JP2006147657A - Solid-state imaging apparatus and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像装置、特に積層型の固体撮像装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device, in particular, a stacked solid-state imaging device and a method for manufacturing the same.
従来から、CCD(Charge-Coupled Device)型や、MOS(Metal Oxide
Semiconductor)型などの半導体撮像素子を使用する固体撮像装置が広く用いられている。これらの固体撮像装置用の半導体撮像素子は、半導体基板に信号電荷蓄積領域、信号電荷読出し領域、および信号電荷転送領域を平面的に形成している。
Conventionally, CCD (Charge-Coupled Device) type and MOS (Metal Oxide)
2. Description of the Related Art Solid-state imaging devices that use a semiconductor imaging device such as a (Semiconductor) type are widely used. In these semiconductor imaging devices for solid-state imaging devices, a signal charge accumulation region, a signal charge readout region, and a signal charge transfer region are formed in a planar manner on a semiconductor substrate.
近年、半導体基板に信号電荷蓄積領域、信号電荷読出し領域、および信号電荷転送領域を平面的に形成してなる半導体撮像素子に代わり、電荷転送素子上に光電変換膜を形成してなる構造の半導体撮像素子を使用する固体撮像装置が開発されている(たとえば、特許文献1参照)。 In recent years, a semiconductor having a structure in which a photoelectric conversion film is formed on a charge transfer element instead of a semiconductor image pickup element in which a signal charge accumulation region, a signal charge readout region, and a signal charge transfer region are formed in a plane on a semiconductor substrate. A solid-state imaging device using an imaging element has been developed (see, for example, Patent Document 1).
図6は、特許文献1に従来技術として開示されているこの固体撮像装置の構造を示す。半導体基板であるシリコン基板61の上部には、素子分離層62、信号電荷蓄積領域である蓄積ダイオード63、および信号電荷転送領域である垂直CCDチャネル64が形成されている。蓄積ダイオード63と垂直CCDチャネル64との間が信号読出し領域に相当する。
FIG. 6 shows the structure of this solid-state imaging device disclosed in Patent Document 1 as the prior art. An
また、シリコン基板61上には、第1の絶縁層65を介して転送電極66,67が形成されている。第1の絶縁層65に沿って引出し電極68が形成されており、蓄積ダイオード63と電気的に接続されている。引出し電極68上には、第2の絶縁層69および画素電極70が形成されており、引出し電極68と画素電極70とは電気的に接続されている。さらに、この固体撮像装置となる半導体撮像素子上には複数の層が積層されてなる光電変換膜71が設けられており、その上には透明電極72が形成されている。
In addition,
特許文献1に開示されている発明による固体撮像装置は、基本的には図5の固体撮像装置と同等の構成を有し、画素電極を各画素毎に区画する溝部が形成され、溝部に対応する領域の光電変換膜に空隙部が形成される点で異なっている。したがって、光電変換膜に使用する材料は同等のはずであり、非晶質珪素(a−Si)を使用することが記載されている。 The solid-state imaging device according to the invention disclosed in Patent Document 1 basically has the same configuration as that of the solid-state imaging device of FIG. 5, and is formed with a groove portion that partitions the pixel electrode for each pixel. The difference is that a void is formed in the photoelectric conversion film in the region to be processed. Therefore, the materials used for the photoelectric conversion film should be equivalent, and it is described that amorphous silicon (a-Si) is used.
上記構成を有する固体撮像装置は、感光部の開口面積を広くすることができるので、高感度であり、しかも低スミアであるという優れた特性を有する。このため、この固体撮像装置は、各種監視用テレビジョンやHDTV(High Definition TeleVision)等のカメラへの応用が期待される。 The solid-state imaging device having the above-described configuration has an excellent characteristic that it has high sensitivity and low smear because the opening area of the photosensitive portion can be widened. For this reason, this solid-state imaging device is expected to be applied to cameras such as various monitoring televisions and HDTV (High Definition TeleVision).
なお、非晶質半導体膜を加熱処理とレーザ光照射等とによって結晶化させる技術も知られている(たとえば、特許文献2参照)。 A technique for crystallizing an amorphous semiconductor film by heat treatment, laser light irradiation, or the like is also known (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、従来の固体撮像装置においては、光電変換膜に非晶質珪素(アモルファスシリコン)を用いているので、光電変換膜中に再結合中心やトラップ準位となる欠陥が多く存在する。このため、光電変換により生じたキャリアが再結合中心やトラップ準位に吸収されて光電流が減少したり、トラップ準位からのキャリア放出により残像が発生する等の問題が生じている。 However, in the conventional solid-state imaging device, since amorphous silicon (amorphous silicon) is used for the photoelectric conversion film, there are many defects that become recombination centers and trap levels in the photoelectric conversion film. For this reason, there are problems such that carriers generated by photoelectric conversion are absorbed by recombination centers and trap levels to reduce the photocurrent, and afterimages are generated due to carrier emission from the trap levels.
本発明の目的は、高感度かつ低残像の固体撮像装置およびその製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device with high sensitivity and low afterimage and a method for manufacturing the same.
本発明は、信号電荷転送領域を有する半導体基板上に、転送電極、光電変換膜および電極を具備する積層型の固体撮像装置において、
光電変換膜は再結晶化した半導体膜であることを特徴とする固体撮像装置である。
The present invention relates to a stacked solid-state imaging device including a transfer electrode, a photoelectric conversion film, and an electrode on a semiconductor substrate having a signal charge transfer region.
The photoelectric conversion film is a solid-state imaging device characterized in that it is a recrystallized semiconductor film.
本発明に従えば、信号電荷転送領域を有する半導体基板と、信号電荷を信号電荷転送領域に転送するための転送電極と、半導体基板および転送電極の上層に形成される光電変換膜と、半導体基板と光電変換膜とを電気的に接続する電極とを具備して積層型の半導体撮像素子による固体撮像装置が形成される。光電変換膜には、再結晶化させた半導体膜を用いるので、光電変換膜中には再結合中心やトラップ準位がなくなり、光電変換によって生じる電子が再結合中心やトラップ準位に吸収されることによる光電流の減少や、トラップ準位からのキャリア放出による残像の発生を抑えることができる。 According to the present invention, a semiconductor substrate having a signal charge transfer region, a transfer electrode for transferring a signal charge to the signal charge transfer region, a photoelectric conversion film formed on the semiconductor substrate and the transfer electrode, and a semiconductor substrate And a solid-state imaging device using a stacked type semiconductor imaging device is formed. Since a recrystallized semiconductor film is used for the photoelectric conversion film, there are no recombination centers and trap levels in the photoelectric conversion film, and electrons generated by photoelectric conversion are absorbed by the recombination centers and trap levels. Accordingly, it is possible to suppress the reduction of the photocurrent due to the above and the generation of an afterimage due to the carrier emission from the trap level.
また本発明で、前記光電変換膜は、再結晶化した結晶粒の大きさが1の画素より大であることを特徴とする。 In the present invention, the photoelectric conversion film has a recrystallized crystal grain size larger than one pixel.
本発明に従えば、光電変換膜内の再結晶化した結晶粒の大きさが1個の画素の大きさより大であるので、画素の領域内での結晶粒界密度を下げ、光電流を低損失で取出すことができる。 According to the present invention, since the size of the recrystallized crystal grains in the photoelectric conversion film is larger than the size of one pixel, the crystal grain boundary density in the pixel region is lowered and the photocurrent is reduced. Can be taken out with loss.
本発明によれば、光電変換膜には、再結晶化させた半導体膜を用いるので、光電変換膜中には非晶質膜に含まれる再結合中心やトラップ準位がなくなり、光電変換によって生じる電子が再結合中心やトラップ準位に吸収されることによる光電流の減少や、トラップ準位からのキャリア放出による残像の発生を抑えることができる。 According to the present invention, since the recrystallized semiconductor film is used for the photoelectric conversion film, the photoelectric conversion film has no recombination center or trap level contained in the amorphous film, and is generated by photoelectric conversion. It is possible to suppress a decrease in photocurrent due to absorption of electrons by recombination centers and trap levels and generation of an afterimage due to carrier emission from the trap levels.
また本発明によれば、光電変換膜内の再結晶化した結晶粒の大きさが1個の画素の大きさより大であるので、画素の領域内での結晶粒界密度を下げ、光電流を低損失で取出すことができる。 Further, according to the present invention, since the size of the recrystallized crystal grains in the photoelectric conversion film is larger than the size of one pixel, the crystal grain boundary density in the pixel region is lowered, and the photocurrent is reduced. Can be taken out with low loss.
図1は、本発明の実施の一形態としての固体撮像装置10の概略的な構成を示す。半導体基板であるp型シリコン基板11の上部には、p+型の素子分離層12、信号電荷蓄積領域であるn−型の蓄積ダイオード13、信号電荷転送領域であるn−型の垂直CCDチャネル14が形成されている。蓄積ダイオード13と垂直CCDチャネル14との間が信号電荷読出し部として機能する。またp型のシリコン基板11上の垂直CCDチャネル14および信号電荷読出し領域には、第1の絶縁層15を介して転送電極16,17が形成されている。転送電極16,17により、光電変換膜で発生した電荷を蓄積した信号電荷蓄積領域から電荷を信号電荷転送領域に転送する。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a solid-
この第1の絶縁層15は、垂直CCDチャネル14、信号電荷読出し領域および蓄積ダイオード13の一部までを覆うように形成されている。第1の絶縁層15に沿って引出し電極18が形成されている。引出し電極18は、略V字形状であり、蓄積ダイオード13と電気的に接続されている。引出し電極18上には、第2の絶縁層19が形成されている。さらに、引出し電極18および第2の絶縁層19上には、画素電極20が形成されており、引出し電極18と画素電極20とは電気的に接続されている。
The first insulating
p型シリコン基板11、素子分離層12、蓄積ダイオード13、垂直CCDチャネル14、第1の絶縁層15、転送電極16,17、引出し電極18、第2の絶縁層19および画素電極20を含むここまでの構成で電荷転送素子111が構成される。電荷転送素子111としての半導体チップ上に、後述する光電変換膜21が堆積して形成されている。そして、光電変換膜21上に、反応性スパッタリング法等により、ITO(Indium Tin
Oxide)や酸化錫等からなる透明電極22が形成されている。
This includes a p-
A
光電変換膜21は結晶性を有する珪素膜からなり、その結晶粒径は1画素の大きさよりも大きく成長させてある。固体撮像装置10の1画素の大きさは、1/2型で200万画素のもので約4μmである。
The
図2は、図1の固体撮像装置10の光電変換膜21を拡大して示す。固体撮像装置10の1画素分の面積に比して、それよりも大きな結晶粒をもつため、1個の画素112内に存在する結晶粒界密度を下げることができる。したがって、光電流を低損失で取出すことができ、高感度な固体撮像装置10を作成することが可能になる。すなわち、結晶粒径が0.3μmの場合には、後述するように、4μm□の画素中の粒界113の総延長は平均で107μmであるが、結晶粒径が4μmになればその長さは8μmであり、1/14に低減される。
FIG. 2 shows an enlarged view of the
図3および図4は、図1の固体撮像装置10を製造する概略的な工程を示す。
図3(a)では、光電変換膜21を形成するために、まず、電荷転送素子111上にプラズマCVD法によりN型の非晶質珪素膜32を形成した状態を示す。図3(b)は、汚れおよび自然酸化膜を取り除くためにフッ酸処理を行い、その後、酸化膜33を成膜している状態を示す。汚れが無視できる場合には、酸化膜33の代わりに自然酸化膜をそのまま用いれば良い。ここでは、酸素雰囲気中での紫外線(UV)光の照射により酸化膜33を成膜する。この酸化膜33の成膜方法としては、熱酸化法を用いるのでもよい。また、過酸化水素による処理によるものでもよい。
3 and 4 show schematic steps for manufacturing the solid-
FIG. 3A shows a state in which an N-type
この酸化膜33は、後のニッケルを含んだ酢酸塩溶液を塗布する工程で、非晶質珪素膜32の表面全体に酢酸塩溶液を行き渡らせるため、即ち、濡れ性の改善の為のものである。たとえば、非晶質珪素膜32の表面に直接酢酸塩溶液を塗布した場合、非晶質珪素が酢酸塩溶液を弾いてしまうので、非晶質珪素膜32の表面全体にニッケルを導入することができない。即ち、均一な結晶化を行うことができない。
This
図3(c)は、酢酸塩溶液中にニッケルを添加した酢酸塩溶液34を作り、この酢酸塩溶液34を非晶質珪素膜32上の酸化膜33の表面に滴下した状態を示す。そして、図3(d)では、スピナー35を用いてスピンドライを行っている状態を示す。酢酸塩溶液34中におけるニッケルの濃度は、1ppm以上、好ましくは10ppm以上であれば実用になる。また、溶液として2−エチルヘキサン酸ニッケルのトルエン溶液の如き無極性溶媒を用いる場合、酸化膜33は不要であり、直接非晶質珪素膜32上に触媒元素を導入することができる。
FIG. 3C shows a state in which an
図4(a)は、ニッケルの酢酸塩溶液34の塗布を数回行い、スピンドライ後の非晶質珪素膜32の表面の酸化膜33上に、に数Å〜数百Åの平均の膜厚を有するニッケルを含む層34aを形成している状態を示す。この場合、この層34aのニッケルがその後の加熱工程において、非晶質珪素膜32に拡散し、結晶化を助長する触媒として作用する。
FIG. 4A shows an average film of several to hundreds of gallium on the
図4(b)は、550℃、4時間の加熱処理を窒素雰囲気中で行うことにより、図4(a)に示す非晶質珪素膜32がN型の結晶性珪素膜36に変成している状態を示す。結晶は、図の上下方向、すなわち電荷転送素子111としての半導体チップの厚み方向に成長する。そして、図4(c)に示すように、たとえばKrFエキシマレーザ光を照射することにより、この結晶性珪素膜36の結晶性をさらに助長させる結晶成長のためのレーザ・アニール処理を行う。
In FIG. 4B, the heat treatment at 550 ° C. for 4 hours is performed in a nitrogen atmosphere, whereby the
図4(d)は、その後、プラズマドーピング法によって、N型の結晶性珪素膜36上に不純物(ボロン)を注入し、P型の結晶性珪素膜37を形成する状態を示す。続いて、図4(e)に示すように、上面からレーザ光を照射して、レーザ・アニール処理を行い、ドーピングされた不純物を活性化する。そして、画素電極20となる透明電極22を形成する。以上の工程によって図1に示す固体撮像装置10が完成する。
FIG. 4D shows a state where an impurity (boron) is implanted on the N-type
次に、このような構成における図1の固体撮像装置10の動作を説明する。光電変換膜21に光が入射すると、電子・正孔対が生成され、正孔は透明電極22側へ移動し、電子は画素電極20を経て蓄積ダイオード13に蓄積される。このとき、光電変換膜21中には再結合中心やトラップ準位が無いため、光電変換により生じた電子が再結合中心やトラップ準位に吸収されることによる光電流の減少や、トラップ準位からのキャリア放出による残像の発生を抑制することができる。
Next, the operation of the solid-
光電変換膜21のp型表面層は、シリコン基板11と同一電位に設定されており、pn接合部分を除いて非空乏状態に保持される。そして、周知のインターライン転送方式に従って、転送電極16,17に高電圧パルスが印加されると、信号電荷読み出し部が導通し、蓄積ダイオード13に蓄積された信号電荷は、垂直CCDチャネル14に転送される。
The p-type surface layer of the
図5は、図1の固体撮像装置10で、光電変換膜21に多結晶珪素膜を使用する場合を拡大して示す。多結晶珪素膜の結晶粒径は、結晶粒径が0.3μm程度と比較的小さいため、1個の画素112内に存在する結晶粒界密度が大きい。結晶粒界113では電子が散乱されてしまうため、結晶粒界113を通過する頻度が多くなると光電流のロスが生じ、固体撮像装置の感度低下を生じる。したがって、結晶粒径を大きくすることが好ましい。しかしながら、従来のように、非晶質珪素膜を使用する場合よりは、感度低下を改善することができる。
FIG. 5 is an enlarged view of a case where a polycrystalline silicon film is used for the
以上に説明したとおり、本実施形態の固体撮像装置10は、光電変換膜21として画素112より大きな結晶粒界を有する再結晶半導体を用いているため、アモルファスシリコンに比べて再結合中心やトラップ準位となる欠陥が少ない。このため、光電流の減少による感度低下や、トラップ準位に起因する残像が発生するという問題を解決でき、高感度かつ低残像な固体撮像装置10を提供することができるという、顕著な効果を奏する。
As described above, since the solid-
10 固体撮像装置
11 p型シリコン基板
12 素子分離層
13 蓄積ダイオード
14 垂直CCDチャネル
15 第1の絶縁層
16,17 転送電極
18 引出し電極
19 第2の絶縁層
20 画素電極
21 光電変換膜
22 透明電極
32 非晶質珪素膜
33 酸化膜
34 酢酸塩溶液
35 スピナー
36 N型結晶性珪素膜
37 P型結晶性珪素膜
111 電荷転送素子
112 画素
113 結晶粒界
DESCRIPTION OF
Claims (2)
光電変換膜は再結晶化した半導体膜であることを特徴とする固体撮像装置。 In a stacked solid-state imaging device including a transfer electrode, a photoelectric conversion film, and an electrode on a semiconductor substrate having a signal charge transfer region,
A solid-state imaging device, wherein the photoelectric conversion film is a recrystallized semiconductor film.
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JP2008227448A (en) * | 2007-03-14 | 2008-09-25 | Dongbu Hitek Co Ltd | Image sensor and its manufacturing method |
JP2012019146A (en) * | 2010-07-09 | 2012-01-26 | Sony Corp | Imaging device, display image device and electronic equipment |
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- 2004-11-16 JP JP2004332186A patent/JP2006147657A/en active Pending
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