KR100608571B1 - 박막 트랜지스터형 광 감지소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광 감지소자에 관한 것으로, 광 감지소자에 있어서 빛을 받아들이는 윈도우의 크기를 크게 하고, 센서부의 박막 트랜지스터를 복수개로 형성하여 낮은 휘도의 광원부 빛에 의해서도 많은 양의 광전류를 형성하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 빛을 발산하는 광원과; 상기 광원의 빛을 투과시키는 윈도우와; 상기 윈도우를 투과하여 피사체에 반사된 빛을 감지해서 광전류를 생성하는 복수개의 센서 박막 트랜지스터와; 상기 센서 박막 트랜지스터에 의해 생성된 광전류를 저장하는 스토리지 캐패시터와; 상기 스토리지 캐패시터에 저장된 전하를 제어하는 스위칭 박막 트랜지스터를 포함하는 박막 트랜지스터형 광 감지소자에 관해 개시하고 있다.
색인어 누락
Description
도 1은 종래의 광 감지소자의 한 픽셀을 나타내는 평면도.
도 2a내지 2d는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'를 자른 단면의 공정을 나타내는 공정도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제작된 광 감지소자의 한 픽셀을 나타내는 평면도.
도 4는 본 발명에 따라 제작된 도 3의 Ⅳ-Ⅳ'부분을 자른 단면을 나타내는 단면도.
도 5는 본 발명에 따라 제작된 도 3의 Ⅴ-Ⅴ'부분을 자른 단면을 나타내는 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 기판 (Glass) 50 : 센서 게이트 배선
52 : 센서 게이트 전극 54 : 센서 드레인 배선
56 : 센서 드레인 전극 58a : 제 1 센서 반도체층
58b : 제 2 센서 반도체층 60 : 스위치 게이트 배선
62 : 스위치 게이트 전극 64 : 스위치 반도체층
66 : 스위치 소스 배선 68 : 스위치 소스 전극
70 : 스위치 드레인 전극 72 : 센서 소스 전극
74 : 제 1 스토리지 전극 76 : 제 2 스토리지 전극
78 : 제 3 스토리지 전극 80 : 콘택홀
본 발명은 박막 트랜지스터를 이용한 광 감지소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 박막 트랜지스터형 광 감지소자에서 빛을 감지해서 광전류를 생성하는 센서 박막 트랜지스터 및 스토리지 캐패시터에 관한 것이다.
일반적으로 광 감지소자(photo sensor)는 팩시밀리(facsimile), 디지털 복사기(digital copying machine)등의 영상처리 장치에서 영상판독기로 사용된다.
또한, 정보화 시대로 발전함에 따라 개인을 식별해서 인식하는 인식장치인 지문 감식기에도 적용되고 있다.
이러한 영상 판독기로 사용되는 광 감지소자는 내부 광원으로부터 빛을 받아 피사체에 반사된 빛의 세기에 따라 전하를 저장하고, 저장된 전하를 구동회로를 통해서 외부로 출력하는 장치이다.
상술한바와 같이 빛을 받아 동작하는 광 감지소자로 박막 트랜지스터를 사용할 수 있으며, 이 때 광 감지소자의 감지부로 사용되는 박막 트랜지스터의 반도체층은 비정질 실리콘을 사용할 수 있다. 이는 비정질 실리콘이 빛에 민감한 성질을 띠고있기 때문이다. 이러한 비정질 실리콘은 암 전기 전도도가 작고 광 전기 전도도가 큰 전기적 성질을 갖고 있다.
비정질 실리콘에 빛이 입사되면 내부적으로는 전자-정공 쌍(electron-hole pair)의 캐리어(carrier)가 생성되고 이에 따라 비정질 실리콘층의 비저항이 감소하여 전류를 흐를 수 있게 한다.
전술한바와 같이 비정질 실리콘의 암 상태와 광 상태에서의 전기적 성질을 이용한 장치가 박막 트랜지스터형 광 감지소자이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 일반적인 박막 트랜지스터형 광 감지소자의 구성과 작용을 상세히 설명한다.
도 1은 일반적인 박막 트랜지스터형 광 감지소자의 한 픽셀에 대한 평면도를 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 박막 트랜지스터형 광 감지소자의 주요 구성을 살펴보면, 기판 상에 광원으로부터 빛을 받아들이는 윈도우(8, window)가 구성되어있고, 윈도우(8)를 통해서 들어은 빛을 반사시키는 피사체(미도시)가 광 감지소자(100) 상에 위치하고, 피사체에 반사되는 빛을 감지하여 전류를 생성하는 광 감지용 박막 트랜지스터(6)가 위치한다.
상기의 광 감지용 박막 트랜지스터(6, 이하 센서 박막 트랜지스터라 한다)에 의해 흐르는 광전류는 스토리지 캐패시터(4)에 축적되고, 스토리지 캐패시터(4)에 축적된 전하는 스위칭 역할을 하는 박막 트랜지스터(2, 이하 스위칭 박막 트랜지스터라 칭한다)에 의해 외부의 구동회로(미도시)로 보내어 진다. 또한, 상기 스위칭 박막 트랜지스터(2)는 빛을 차단하기 위해 별도의 차광막(미도시)이 반도체층 상에 위치한다.
상기 광 감지소자(l00)는 빛을 받아 피사체에 반사되는 빛을 감지하는 구조 를 취하고 있기 때문에 소정의 크기 이상의 면적을 차지하는 윈도우(8)는 필수적이다.
또한, 피사체에 반사된 빛의 세기에 의해 생기는 광전류를 저장하는 수단인 스토리지 캐패시터(4)도 소정의 용량을 유지해야 하기 때문에, 이 또한 소정의 면적을 차지하고 있다.
한편, 도 1의 한 픽셀에 대한 평면도에서 Ⅱ-Ⅱ'로 자른 단면도인 도 2를 참조하여 상세히 설명하면, 먼저 기판(1) 상에 스위칭 박막 트랜지스터(2)와 스토리지 캐패시터(4) 센서 박막 트랜지스터(6) 영역에 각각 제 1 금속층(20)(30)(40)이 위치하게 된다.
또한, 제 1 금속층 상에(20)(30)(40) 절연층(32)이 위치하고, 절연층(32) 상에는 비정질 실리콘과 불순물이 함유된 비정질 실리콘을 증착하고 패터닝하여 스위칭 박막 트랜지스터부분(2)과 센서 박막 트랜지스터부분(6)에 반도체층(26)(46)이 형성된다.
또한, 제 2 금속층을 증착하고 패터닝하여 스위칭 박막 트랜지스터(2)의 소스 및 드레인 전극(22)(24)과 스토리지 캐패시터부분(4)의 제 2 스토리지 전극(34) 그리고 센서 박막 트랜지스터부분(6)의 소스 및 드레인 전극(42)(44)을 형성한다. 그리고 각각의 광 감지소자의 구성요소인 스위칭 박막 트랜지스터(2)와 스토리지 캐패시터(4) 센서 박막 트랜지스터(6)를 습기나 외부의 불순물로부터 보호하기 위해 보호막(16)과 보호층(10)을 형성한다. 이때, 상기 보호막(16)과 보호층(10)은 무기절연막 또는 유기절연막을 사용한다. 즉, 무기절연막은 실리콘 질화막(SlNx), (SiO2)등을 사용하고, 유기절연막으로는 BCB, 아크릴 등이 사용된다.
상기 센서 박막 트랜지스터(6)는 오프 상태(off state)에서 빛에 의한 광전류에 의해서 동작하기 때문에, 오프 상태를 유지하기 위하여 게이트 전극에는 항상 음의 전압(negative voltage)이 인가된다.
또한, 빛에 의해 생성된 광전류는 센서 박막 트랜지스터(6)의 소스 전극(42)을 통해 스토리지 캐패시터(4)의 제 2 스토리지 전극(34)으로 흐르게되어 스토리지 캐패시터(4)에 저장된다.
또한, 외부에서 제어하는 바이어스 전압이 스위칭 박막 트랜지스터(2)의 게이트 전극(20)에 인가되면 스토리지 캐패시터(4)에 저장된 전하는 스위칭 박막 트랜지스터(2)의 드레인 전극(24)을 통해 소스 전극(22)으로 흐르게 된다.
상기와 같이 광 감지소자가 원활한 동작을 수행하기 위해서는 피사체(12)에 반사된 빛을 감지하는 센서 박막 트랜지스터(6)의 광 감지효율이 좋아야한다.
상기 센서 박막 트랜지스터의 광 효율에 미치는 중요한 인자는 반도체층 내의 상태밀도(density of state)이다. 즉, 반도체층 내에 상태밀도를 줄여야하며 이를 줄이기 위해서는 반도체층의 증착시 증착압력, 기판온도 등의 변수를 최적화하고 불순물이 들어가지 않도록 하는 것이 중요하다.
광 감지소자의 원활한 동작을 위해서는 더욱더 많은 양의 빛을 받아들여 빛 을 통과시키는 윈도우(8)의 크기가 커야만 한다.
또한, 피사체에 반사된 빛을 감지하는 센서 박막 트랜지스터 역시 많은 양의 광전류를 생성하기 위해서는 빛을 받는 면적이 커야한다.
상술한바와 같이 빛을 받아들이는 윈도우와 전하를 저장하는 스토리지 캐패시터(4)가 필수적이므로, 상기 윈도우(8)와 상기 스토리지 캐패시터(4)는 소정의 면적을 확보해야 한다. 또한, 더욱더 정확한 광 감지소자의 동작을 위해서는 빛을 받아들이는 윈도우(8)의 면적이 커야하고, 전하를 저장하는 스토리지 캐패시터(4)의 용량도 커야만 한다. 이를 위해서는 센서 박막 트랜지스터(6)와 스위칭 박막 트랜지스터(2)의 정해진 크기의 변동 없이 스토리지 캐패시터(4)와 윈도우(8)의 면적을 동시에 최대화 되도록 설계해야 한다.
그러나, 상술한 종래의 광 감지소자를 도 1과 같이 구성할 경우 윈도우를 통해 들어온 빛이 피사체에 반사되어 센서 박막 트랜지스터로 입사될 때, 센서 박막트랜지스터의 채널 부분의 크기가 작기 때문에 생성되는 광전류의 크기도 작다.
또한, 원활한 스위칭 동작을 하기 위해서는 스위칭 박막 트랜지스터의 크기 역시 커야한다. 따라서, 센서 박막 트랜지스터에서 많은 양의 광전류를 형성하기 위해서는 광원이 밝아야하고, 이로 인해 광 감지소자는 동작을 하기 위한 전력소비가 증가하는 단점이 있다. 따라서 광 감지소자에 사용되는 광원 선별의 주의가 요구된다.
그리고, 상기 센서 및 스위칭 박막 트랜지스터가 외부의 정전기나, 충격 및 공정상의 문제로 인해 작동을 하지 못하는 경우 제품으로서의 가치가 없어지기 때 문에 수율이 감소하는 단점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 박막 트랜지스터형 광감지소자에 있어서 센서 박막 트랜지스터에서 생성되는 광전류의 크기를 증가시켜 신호 대 잡음비(S/N)를 개선하는데 그 목적이 있다.
또한, 영상감지에 있어서 스토리지 캐패시터에 저장된 전하를 스위칭 하는 동작 속도를 개선하는데 그 목적이 있다.
그리고, 광 감지소자의 수율을 증가하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 빛을 발산하는 광원과; 상기 광원의 빛을 투과시키는 윈도우와; 상기 윈도우를 투과하여 피사체에 반사된 빛을 감지해서 광전류를 생성하는 복수개의 센서 박막 트랜지스터와; 상기 센서 박막 트랜지스터에 의해 생성된 광전류를 저장하는 스토리지 캐패시터와; 상기 스토리지 캐패시터에 저장된 전하를 제어하는 스위칭 박막 트랜지스터를 포함하는 박막 트랜지스터형 광 감지소자를 개시하고 있다.
또한, 본 발명에서는 기판과; 상기 기판 상에 형성된 센서 게이트 전극과, 복수개의 센서 반도체층과, 센서 드레인 전극 및 센서 소스 전극을 포함하는 센서 박막 트랜지스터와; 상기 기판 상에 형성되며, 투명의 제 1 스토리지 전극과, 상기 센서 소스 전극과 연결된 제 2 스토리지 전극과, 상기 제 1 스토리지 전극과 전기적으로 접촉하는 제 3 스토리지 전극과, 상기 제 1, 2, 3 스토리지 전극 사이에 각각 위치한 제 1, 2 절연막을 포함하는 스토리지 캐패시터와; 상기 기판 상에 형성 된 스위치 게이트 전극과, 스위치 반도체층과 상기 제 2 스토리지 전극과 연결된 스위치 드레인 전극과, 스위치 소스 전극을 포함하는 스위치 박막 트랜지스터를 포함하는 박막 트랜지스터형 광 감지소자에 관해 개시하고 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 구성과 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터형 광 감지소자에 관해 도시된 도면으로, 그 구성을 대략적으로 설명하면, 먼저, 센서 박막 트랜지스터(B, C)가 형성되어 있고, 상기 센서 박막 트랜지스터(B, C)와 연결된 스토리지 캐패시터(D)가 형성되어 있다. 그리고 상기 스토리지 캐패시터(D)와 연결된 스위칭 박막 트랜지스터(A)가 형성된다. 상기 센서 박막 트랜지스터(B, C)는 복수개의 반도체층(58a, 58b)으로 구성되어 있으며, 따라서 2배 또는 그 이상의 광전류를 생성할 수 있다.
상기 센서 박막 트랜지스터(B, C)는 센서 게이트 배선(50)과 상기 센서 게이트 배선(50)의 일측에 형성된 센서 게이트 전극(52)으로 구성된다. 특히, 상기 센서 게이트 전극(52) 상에는 복수개의 센서 반도체층(58a, 58b)이 형성되어 있으며, 상기 센서 반도체층(58a, 58b)의 일부와 오버랩되게 센서 드레인 전극(56)이 형성되어 있다. 상기 복수개의 센서 반도체층(58a, 58b)으로 인해 많은 양의 광전류를 생성할 수 있다.
상기 스토리지 캐패시터(D)는 제 1 스토리지 전극(74)과 제 2 스토리지 전극(76), 제 3 스토리지 전극(78)으로 구성되며, 상기 제 3 스토리지 전극(78)은 상기 제 1 스토리지 전극(74)과 콘택홀(80)을 통해 전기적으로 접촉하고 있다. 상기와 같이 구성된 스토리지 캐패시터는 실질적으로 면적이 커지는 효과로 인해, 상기 센서 박막 트랜지스터(B, C)에서 많은 양의 광전류가 생성되어도 충분히 저장할수 있을 뿐만 아니라, 신호대 잡음비(S/N)의 증가로 인한 정확한 영상처리가 가능해지는 장점도 있다. 또한 상기 스토리지 캐패시터(D)의 모든 전극(74, 76, 78)을 투명 전극으로 형성하여 윈도우의 역할을 하게끔 형성하면, 광원(미도시)의 빛을 투과시키는 면적 또한 증가함으로, 많은 양의 광전류가 상기 센서 박막 트랜지스터(B, C)에서 생성된다. 상기 투명 전극은 ITO, SnO2, ZnO2등이 사용될 수있으며 사용 목적에 따라 다른 종류의 투명전극을 사용할 수 있다(도 5 참조).
상기 스위칭 박막 트랜지스터는 스위치 게이트 배선(60)과 상기 스위치 게이트 배선(60)의 일측에 형성된 스위치 게이트 전극(62)으로 구성된다. 또한, 상기 스위치 게이트 전극(62) 상에는 스위치 반도체층(64)이 형성되어 있으며, 상기 스위치 반도체층(64)의 일부와 오버랩되게 스위치 소스 전극(68)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 제 2 스토리지 전극(76)과 전기적으로 접촉하는 스위치 드레인 전극(70)이 형성된다.
본 발명에 따른 박막 트랜지스터형 광 감지소자(200)의 기능을 정리하면, 상기 센서 박막 트랜지스터(B, C)에서 생성된 광전류는 상기 센서 소스 전극(72)을 통해 상기 제 2 스토리지 전극(76)으로 흐르게 되고, 상기 스토리지 캐패시터(D)에서 전하의 형태로 저장된다. 그리고, 상기 스토리지 캐패시터(D)에 저장된 전하는 상기 스위칭 박막 트랜지스터(A)의 스위칭 작용에 의해 상기 스위치 드레인 전극(70)을 통해 상기 스위치 소스 전극(68)으로 방출되어, 외부 구동회로(미도시)에서 제어된다.
도 3의 절단선 Ⅳ-Ⅳ'으로 자른 단면도인 도 4를 통해 단면의 구조를 설명하면 다음과 같다.
먼저 기판(1) 상에 제 1 금속층을 증착하고 패터닝하여 스위치 게이트 전극(62)과 센서 게이트 전극(52)을 형성한다. 그 후, 투명한 도전물질을 증착하고 패터닝하여 제 1 스토리지 전극(74)을 형성한다. 다음에, 기판(1) 상의 전면에 제 1 절연막(84)을 증착한다. 상기 제 1 절연막(84)은 게이트 절연막과 유전물질의 역할을 동시에 수행하고 있다.
상기 스위치 게이트 전극(62) 및 센서 게이트 전극(52) 상의 절연막(84)위에 스위치 및 센서 반도체층(64, 58a)을 형성한다. 여기서 복수로 형성되는 센서 반도체층(58a, 58b)의 일부(58b)는 도시되지 않았다.
다음에, 제 2 금속층을 증착하고 패터닝하여 스위치 소스/드레인 전극(68, 70) 및 센서 소스/드레인 전극(72, 56)을 형성한다.
또한, 상기 제 1 스토리지 전극(74) 상의 제 1 절연막(84) 상에 투명 도전물질의 제 2 스토리지 전극(76)을 형성한다. 상기 제 2 스토리지 전극(76)은 상기 스위치 드레인 전극(70) 및 상기 센서 소스 전극(72)과 전기적으로 접촉하고 있다.
다음 공정으로, 상기 제 2 금속층(68, 70, 72, 56) 및 제 2 스토리지 전극(76) 상부에 제 2 절연막(86)을 증착하는 단계로, 상기 제 2 절연막(86)은 이 미 형성된 상기 스위치 및 센서 반도체층(64, 58a, 58b)과 전술한 각각의 전극들의 보호 및 층간 절연막(inter layer insulator)의 역할을 하게된다.
이 후, 상기 스위치 반도체층(64) 상부의 제 2 절연막(86) 상에 제 3 금속층을 증착하고 패터닝하여 차광막(82)을 형성하는 단계로, 상기 차광막(82)은 광원(미도시)의 빛이 상기 스위치 반도체층(64)으로 입사되는 것을 방지하기 위함이다.
그리고, 상기 제 2 스토리지 전극(76) 상의 제 2 절연막(86) 상에 투명 도전물질의 제 3 스토리지 전극(78)을 형성하는 단계로, 상기 제 3 스토리지 전극(78)은 상기 제 1 스토리지 전극(74)과 전기적으로 접촉하고 있다. 도 5에 도시된 도면은 도 3의 절단선 Ⅴ-Ⅴ'으로 자른 단면도로서, 상기 제 1 스토리지 전극(74)과 제3 스토리지 전극(78)의 접촉을 도시한 도면이다. 즉, 다시 말해, 상기 제 1 스토리지 전극(74) 상부의 제 1 및 제 2 절연막을 관통하는 콘택홀(80)을 통해 상기 제 3스토리지 전극(78)과 접촉을 하고 있다.
최종적으로 상기 차광막(82) 및 상기 제 3 스토리지 전극(78) 상부의 기판(1) 상의 전면에 보호층(88)을 증착한다.
전술한 광 감지소자는 센서 박막 트랜지스터(B, C)를 복수개로 형성하여 광감지효율을 증대 시켰다.
또한, 스토리지 캐패시터(D)의 스토리지 전극(74,76,78)을 3단으로 설계하여, 충전용량을 증대시키는 한편, 상기 스토리지 캐패시터(D)의 모든 전극(74, 76, 78)을 투명 도전물질을 사용하여 형성함으로써, 윈도우 역할도 함께 수행하도록 하였다. 따라서 스토리지 캐패시터(D)의 면적이 빛을 투과시키는 윈도우가 됨으로써 빛을 투과시키는 면적 또한 증대되는 효과도 있다.
또한, 본 발명은 본 실시예에만 그치지 않고, 스위칭 박막 트랜지스더(A) 역시 복수개로 형성할 수 있다. 이에 따라서 스위칭 속도의 개선도 꾀할 수 있으며, 제작 공정상 임의의 박막 트랜지스터가 작동을 하지 못해도 다른 박막 트랜지스터에 의해 동작이 가능함으로 수율 향상에 기여할 수 있다.
또한, 종래의 광 감지소자(100)에도 제작 공정의 증가 없이 센서 및 스위칭 박막 트랜지스터(6, 2)를 복수개로 형성할 수도 있을 것이다.
상술한바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터형 광 감지소자를 제작할 경우 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 센서 박막 트랜지스터를 복수개로 형성함에 따라 많은 양의 광전류를 생성할 수 있는 장점이 있다.
둘째, 제작 공정의 증가 없이 복수개의 박막 트랜지스터를 형성할 수 있는 장점이 있다.
셋째, 복수개의 박막 트랜지스터를 광 감지소자에 형성할 경우, 임의의 박막 트랜지스터가 작동을 하지 않아도 다른 박막 트랜지스터에 의해 동작을 할 수 있기 때문에 수율 향상을 꾀할 수 있다.
넷째, 센서 박막 트랜지스터에서 생성되는 많은 양의 광전류로 인해 신호 대잡음비(S/N)가 증가하여 선명한 영상을 얻을 수 있는 장점이 있다.
다섯째, 스위칭 박막 트랜지스터 또한 복수개로 형성할 경우 큰 온 전류(on current)로 인해 스위칭 속도가 개선되는 장점이 있다.
여섯째, 스토리지 캐패시터의 모든 전극을 투명 도전물질로 형성함으로써, 상기 스토리지 캐패시터의 면적이 윈도우 면적이 되어 많은 양의 빛을 투과시킬 수 있기 때문에, 센서 박막 트랜지스터에서 많은 양의 광전류를 생성할 수 있는 장점이 있다.
Claims (9)
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- 기판과;상기 기판 상에 형성된 센서 게이트 전극과, 복수개의 센서 반도체층과, 센서 드레인 전극 및 센서 소스 전극을 포함하는 센서 박막 트랜지스터와;상기 기판 상에 형성되며, 투명의 제 1 스토리지 전극과, 상기 센서 소스 전극과 연결된 제 2 스토리지 전극과, 상기 제 1 스토리지 전극과 전기적으로 접촉하는 제 3 스토리지 전극과, 상기 제 1, 2, 3 스토리지 전극 사이에 각각 위치한 제 1, 2 절연막을 포함하는 스토리지 캐패시터와;상기 기판 상에 형성된 스위치 게이트 전극과, 복수개의 스위치 반도체층과 상기 제 2 스토리지 전극과 연결된 스위치 드레인 전극과, 스위치 소스 전극을 포함하는 스위치 박막 트랜지스터를 포함하는 박막 트랜지스터형 광 감지소자.
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- 청구항 5에 있어서,상기 투명의 제 1 내지 제 3 전극을 이루는 물질은, ITO와 TiO, SnO2로 구성된 집단에서 선택된 물질인 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터형 광 감지소자.
- 청구항 5에 있어서,상기 제 1 스토리지 전극과 상기 제 3 스토리지 전극은 상기 제 3 스토리지 전극 하부의 제 2 절연막 및 제 1 절연막을 수직으로 관통하여 상기 제 1 스토리지 전극 상부까지 형성된 콘택홀을 통해 전기적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터형 광 감지소자.
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