(57)【要約】【課題】スイッチング素子として酸化物半導体ＴＦＴを用いたＦＰＤ用イメージセンサを製造すると、光電変換素子であるａ−Ｓｉ  ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ  ｄｉｏｄｅ）を形成する際に、原料ガスに多量に含まれる水素が酸化物半導体に拡散し、ＴＦＴの特性が大幅に変動し、動作しない場合があった。【解決手段】酸化物半導体ＴＦＴ４００とａ−Ｓｉ  ＰＤ６００とを基板２００上にこの順序で形成したイメージセンサにおいて、酸化物半導体ＴＦＴ４００とＰＤ６００との間にガスバリア膜５２０を配置し、酸化物半導体ＴＦＴ４００のドレイン端子（ドレイン金属４５０）と、ＰＤ６００の１つの端子（下部電極６１０）とを、ＰＤ６００の上部に設けられた保護膜７１０上に形成された接続配線（ブリッジ配線７２０）を介して接続する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に順に積層した、酸化物半導体ＴＦＴを含むスイッチング素子と、
ガスバリア膜と、
アモルファスシリコンを用いたフォトダイオードを含む光電変換素子と、
保護膜とを備え、
前記光電変換素子を覆う保護膜上に配置され、前記スイッチング素子のドレイン電極及び前記光電変換素子の一つの端子を、コンタクトホールを介して、電気的に接続する接続配線と
を備えることを特徴とするイメージセンサ。
【請求項２】
前記コンタクトホールは、前記保護膜及び前記ガスバリア膜を貫通させて設けた第１のコンタクトホール、及び前記保護膜を貫通させて設けた第２のコンタクトホールを有し、
前記接続配線は、前記第１のコンタクトホールを介して、前記スイッチング素子のドレイン電極と接続し、前記第２のコンタクトホールを介して、前記光電変換素子の前記一つの端子と接続している
ことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記保護膜の前記第１のコンタクトホールの係る貫通孔の開口面積は、前記ガスバリア膜の前記第１のコンタクトホールに係る貫通孔の開口面積以上である
ことを特徴とする請求項２に記載のイメージセンサ。
【請求項４】
前記ガスバリア膜の前記第１のコンタクトホールの係る貫通孔の内面は、前記接続配線の一部と接している
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のイメージセンサ。
【請求項５】
前記光電変換素子は積層方向の上部に上部電極及び下部に下部電極を有し、
前記一つの端子は、前記下部電極又は前記上部電極である
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項６】
前記酸化物半導体ＴＦＴは、積層方向に離れて配置された２つのゲート電極を有する
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項７】
前記ガスバリア膜は有機絶縁膜である
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項８】
前記有機絶縁膜は、キシレンポリマー若しくはその誘導体、アクリル樹脂、又はエポキシ樹脂により形成されている
ことを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサ。
【請求項９】
前記ガスバリア膜は無機絶縁膜である
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項１０】
前記無機絶縁膜は、窒化シリコン膜又は酸化アルミニウムにより形成された膜である
ことを特徴とする請求項９に記載のイメージセンサ。
【請求項１１】
前記光電変換素子の前記下部電極は、前記ガスバリア膜と接するように設けられている
ことを特徴とする請求項９に記載のイメージセンサ。
【請求項１２】
前記ガスバリア膜の膜厚は１μｍ以上である
ことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項１３】
基板上に酸化物半導体ＴＦＴからなるスイッチング素子と、ガスバリア膜と、アモルファスシリコンを用いたフォトダイオードを含む光電変換素子とを、この順で積層する工程と、
前記光電変換素子を覆う保護膜を形成した後に、前記保護膜と前記ガスバリア膜にコンタクトホールを形成する工程と、
前記保護膜上に接続配線を形成し、前記コンタクトホールを介して、前記スイッチング素子のドレイン電極と前記光電変換素子の一つの端子とを、電気的に接続する工程とを含む
ことを特徴とするイメージセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イメージセンサに関し、例えばスイッチング素子として酸化物半導体を用いたイメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線の透過像により検体の内部を非破壊で検査する技術は、医療、工業用非破壊検査の分野などにおいて、欠くことのできない技術となっている。特にＸ線の透過像を電子データとして直接取り込むＦＰＤ（Ｆｌａｔ  Ｐａｎｅｌ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）は、撮影の迅速性、画像処理による読影補助などの理由から、広く用いられるようになった。このＦＰＤに用いられるイメージセンサは、特許文献１で開示されているように、少なくとも光電変換素子とスイッチング素子とを有する画素がアレイ状に配置された構造を有している。現在最も多く用いられているＸ線用イメージセンサでは、光電変換素子としてａ−Ｓｉ  ＰＤ  （Ｐｈｏｔｏ  ｄｉｏｄｅ）が用いられ、スイッチング素子としてａ−Ｓｉ  ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が用いられている。
【０００３】
近年、医療分野において、高精細なＸ線透視を行う手段（Ｘ線動画像の取得手段）が強く要望されている。それは、カテーテル治療などで、カテーテルの位置を正確に、リアルタイムに確認する必要があるためである。Ｘ線透視に多く用いられているＩ．Ｉ．（Ｉｍａｇｅ  Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｒ）では、原理的に十分な空間分解能が得られない。また、現行のＸ線用イメージセンサでは、高速動作が困難である。そのようなことから、Ｘ線用イメージセンサは、高いフレームレートで透視を行うのが困難であった。現行のＸ線用イメージセンサを高速に動作させることができない理由は、スイッチング素子であるａ−Ｓｉ  ＴＦＴの電流駆動能力が低いことに起因している。これに対し、スイッチング素子を高速動作させる手段として、スイッチング素子として酸化物半導体ＴＦＴを用いる方法が特許文献２に開示されている。ここで開示されている酸化物半導体とはＩｎ，Ｇａ，Ｚｎを含む非晶質酸化物などである。
【０００４】
しかし、イメージセンサの高速化を目的として、スイッチング素子に酸化物半導体によるＴＦＴを用いた場合、イメージセンサの製造時に酸化物半導体ＴＦＴの特性が大幅に変動するという問題が生ずる。この問題を発明者らが解析した結果、ａ−Ｓｉ  ＰＤを形成する際に用いる水素を多く含む原料ガスや、プロセスの温度により酸化物半導体が変質し、ＴＦＴの特性を変動させていることが判明した。
【０００５】
これに対し発明者らは、特許文献３において、酸化物半導体ＴＦＴとａ−Ｓｉ  ＰＤとの間に水素の透過を抑制するブロッキング層を配置する構造を提案している。同様の方法は、特許文献４においても開示されている。図２５は、従来の酸化物半導体ＴＦＴを用いたイメージセンサの構造を示した断面図である。図２５を用いて特許文献４で開示された例について説明する。この例では、酸化物半導体ＴＦＴ１１の上に水素バリア誘電体層３７が配置されている。コンタクトホールが前記水素バリア誘電体層３７に設けられている。このコンタクトホールを介して、酸化物半導体ＴＦＴ  １１のソース／ドレイン層１９と、感光素子３１のボトムダイオードコンタクト３２とが電気的に接続されている。ここでボトムダイオードコンタクト３２はＣｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｌ、ＮｄドープＡｌ、Ｔａまたはそれらの組み合わせを含む金属層である。水素バリア誘電体層３７は、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸化窒化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、窒化チタン、窒化タンタル、またはそれらの組み合わせを含む誘電体層である。このボトムダイオードコンタクト３２と水素バリア誘電体層３７とで、感光素子３１形成時の水素が酸化物半導体ＴＦＴ１１に拡散するのを防ぐとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平４−２０６５７３号公報
【特許文献２】特開２００６−１６５５３０号公報
【特許文献３】特開２０１５−９０９５７号公報
【特許文献４】特開２０１５−１７０８５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、発明者らは、ａ−Ｓｉ  ＰＤの原料ガスに含まれる水素による酸化物半導体の拡散と、それに伴う酸化物半導体ＴＦＴの特性変動に関して、詳細な実験を行った結果、特許文献４で開示された構造では、酸化物半導体ＴＦＴの特性変動を十分に抑制すことは困難であることを見出した。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、基板上に酸化物半導体ＴＦＴからなるスイッチング素子と、ａ−Ｓｉ  ＰＤを積層したイメージセンサにおいて、ａ−Ｓｉ層を積層する際に、その原料ガスに含まれる水素が酸化物半導体層に拡散し、酸化物半導体ＴＦＴの特性が変動するのを抑制するイメージセンサの構造及びその製造方法を提供し、高精細、高フレームレートのＦＰＤを実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示の一側面のイメージセンサは、基板上に順に積層した、酸化物半導体ＴＦＴを含むスイッチング素子と、ガスバリア膜と、アモルファスシリコンを用いたフォトダイオードを含む光電変換素子と、保護膜とを備え、前記光電変換素子を覆う保護膜上に配置され、前記スイッチング素子のドレイン電極及び前記光電変換素子の一つの端子を、コンタクトホールを介して、電気的に接続する接続配線とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の一側面によれば、酸化物半導体ＴＦＴの特性が変動するのを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態１に係わるイメージセンサの構成を示した回路図である。
【図２】実施形態１に係わるイメージセンサの１画素の回路構成を示した回路図である。
【図３】実施形態１に係わるイメージセンサの１画素のレイアウト図である。
【図４】実施形態１に係わるイメージセンサの構造を示した断面図である。
【図５】ガスバリア膜を設けない構造での酸化物半導体ＴＦＴの特性をａ−Ｓｉ  ＰＤ形成前後で比較したグラフである。
【図６】実施形態１に係わるイメージセンサにおける酸化物半導体ＴＦＴの特性をａ−Ｓｉ  ＰＤの形成前後で比較したグラフである。
【図７】水素プラズマ環境下での酸化物半導体ＴＦＴの閾値電圧の変動量を、ガスバリア膜の膜厚を変えて評価した結果のグラフである。
【図８】ガスバリア膜として金属を用いた場合の、酸化物半導体ＴＦＴの特性をａ−ｓｉ  ＰＤ形成後に評価した結果を示すグラフである。
【図９】実施形態２に係わるイメージセンサの構成を示した回路図である。
【図１０】実施形態２に係わるイメージセンサの１画素の回路構成を示した回路図である。
【図１１】実施形態２に係わるイメージセンサの１画素のレイアウト図である。
【図１２】実施形態２に係わるイメージセンサの構造を示した断面図である。
【図１３】実施形態２に係わるイメージセンサの酸化物半導体ＴＦＴの特性を、第２のゲート電圧を変化させ評価した結果を示すグラフである。
【図１４】実施例１に係わるイメージセンサの製造過程を示す断面図である。
【図１５】実施例１に係わるイメージセンサの製造過程を示す断面図である。
【図１６】実施例１に係わるイメージセンサの製造過程を示す断面図である。
【図１７】実施例１に係わるイメージセンサの製造過程を示す断面図である。
【図１８】実施例１に係わるイメージセンサの製造過程を示す断面図である。
【図１９】実施例１に係わるイメージセンサの製造過程を示す断面図である。
【図２０】実施例１に係わるイメージセンサの構造を示した断面図である。
【図２１】実施例１に係わるイメージセンサの構造を示した断面図である。
【図２２】実施例２に係わるイメージセンサの１画素の回路構成を示した回路図である。
【図２３】実施例２に係わるイメージセンサの１画素のレイアウト図である。
【図２４】実施例２に係わるイメージセンサの構造を示した断面図である。
【図２５】従来の酸化物半導体ＴＦＴを用いたイメージセンサの構造を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
[実施形態１]
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面における各構成要素の大きさや縮尺は、図の視認性を確保するために適宜変更して記載している。また、各図面におけるハッチングは、各構成要素を区別するためのものであり、必ずしも切断面を意味するものではない。
【００１３】
図１は、実施形態１に係わるイメージセンサ１００の構成を示した回路図である。簡略化のため、ここでは５行５列の画素配置の場合について示した。イメージセンサ１００は、基板２００上に、縦、横に配置された信号線（Ｓ１〜Ｓ５）、ゲート線（Ｇ１〜Ｇ５）を有する。イメージセンサ１００は、信号線（Ｓ１〜Ｓ５）、ゲート線（Ｇ１〜Ｇ５）で区画された画素３００を有する。画素３００は、マトリクス状に配置されている。各画素にはスイッチング素子であるＴＦＴ４００、光電変換素子であるＰＤ６００が少なくとも配置される。ＴＦＴ４００のゲート端子は、画素行毎に共通のゲート線に接続される。ソース端子は、画素列毎に共通の信号線に接続される。そしてＴＦＴ４００のドレイン端子は、ＰＤ６００の一つの端子に接続される。ＰＤ６００のもう一方の端子は、全ての画素に共通のＢＩＡＳ配線（ＢＩＡＳ）に接続される。信号線、ゲート線、ＢＩＡＳ配線は、基板２００の端部に設けられた端子９００を介して外部回路に接続される。
【００１４】
図２は、実施形態１に係わるイメージセンサ１００の１画素の回路構成を示した回路図である。ここに示した例では、ＴＦＴ４００のドレイン端子は、ＰＤ６００のカソード端子に接続される。ＰＤ６００のアノード端子は、ＢＩＡＳ配線に接続される。
【００１５】
図３は、実施形態１に係わるイメージセンサ１００の１画素のレイアウト図である。ここでは、逆スタガ型のＴＦＴを用いる例を示している。図中４１０はＴＦＴのゲート及びゲート配線を形成するゲート金属のパターンである。４３０はＴＦＴの半導体層、４４０はＴＦＴのソース端子を形成するソース／ドレイン金属のパターンである。４５０はＴＦＴのドレイン端子を形成するソース／ドレイン金属のパターンを示している。６１０はＰＤ６００の下部電極金属のパターンである。６５０はＰＤ６００の上部金属のパターンである。この例では、下部電極６１０がＰＤ６００のカソード端子となる。上部電極６５０がアノード端子となる。７２０はブリッジ配線を形成する金属のパターンである。７３０は信号線を形成する金属のパターンである。ブリッジ配線７２０は、ＴＦＴのドレイン端子とＰＤ６００の下部電極６１０とを電気的に接続する。７４０はＢＩＡＳ配線を形成する金属のパターンである。この例では、ブリッジ配線、ＢＩＡＳ配線、信号線は同じ金属層で形成される。８１１、８１２、８１３、８１４は、ブリッジ配線、ＢＩＡＳ配線、信号線が、他の金属層と電気的に接続するためのコンタクトホールを示している。
【００１６】
図４は、実施形態１に係わるイメージセンサ１００の構造を示した断面図（図３中に示したＩＶ−ＩＶ断面線による断面）である。本発明の実施形態１に係わるイメージセンサ１００は、基板２００の上にＴＦＴ４００及びＰＤ６００、並びに第１層間膜５１０、ガスバリア膜５２０及び第２層間膜５３０を有している。ＴＦＴ４００は、ゲート４１０を形成する金属、ゲート絶縁膜４２０、半導体層４３０、ソース／ドレイン金属４４０、４５０で形成されている。ＰＤ６００は、下部電極６１０、ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｎ型水素化アモルファスシリコン）６２０、ｉ−ａ−Ｓｉ：Ｈ（真性水素化アモルファスシリコン）６３０、ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｐ型水素化アモルファスシリコン）６４０、上部電極６５０で形成されている。第１層間膜５１０、ガスバリア膜５２０、第２層間膜５３０は、ＴＦＴ４００とＰＤ６００との間に配置されている。ＰＤ６００の上部及び側壁を覆うように保護膜７１０が積層されている。その上に、信号線７３０、ＢＩＡＳ配線７４０、ブリッジ配線７２０が形成される。信号線７３０、ＢＩＡＳ配線７４０、ブリッジ配線７２０は、金属で形成される。ＴＦＴ４００のドレイン金属４５０とＰＤ６００の下部電極６１０とは、ブリッジ配線７２０により電気的に接続されている。ドレイン金属４５０とブリッジ配線７２０とは、第１のコンタクトホールを介して、電気的に接続されている。第１のコンタクトホールは、第１層間膜５１０、ガスバリア膜５２０、第２層間膜５３０、保護膜７１０に形成されている。また、下部電極６１０とブリッジ配線７２０とは、第２のコンタクトホールを介して、電気的に接続されている。第２のコンタクトホールは、保護膜７１０に形成されている。ブリッジ配線７２０の一部は、保護膜７１０の上に形成されている。
【００１７】
図４に示すように、保護膜７１０に形成されている第１のコンタクトホールに係る貫通孔の開口面積は、ガスバリア膜５２０に形成されている第１のコンタクトホールに係る貫通孔の開口面積以上となっている。後述するように、第１のコンタクトホールの開口はＰＤ６００を覆う保護膜７１０を形成した後に行うため、第１のコンタクトホールの断面形状は、一般に垂直形状ないし順テーパ形状、もしくは階段形状とする必要がある。すなわち、この部分での保護膜７１０の貫通孔の開口面積はガスバリア膜の貫通孔の開口面積以上となる。これにより、第１のコンタクトホールを形成した後に、ブリッジ配線７２０を形成する際の段切れを防止することが可能となる。
【００１８】
また、図４に示すように、第１のコンタクトホールにおいて、ブリッジ配線７２０の一部は、ガスバリア膜５２０の貫通孔の内面と直接接している。したがって、ガスバリア膜５２０の貫通孔は、保護膜７１０とは接していない。上記と同様に、第１のコンタクトホールは、保護膜７１０を形成した後に開口するからである。
【００１９】
実施形態１係わるイメージセンサ１００は、基板上に順に積層した、酸化物半導体ＴＦＴを含むスイッチング素子を備える。スイッチング素子は、例えば、ＴＦＴ４００である。ＴＦＴ４００の上側には、ガスバリア膜５２０が積層されている。ガスバリア膜５２０の上側には、アモルファスシリコンを用いたフォトダイオードを含む光電変換素子が積層されている。光電変換素子は、例えば、ＰＤ６００である。ＰＤ６００の上面には、保護膜７１０が積層されている。また、イメージセンサ１００は、ＰＤ６００を覆う保護膜７１０上に配置され、ＴＦＴ４００のドレイン電極及びＰＤ６００の一つの端子を、コンタクトホールを介して、電気的に接続する接続配線を備える。コンタクトホールは例えば、第１のコンタクトホール、第２のコンタクトホールである。接続配線は、例えば、ブリッジ配線７２０である。ＰＤ６００の一つの端子は、例えば、下部電極６１０である。
【００２０】
実施形態１に係わるイメージセンサ１００では、基板２００としてガラス等の絶縁基板を用いることができる。またスイッチング素子であるＴＦＴ４００を形成する半導体層４３０には、酸化物半導体を用いることができる。この酸化物半導体は、例えばＩｎ、Ｇａ、Ｚｎを含む。ＰＤ６００を形成するｉ−ａ−Ｓｉ：Ｈ６３０の膜厚は、量子効率を向上させるために１μｍ程度の膜厚であることが望ましい。
【００２１】
実施形態１に係わるイメージセンサ１００では、第１層間膜５１０、ガスバリア膜５２０、第２層間膜５３０にコンタクトホールを形成するのは、ＰＤ６００を成膜、形成し、その上部に保護膜７１０を成膜した後である。ガスバリア膜５２０は、例えば、有機絶縁膜である。ガスバリア膜５２０には、ｐ−キシレンポリマー、ｍ−キシレンポリマー等のキシレンポリマーおよびその誘導体、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などの絶縁膜を用いることができる。ガスバリア膜５２０の膜厚は１μｍ以上であることが望ましい。
【００２２】
また、図示していないが、信号線７３０、ブリッジ配線７２０、ＢＩＡＳ配線７４０の上にＸ線を可視光に変換するシンチレータを配置する。シンチレータの下部には、素子の保護、表面の平坦化を目的とした平坦化膜を形成してもよい。
【００２３】
実施形態１に係わるイメージセンサ１００では、高精細で、且つ高いフレームレートでのＸ線透視をおこなうことが可能となる。その理由について以下に説明する。
【００２４】
高精細なＸ線透過像を得るにはＩ．Ｉ．に変わりＦＰＤを用いれば良い。しかし、従来のＦＰＤに用いられているイメージセンサでは、スイッチング素子にａ−Ｓｉ  ＴＦＴを用いていた。そのため、高いフレームレートで動作させることは困難であった。高いフレームレートを得る目的でＴＦＴに酸化物半導体と用いると、ａ−Ｓｉ  ＰＤ形成時に酸化物半導体ＴＦＴの特性が変動することがある。ＴＦＴの特性の変動により、イメージセンサが、異常動作を起こすことがあった。実施形態１に係わるイメージセンサでは、酸化物半導体ＴＦＴとＰＤの間にガスバリア膜を配置している。それにより、ＰＤにａ−Ｓｉを用いても、ＴＦＴの特性変動を抑制できる。そのため、イメージセンサを高いフレームレートで動作させることが可能となる。
【００２５】
図５は、ガスバリア膜を設けない構造での酸化物半導体ＴＦＴの特性をａ−Ｓｉ  ＰＤの形成前後で比較したグラフである。横軸はゲート電圧である。横軸の単位はボルト（Ｖ）である。縦軸はドレイン電流である。縦軸の単位は、任意単位（ａ．ｕ．）である。点線は、ａ−Ｓｉ  ＰＤ形成前の酸化物半導体ＴＦＴのＩｄ−Ｖｇ特性（ドレイン電流のゲート電圧依存性）である。実線は、ａ−Ｓｉ  ＰＤ形成後の酸化物半導体ＴＦＴのＩｄ−Ｖｇ特性である。ａ−Ｓｉ  ＰＤ形成後に、酸化物半導体ＴＦＴの閾値電圧が大幅に変動し、ＴＦＴがＯＮ−ＯＦＦ動作を示していない。
【００２６】
図６は、実施形態１に係わるイメージセンサにおける酸化物半導体ＴＦＴの特性をａ−Ｓｉ  ＰＤの形成前後で比較したグラフである。横軸はゲート電圧である。横軸の単位はボルト（Ｖ）である。縦軸はドレイン電流である。縦軸の単位は、任意単位（ａ．ｕ．）である。点線は、ａ−Ｓｉ  ＰＤ形成前のＩｄ−Ｖｇ特性である。実線は、形成後の特性である。ここでは、ガスバリア膜としてｐ−キシレンポリマーを用いている。この図から明らかなように、イメージセンサの構造では、スイッチング素子として酸化物半導体ＴＦＴを用い、光電変換素子としてａ−Ｓｉ  ＰＤを用いても、酸化物半導体ＴＦＴの特性劣化が大幅に抑制されている。
【００２７】
図７は、水素プラズマ環境下での酸化物半導体ＴＦＴの閾値電圧の変動量を、ガスバリア膜の膜厚を変えて評価した結果のグラフである。評価は、ａ−Ｓｉ：Ｈ薄膜成膜時と同等の条件となるように水素プラズマを発生させ、ガスバリア膜付の酸化物半導体ＴＦＴを水素プラズマに晒し、その前後でＴＦＴ特性を測定した結果である。図７のグラフ横軸は、ガスバリア膜の膜厚である。横軸の単位はμｍである。ガスバリア膜はｐ−キシレンポリマーを用いている。縦軸は水素プラズマにサンプルを晒す前後でのＴＦＴ閾値電圧の変化量を示している。縦軸の単位は、ボルト（Ｖ）である。図から明らかなように、膜厚１μｍ以上であれば、ＴＦＴの特性変化を大幅に抑制することが可能であることがわかる。
【００２８】
さらに、ガスバリア膜として、金属を用いることが可能かを確かめる目的として、Ｃｒ、ＩＴＯを用い同様の評価を実施した。図８は、ガスバリア膜として金属を用いた場合の、酸化物半導体ＴＦＴの特性をａ−Ｓｉ  ＰＤ形成後に評価した結果を示すグラフである。横軸はゲート電圧である。横軸の単位はボルト（Ｖ）である。縦軸はドレイン電流である。縦軸の単位は任意単位（ａ．ｕ．）である。ここでは、ガスバリア膜として膜厚５０ｎｍのＣｒを用いた際の、水素プラズマ環境下に放置後の酸化物半導体ＴＦＴのＩｄ−Ｖｇ特性を示している。このように、閾値電圧が大幅に変動し、ＴＦＴがＯＮ−ＯＦＦ動作を示していない。ガスバリア膜としてＩＴＯを用いた実験でも同様の結果となった。もし、ガスバリア膜であるＣｒの膜厚を大幅に厚膜化した場合は、抑制効果が得られる可能性もある。しかし、金属層を厚膜化すると、ガラス基板や、ＳｉＯｘ（酸化シリコン）等の絶縁膜との熱膨張係数の差から応力が発生し、膜剥がれ等が懸念される。したがって、ガスバリア膜として金属を用いるのは適していない。以上の実験結果をもとに発明者らが考察を行った結果、以下のような結論に至った。
【００２９】
高精細なＦＰＤでは、十分なＳ／Ｎ比を確保するために、ａ−Ｓｉ  ＰＤのｉ−ａ−Ｓｉ：Ｈ層の厚さを１μｍ程度にするのが望ましい。しかし、１μｍの膜厚のｉ−ａ−Ｓｉ：Ｈ層を成膜にするには、長い成膜時間が必要となる。さらに、ａ−Ｓｉ層のダングリングボンドを低減させるために、原料ガスに大量の水素を導入する必要もある。このような環境下では、ａ−Ｓｉ：Ｈ層成膜時に、水素が酸化物半導体層に拡散してしまう。
【００３０】
しかしながら、実施形態１に係わるイメージセンサでは、酸化物半導体ＴＦＴ４００とＰＤ６００の間にガスバリア膜５２０を配置し、ＰＤ６００の形成が終わる段階まで、ガスバリア膜５２０にコンタクトホール等を形成しない構造である。そのため、ガスバリア膜５２０が水素の拡散を大幅に抑制することが可能となる。さらに、ａ−Ｓｉ：Ｈ成膜時に、ガスバリア膜５２０にコンタクトホールが形成されていないため、水素の拡散を抑制する効果が基板全域において均一に得られる。そのため、膜厚の厚いａ−Ｓｉ：Ｈを積層しても酸化物半導体が変質するのを防ぎ、ＴＦＴ４００の特性変動を抑えることができるのである。そして、ガスバリア膜５２０としては、金属は不適当であり、十分な厚膜を積層可能な絶縁膜が適している。そのなかでも、ｐ−キシレンポリマー、ｍ−キシレンポリマー等のキシレンポリマーおよびその誘導体、アクリル樹脂、エポキシ樹脂が好適である。
【００３１】
[実施形態２]
図９は、実施形態２に係わるイメージセンサ１００の構成を示した回路図である。実施形態１と異なるのは、スイッチング素子であるＴＦＴ４００として、半導体層４３０の上下に、絶縁膜を介して２つのゲート電極が配置されるデュアルゲート構造ＴＦＴを用いることである。ＴＦＴには、第１のゲートと、第２のゲートが存在する。第１のゲートはゲート線（Ｇ１〜Ｇ５）に接続される。第２のゲートはＴＧＢ配線（ＴＧＢ）に接続される。ＴＧＢ配線は、イメージセンサ１００の全ての画素で共通である。ＴＧＢ配線は、端子９００を介して外部回路に接続される。
【００３２】
図１０は、実施形態２に係わるイメージセンサ１００の１画素の回路構成を示した回路図である。既に説明したとおり、ＴＦＴ４００の第２のゲートがＴＧＢ配線に接続されていること以外は、実施形態１に係わるイメージセンサ１００の画素の回路構成と同じである。ここでは、ＴＦＴ４００として逆スタガ型のデュアルゲート構造を用いる例を示している。第１のゲートが図１０中のＢＧであり、第２のゲートが図１０中のＴＧである。
【００３３】
図１１は、実施形態２に係わるイメージセンサ１００の１画素のレイアウト図である。図１２は、実施形態２に係わるイメージセンサ１００の構造を示した断面図（図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ断面線による断面）である。実施形態１に係わるイメージセンサ１００との違いは、ガスバリア膜５２０と第１層間膜５１０の間に第２のゲート４６０を形成する金属が配置されていることである。
【００３４】
実施形態２に係わるイメージセンサ１００では、ＴＦＴ４００の第２のゲート４６０に第１のゲートに印加される電圧とは異なる電圧を印加する。例えば、全ての画素のＴＦＴ４００に対して共通のＤＣ電圧を印加する。
【００３５】
実施形態２に係わるイメージセンサ１００では、実施形態１に係わるイメージセンサ１００と同様に、高精細で、且つ高いフレームレートでのＸ線透視をおこなうことが可能となる。それに加えて、イメージセンサの歩留りを向上させることが可能となる。さらに信頼性を向上させることも可能となる。以下その理由について説明する。
【００３６】
実施形態２に係わるイメージセンサ１００で、高精細で、且つ高いフレームレートでのＸ線透視をおこなうことが可能となる理由は、実施形態１に係わるイメージセンサ１００と同様の理由である。
【００３７】
実施形態２に係わるイメージセンサ１００では、歩留りの向上が可能となる理由は、第２のゲート４６０に電圧を印加することで、ＴＦＴ４００の閾値電圧を制御することが可能となるからである。図６に示したように、実施形態１に係わるイメージセンサ１００では、ガスバリア膜５２０を設けることにより、酸化物半導体ＴＦＴ４００の閾値電圧変動を大幅に抑制することが可能となる。しかし、図６を見て明らかなように、ａ−Ｓｉ  ＰＤ形成の前後で、酸化物半導体ＴＦＴ４００の閾値電圧変動を完全に抑制することはできていない。ＴＦＴ４００の閾値電圧は、ａ−Ｓｉ  ＰＤ６００形成時以外の製造プロセス過程においても、様々な要因で変動する。それら変動の合計により、最終的に完成したイメージセンサ１００のＴＦＴ４００の特性が、イメージセンサ１００の駆動電圧範囲を逸脱してしまう可能性も出てくる。図１３は、実施形態２に係わるイメージセンサ１００の酸化物半導体ＴＦＴ４００の特性を、第２のゲート電圧を変化させ評価した結果を示すグラフである。横軸は第１のゲート電圧である。横軸の単位はボルト（Ｖ）である。縦軸はドレイン電流である。縦軸の単位は任意単位（ａ．ｕ．）である。一点鎖線は、第２のゲート４６０に＋５Ｖを印加した際の特性である。実線、破線は、それぞれ第２のゲート４６０に０Ｖ、−５Ｖを印加した際の特性である。この図から明らかなように、第２のゲート４６０に印加する電圧を変えることで、ＴＦＴ４００の閾値電圧を制御することが可能である。従って、実施形態２に係わるイメージセンサ１００では、製造プロセスの過程で想定以上のＴＦＴ４００の閾値電圧変動が生じた場合でも、第２のゲート電極に印加する電圧を調整することでＴＦＴ４００の閾値電圧を制御することができる。それにより、適切な駆動電圧でＴＦＴ４００を動作させることが可能となる。よって、イメージセンサ１００の歩留りが向上するのである。
【００３８】
補足として説明すると、ここで言う駆動電圧範囲とは、ＴＦＴ４００の第１のゲートに印加するパルス波形の電圧振幅である。その振幅の電圧は可能な限り小さいことが望ましい。ＴＦＴ４００の第１のゲートにパルス波形を印加すると、その電圧振幅に応じて、ＰＤ６００および信号線に電荷ノイズが発生する。これは、第１のゲート及びゲート配線と、ＰＤ６００あるいは信号線とが寄生容量を介して電気的に接続されているからである。特に信号線に加えられた電荷ノイズは、ＰＤ６００の信号電荷と分離することが困難である。電荷ノイズは、イメージセンサ１００のＳ／Ｎ比を悪化させる。そのため、駆動電圧範囲は可能な限り小さく設定するのが望ましい。実施形態２のイメージセンサ１００では、イメージセンサ１００作製後にＴＦＴ４００の閾値電圧を調整することが可能となるので、駆動電圧範囲を小さく設定することにも寄与し、高Ｓ／Ｎ化にも貢献する。
【００３９】
また、イメージセンサを長い期間使用すると、ＴＦＴの閾値電圧が電気的ストレスなどにより変動する。しかし本発明のイメージセンサ１００では、第２のゲート４６０に印加する電圧を調整することで、ＴＦＴ４００の閾値電圧の変動分をキャンセルさせることが可能となる。従って、信頼性が向上するのである。
【００４０】
イメージセンサ１００は、積層方向に離れて配置された２つのゲート電極を有する。２つのゲート電極は、例えば、第１のゲートを構成する電極と、第２のゲート４６０を構成する電極である。
【００４１】
[実施例１]
実施形態１に係わるイメージセンサ１００の製造方法の１実施例について説明する。図１４から図１９は、実施例１に係わるイメージセンサ１００の製造過程を示す断面図である。図２０及び図２１は、実施例１に係わるイメージセンサ１００の構造を示した断面図である。図１４は、実施例１に係わるイメージセンサ１００の製造プロセスで、ガスバリア膜５２０まで成膜した段階の断面図を示している。イメージセンサ１００は、基板２００としてガラス基板を用いることができる。ただし、ガラス基板に限定されるわけでは無い。基板２００として、耐熱性を有した樹脂基板、表面をＳｉＯｘやＳｉＮｘ（窒化シリコン）でコーティングした金属基板なども用いることができる。そのガラス基板２００上に、ＴＦＴ４００のゲート及びゲート配線４１０となる金属としてＡｌを成膜、パターニングする。Ａｌ以外にも、Ｃｒ、ＩＴＯ、Ｗおよびそれらの合金等を用いることができる。その上にゲート絶縁膜４２０としてＳｉＯｘを積層する。ゲート絶縁膜４２０には、ＳｉＯｘの他にＳｉＮｘおよびＳｉＯｘとＳｉＮｘの積層膜を用いることができる。次に、半導体層４３０として、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎを含有した酸化物半導体層を積層、パターニングする。その後、ソース／ドレイン金属４４０、４５０としてＡｌを積層、パターニングする。ソース／ドレイン金属４４０、４５０には、Ａｌ以外にもＣｒおよびそれらの合金を用いることができる。また図示していないが、ソース／ドレイン金属４４０、４５０を積層する前に、酸化物半導体層でＴＦＴ４００のチャネルとなる部分にＳｉＯｘ等の絶縁膜を成膜パターニングしてもよい。このＴＦＴ４００のチャネル部に絶縁膜パターンを配置する構造のことをチャネル保護型ＴＦＴと呼び、図１４で示したように、絶縁膜パターンを配置しない構造のことをチャネルエッチ型ＴＦＴと呼ぶことがある。実施例１に係わるイメージセンサ１００では、何れの構造も用いることができる。次に、ソース／ドレイン金属４４０、４５０の上に第１層間膜５１０としてＳｉＯｘを積層する。第１層間膜５１０には、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘとＳｉＮｘの積層膜を用いることもできる。そして第１層間膜５１０の上にガスバリア膜５２０としてｐ−キシレンポリマーを積層する。ガスバリア膜５２０には、ｍ−キシレンポリマー等のキシレンポリマーおよびその誘導体、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などを用いることもできる。ガスバリア膜５２０には、前記有機絶縁膜以外に無機絶縁膜も用いることができる。無機絶縁膜は、例えばＳｉＮｘや、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）により形成された膜である。この場合も膜厚は１μｍ以上が望ましい。ただし、ＳｉＮｘを積層する際には、原料ガスに含まれる水素を減らす必要がある。例えばＳｉＦ４、Ｎ２ガスを用いたプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）で成膜可能である。発明者らの実験結果に因れば、無機絶縁膜であるＳｉＯｘは水素ガスの拡散を抑制する効果は殆ど得られず、ガスバリア膜としては適していない。
【００４２】
図１５に示すように、ガスバリア膜５２０の上に、第２層間膜５３０としてＳｉＯｘを積層する。第２層間膜５３０は、ガスバリア膜５２０とＰＤの下部電極６１０との密着性を向上させる目的のために積層するものである。第２層間膜５３０に用いる材料は、ガスバリア膜５２０の種類と下部電極６１０の金属に応じて適切なものを選択する。あるいは第２層間膜５３０を積層する必要が無い場合も有る。第２層間膜５３０の上に、ＰＤ６００の下部電極６１０としてＣｒを積層する。下部電極６１０には、Ｃｒ以外にもＡｌ、ＩＴＯ等を用いることができる。下部電極６１０の上に、ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ６２０、ｉ−ａ−Ｓｉ：Ｈ６３０、ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ６４０を積層する。これら３つの層は、プラズマＣＶＤで連続成膜するのが望ましい。さらに、ｉ−ａ−Ｓｉ：Ｈの膜厚は１μｍ程度であることが、量子効率の観点から望ましい。その上に、ＰＤの上部電極６５０としてＩＴＯを積層する。上部電極６５０には、ＩＴＯ以外にもＺｎＯなどの透明導電膜を用いることもできる。
【００４３】
次に、図１６に示すように、ＰＤ６００をパターニングする。この例では、ＰＤ６００を構成する上部電極６５０、ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ６４０、ｉ−ａ−Ｓｉ：Ｈ６３０、ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ６２０を同一形状でパターニング、その後、下部電極６１０をパターニングしている。
【００４４】
その後、図１７に示すように、保護膜７１０としてＳｉＮｘを積層する。保護膜７１０には、ＳｉＮｘの他に、ＳｉＯｘ、アクリル樹脂およびそれらの積層膜を用いることができる。
【００４５】
図１８に示すように、保護膜７１０及び、第２層間膜５３０、ガスバリア膜５２０、第１層間膜５１０にコンタクトホール８１１、８１２、８１３を形成する。これら保護膜、複数の層間膜、ガスバリア膜にコンタクトホールを形成するには、１回のフォトリソグラフィー工程で行うことが困難な場合も有り、異なる大きさのコンタクトホールを複数回のフォトリソグラフィー工程で形成してもよい。
【００４６】
その後、図１９に示すように、ブリッジ配線７２０、ＢＩＡＳ配線７４０、そして図示していないが、信号線となる金属としてＡｌを成膜、パターニングする。Ａｌ以外にも比抵抗の小さいＡｌ合金なども用いることが可能である。また、実施例１に係わるイメージセンサでは、ブリッジ配線、ＢＩＡＳ配線、信号線を形成する金属は、ソース／ドレイン金属、ＰＤ６００の下部電極６１０を形成する金属、ＰＤ６００の上部電極６５０を形成する金属と電気的に接続する必要が有る。ソース／ドレイン金属、ＰＤ６００の下部電極６１０を形成する金属、ＰＤ６００の上部電極６５０を形成する金属は異なる材料を用いることも可能である。そのため、図２０に示すように、複数の異なる金属と電気的に接続をとる目的で、ブリッジ配線、ＢＩＡＳ配線、信号線を形成する金属を、２種類以上の異なる金属層の積層膜としても良い。ただし、積層される金属層の一つには、ＡｌやＡｌ合金等の比抵抗の小さい金属を用いるのが望ましい。その理由は、信号線、ＢＩＡＳ配線の時定数が、ＰＤ６００の信号読み取り速度に影響を与えるからである。
【００４７】
既に説明したとおり、第２層間膜５３０は、ガスバリア膜５２０の種類、ＰＤ６００の下部電極６１０の種類の組み合わせにより必ずしも設ける必要は無い。第２層間膜５３０を設けない場合の断面構造は、図２１のようになる。図２１に示すイメージセンサ１００は、第２層間膜５３０が設けられていないので、下部電極６１０はガスバリア膜５２０と接するように設けられている。
【００４８】
実施例１に係わるイメージセンサ１００では、原料ガスとして多量の水素を含むａ−Ｓｉ：Ｈを成膜する際に、ガスバリア膜５２０にコンタクトホールが形成されていない。従って、基板全域で均一に、水素ガスが酸化物半導体層へ拡散するのを抑制することが可能となる。結果として、酸化物半導体ＴＦＴ４００の特性変動を抑制でき、イメージセンサを高速に動作させることができる。
【００４９】
以上は、実施形態１に係わるイメージセンサ１００を製造する一実施例を示したものであるが、実施形態２に係わるイメージセンサ１００を製造するには、ガスバリア膜５２０を成膜する前に、第２のゲート４６０となる金属としてＣｒ、Ａｌ、ＩＴＯ等の金属を成膜、パターニングすれば良い。
【００５０】
[実施例２]
図２２は、実施例２に係わるイメージセンサ１００の１画素の回路構成を示した回路図である。各画素が、スイッチング素子であるＴＦＴ４００と光電変換素子であるＰＤ６００で構成されることは同じであるが、ＴＦＴ４００とＰＤ６００の接続方法が異なる。実施例２におけるイメージセンサでは、ＴＦＴ４００のドレイン端子がＰＤ６００のアノード端子と接続される。
【００５１】
図２３は、実施例２に係わるイメージセンサ１００の１画素のレイアウト図である。ＴＦＴ４００のドレイン金属４５０は、コンタクトホール８１１を介しブリッジ配線７２０に接続される。さらにブリッジ配線７２０は、コンタクトホール８１３を介してＰＤ６００の上部電極６５０に接続される。実施例２では、上部電極６５０がＰＤ６００のアノード端子となるので、ＴＦＴ４００のドレイン端子がＰＤ６００のアノード端子と接続されることになる。上述したように、ＰＤ６００はイメージセンサ１００が備える光電変換素子の一例である。そして、光電変換素子の一つの端子は、例えば、実施例２に係る上部電極６５０である。
【００５２】
図２４は、実施例２に係わるイメージセンサ１００の構造を示した断面図（図２３におけるＸＸＩＶ−ＸＸＩＶ断面線による断面）である。ガスバリア膜５２０より下（ガスバリア膜５２０よりも基板側に近い位置）の構造は、実施形態１のイメージセンサ１００と同じであるが、既に説明したとおり、ＴＦＴ４００のドレイン金属４５０がブリッジ配線７２０を経由してＰＤ６００の上部電極６５０に接続されている点と、ＰＤ６００の下部電極６１０がＢＩＡＳ配線を形成する点が、実施形態１のイメージセンサと異なる。ＰＤ６００を形成するｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ６２０、ｉ−ａ−Ｓｉ：Ｈ６３０、ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ６４０の積層順序、膜厚は、実施形態１のイメージセンサ１００と同じに設定できる。
【００５３】
実施例２におけるイメージセンサ１００でも、ガスバリア膜５２０は、ＰＤ６００を形成時にはコンタクトホールを形成する必要が無い。従って、ＰＤ６００形成時の水素ガスの拡散を、基板全域で均一に抑制することが可能となり、酸化物半導体ＴＦＴの特性変動を抑制することができる。
【００５４】
各実施の形態及び実施例で記載されている技術的特徴（構成要件）はお互いに組み合わせ可能であり、組み合わせすることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
【００５５】
今回開示された実施の形態及び実施例はすべての点で例示であって、制限的なものでは無いと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味では無く、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５６】
１００  イメージセンサ
２００  基板
３００  画素
４００  ＴＦＴ
４１０  ゲート、ゲート配線
４２０  ゲート絶縁膜
４３０  半導体層（酸化物半導体）
４４０  ソース金属
４５０  ドレイン金属
４６０  第２のゲート
５１０  第１層間膜
５２０  ガスバリア膜
５３０  第２層間膜
６００  ＰＤ（フォトダイオード）
６１０  下部電極
６２０  ｎ−ａ−Ｓｉ：Ｈ
６３０  ｉ−ａ−Ｓｉ：Ｈ
６４０  ｐ−ａ−Ｓｉ：Ｈ
６５０  上部電極
７１０  保護膜
７２０  ブリッジ配線
７３０  信号線
７４０  ＢＩＡＳ配線
８１１、８１２、８１３、８１４  コンタクトホール
９００  端子
【図１】
2017152656.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2017152656.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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