厚さは例えば、１００ｎｍである。その上に金属あるいは合金によって第１ゲート電極１０４を形成する。第１ゲート電極１０４は、例えば、ＭｏＷで形成される。ところで、周辺回路領域とセンサ領域は同時に形成される。第１ゲート電極１０４を形成すると同時に、センサ領域のスイッチングＴＦＴに対応する部分に、第１ゲート電極１０４と同じ材料で遮光膜１０５を形成する。この遮光膜１０５を後で形成される酸化物半導体ＴＦＴのボトムゲート電極として使用することも出来る。
第１ゲート電極１０４及び遮光膜１０５を覆って第１層間絶縁膜１０６をＳｉＯ膜及びＳｉＮ膜の積層膜で形成する。ＳｉＮ膜の厚さは例えば３００ｎｍ、ＳｉＯ膜の厚さは、２００ｎｍである。第１層間絶縁膜１０６の上に酸化物半導体膜１０７を形成する。酸化物半導体としては、ＩＧＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＴＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯＮ（Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ Ｎｉｔｒｉｄｅ）、ＩＧＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）等がある。本実施例では、酸化物半導体としてＩＧＺＯを使用している。
ところで、酸化物半導体は、特性を維持するためには、酸素量を維持することが重要である。したがって、第１層間絶縁膜１０６は、上層がＳｉＯ膜である必要がある。ＳｉＮは、水素を供給して、酸化物半導体を還元してしまうからである。ＳｉＯ膜が酸化物半導体膜１０７と接していればＳｉＯ膜から酸素を酸化物半導体に供給することが出来る。
酸化物半導体膜１０７のドレイン領域には、ドレイン保護電極１０８が積層され、ソース領域にはソース保護電極１０９が形成されている。ドレイン保護電極１０８とソース保護電極１０９は金属で形成され、ポリシリコンＴＦＴにおけるスルーホールを佛酸(ＨＦ)で洗浄する際に、酸化物半導体ＴＦＴ側のスルーホールにおいて、酸化物半導体膜１０７が佛酸(ＨＦ)によって消失することを防止するものである。
酸化物半導体膜１０７を覆って第２ゲート絶縁膜１１０がＳｉＯ膜によって形成される。ＳｉＯ膜は厚さが１００ｎｍ程度である。ＳｉＯ膜の上にゲートアルミナ膜１１１が形成され、その上に第２ゲート電極１１２が、例えば、ＭｏＷ合金によって形成される。ＳｉＯで形成された第２ゲート絶縁膜１１０、及びゲートアルミナ膜１１２から酸化物半導体膜１０７に酸素を供給することによって酸化物半導体膜１０７の特性を安定させる。
第２ゲート電極１１２を覆って、第２層間絶縁膜１１３がＳｉＯ膜とＳｉＮ膜の積層膜によって形成される。ＳｉＯ膜は例えば３００ｎｍ、ＳｉＮ膜は１００ｎｍである。ＳｉＯ膜が酸化物半導体膜１０７に、より近い下側に配置することが多い。第２層間絶縁膜１１３を形成した後、周辺回路のポリシリコンＴＦＴ側にスルーホール１１８、１１９を、センサ領域側の酸化物半導体ＴＦＴ側にスルーホール１２０、１２１を同時に形成する。
ポリシリコンＴＦＴ側のスルーホール１１８、１１９は、酸化膜を除去するために佛酸(ＨＦ)洗浄を行うが、この時、酸化物半導体ＴＦＴ側のスルーホール１２０、１２１にも佛酸(ＨＦ)が入り込み、酸化物半導体膜１０７を消失させることを防止するために、ドレイン保護電極１０８、ソース保護金属膜１０９が使用される。
ポリシリコンＴＦＴ側のスルーホール１１８、１１９に対応して、第１ドレイン電極１１４、第１ソース電極１１５が形成され、酸化物半導体ＴＦＴ側のスルーホール１２０、１２１に対応して、第２ドレイン電極１１６、第２ソース電極１１７が形成される。第２ドレイン電極１１６は検出線１２と接続する。
第２層間絶縁膜１１３を覆って有機パッシベーション膜１２２が例えば、アクリル等の樹脂によって形成される。有機パッシベーション膜１２２は平坦化膜を兼ねているので２μｍ程度と、厚く形成される。有機パッシベーション膜１２２には、ＴＦＴのソース電極１１７に対応してソース電極１１７とフォトダイオードのカソード１２６を接続するためのスルーホール１２３が形成される。有機パッシベーション膜１２２の厚さが厚いために、スルーホール１２３の径は大きくなる。
有機パッシベーション膜１２２を覆って、無機パッシベーション膜１２４が例えばＳｉＮで２０乃至１００ｎｍ程度の厚さで形成される。有機パッシベーション膜１２２からは、水分等の不純物が放出され、これが、上に形成される有機光導電膜１２７を汚染することを防止するためである。
無機パッシベーション膜１２４の上にカソード電極１２６がＩＴＯ（Ｉｎｄｉｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）膜によって、例えば５０ｎｍ程度の厚さで形成される。このＩＴＯ膜は電気抵抗を小さくするためにアニールによって結晶化している。無機パッシベーション膜１２４には、有機パッシベーション膜１２２のスルーホール１２３の部分においてスルーホール１２５が形成され、カソード電極１２６とソース電極１１７の接続を行う。本発明では、アノード電極１２８側である上部電極側にもＩＴＯを使用するので、これと区別するため、カソード電極１２６としてのＩＴＯをカソードＩＴＯ１２６とよぶこともある。
カソード１２６の上に有機光導電膜１２７を、３００ｎｍ乃至５００ｎｍの厚さで形成する。有機光導電膜１２７は、スパッタリングあるいは真空蒸着によって形成する。有機光導電膜１２７は、優れた光導電特性とともに、波長選択性を持たせることが出来るので、静脈画像等いわゆる、生体認識センサとして使用することが出来る。
有機光導電膜１２７の上側に銀膜によってアノード電極１２８を形成する。銀は、９０ｎｍ以上になると優れた反射率を有する。また、仕事関数もアノード電極１２８として好適であり、導電性も優れている。
一方、有機光導電膜１２７は、水分等の不純物に弱いため、外部から、これをブロックする必要があるので、アルミナ（ＡｌＯｘ）膜１３０を３０ｎｍ程度、アノード電極１２８である銀膜１２８を覆うように形成する。アルミナ（ＡｌＯｘ）膜１３０は、スパッタリングで形成されるが、成膜速度が非常に遅いので、反応性スパッタリングによって形成される。反応性スパッタリングによって形成されたアルミナ（ＡｌＯｘ）１３０は多量の酸素を含む。なお、この目的のために、アルミナ（ＡｌＯｘ）膜は１０乃至５０ｎｍの範囲が望ましい。
ところが、銀は還元性が強いので、このアルミナ（ＡｌＯｘ）膜１３０から酸素を奪い、酸化する。銀膜１２８が酸化すると、電気抵抗が上昇し、かつ黒化する。そして、さらに酸化が進むと透明化する。そうすると、銀膜１２８は、反射電極としての役割を持たなくなる。
本発明の特徴は、反射電極１２８としての銀膜（もしくはアノード電極）と、水分ブロックのためのアルミナ（ＡｌＯｘ）膜１３０との間にＩＴＯ膜１２９を形成することによって、アルミナ（ＡｌＯｘ）膜１３０による銀膜１２８の酸化を防止することである。アルミナ（ＡｌＯｘ）膜１３０の厚さは、７ｎｍ程度の薄膜でよい。ＩＴＯ膜の厚さが大きくなると結晶化が進み、ＩＴＯの表面に凹凸が目立つようになるので、厚くする場合でも７０ｎｍ程度がよい。この目的のＩＴＯ膜１２９の膜厚は、例えば５ｎｍから７０ｎｍ、より好ましくは７ｎｍから２０ｎｍである。
ＩＴＯ膜１２９は、銀膜１２８をスパッタリングしたチャンバにおいて、真空を破らずに、連続してスパッタリングすることが出来る。したがって、銀膜１２８が大気中の酸素によって酸化することを防止することが出来る。一方、アルミナ（ＡｌＯｘ）膜１３０は、銀膜１２８とは別なチャンバでスパッタリングされるので、ＩＴＯ膜１２９が存在しなければ、アルミナ（ＡｌＯｘ）１３０の形成前に、銀膜１２８は大気中の酸素によっても酸化されることになる。しかし、本実施例においては、銀膜１２８はすでにＩＴＯ膜１３０によって覆われているので、大気中の酸素による酸化を防止することが出来る。
ＩＴＯ膜１２９自身も酸素を含んでいる。しかし、ＩＴＯ膜１２９からの酸素の供給量はアルミナ（ＡｌＯｘ）膜１３０からの酸素の供給量よりは、はるかに少ない。なお、アノード側のＩＴＯ膜１２９は、有機光導電膜１２７を形成した後形成される。有機光導電膜１２７は熱に弱いので、アノード側のＩＴＯ膜１２９は低温で、例えば、基板温度が３０度程度に維持して形成される。そして、膜厚も７ｎｍ程度と薄いので、アノード側のＩＴＯ１２９は、非晶質の状態で形成されている。このような非晶質のＩＴＯ薄膜１２９は、反射電極である銀膜１２８を酸化するほどの酸素は供給しないと推測することが出来る。
なお、アノード側のＩＴＯ膜１２９は、膜厚が７nｍ程度と薄いので、酸素を用いた反応性スパッタリングではなく通常のスパッタリングで形成することも可能である。この点からも、ＩＴＯ膜１２９に含まれる酸素の量を通常よりも抑えることが出来る。
図３において、アルミナ（ＡｌＯｘ）膜１３０の上に機械的な保護のために、有機保護膜１３１がアクリル等の樹脂で形成されている。この有機保護膜１３１は、製品によっては省略されることもある。
図４Ａ乃至図６は、本実施例の効果を示す図である。本実施例は、アノード側において、反射電極である銀膜１２８と水分ブロックとしてのアルミナ（ＡｌＯｘ）膜１３０の間に、銀膜１２８の酸化を防止するＩＴＯ膜１２９を形成することである。このような構成において、図４Ａ乃至図６は、ＩＴＯ膜１２９を薄膜である７ｎｍ程度形成した場合にどの程度の効果を得られるかを検証するものである。
図４Ａ乃至図４Ｄでは、効果を確認するための、種々の膜構成のサンプルである。図４Ａ乃至図４Ｄにおいて、ＩＴＯ膜２０２の膜厚は７ｎｍ、アルミナ（ＡｌＯｘ）膜の膜厚は３０ｎｍである。銀膜２０１の膜厚は１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍのように、膜厚を変化させたサンプルを作成した。各膜は全てスパッタリングで形成している。
図４Ａはガラス基板２００に銀膜２０１のみ形成した場合の断面図である。図４Ｂは銀膜２０１の上にアルミナ（ＡｌＯｘ）２０３を形成した場合である。図４Ｃは、銀膜２０１の上にＩＴＯ膜２０２を形成した場合である。図４Ｄは、銀膜２０１の上にＩＴＯ膜２０２を形成し、その上にアルミナ（ＡｌＯｘ）膜２０３を形成した場合であり、本実施例における膜構成である。
図５は、サンプルに用いたＩＴＯ膜２０２の形成条件である。ＩＴＯ膜２０２は、スパッタリングによって７ｎｍの厚さに形成するが、特徴は、サンプル基板を３０度に維持していることである。つまり、図３における有機光導電膜の耐熱温度を考慮したものである。また、酸素流量は、０．０５ｓｃｃｍ（standard cubic centimeter per minute）であり、アルゴン（Ａｒ）流量１４０ｓｃｃｍに比べて非常に少ない。このような条件で形成されたＩＴＯ膜は、非晶質であり、かつ、酸素の含有量も小さいと考えられる。
図４Ｂ乃至図４Ｄにおいて、銀膜２０１とＩＴＯ膜２０２は同じチャンバで連続して形成し、アルミナ（ＡｌＯｘ）膜２０３は、ＩＴＯ膜まで形成された基板２００を一旦大気中にさらし、別なチャンバによってスパッタリングした。銀膜２０１の酸化の状態は、電気抵抗に顕著に表れるので、銀膜２０１のシート抵抗を測定することによって、銀膜２０１の酸化の状態を測定した。
図４Ａ乃至図４Ｄの膜を形成した後、Ｌｏｗｌｅｓｔａ（製品名）によって、銀膜２０１のシート抵抗を測定した。Ｌｏｗｌｅｓｔａは４本の針を用いてシート抵抗を測定するものであり、針によって、表面の絶縁物である、アルミナ（ＡｌＯｘ）膜２０３等は貫通するので、銀膜２０１のシート抵抗を測定することができる。銀膜２０１が酸化されていればそのシート抵抗は非常に大きくなる。
図６は、評価結果を示すグラフである。図６において、横軸は銀膜２０１の膜厚、縦軸は銀膜２０１のシート抵抗である。銀膜２０１の抵抗は酸化によって大きく変化するので、縦軸はログスケールになっている。銀膜２０１の膜厚が１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍの場合については、サンプル４Ａ乃至４Ｄを全て作成して評価し、銀膜２０１の膜厚が４００ｎｍと５００ｎｍの場合については、サンプル４Ａ及び４Ｂのみ作成して評価した。抵抗値は膜製作直後に測定をした。
図６において、Ａはサンプル４Ａ、Ｂはサンプルブル４Ｂ、Ｃはサンプル４Ｃ、Ｄはサンプル４Ｄに相当する。銀膜２０１の膜厚が１００ｎｍの場合、銀膜２０１にアルミナ（ＡｌＯｘ）膜２０３が積層されたサンプルＢは抵抗が９×１０６であり、他のサンプルに比べて非常に大きい。つまり、銀膜２０１は層厚方向全体にわたって、アルミナ（ＡｌＯｘ）によって酸化されてしまっていることがわかる。
これに対して、銀膜２０１のみであるサンプルＡ、銀膜２０１にＩＴＯ膜２０２が積層されたサンプルＢ、銀膜２０１にＩＴＯ膜２０２とアルミナ（ＡｌＯｘ）膜２０３が積層されたサンプルＤは、ほとんど抵抗値に差がない。特に、サンプルＢとサンプルＤに注目すると、膜厚７ｎｍのＩＴＯ膜２０２が銀膜２０１とアルミナ（ＡｌＯｘ）膜２０３の間に存在するだけで、膜厚３０ｎｍのアルミナ（ＡｌＯｘ）膜２０３による銀膜２０１に対する酸化の影響は、殆ど無くすることが出来ることがわかる。
この傾向は、銀膜２０１の膜厚が２００ｎｍの場合も同じである。サンプルＢに示すように、銀膜２０１の膜厚が２００ｎｍの場合であっても、シート抵抗は、膜厚が１００ｎｍの場合とほぼ同じである。つまり、アルミナ（ＡｌＯｘ）膜２０３の影響は、銀膜２０１の膜厚が２００ｎｍ程度にまで及び、銀を酸化させてしまうことがわかる。
一方、サンプルＡ、Ｃ、Ｄに注目すると、銀膜２０１の厚さが２００ｎｍの場合、銀膜２０１の抵抗は、銀膜２０１の厚さが１００ｎｍの場合に比較して、半分近くにまでなっている（図６の縦軸はログスケールである）。したがって、サンプルＡ、Ｃ、Ｄは殆ど酸化していないことがわかる。
銀の膜厚が３００ｎｍになると、サンプルＢにおいても、銀膜２０１のシート抵抗値が他のサンプルＡ、Ｃ、Ｄとオーダー的には同程度にまで低下している。つまり、厚さ３０ｎｍのアルミナ（ＡｌＯｘ）膜２０３の影響は、銀膜２０１の３００ｎｍ程度までは及ばないことがわかる。したがって、厚さ３０ｎｍのアルミナ（ＡｌＯｘ）膜２０３の影響は、銀膜２０１とアルミナ（ＡｌＯｘ）膜２０３の界面から２００ｎｍから３００ｎｍ程度にまで及ぶことがわかる。
一方、サンプルＣとサンプルＤを比較すると、銀膜２０１のシート抵抗に殆ど差が無い。つまり、銀膜２０１とアルミナ（ＡｌＯｘ）膜２０３の間に７ｎｍ程度のＩＴＯ膜２０２が存在することによって、アルミナ（ＡｌＯｘ）膜２０３の銀膜２０１への影響は殆ど無くすことが出来る。
銀膜２０３の膜厚が４００ｎｍの場合と、銀膜２０３の膜厚が５００ｎｍの場合は、サンプルＡ及びＢについてのみ測定している。銀膜２０１の膜厚が大きくなるにしたがって、銀膜２０３の表面に積層されたアルミナ（ＡｌＯｘ）膜２０３の影響は小さくなる。しかし、実際の製品において、３００ｎｍ以上の銀膜２０１を形成することは、コスト上不利である。実際の製品では、銀膜１０３の膜厚は２００ｎｍ以下、より好ましくは、９０ｎｍ以上、１２０ｎｍ以下で使用することになる。
このような銀膜２０２の膜厚範囲においては、銀膜２０１とアルミナ（ＡｌＯｘ）膜２０３の間にＩＴＯ膜２０２を形成することは非常に効果がある。この構成によって、優れた反射特性と、高い信頼性を有する有機光導電膜を用いた光センサを実現することが出来る。
以上の説明では、有機光導電膜とカソード、つまり、銀膜はセンサ領域全体に共通に形成されているが、有機光導電膜あるいはカソードを個々のセンサ要素ごとに形成する場合も同様である。また、以上の説明では、銀膜とアルミナ（ＡｌＯｘ）膜の間に、ＩＴＯの薄膜を配置する場合について説明したが、ＩＴＯの他にＡＺＯ（Ａｎｔｉｍｏｎｙ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）等の透明酸化物導電膜についても同様な効果を得ることが出来る。
実施例１の光センサは、図３における基板１００側から光Ｌが入射するタイプである。一方、基板１００の反対側、すなわち、光導電膜１２７の上部電極１２８側から光が入射するタイプの光センサも存在する。光が上部電極１２８側から入射する場合は、下部電極１２６側に反射膜が形成され、上部電極１２８が透明電極になる。光が上部電極１２８側から入射する構成は、下部電極１２６と基板１００の間にスイッチングＴＦＴや駆動ＴＦＴを形成できるので、スペース状有利である。
ところで、銀は、膜厚が５０ｎｍ以下、特に３０ｎｍ以下の薄膜になると可視光を透過するようになる。この性質を利用することによって、実施例１で説明した光センサの基本構造を変えずに、上部電極１２８側から光が入射する（以後上部入光型ともいう）光センサを実現することが出来る。
図７は実施例２における有機フォトダイオード部分の断面図である。スイッチングＴＦＴや駆動ＴＦＴの構成は図３で説明したのと同じなので、図７では、有機フォトダイオード部分のみ記載している。図７において、有機パッシベーション膜１２２の上に無機パッシベーション膜１２４が例えば、厚さ１００ｎｍのＳｉＮ膜で形成されている。無機パッシベーション膜１２４の上に銀、アルミニウムまたはアルミニウム合金等によって反射膜１５０が、厚さ１００ｎｍ程度で形成されている。その上に５０ｎｍ程度のＩＴＯ膜によってカソード１２６が形成されている。カソード１２６の下に金属による反射膜１５０が形成されている点が実施例１の図３と異なる。
カソード１２６の上に有機光導電膜１２７が、３００ｎｍ乃至５００ｎｍの厚さで形成されていることは図３と同じである。有機光導電膜１２７の上にアノード１２８が銀膜で形成されている。図７では、アノード１２８としての銀膜は反射電極として作用するのではなく、光を通す必要がある。したがって、銀膜１２８の膜厚は５０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ乃至３０ｎｍである。銀は、この程度の膜厚になると、ＩＴＯと同程度か、これを凌ぐ透過率を有するようになる。
銀膜によるアノード１２８の上に、銀の酸化を防止するためのＩＴＯ膜１２９を７ｎｍ程度形成する。ＩＴＯ膜１２９は、銀膜１２８と連続して、低温スパッタリングによって形成する。このＩＴＯ膜１２９は、実施例１で説明したのと同様、非晶質膜となっている。但し、図７の構成では、このＩＴＯ膜１２９は、光の減衰を防ぐために、膜厚は抑えたほうがよいので、より好適な膜厚としては、５ｎｍ乃至２０ｎｍである。
ＩＴＯ膜１２９の上にアルミナ（ＡｌＯｘ）膜１３０を例えば１０ｎｍ乃至５０ｎｍ程度形成することは、実施例１と同じである。有機光導電膜を外部の水分等から防止するためである。図７の構成では、このアルミナ膜１３０も光を減衰させないために、より好適な範囲は１０ｎｍ乃至３０ｎｍである。アルミナ膜１３０からの酸素は、ＩＴＯ膜１２９によってブロックされるので、カソード１２８には到達せず、銀膜１２８は酸化されずに、導電性を維持することが出来る。
銀膜１２８は薄いが、図１、図２に示すように、電源線１３がセンサ領域を縦方向に延在しているので、カソード１２８の電位降下は防ぐことが出来る。つまり、薄い銀膜１２８は、各センサ要素においてのみ、導電膜として作用すればよいので、銀膜１２８を薄くしたことによる抵抗値の上昇は、銀膜１２８が酸化されない限り、実質的な問題にはならない。
このように、アノードとしての銀膜１２８と水分ブロックのためのアルミナ（ＡｌＯｘ）１３０の間にＩＴＯ薄膜１２９を形成することによって、銀薄膜１２８の酸化を防止することが出来るので、上面入光型の有機光導電膜を有する光センサを実現することが出来る。
以上の説明では、光センサとして、有機光導電膜を用いたものについて説明したが、本発明は、これに限らず、銀をカソードもしくはアノードとして用いる場合の他の光センサについても適用することが出来る。また、以上では、本発明を、有機光導電膜を用いた光センサについて説明したが、本発明はこれに限らず、有機ＥＬ膜を用いた有機ＥＬ表示装置等にも使用することが出来る。
１０…有機フォトダイオード、 １１…走査線、 １２…検出線、 １３…電源線、 １５…ＴＦＴ、 ２０…走査線駆動回路、 ３０…検出回路、 ４０…電源回路、 １００…基板、 １０１…下地膜、 １０２…ポリシリコン半導体膜、 １０３…第１ゲート絶縁膜、 １０４…第１ゲート電極、 １０５…遮光膜、 １０６…第１層間絶縁膜、 １０７…酸化物半導体膜、 １０８…ドレイン保護電極、 １０９…ソース保護電極、 １１０…第２ゲート絶縁膜、 １１１…ゲートアルミナ膜、 １１２…第２ゲート電極、 １１３…第２層間絶縁膜、 １１４…第１ドレイン電極、 １１５…第１ソース電極、 １１６…第２ドレイン電極、 １１７…第２ソース電極、 １１８…第１スルーホール、 １１９…第２スルーホール、 １２０…第３スルーホール、 １２１…第４スルーホール、 １２２…有機パッシベーション膜、 １２３…第５スルーホール、 １２４…無機パッシベーション膜、 １２５…第６スルーホール、 １２６…カソード、 １２７…有機光導電膜、 １２８…アノード（銀膜）、 １２９…ＩＴＯ膜、 １３０…アルミナ（ＡｌＯｘ）膜、 １３１…有機保護膜、 １３５…スルーホール、 ２００…サンプル基板、 ２０１…サンプル銀（Ａｇ）膜、 ２０２…サンプルＩＴＯ膜、 ２０３…サンプルアルミナ（ＡｌＯｘ）膜、 Ｌ…光
Claims (17)
- 基板の上に薄膜トランジスタが形成された半導体装置であって、
前記半導体装置は、光センサを有し、
前記光センサは、前記薄膜トランジスタより上層に、アノード、光導電膜、カソードで構成されたフォトダイオードを含み、
前記アノードは、銀膜で形成され、前記銀膜の上に第１のＩＴＯ膜が形成され、前記第１のＩＴＯ膜の上にアルミナ（ＡｌＯｘ）膜が形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記光導電膜は有機光導電膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 前記薄膜トランジスタは、前記基板のセンサ領域に複数形成されており、
前記有機光導電膜と、前記アノードと、前記第１のＩＴＯ膜と、前記アルミナ（ＡｌＯｘ）膜は、前記センサ領域の全面に一体的に形成され、複数の前記薄膜トランジスタに重なることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。 - 前記第１のＩＴＯ膜の厚さは、５ｎｍ乃至２０ｎｍであることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
- 前記銀膜の厚さは９０ｎｍ乃至２００ｎｍであることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
- 前記アルミナ（ＡｌＯｘ）膜の厚さは１０ｎｍ乃至５０ｎｍであることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
- 前記第１のＩＴＯ膜は非晶質であることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
- 前記カソードは第２のＩＴＯ膜で形成され、前記薄膜トランジスタに接続されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
- 前記第２のＩＴＯ膜は結晶化したＩＴＯであることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
- 光センサを有する半導体装置であって、
基板の上に薄膜トランジスタが形成され、
前記光センサは、前記基板と反対側からの光を検知するものであり、
前記薄膜トランジスタよりも上層にフォトダイオードが形成され、
前記フォトダイオードは、アノード、光導電膜、カソードで構成され、
前記アノードは銀膜で形成され、前記銀膜の上に第１のＩＴＯ膜が形成され、前記第１のＩＴＯ膜の上にアルミナ（ＡｌＯｘ）膜が形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記光導電膜は有機光導電膜であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
- 前記第１のＩＴＯ膜の厚さは、５ｎｍ乃至２０ｎｍであることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
- 前記銀膜の厚さは２０ｎｍ乃至５０ｎｍであることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置。
- 前記アルミナ（ＡｌＯｘ）膜の厚さは１０ｎｍ乃至３０ｎｍであることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。
- 前記第１のＩＴＯ膜は非晶質であることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置。
- 前記カソードは第２のＩＴＯ膜で形成され、前記第２のＩＴＯ膜の下面には、金属または合金で形成された反射電極が存在していることを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置。
- 前記第２のＩＴＯ膜は結晶化したＩＴＯであることを特徴とする請求項１６に記載の半導体装置。
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