薄膜晶体管、有源矩阵基板和摄像装置 【技术领域】
本发明涉及薄膜晶体管、有源矩阵基板和摄像装置。
背景技术
近年来,液晶显示装置和有机EL(电致发光)显示装置的发展正在推进。这些显示装置具有被分为无源矩阵系统或有源矩阵系统的驱动系统。在有源矩阵系统中,针对每个像素形成薄膜晶体管(TFT),以控制驱动。由于形成TFT,有源矩阵系统的优点在于,尽管与无源矩阵系统相比具有复杂的结构,但是可以很容易地获得高图像质量。
同时,在包括医疗、工业和原子能领域等广泛的领域中,利用通过诸如X-射线等电磁波的照射进行摄像的摄像装置。例如,放射线摄像装置向对象照射放射线,检测已透过对象的放射线的强度,从而获得有关对象内部的信息。这些放射线摄像装置大致可分为直接摄像装置和间接摄像装置。直接摄像装置采用将已通过对象的放射线直接转换成被外部提取的电信号的系统,间接摄像装置采用使已通过对象的放射线入射在荧光材料上以将其转换成可见光并将可见光转换成被外部提取的电信号的系统。
在用作直接摄像装置的放射线摄像装置中,一般来说,入射的放射线(例如,X-射线)通过对放射线具有敏感性的a-Se-系半导体膜被直接转换成电信号(电荷)。图6示意性地显示直接转换型的放射线传感器的基本构成。放射线传感器设有有源矩阵基板100,其具有在放射线检测有效区SA内设定的二维矩阵排列的表面上形成的多个收集电极(图未示)和用于积累/读出随着放射线的入射在各收集电极处收集的电荷的电路(图未示),在有源矩阵基板100的收集电极形成面侧叠置有a-Se-系半导体膜102,在a-Se-系半导体膜102的前侧广阔地叠置有平面状的用于施加偏压的共用电极104。
向共用电极104施加来自偏压供给电源的偏压,并且在施加偏压的状态下,随着将要被检测的放射线的入射,在a-Se-系半导体膜102处产生并被各收集电极收集的电荷作为每个收集电极的放射线检测信号被由电容器、开关元件、电气配线等构成的积累/读出电路提取。
例如,为了构造非平面X-射线摄像装置,已经提议使用挠性基板,在1个像素内排列三个TFT,并形成含有In-Ga-Zn-O-系非晶氧化物的有源层(参见JP-A No.2006-165530)。其中记载了形成含有In-Ga-Zn-O-系非晶氧化物的有源层导致载流子浓度小于1018/cm3,以实现常闭操作。
此外,作为用于有源矩阵系统的有机EL显示装置中的TFT,公开了具有所谓的双栅结构的TFT,其中有源层含有In-Ga-Zn-O-系非晶氧化物,栅电极排列在有源层两侧(参见″Nikkei Electronics,″Nikkei BusinessPublications,p 104,2008年5月5日)。据报道,通过在双栅结构中形成IGZO-系TFT并用相同电压控制两个栅电极,与一个栅电极的情况相比,表观电子场-效应迁移率(apparent electron field-effect mobility)显著增加,而且,当栅电压为0V时,与一般的双栅结构TFT相比,截止电流下降。
当非晶氧化物半导体用作TFT的有源层时,虽然具有阈值电压的高面内均匀性的优点,但很难保证阈值的驱动稳定性。当试图抑制由于驱动造成的阈值变化时,有源层中的载流子浓度变得相对较高,而且TFT容易表现出常开操作。常开操作会造成诸如必需额外电源等问题。
对于常闭操作实际上需要有源层的载流子浓度小于1016cm-3。然而,在这种情况下,存在阈值容易变化的问题。
此外,还具有以下问题,绝缘体存在于TFT的背沟道侧(back-channel side)上,而且静电荷的带电作用改变了TFT的阈值。在特别是用作直接转换型X-射线摄像装置时,X-射线所产生的电荷容易使背沟道带电,从而容易改变阈值。
另一方面,在基于双栅结构排列两个栅电极并通过相同电位控制它们时,必须在层间绝缘膜中设置接触孔并将两个栅电极电连接。这使得制造过程复杂,从而显著提高了制造成本。此外,在其中通过相同电位控制两个栅电极的双栅结构地情况下,存在与单栅结构的情况下相比耗电量增加的问题。
【发明内容】
根据本发明的一方面,提供一种薄膜晶体管,其包含:
源电极和漏电极,
接触所述源电极和漏电极并含有氧化物半导体的有源层,
控制在所述源电极和漏电极之间经由所述有源层流动的电流的栅电极,
将所述栅电极与所述源电极和漏电极和所述有源层分隔开的第一绝缘膜,
偏压电极,其设置在所述有源层对着所述栅电极的相反侧并具有独立于所述栅电极而固定的电位,和
将所述偏压电极与所述源电极和漏电极和所述有源层分隔开的第二绝缘膜。
【附图说明】
图1是显示根据第一实施方案相应于有源矩阵基板的1个像素构成的示意截面图。
图2是显示根据第二实施方案相应于摄像装置的1个像素构成的示意截面图。
图3是显示根据第三实施方案相应于摄像装置的1个像素构成的示意截面图。
图4是显示电荷检测用TFT和复位用TFT的I-V特性之间的关系的图。
图5是显示源电极和漏电极之间的间隔(L)与其宽度(W)的图。
图6是显示放射线摄像装置的基本构成的示意截面图。
图7是显示有源矩阵基板的电路结构的一个例子的图。
图8是显示通过蚀刻在氧化镓的第二层间绝缘膜中形成接触孔时边缘部分的倾斜角的示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图具体说明根据本发明的薄膜晶体管、有源矩阵基板和摄像装置。在附图中,具有相同或相应功能的各元件(构成部件)用相同符号表示,并且适当地省略了说明。各元件的材料、成膜方法、膜厚等仅作为例子,它们可以相应于薄膜晶体管、有源矩阵基板或摄像装置的目的、将要检测的电磁波等来适当选择。
-第一实施方案-
图1示意性显示根据第一实施方案的带有薄膜晶体管(TFT)的有源矩阵基板构成的一个例子。根据本实施方案的有源矩阵基板1用于制造X-射线传感器、有机EL显示装置等,并且在支撑基板10上,在形成1个像素的每个区域中分别设有1个TFT 80和1个电容器30。
TFT 80具有对向配置的源电极84和漏电极86(适宜时称作“源和漏电极”)、与源电极84和漏电极86接触并含有氧化物半导体的有源层88、控制在源电极84和漏电极86之间经由有源层88流动的电流的栅电极82、将栅电极82与源电极84和漏电极86及有源层88分隔开的第一绝缘膜14、配置在有源层88对着栅电极82的相反侧(背沟道侧)并且其电位独立于栅电极82而固定的偏压电极81、将偏压电极81与源电极84和漏电极86及有源层88分隔开的第二绝缘膜18。
另一方面,电容器30由下部电极32、第一层间绝缘膜14和上部电极36构成。TFT 80的漏电极86与电容器30的上部电极36电连接。
此外,即使在有源层88中具有相对较高的载流子浓度并且通常容易是常开操作的装置的情况下,在上述TFT 80中,在TFT 80的操作过程中向偏压电极81施加恒定的偏电位(例如,接地电位)也能够进行稳定的常闭操作,并且TFT的阈值变化很小。
下面,具体说明各构成部件和其制造方法。
<支撑基板>
作为支撑基板10,使用强度能够支持支撑基板10以外的其它构成部件(摄像装置或显示装置)的那些。例如,可以使用玻璃基板、塑料基板、金属基板等。另外,当制造挠性摄像装置或显示装置时,可以使用塑料基板或金属基板。
在本实施方案中,使用聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)的支撑基板10,并且SiON膜12形成在其上形成装置那侧的整个表面上。可以通过CVD法形成SiON膜12,其厚度例如为500nm。
<电容器的下部电极和TFT的栅电极>
在SiON膜12上,形成电容器30的下部电极32和TFT 80的栅电极82。通过光刻,例如钼(Mo)膜在相应于各电极32和82的位置和形状被图案化。或者,具有相应于各电极32和82的位置和形状的孔的掩模用于使Mo膜图案化。各电极32和82的厚度例如为40nm。
此外,栅电极优选由具有光屏蔽性能的金属膜形成,以防止光造成的有源层88故障。
<第一层间绝缘膜>
在TFT 80的栅电极82和电容器30的下部电极32上,形成第一层间绝缘膜(栅绝缘膜)14。第一层间绝缘膜14例如使用丙烯酸系树脂形成厚度为500nm。例如,通过用诸如旋涂法、喷涂法和丝网印刷法等已知方法涂布丙烯酸系树脂,并任选地通过施加诸如紫外线照射或加热等外部能源来固化树脂,从而形成第一层间绝缘膜14。
<源电极和漏电极和电容器的上部电极>
在第一层间绝缘膜14上,形成TFT 80的源电极84和漏电极86以及电容器30的上部电极36。通过光刻,例如,在相应于TFT 80的源电极84和漏电极86以及电容器30的上部电极36的位置和形状形成IZO(In2O3-ZnO)膜。在这种情况下,进行图案化,使得TFT 80的漏电极86与电容器30的上部电极36电连接。各电极36、84和86的厚度例如为200nm。
<有源层>
在源电极84和漏电极86之间,形成有源层(沟道层)88。有源层88含有氧化物半导体,并优选由In-Ga-Zn-O-系氧化物半导体形成,更优选由非晶氧化物半导体形成。作为In-Ga-Zn-O-系氧化物半导体,含有In、Ga和Zn中至少一种的氧化物(例如,In-O-系)是优选的,含有In、Ga和Zn中至少两种的氧化物(例如,In-Zn-O-系、In-Ga-系和Ga-Zn-O-系)是更优选的,含有In、Ga和Zn的氧化物是特别优选的。作为In-Ga-Zn-O-系非晶氧化物,具有由InGaZnO4代表的组成的非晶氧化物是优选的。在这些氧化物半导体,较高的载流子浓度造成较高的电子迁移率,也就是较大的导电率造成较高的电子迁移率。
当有源层中的载流子浓度相对较高时,通常,TFT容易在常开操作。但是,在本实施方案中,即使当有源层88中的载流子浓度为3×1017cm-3以上时,通过在TFT 80的操作过程中向偏压电极81施加恒定偏电位,也可以是常闭操作,并抑制阈值迁移使之较小。
上述由In-Ga-Zn-O-系非晶氧化物半导体构成的有源层88可以在低温下通过溅射形成膜。根据将要形成的有源层88,In-Ga-Zn-O-系非晶氧化物半导体的膜可以通过光刻图案化,或者可以使用具有相应于将要形成的有源层88的孔的掩模在预定位置以预定形状形成有源层88。有源层88的厚度例如为10nm。
<第二层间绝缘膜>
在源电极84和漏电极86和有源层88上,形成第二层间绝缘膜18。第二层间绝缘膜18可以例如使用丙烯酸系树脂通过光刻在预定位置形成。第二层间绝缘膜18的厚度可以是通过将其上形成的偏压电极81的电位固定在预定值而能够常闭操作并抑制阈值迁移的厚度。它的厚度例如为500nm。
此外,例如,通过烧结的丙烯酸系树脂形成第二层间绝缘膜18可能导致由于含有水分的影响使氧化物半导体劣化。此外,当通过涂布诸如丙烯酸系树脂等树脂形成绝缘膜18时,以均匀厚度形成厚度不超过500nm的薄的绝缘膜18是困难的。此外,必需在约220℃的烧结温度下加热,例如,使用树脂基板可能导致基板劣化。
因此,作为第二层间绝缘膜18,使用通过溅射形成的非晶氧化镓(a-Ga2O3)膜是优选的。通过溅射方法形成作为第二层间绝缘膜18的氧化镓膜使得可以比使用丙烯酸系树脂在室温下形成厚度不超过500nm的更均匀的薄的绝缘膜18,而没有使其下面由氧化物半导体构成的有源层劣化。如上所述,形成不超过500nm的更薄厚度且更均匀的第二绝缘膜18可以增强偏压电极81的灵敏度(控制性)。此外,从对氧气和水分的阻隔性能的角度来看,氧化镓膜的有利点在于比诸如丙烯酸系树脂等树脂膜具有更高的阻隔性能。
当形成氧化镓膜作为第二层间绝缘膜时,例如,如图8所示,通过光刻法在溅射形成的氧化镓膜18D上形成光致抗蚀剂(抗蚀剂图案)110,然后通过蚀刻进行图案化。在这里,在蚀刻氧化镓膜18D时,可以使用碱性溶液,并且作为碱性溶液,也可以使用用于在曝光后使抗蚀剂显影的碱性显影液。因此,例如,碱性显影液可以使抗蚀剂膜显影,并从抗蚀剂图案110除去露出的氧化镓膜18D。此外,碱性蚀刻剂,包括碱性显影液,很难产生诸如蚀刻造成的损坏等问题,即使在其下的源电极84和漏电极86由诸如非晶透明电极(如IZO)等对酸抵抗性弱的材料制成时。此外,湿法蚀刻可以通过比干法蚀刻由廉价的设备进行,有利点在于能够降低成本。
当通过碱性蚀刻使氧化镓膜图案化而形成第二层间绝缘膜时,第二层间绝缘膜的边缘部很容易形成为锥形。例如,如图8所示,当通过碱性蚀刻在将要作为第二层间绝缘膜的氧化镓膜18D中形成接触孔112时,可以根据蚀刻条件控制氧化镓膜18D的边缘部(接触孔112的侧壁)的倾斜角θ。因此,形成氧化镓膜18D作为第二层间绝缘膜适于形成接触孔112,并也可以有效提高电极连接的可靠性。
例如,通过在后烘焙抗蚀剂图案110时的烘焙温度条件、显影液(蚀刻液)的温度条件、蚀刻液的浓度变化等可以调节氧化镓膜18D的蚀刻。通过控制这些蚀刻参数,氧化镓膜18D的边缘部的倾斜角θ可以变化,因此,该角度可以在例如30°~80°的范围内调节。
此外,为了高精度地控制氧化镓膜18D的边缘部的倾斜角θ,在抗蚀剂膜显影后,可以独立于显影液而使用蚀刻氧化镓膜18的碱性蚀刻剂。
<偏压电极>
在第二层间绝缘膜18上,形成偏压电极81。作为偏压电极81,例如,通过光刻在第二层间绝缘膜18上形成IZO膜。偏压电极81的厚度例如为50nm。
偏压电极81与提供固定电位的电源(包括GND)连接。从实现常闭操作并抑制阈值迁移使之较小的角度来看,偏压电极81的电位优选固定在-2V至+0.5V的电位范围内,特别优选是接地电位(GND)。当固定在接地电位时,耗电量可以被抑制到更小,并且很容易和可靠地固定偏压电极81的电位,并且即使有源层88的载流子浓度很高,更稳定的常闭操作也是可能的,而且阈值的迁移被抑制到很小。
此外,当布置在支撑基板10上的各TFT 80的偏压电极81相互连接以彼此电气共用(electronically common with one another)时,偏压电极81可以方便地形成,各TFT 80的偏压电极81可以容易地被控制成具有相同电位以抑制像素间的差异。
此外,当偏压电极81具有光屏蔽性能时,它发挥保护功能,以提供诸如防止在背栅侧(back gate side)过度带电和抑制光照射所造成的TFT 80故障等效果。
由于偏压电极81独立于栅电极82而固定在具有恒定电位,因此耗电量降低。此外,由于不需要形成连接偏压电极81和栅电极82的接触孔或配线,因此根据本实施方案的有源矩阵基板1可以通过简单工艺低成本地制造。
-第二实施方案-
图2示意性地示出根据第二实施方案的摄像装置构成的一个例子。
根据本实施方案的摄像装置2具有所谓的2Tr-1C电路结构,在1个像素中设有两个TFT和一个电容器。摄像装置2具有共用电极70、响应于将要被检测的电磁波而产生电荷并且由共用电极70施加电压的电荷产生膜60、收集由电荷产生膜60产生的电荷的电荷收集电极50、积累由电荷收集电极50所收集的电荷的电荷检测电容器30、检测电荷检测电容器30中积累的电荷量的电荷检测薄膜晶体管(电荷检测用TFT)20、将电荷检测电容器30中积累的电荷泄漏使电荷检测电容器30复位的复位薄膜晶体管(复位用TFT)40以及支撑基板10。
<共用电极>
共用电极70与高电压电源(HV)相连,是用于向电荷产生膜60施加偏压的电极。共用电极70可以由诸如Au或Al等金属形成,其厚度例如为100nm。关于通过电磁波照射在电荷产生膜60中产生的电荷,通过共用电极70施加偏压,电子被吸引到共用电极70侧,空穴被吸引到电荷收集电极50侧。
<电荷产生膜>
电荷产生膜60由响应于作为被检测对象的电磁波产生电荷的材料形成。在本实施方案中,电荷产生膜60由非晶硒(a-Se)形成,其中当X-射线照射时产生电荷。由a-Se构成的电荷产生膜60可以通过低温真空沉积形成。电荷产生膜60的厚度例如为500μm。
可以根据作为被检测对象的电磁波来选择电荷产生膜60,能够形成电荷产生膜60的其他材料的例子包括CsTe、CdZnTe、PbI2、HgI2、SiGe、Si等。
<电荷收集电极>
电荷收集电极50是收集电荷产生膜60产生的电荷以在电容器30中积累电荷的电极。其与电容器30电连接,并且其部分50A和50B分别经由第二层间绝缘膜18A和18B以绝缘状态伸出至电荷检测用TFT 20和复位用TFT 40上方。伸出至电荷检测用TFT 20侧上的部分50A也兼用作电荷检测用TFT 20的栅电极G,并优选伸出达到在厚度方向与漏电极26的至少一部分重叠的位置。
在形成第二层间绝缘膜18A和18B后,例如,通过IZO(In2O3-ZnO)膜形成电荷收集电极50。可以在预定位置和以预定形状通过光刻使IZO膜图案化来形成,或者可以通过具有相应于将要形成的电荷收集电极50的孔的掩模在预定位置和以预定形状形成。电荷收集电极50的厚度例如为50nm。
<电荷检测电容器、电荷检测用TFT和复位用TFT>
电荷检测电容器30由下部电极32、第一层间绝缘膜14和上部电极36构成。上部电极36与电荷收集电极50电连接,电荷产生膜60所产生的电荷经由电荷收集电极50积累在电容器30中。
电荷检测用TFT 20具有源电极24、漏电极26、有源层(沟道层)28和偏压电极21,并且如上所述,经由第二层间绝缘膜18A布置的电荷收集电极50的部分50A也兼用作电荷检测用TFT 20的栅电极G。通过电荷收集电极50的部分50A也兼用作电荷检测用TFT 20的栅电极G的结构,构造电荷检测用TFT 20的顶栅结构(top gate structure)。此外,由于电荷收集电极50与电荷检测用TFT 20电连接,因此不需要在层间绝缘膜14、18A和18B中形成接触孔。因此,工艺的步骤数减少,实现了制造成本降低。此外,作为形成层间绝缘膜14、18A和18B的材料,可以使用难于图案化的材料,例如,没有感光性的高分子量绝缘材料,从而扩大了材料选择范围。
电荷检测用TFT 20的偏压电极21设置在有源层28对着栅电极50A的相反侧,并经由第一层间绝缘膜14以绝缘状态与源电极24、漏电极26和有源层28分离开。由于这种构成,偏压电极21的电位独立于栅电极50A固定。在本实施方案中,偏压电极21固定在接地电位。
另一方面,复位用TFT 40具有由栅电极42、第一层间绝缘膜14、源电极44、漏电极46和有源层(沟道层)48构成的底栅结构(bottom gatestructure)。此外,如上所述,它具有所谓的蘑菇结构,其中电荷收集电极50的部分50B经由层间绝缘膜18B伸出至复位用TFT 40上方。
电容器30和TFT 20和40的各电极可以同时形成。例如,对于栅电极42、下部电极32和偏压电极21,在SiON膜12上,通过光刻在相应于各电极(栅电极42、下部电极32和偏压电极21)的位置和形状使钼(Mo)膜图案化。或者,使用具有相应于各电极的位置和形状的孔的掩模,可以通过溅射形成Mo膜。各电极42、32和21的厚度例如为40nm。
对于各TFT 20和40的源电极和漏电极24、26、44和46和电容器30的上部电极36,使用丙烯酸系树脂、氧化镓等形成第一层间绝缘膜14,然后,通过光刻在相应于各电极的位置和形状形成IZO(In2O3-ZnO)膜。各电极24、26、36、44和46的厚度例如为200nm。
此外,各TFT 20和40需要具有相应于各自功能(电荷检测用或复位用)的特性。当各TFT 20和40的I-V特性是例如如图4所示的关系时,即使电位相同,电流也在复位用TFT 40之前流向电荷检测用TFT 20,从而可以检测电荷量。
例如,通过在设置于各TFT 20和40上的第二层间绝缘薄膜18A和18B之间采用不同厚度或材料,可以形成具有相应于各自功能的特性的TFT 20和40。例如,在电荷检测用TFT 20侧形成的第二层间绝缘膜18A的厚度比在复位用TFT 40侧形成的第二层间绝缘膜18B的厚度小。电荷检测用TFT 20上的第二层间绝缘膜18A的厚度例如与复位用TFT 40的栅绝缘膜(第一层间绝缘膜)14的厚度大约相同(例如,500nm),因为随后将形成的电荷收集电极50的部分50A也兼用作电荷检测用TFT 20的栅电极G。此外,当形成厚度小于500nm的第二层间绝缘膜18A时,优选由氧化镓形成。
另一方面,为了防止其上形成的电荷收集电极50中积累的电荷造成的故障,复位用TFT 40上的第二层间绝缘膜18B优选其厚度大于电荷检测用TFT 20上的第二层间绝缘膜18A的厚度,例如为3μm。
因此,电荷收集电极50A和电荷检测用TFT 20的源电极24和漏电极26之间的距离小于电荷收集电极50B和复位用TFT 40的源电极44和漏电极46之间的距离,从而能够发挥各TFT 20和40的所需功能。
作为如上所述根据位置而形成具有不同厚度的第二层间绝缘膜18A和18B的方法,使用根据位置具有不同透光性的掩模进行曝光的方法是有利的。例如,在形成TFT那侧的整个表面上涂布紫外线(UV)固化型(负型)丙烯酸系树脂抗蚀剂后,使用铬膜掩模进行紫外线曝光,其中铬膜被图案化,以便在相应于电容器30的部分具有紫外线屏蔽性能、在相应于电荷检测用TFT 20的部分具有紫外线半透过性能和在相应于复位用TFT 40的部分具有紫外线透过性能。由于抗蚀剂的固化百分比随掩模的透光性变化,因此甚至一次曝光就可以形成根据位置具有不同厚度的第二层间绝缘膜18A和18B。
此外,还可以涂布正型抗蚀剂,使用具有与在负型抗蚀剂情况下使用的掩模相反的透光性图案的掩模进行曝光,然后进行显影。这种情况下也可以形成根据位置具有不同厚度的第二层间绝缘膜18A和18B。
独立于第二层间绝缘膜18A和18B的厚度或材料,各TFT 20和40的源电极和漏电极的尺寸(电极的宽度和电极间的距离)可以根据各TFT 20和40的功能变化。当电流在源电极和漏电极之间(通过有源层28和48)流动(开状态)时的电压可以通过如图5所示的源电极和漏电极之间的距离L和宽度W之比(L/W)进行控制。因此,通过设定各TFT 20和40的源电极和漏电极的L/W,使得各TFT 20和40的特性具有例如如图4所示的关系,即使电位相同,电流也在复位用TFT 40之前流向电荷检测用TFT 20,从而可以检测电荷量。
这样,在摄像装置2中,其中各像素具有上述2Tr-1C电路结构,电荷产生膜60响应于作为被检测对象的电磁波如X-射线产生电荷并且由共用电极70施加偏压,电子吸引到共用电极70侧,空穴吸引到电荷收集电极50侧。电荷收集电极50收集的空穴在与电荷收集电极50电连接的电容器30中积累,从而升高电位。电容器30的电位用作电荷检测用TFT 20的栅电位,并且当试图在源电极24和漏电极26之间流动电流时,根据栅电极50A的电位恒定电流流动。因此,通过检测电流,可以检测栅电极50A的电位,即检测电荷量。通过以这种方式检测每个像素中照射的电磁波所产生的电荷量,并输出电荷量作为电信号,可以得到对象的整体图像。
特别地,在直接转换型X-射线摄像装置的情况下,X-射线所产生的电荷容易使背沟道侧带电,从而容易改变阈值。但是,在本实施方案的摄像装置2中,通过将各像素中的电荷检测用TFT 20的偏压电极21固定在接地电位,更容易实现常闭操作,并且更可靠地抑制阈值的迁移。此外,当各像素中的电荷检测用TFT 20的偏压电极21相互连接以在所有像素间彼此电气共用时,各像素中的电荷检测用TFT的偏压电极21可以很容易和可靠地被控制成具有相同电位以抑制各像素间的差异。
在摄像后,因为电容器30处于电荷积累的状态,所以为了下一次摄像,必需将电荷泄漏使电容器30复位。在这种情况下,通过将复位用TFT 40的栅电极42置于开状态,电容器30的电位可以复位到摄像之前的原始电位。
在本实施方案的摄像装置2中,偏压电极21固定在恒定电位,因此,在小耗电量下实现稳定的常闭操作,并且阈值的迁移被抑制,使得能够稳定地检测X-射线电荷。此外,电荷收集电极50的伸出部分50A和50B抑制TFT的有源层的界面附近(背沟道侧)的电荷造成的故障,从而能够高速和高敏感地摄像。此外,当过量的电荷积聚在电容器30和电荷收集电极50中时,电荷收集电极50的伸出部分50B发挥与栅电极类似的功能,并且复位用TFT 40的源电极44和漏电极46自发地成为开状态以将电荷泄漏,从而提供防止放电击穿的效果。
此外,由于电荷收集电极50与电荷检测用TFT 20的栅电极G电连接,而没有在层间绝缘膜14、18A和18B中形成接触孔,因此可以简单工艺低成本地制造。
-第三实施方案-
图3示意性示出根据第三实施方案的设置有薄膜晶体管(TFT)的摄像装置构成的一个例子。在图3中省略了共用电极和电荷产生膜(图未示)。
根据本实施方案的摄像装置3也设置有电荷收集电极52、电荷检测电容器30、复位用TFT 40和电荷检测用TFT 90。
电荷收集电极52与电容器30的上部电极36电连接,电荷收集电极52的部分52B经由第二层间绝缘膜18B伸出至复位用TFT 40上方。
复位用TFT 40的构成与第二实施方案相同。
此外,电荷检测电容器30的上部电极36与复位用TFT 40的漏电极46电连接,同时经由接触孔15贯通第一层间绝缘膜14。此外,在本实施方案中,由于接触孔15形成在第一层间绝缘膜14中,因此第一层间绝缘膜14优选由氧化镓形成。
电荷检测用TFT 90具有底栅结构,包括栅电极92、源电极94、漏电极96和有源层(沟道层)98,并且,经由第二层间绝缘膜18C设置偏压电极91。偏压电极91固定在接地电位。栅电极92通过配线17与电容器30的上部电极36电连接。
使用本实施方案的摄像装置3摄像的方法基本上与第二实施方案的摄像装置2相同。即,通过照射作为被检测对象的电磁波由电荷产生膜(图未示)产生的电荷收集在电荷收集电极52中,然后,电荷在电容器30中积累,从而升高电位。电容器30的电位通过配线17转化成电荷检测用TFT 90的栅电位,并且当试图在源电极94和漏电极96之间流动电流时,根据栅电极92的电位恒定电流流动。因此,通过检测电流,可以检测栅电极92的电位,即检测电荷量。如上所述,通过检测每个像素中照射的电磁波所产生的电荷量,并输出电荷量作为电信号,可以得到对象的整体图像。
此外,在本实施方案的摄像装置3中,通过将各像素中的电荷检测用TFT 90的偏压电极91固定在接地电位,更容易实现常闭操作,并且可以更可靠地抑制阈值的迁移。
此外,当各像素中的电荷检测用TFT 90的偏压电极91相互连接以在所有像素间彼此共用偏压电极91的电位时,偏压电极91的形成是容易的,并且各像素中的电荷检测用TFT 90的偏压电极91可以很容易被控制成具有相同电位以抑制各像素间的差异。
此外,电荷收集电极52的部分52B经由第二层间绝缘膜18B覆盖复位用TFT 40,偏压电极91经由第二层间绝缘膜18C覆盖电荷检测用TFT 90,从而对电荷产生膜60中产生的电荷发挥保护功能并防止各TFT40和90的有源层48和98的界面附近带电造成的故障。此外,在本实施方案中,当过量的电荷积聚在电容器30和电荷收集电极52中时,电荷收集电极52的伸出部分52B发挥与栅电极类似的功能,使得复位用TFT 40的源电极44和漏电极46自发地成为开状态以将电荷泄漏,从而防止放电击穿。因此,本实施方案的摄像装置3可以实现高速和高敏感地摄像。
此外,在本实施方案中,为使第二层间绝缘膜18C具有小厚度以增强偏压电极91的灵敏度(控制性),第二层间绝缘膜18C优选由氧化镓膜形成。
在摄像后,通过将复位用TFT 40的栅电极42置于开状态,电容器30的电位可以复位到摄像之前的原始电位。
如上所述,在本实施方案的摄像装置3中,电荷检测用TFT 90的偏压电极91独立于栅电极92固定的电位,因此,实现了小耗电量和稳定的常闭操作,并且阈值的迁移被抑制,以进行稳定摄像。
此外,在本实施方案的摄像装置3中,由于不必需形成将偏压电极91与栅电极92连接的接触孔或配线,因此可以简单工艺低成本地制造。
根据本发明,例如,提供以下示例性实施方案<1>~<10>。
<1>薄膜晶体管,其包含:
源电极和漏电极,
接触所述源电极和漏电极并含有氧化物半导体的有源层,
控制在所述源电极和漏电极之间经由所述有源层流动的电流的栅电极,
将所述栅电极与所述源电极和漏电极和所述有源层分隔开的第一绝缘膜,
偏压电极,其设置在所述有源层对着所述栅电极的相反侧并具有独立于所述栅电极而固定的电位,和
将所述偏压电极与所述源电极和漏电极和所述有源层分隔开的第二绝缘膜。
<2>如<1>所述的薄膜晶体管,其中所述第二绝缘膜是氧化镓膜。
<3>如<1>或<2>所述的薄膜晶体管,其中所述有源层中的载流子浓度为3×1017cm-3以上。
<4>如<1>~<3>中任一项所述的薄膜晶体管,其中所述偏压电极的电位固定在-2V至+0.5V的范围内。
<5>有源矩阵基板,包括配置在支撑基板上的如<1>~<4>中任一项所述的薄膜晶体管。
<6>如<5>所述的有源矩阵基板,其中配置在所述支撑基板上的薄膜晶体管的偏压电极相互连接以彼此电气共用。
<7>摄像装置,其包含:
共用电极,
响应于作为被检测对象的电磁波产生电荷的电荷产生膜,由所述共用电极向所述电荷产生膜施加电压,
收集由所述电荷产生膜产生的电荷的电荷收集电极,
积累由所述电荷收集电极收集的电荷的电荷检测电容器,
检测所述电荷检测电容器中积累的电荷量的电荷检测薄膜晶体管,
将所述电荷检测电容器中积累的电荷泄漏使所述电荷检测电容器复位的复位薄膜晶体管,和
支撑基板,用于支撑所述电荷产生膜、所述电荷收集电极、所述电荷检测电容器、所述电荷检测薄膜晶体管和所述复位薄膜晶体管,
其中如<1>~<4>中任一项所述的薄膜晶体管被设置作为所述电荷检测薄膜晶体管。
<8>如<7>所述的摄像装置,其中所述电荷收集电极的一部分以绝缘状态伸出至所述电荷检测薄膜晶体管上方,并兼用作所述电荷检测薄膜晶体管的栅电极。
<9>如<7>或<8>所述的摄像装置,其中所述电荷收集电极的一部分以绝缘状态伸出至所述复位薄膜晶体管上方。
<10>如<7>~<9>中任一项所述的摄像装置,其中所述电荷产生膜响应于X-射线产生电荷。
根据本发明,提供了薄膜晶体管、有源矩阵基板和摄像装置,它们容易制造、抑制了阈值变化、实现了稳定的常闭操作以及还可以将耗电量抑制到很小。
实施例
下面,说明实施例和比较例。
<实施例1>
通过以下步骤制造图3所示的具有偏压电极的X-射线传感器。
-形成栅电极和电容器的下部电极-
通过溅射在玻璃基板上形成Mo膜(厚度:40nm)后,通过光刻和湿法蚀刻图案化以形成栅电极和电容器的下部电极。
-形成第一绝缘膜(栅绝缘膜)-
接下来,通过溅射形成SiO2膜(厚度:200nm),从而形成栅绝缘膜(第一绝缘膜)和电容器的介电层。
-形成源电极和漏电极和电容器的上部电极-
在未引入氧气下通过溅射形成IZO膜(厚度:200nm)后,通过光刻和湿法蚀刻图案化以形成源电极和漏电极和电容器的上部电极。在源电极和漏电极的边缘部,形成25°的锥角(倾斜角)。
-形成有源层-
通过溅射形成IGZO膜(厚度:50nm)后,通过光刻和湿法蚀刻图案化以在源电极和漏电极之间形成有源层。
-形成第二绝缘膜-
作为第二绝缘膜,在基板的有源层侧上通过溅射形成非晶Ga2O3膜(厚度:200nm)。接下来,在Ga2O3膜上,涂布抗蚀剂(商品名:AZ5214-E,AZ Electronic Materials制),进行图案曝光,使得显影后电容器的上部电极大约整个表面露出。曝光后,使用显影液(商品名:AZ300MIF DEVELOPER,AZ Electronic Materials制)使光致抗蚀剂显影并蚀刻Ga2O3膜的露出部分。
在显影和蚀刻后,用中性剥离液(商品名:剥离液104,Tokyo Ohka Kogyo制)除去光致抗蚀剂,露出光致抗蚀剂下残留的Ga2O3膜。
-形成偏压电极和电荷收集电极-
接下来,在通过溅射形成Mo膜(厚度:100nm)后,将抗蚀剂(商品名:AZ5214-E,AZ Electronic Materials制)涂布在Mo膜上,接下来,通过光刻和湿法蚀刻图案化。这里,作为蚀刻液,使用磷酸和硝酸的混合溶液。
这样导致形成图3所示的经由Ga2O3膜18C在电荷检测用TFT 90的有源层98上方的的偏压电极91,并导致形成与电容器30的上部电极36连接并具有伸出至复位用TFT 40上方的部分52B的电荷收集电极52。
-形成电荷产生膜-
作为电荷产生膜,通过电阻加热沉积厚度500μm的非晶硒,形成X-射线光电导体层。
-形成共用电极-
作为共用电极,通过电阻加热沉积厚度0.1μm的Au。
通过上述步骤,制造X-射线传感器。向X-射线传感器,照射X-射线,同时向共用电极施加正偏压(+5kV),向复位用TFT的栅电极施加-5V,向复位源电极施加0V(共用),并在此之后,检测流经电荷检测晶体管的源电极和漏电极之间的X-射线信号电流。此后,通过向复位用TFT的栅电极施加+10V,使电荷检测电容器复位。
<实施例2>
按与实施例1基本相似方式制造X-射线传感器,除了以下述方式形成第二绝缘膜。
在形成有源层后,旋涂丙烯酸系树脂(商品名:JEM-531,JSR制),进行图案曝光,使得显影后电容器的上部电极大约整个表面露出。曝光后,使用显影液(商品名:AZ300MIF DEVELOPER,AZ Electronic Materials制)使丙烯酸系树脂膜显影。结果,形成厚度500nm的丙烯酸系树脂膜作为第二绝缘膜。
接下来,按与实施例1相同方式,形成电荷收集电极和偏压电极,此后顺次形成电荷产生膜和共用电极。
向上述制造的X-射线传感器,照射X-射线,同时向共用电极施加正偏压(+5kV),向复位用TFT的栅电极施加-5V,向复位源电极施加0V (共用),并在此之后,检测流经电荷检测晶体管的源电极和漏电极之间的X-射线信号电流。此后,通过向复位用TFT的栅电极施加+10V,使电荷积累电容器复位。
-实施例1和实施例2的比较-
将实施例1和实施例2的传感器在90%的高湿环境中保存1W(1周)后,再次进行X-射线信号检测实验。结果,在实施例2的传感器中,周边区域中像素检测的信号值明显增加,表明发生误差。通过向偏压电极施加-1V电位消除误差。这种误差被认为是由于在H2O已经透过丙烯酸系树脂层间绝缘膜的区域中IGZO-TFT的阈值迁移到负值引起的。从对环境具有较高有效性的角度来看,实施例1是优选的。
<比较例1>
按与实施例1相似方式,在玻璃基板上形成栅电极至有源层。
接下来,作为层间绝缘膜,在基板的有源层侧通过溅射形成SiO2膜(厚度:200nm)。
在SiO2膜上,涂布抗蚀剂(商品名:AZ5214-E,AZ Electronic Materials制),进行图案曝光,使得显影后电容器的上部电极大约整个表面露出。曝光后,使用显影液(商品名:AZ300MIF DEVELOPER,AZ Electronic Materials制)使光致抗蚀剂显影。
显影后,经由光致抗蚀剂蚀刻SiO2膜。作为蚀刻用的方式,避免使用具有强毒性的氢氟酸的湿法蚀刻法,进行干法蚀刻。接下来,用剥离液(商品名:剥离液104,Tokyo Ohka Kogyo制)除去光致抗蚀剂,露出光致抗蚀剂下残留的SiO2膜。
接下来,按与实施例1相同方式,顺次形成偏压电极、电荷收集电极、电荷产生膜和共用电极。
向上述制造的X-射线传感器,照射X-射线,同时向共用电极施加正偏压(+5kV),向复位用TFT的栅电极施加-5V,向复位源电极施加0V(共用)。此后,虽然检测流经电荷检测晶体管的源电极和漏电极之间的电流,但是无法检测相应于X-射线的电流。这被认为是因为形成SiO2膜的过程和干法蚀刻过程造成IGZO-TFT的OFF电流增大,从而使传感器无法正常操作。
<实施例3>
在图1所示的构成中,按与实施例1相似方式,在玻璃基板上形成栅电极至Ga2O3膜。在通过光刻和碱性显影液(商品名:AZ5214-E,AZElectronic Materials制)使Ga2O3膜图案化后,按与实施例1相似方式形成偏压电极81。这样得到液晶用TFT基板。
另一方面,在另一玻璃基板上形成电极(ITO,厚度:50nm),以制造对电极(counter electrode)基板。
在TFT电极和对向电极之间充入液晶,并且密封两个基板之间的空间,制造液晶显示装置。
当上述制造的液晶显示装置的各电极与外部电源连接并且驱动液晶显示装置时,可以显示图像。
<实施例4>
按与实施例3基本相似方式制造液晶显示装置,除了以下述方式形成第二绝缘膜。
在形成有源层后,旋涂丙烯酸系树脂(商品名:JEM-531,JSR制),进行图案曝光,使得显影后电容器的上部电极大约整个表面露出。曝光后,使用显影液(商品名:AZ300MIF DEVELOPER,AZ Electronic Materials制)使丙烯酸系树脂膜显影。结果,形成厚度1000nm的丙烯酸系树脂膜作为第二绝缘膜。
在如上所述形成第二绝缘膜后,按与实施例3相同方式制造液晶显示装置。当显示装置的各电极与外部电源连接并且驱动显示装置时,可以显示图像。
对于实施例3和4,由于向偏压电极施加接地电位的原因,阈值电压可以从-2V改善为-1V。
在高湿条件保存后(90%,1W),实施例3中的装置比实施例4中的装置表现出更小的图像不均匀性。
上面,已经描述了本发明,但本发明不限于这些实施方案和实施例。例如,电荷收集电极不必须伸出至复位用TFT上方。
此外,各TFT的源电极和漏电极和有源层可以逆序形成。也就是说,可以在形成有源层后形成源电极和漏电极。
此外,没有限制1个像素中的TFT的数量。本发明可以用于1个像素中具有三个以上TFT的摄像装置。
除了间接摄像装置和通过检测紫外线、可见光等摄像的装置之外,本发明也可用于在各像素中具有TFT的显示装置,如液晶显示装置和有机EL显示装置。
例如,如图7所示,在多个像素5排列在支撑基板上并且各像素被2Tr-1C结构驱动的有源矩阵基板或显示装置中,通过采用本发明的TFT作为各像素5中2个TFT 6和7中的至少一个,可以获得本发明的优点。
本说明书中提到的所有出版物、专利申请和技术标准均并入本文作为参考,其程度就好象各出版物、专利申请或技术标准被具体各单独地指明被并入本文作为参考。