JP2010251534A - Photoelectric conversion element, image sensor, and method of manufacturing the photoelectric conversion element - Google Patents

Photoelectric conversion element, image sensor, and method of manufacturing the photoelectric conversion element Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem, wherein a capital investment is increased in forming a photoelectric conversion element having a PIN structure by using a CVD method, because three chambers are required to form individual layers in different chambers for avoiding the mixing of impurities into a P-layer and an N-layer, and to solve the problem, wherein black floating occurs due to interface-defect-induced charge generation caused by the contact between an I layer and a region other than semiconductor layers. <P>SOLUTION: An I-type semiconductor layer 208 is surrounded by an N<SP>+</SP>layer 210, obtained by a CVD method and a P<SP>+</SP>layer 207 formed by an ion implantation method. The I-type semiconductor layer 208 does not make contact with a region other than the semiconductor layers. Accordingly, interface-defect-induced charge generation can be suppressed. Formation of the P<SP>+</SP>layer 207 by using the ion implantation method allows a CVD apparatus equipped with two chambers to be used, thereby reduction in the capital investment becomes possible. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、光電変換素子、イメージセンサー及び光電変換素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion element, an image sensor, and a method for manufacturing a photoelectric conversion element.

イメージセンサーを形成する基板として従来結晶シリコンが主に用いられてきたが、近年、基板にガラスを用い、アモルファスシリコン層を光電変換層として用い、この光電変換層との間での電気的な処理に、ポリシリコン等で構成されるTFT(薄膜トランジスター)を用いるイメージセンサーが精力的に研究されている。   Conventionally, crystalline silicon has been mainly used as a substrate for forming an image sensor, but recently, glass is used for the substrate, an amorphous silicon layer is used as a photoelectric conversion layer, and electrical processing between the photoelectric conversion layer is performed. In addition, image sensors using TFTs (thin film transistors) made of polysilicon or the like have been intensively studied.

結晶シリコン基板を用いた場合では、直径30cm程度の基板径が限度となるが、ガラス基板を用いることで、一辺が3m近い基板を用いることが可能となり、大型のイメージセンサーを得ることが可能となる。また、一枚の基板から得られるイメージセンサーの数が違ってくるため、基板そのものの値段差に加え、取れ数にも差が生じ、コスト面でも優位性を備えている。   When a crystalline silicon substrate is used, the substrate diameter is about 30 cm in diameter, but using a glass substrate makes it possible to use a substrate with a side of nearly 3 m, and to obtain a large image sensor. Become. In addition, since the number of image sensors obtained from a single substrate is different, there is a difference in the number of acquisitions in addition to the value difference of the substrate itself, which is advantageous in terms of cost.

特許文献1中ではイメージセンサー(光電変換素子と呼称されている)の製造方法として、ホスト(基体)となる原料を含む材料に不純物をI層(不純物を殆ど含まない層)に添加して、N型であればたとえば燐、P型であればたとえば硼素を拡散させることで、N型層やP型層を形成している。また、特許文献2中では、PIN構造を横方向に配置する構造について説明がなされている。   In Patent Document 1, as a manufacturing method of an image sensor (referred to as a photoelectric conversion element), an impurity is added to a material containing a raw material to be a host (substrate) to an I layer (a layer containing almost no impurities), N-type layers and P-type layers are formed by diffusing, for example, phosphorus in the case of N-type and boron, for example in the case of P-type. Further, Patent Document 2 describes a structure in which a PIN structure is arranged in the horizontal direction.

特開2007−258332号公報JP 2007-258332 A 特開2005−19638号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-19638

特許文献1に示すように、ホストからの不純物拡散を行う場合には、ホストに多量の燐や硼素を添加する必要がある。燐や硼素は、金属を脆くする性質があり、ホストと直接接続されるITO(インジウム・錫・酸化物)やタングステン等、電極として用いられる領域にある金属の信頼性を低下させるという課題がある。加えて、半導体層以外のところにもこれらの不純物が添加されてしまうため、イメージセンサー内部が汚染されるおそれがある。この現象を避けるには、必要な部分にのみ不純物を添加させる方法を取ることも考えられるが、この場合には、製造工程数が増えてしまうという別の課題が生じる。また、半導体層は、汚染に対し極めて敏感であり、不純物拡散を行うべく積層したホストを取り除いても、残留する不純物による汚染により、半導体層の性質が変質する可能性がある。   As shown in Patent Document 1, when impurity diffusion from a host is performed, it is necessary to add a large amount of phosphorus or boron to the host. Phosphorus and boron have the property of making the metal brittle, and there is a problem that the reliability of the metal in a region used as an electrode such as ITO (indium / tin / oxide) or tungsten directly connected to the host is lowered. . In addition, since these impurities are added to portions other than the semiconductor layer, the inside of the image sensor may be contaminated. In order to avoid this phenomenon, it may be considered to add an impurity only to a necessary portion. In this case, however, another problem that the number of manufacturing steps increases is caused. Further, the semiconductor layer is extremely sensitive to contamination, and even if the stacked host is removed for impurity diffusion, the properties of the semiconductor layer may be changed due to contamination by residual impurities.

また、特許文献2に示す技術を用いる場合、光電反応に寄与しない領域が光電反応領域に隣接して配置されるため、等価入射光量が低下し、光電変換効率の低下により感度が低下する。そのため、特に低光量で使用される場合、雑音により画質が低下するという課題がある。   In addition, when the technique disclosed in Patent Document 2 is used, since the region that does not contribute to the photoelectric reaction is disposed adjacent to the photoelectric reaction region, the equivalent incident light amount is decreased, and the sensitivity is decreased due to the decrease in photoelectric conversion efficiency. For this reason, there is a problem that the image quality is deteriorated due to noise particularly when used in a low light quantity.

また、光電変換層としては、典型的にはPIN構造を備えたフォトダイオードが好適に用いられているが、PIN構造をCVD(化学気相堆積)法を用いて形成する場合、P層やN層の不純物の混入を避けるために、チャンバー(反応室)を分けて形成することが必要となる。この場合チャンバーが3つ必要となり、初期投資が大きくなるという課題がある。ここで、ガス成分を切り替えてCVD法を用いることでチャンバー数の増加を抑えることも可能であるが、不純物成分の滞留分が消失するまで層形成を行うことができなくなるため、今度はスループットが低下するという課題がある。   As the photoelectric conversion layer, a photodiode having a PIN structure is typically used. However, when the PIN structure is formed by a CVD (chemical vapor deposition) method, a P layer or N layer is used. In order to avoid contamination of impurities in the layer, it is necessary to form a chamber (reaction chamber) separately. In this case, three chambers are required, and there is a problem that initial investment becomes large. Here, it is possible to suppress the increase in the number of chambers by switching the gas components and using the CVD method. However, since it becomes impossible to form a layer until the remaining amount of impurity components disappears, this time the throughput is increased. There is a problem of lowering.

また、I層が素子分離層と直接接触することから、界面欠陥起因のリーク電流が発生する。そのため、特に低光量で使用される場合、雑音により画質が低下するという課題がある。   In addition, since the I layer is in direct contact with the element isolation layer, a leakage current due to an interface defect occurs. For this reason, there is a problem that the image quality is deteriorated due to noise particularly when used in a low light quantity.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり以下の形態又は適用例として実現することが可能である。なお、第1導電型不純物量は、第1導電型を示す不純物の総和を示し、第2導電型不純物量は、第2導電型を示す不純物の総和を示すものとする。例えば第1導電型がN型の場合、砒素と燐等、N型を示す不純物の総和量が等しい場合、N型不純物量が等しいと定義する。同様に、例えば第1導電型がP型の場合、同様に硼素とインジウム等、P型を示す不純物の総和量が等しい場合、第1導電型不純物量が等しいと定義する。また、第2導電型とは、第1導電型と反対極性の導電型を指すものと定義する。また、「光」とは可視光のみに限定されるものではなく、X線や、電子ビーム、紫外線、赤外線等も光として扱うこととする。電子ビームは、非常に波長の短い電磁波として捉えるものとする。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples. Note that the first conductivity type impurity amount represents the sum of the impurities indicating the first conductivity type, and the second conductivity type impurity amount represents the sum of the impurities indicating the second conductivity type. For example, when the first conductivity type is N-type, it is defined that the amount of N-type impurities is equal when the total amount of N-type impurities such as arsenic and phosphorus is equal. Similarly, for example, when the first conductivity type is P type, similarly, when the total amount of impurities indicating P type, such as boron and indium, is equal, the first conductivity type impurity amount is defined to be equal. The second conductivity type is defined as a conductivity type having a polarity opposite to that of the first conductivity type. Further, “light” is not limited to only visible light, and X-rays, electron beams, ultraviolet rays, infrared rays, and the like are also handled as light. The electron beam is assumed to be an electromagnetic wave having a very short wavelength.

[適用例1]本適用例にかかる光電変換素子は、第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層と、前記第1導電型半導体層よりも第1導電型不純物量が少なく、かつ前記第2導電型半導体層よりも第2導電型不純物量が少ないI型半導体層と、を備え、前記第1導電型半導体層と、前記第2導電型半導体層とが前記I型半導体層を包み、かつ前記第1導電型半導体層と、前記第2導電型半導体層とが直接接合した接合領域を備えることを特徴とする。   Application Example 1 A photoelectric conversion element according to this application example has a first conductivity type semiconductor layer, a second conductivity type semiconductor layer, a first conductivity type impurity amount less than that of the first conductivity type semiconductor layer, and An I-type semiconductor layer having a smaller amount of second-conductivity-type impurities than the second-conductivity-type semiconductor layer, wherein the first-conductivity-type semiconductor layer and the second-conductivity-type semiconductor layer serve as the I-type semiconductor layer. And a junction region that is wrapped and directly joined to the first conductive semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer.

これによれば、第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層が直接接合していることから、I型半導体層は第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層とで包まれることとなる。従ってI型半導体層は、第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層以外のものとは触れず、界面欠陥起因の電荷発生を抑制することができる。そのため、I型半導体層が半導体層以外の場所と接触することで発生する界面欠陥起因のリーク電流の発生を抑制することが可能となる。なお、第1導電型半導体層と第2導電型半導体層は他の物質と接触することとなるが、どちらもI型半導体層と比べ高い不純物濃度を有していることから、界面欠陥は高いキャリア密度を有する層で埋められる。そのため、界面欠陥起因の電荷発生を抑えることが可能となる。   According to this, since the first conductive type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer are directly joined, the I type semiconductor layer is surrounded by the first conductive type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer. Will be. Therefore, the I-type semiconductor layer does not touch anything other than the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer, and can suppress charge generation due to interface defects. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of leakage current due to interface defects that occurs when the I-type semiconductor layer is in contact with a place other than the semiconductor layer. Note that the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer are in contact with other substances, but both have a higher impurity concentration than the I type semiconductor layer, so that the interface defect is high. Filled with a layer having a carrier density. Therefore, it is possible to suppress the generation of charges due to interface defects.

[適用例2]上記適用例にかかる光電変換素子であって、前記接合領域を含む前記第1導電型半導体層側、または前記接合領域を含む前記第2導電型半導体層側に、前記第1導電型不純物量と前記第2導電型不純物量との和の不純物量を含む領域を備えることを特徴とする。   Application Example 2 In the photoelectric conversion element according to the application example, the first conductivity type semiconductor layer side including the junction region or the second conductivity type semiconductor layer side including the junction region may include the first conversion element. A region including a total impurity amount of the conductivity type impurity amount and the second conductivity type impurity amount is provided.

上記した適用例によれば、第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層が直接接合する接合領域の不純物濃度は第1導電型不純物量と第2導電型不純物量の和となるため、高い値となる。不純物濃度が高い場合結晶構造は破壊され、極めて高抵抗の領域が形成される。そのため、第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層は絶縁され第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層の間で生じるリーク電流の発生を抑制することが可能となる。   According to the application example described above, the impurity concentration in the junction region where the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer are directly joined is the sum of the first conductivity type impurity amount and the second conductivity type impurity amount. High value. When the impurity concentration is high, the crystal structure is destroyed and a very high resistance region is formed. Therefore, the first conductive type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer are insulated, and it is possible to suppress the occurrence of a leak current generated between the first conductive type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer.

[適用例3]本適用例にかかるイメージセンサーは、基板上に配置された能動素子と協働して、光信号を電気信号に変換して出力する光電変換素子を備えたイメージセンサーであって、第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層と、前記第1導電型半導体層よりも第1導電型不純物量が少なく、かつ前記第2導電型半導体層よりも第2導電型不純物量が少ないI型半導体層と、を備え、前記第1導電型半導体層と前記第2導電型半導体層とが前記I型半導体層を包み、かつ前記第1導電型半導体層と、前記第2導電型半導体層とが直接接合している接合領域を備えた光電変換素子を前記基板上に備えていることを特徴とする。   Application Example 3 An image sensor according to this application example is an image sensor including a photoelectric conversion element that converts an optical signal into an electric signal and outputs it in cooperation with an active element disposed on a substrate. The first conductivity type semiconductor layer, the second conductivity type semiconductor layer, the first conductivity type impurity amount is smaller than that of the first conductivity type semiconductor layer, and the second conductivity type impurity is less than that of the second conductivity type semiconductor layer. An I-type semiconductor layer having a small amount, wherein the first conductive semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer surround the I-type semiconductor layer, and the first conductive semiconductor layer, A photoelectric conversion element including a junction region where the conductive semiconductor layer is directly joined is provided on the substrate.

これによれば、第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層が直接接合していることから、I型半導体層は第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層とで包まれることとなる。従ってI型半導体層は、第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層以外のものとは触れず、界面欠陥起因の電荷発生を抑制することができる。従って、I型半導体層が半導体層以外の場所と接触することで発生する界面欠陥起因のリーク電流の発生を抑制することが可能となり、特に黒表示の精細度が高いイメージセンサーを提供することが可能となる。なお、第1導電型半導体層と第2導電型半導体層は他の物質と接触することとなるが、I型半導体層と比べ高い不純物濃度を有していることから、界面欠陥は高いキャリア密度を有する層で埋められる。そのため、界面欠陥起因の電荷発生を抑えることが可能となる。   According to this, since the first conductive type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer are directly joined, the I type semiconductor layer is surrounded by the first conductive type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer. Will be. Therefore, the I-type semiconductor layer does not touch anything other than the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer, and can suppress charge generation due to interface defects. Accordingly, it is possible to suppress the occurrence of leakage current due to interface defects caused by contact of the I-type semiconductor layer with a place other than the semiconductor layer, and to provide an image sensor with particularly high definition of black display. It becomes possible. Note that the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer are in contact with other substances, but since the impurity concentration is higher than that of the I type semiconductor layer, the interface defect has a high carrier density. Filled with a layer having Therefore, it is possible to suppress the generation of charges due to interface defects.

[適用例4]上記適用例にかかるイメージセンサーは、前記光電変換素子が、前記接合領域を含む前記第1導電型半導体層側、または前記接合領域を含む前記第2導電型半導体層側に、前記第1導電型不純物量と前記第2導電型不純物量との和の不純物量を含む領域を備えることを特徴とする。   Application Example 4 In the image sensor according to the application example, the photoelectric conversion element is on the first conductivity type semiconductor layer side including the junction region, or on the second conductivity type semiconductor layer side including the junction region. A region including a sum of the first conductivity type impurity amount and the second conductivity type impurity amount is provided.

上記した適用例によれば、第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層が直接接合する接合領域の不純物濃度は第1導電型不純物量と第2導電型不純物量の和となるため、高い値となる。不純物濃度が高い場合結晶構造は破壊され、極めて高抵抗の領域が形成される。そのため、第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層との間には絶縁性の領域が形成される。そのため、第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層の間で生じるリーク電流の発生を抑制することが可能となり、黒表示の精細度が高いイメージセンサーを提供することが可能となる。   According to the application example described above, the impurity concentration in the junction region where the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer are directly joined is the sum of the first conductivity type impurity amount and the second conductivity type impurity amount. High value. When the impurity concentration is high, the crystal structure is destroyed and a very high resistance region is formed. Therefore, an insulating region is formed between the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer. For this reason, it is possible to suppress the occurrence of leakage current between the first conductive type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer, and it is possible to provide an image sensor with high definition of black display.

[適用例5]本適用例にかかる光電変換素子の製造方法は、第1導電型半導体層を形成する工程と、前記第1導電型半導体層の形成に続けてI型半導体層を形成する工程と、前記第1導電型半導体層と前記I型半導体層をパターニングする工程と、第2導電型不純物イオンを注入し、第2導電型半導体層を形成する工程と、を備え、前記I型半導体層の第1導電型不純物量は、前記第1導電型半導体層よりも少なく、前記I型半導体層の第2導電型不純物量は、前記第2導電型半導体層よりも少なく、前記第1導電型半導体層と前記第2導電型半導体層とは協働して前記I型半導体層を包み、前記第1導電型半導体層と前記第2導電型半導体層とが直接接合した接合領域を備えることを特徴とする。   Application Example 5 A method for manufacturing a photoelectric conversion element according to this application example includes a step of forming a first conductivity type semiconductor layer and a step of forming an I type semiconductor layer following the formation of the first conductivity type semiconductor layer. And patterning the first conductivity type semiconductor layer and the I type semiconductor layer; and implanting second conductivity type impurity ions to form a second conductivity type semiconductor layer; The first conductivity type impurity amount of the layer is less than that of the first conductivity type semiconductor layer, and the second conductivity type impurity amount of the I type semiconductor layer is less than that of the second conductivity type semiconductor layer. The type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer cooperate to wrap the I type semiconductor layer, and have a junction region where the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer are directly joined. It is characterized by.

これによれば、第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層が直接接合する接合領域の不純物濃度は第1導電型不純物量と第2導電型不純物量の和となるため、高い値となる。不純物濃度が高い場合結晶構造は破壊され、極めて高抵抗の領域が形成される。そのため、第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層は絶縁され第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層の間で生じるリーク電流の発生を抑制することが可能となる。加えて、第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層が直接接合していることから、I型半導体層は第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層とで包まれることとなる。従ってI型半導体層は、第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層以外のものとは触れず、界面欠陥起因の電荷発生を抑制することができる。従って、I型半導体層が半導体層以外の場所と接触することで発生する界面欠陥起因のリーク電流の発生を抑制することが可能となる。そのため、この製造方法を用いることでリーク電流による画質低下を抑えた光電変換素子を提供することが可能となる。なお、第1導電型半導体層と第2導電型半導体層は他の物質と接触することとなるが、I型半導体層と比べ高い不純物濃度を有していることから、界面欠陥は高いキャリア密度を有する層で埋められる。そのため、界面欠陥起因の電荷発生を抑えることが可能となる。   According to this, since the impurity concentration in the junction region where the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer are directly joined is the sum of the first conductivity type impurity amount and the second conductivity type impurity amount, a high value is obtained. It becomes. When the impurity concentration is high, the crystal structure is destroyed and a very high resistance region is formed. Therefore, the first conductive type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer are insulated, and it is possible to suppress the occurrence of a leak current generated between the first conductive type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer. In addition, since the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer are directly joined, the I type semiconductor layer is surrounded by the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer. It becomes. Therefore, the I-type semiconductor layer does not touch anything other than the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer, and can suppress charge generation due to interface defects. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of leakage current due to interface defects that occurs when the I-type semiconductor layer is in contact with a place other than the semiconductor layer. Therefore, by using this manufacturing method, it is possible to provide a photoelectric conversion element in which deterioration in image quality due to leakage current is suppressed. Note that the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer are in contact with other substances, but since the impurity concentration is higher than that of the I type semiconductor layer, the interface defect has a high carrier density. Filled with a layer having Therefore, it is possible to suppress the generation of charges due to interface defects.

[適用例6]本適用例にかかる光電変換素子の製造方法は、第1導電型半導体層を形成する工程と、前記第1導電型半導体層の形成に続けてI型半導体層を形成する工程と、第2導電型不純物イオンを注入し、第2導電型半導体層を形成する工程と、を備え、前記I型半導体層の第1導電型不純物量は、前記第1導電型半導体層よりも少なく、前記I型半導体層の第2導電型不純物量は、前記第2導電型半導体層よりも少ないことを特徴とする。   Application Example 6 A method for manufacturing a photoelectric conversion element according to this application example includes a step of forming a first conductivity type semiconductor layer and a step of forming an I type semiconductor layer following the formation of the first conductivity type semiconductor layer. And a step of implanting second conductivity type impurity ions to form a second conductivity type semiconductor layer, wherein the first conductivity type impurity amount of the I type semiconductor layer is greater than that of the first conductivity type semiconductor layer. The amount of the second conductivity type impurity of the I-type semiconductor layer is smaller than that of the second conductivity type semiconductor layer.

これによれば、第2導電型半導体層が直接接合する接合領域に第2導電型不純物イオンを注入することから、第2導電型半導体層をI型半導体層を転用して形成することが可能となり、製造工程を律速する半導体層形成時間を短縮することが可能となり、短いTAT(所要時間)で光電変換素子を作りうる製造方法を提供することが可能となる。   According to this, since the second conductivity type impurity ions are implanted into the junction region where the second conductivity type semiconductor layer is directly joined, the second conductivity type semiconductor layer can be formed by diverting the I type semiconductor layer. Thus, it is possible to shorten the semiconductor layer formation time for controlling the manufacturing process, and to provide a manufacturing method capable of producing a photoelectric conversion element with a short TAT (required time).

本実施形態のイメージセンサーの配線構造を示す模式図であり、(a)は全体構成、(b)はイメージセンサーが備えるフォトセンサーの拡大図。It is a schematic diagram which shows the wiring structure of the image sensor of this embodiment, (a) is a whole structure, (b) is an enlarged view of the photosensor with which an image sensor is provided. 本実施形態におけるイメージセンサーが備える、フォトセンサーの概略構成を示す拡大断面図。FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a photosensor included in the image sensor according to the present embodiment. (a)、(b)は、イメージセンサーが備えるフォトセンサーの製造工程を説明するための工程断面図。(A), (b) is process sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the photosensor with which an image sensor is provided. イメージセンサーが備えるフォトセンサーの製造工程を説明するための工程断面図。Process sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the photosensor with which an image sensor is provided. イメージセンサーが備えるフォトセンサーの製造工程を説明するための工程断面図。Process sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the photosensor with which an image sensor is provided. イメージセンサーが備えるフォトセンサーの製造工程を説明するための工程断面図。Process sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the photosensor with which an image sensor is provided. イメージセンサーの製造工程を説明するための工程断面図。Process sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of an image sensor. イメージセンサーの製造工程を説明するための工程断面図。Process sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of an image sensor. イメージセンサーの製造工程を説明するための工程断面図。Process sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of an image sensor.

以下、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明で参照する図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならしめてある。また、対応する部分には同一の符号を付している。   Hereinafter, embodiments embodying the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings to be referred to in the following description, the scales are different for each layer and each member so that each layer and each member have a size that can be recognized on the drawing. Moreover, the same code | symbol is attached | subjected to the corresponding part.

(第1の実施形態:イメージセンサーの構成)
以下、イメージセンサーの構成について説明する。図1は本実施形態のイメージセンサーの配線構造を示す模式図であり、(a)は全体構成、(b)はイメージセンサーが備えるフォトセンサーの拡大図である。図1(a)に示すように、本実施形態のイメージセンサー100は、素子領域Aに互いに交差する方向に延びる走査線3aとデータ線6aとが設けられている。走査線3aは、走査線駆動回路102に接続され、データ線6aは、データ線駆動回路101に接続されている。フォトセンサー50は、走査線3aとデータ線6aとの交点付近に対応して形成され、素子領域Aにマトリックス状に配列されている。
(First Embodiment: Configuration of Image Sensor)
Hereinafter, the configuration of the image sensor will be described. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a wiring structure of an image sensor according to the present embodiment, where (a) is an overall configuration, and (b) is an enlarged view of a photosensor included in the image sensor. As shown in FIG. 1A, the image sensor 100 of the present embodiment is provided with scanning lines 3a and data lines 6a extending in a direction intersecting with the element region A. The scanning line 3 a is connected to the scanning line driving circuit 102, and the data line 6 a is connected to the data line driving circuit 101. The photo sensors 50 are formed corresponding to the vicinity of the intersections of the scanning lines 3a and the data lines 6a, and are arranged in a matrix in the element region A.

また、図1(b)に示すように、走査線3aと並列に定電位線3bが設けられ、データ線6aと並列に定電位線12aが設けられている。定電位線3bは、走査線駆動回路102に接続され、定電位線12aは、データ線駆動回路101に接続されている。それぞれのフォトセンサー50において、定電位線12aと定電位線3bとの間には、光電変換素子としてのフォトダイオード20と、保持容量30とが直列に電気的に接続されて設けられている。ここで、保持容量30は透光性の物質により構成されていることが好ましく、この場合にはフォトダイオード20の下側にも保持容量30を配置することが可能となる。また、走査線3aにゲート電極10G(図2参照)が接続されたTFT(薄膜トランジスター)10が形成されており、このTFT10のソース10S(図2参照)は、データ線6aに接続され、ドレイン10D(図2参照)は、フォトダイオード20と保持容量30との接続点に電気的に接続されている。本実施形態では、TFT10と、フォトダイオード20と、保持容量30とによりフォトセンサー50が構成されている。   As shown in FIG. 1B, a constant potential line 3b is provided in parallel with the scanning line 3a, and a constant potential line 12a is provided in parallel with the data line 6a. The constant potential line 3 b is connected to the scanning line driving circuit 102, and the constant potential line 12 a is connected to the data line driving circuit 101. In each photosensor 50, a photodiode 20 as a photoelectric conversion element and a storage capacitor 30 are electrically connected in series between the constant potential line 12a and the constant potential line 3b. Here, the storage capacitor 30 is preferably made of a light-transmitting substance. In this case, the storage capacitor 30 can be disposed below the photodiode 20. Further, a TFT (thin film transistor) 10 in which the gate electrode 10G (see FIG. 2) is connected to the scanning line 3a is formed, and the source 10S (see FIG. 2) of the TFT 10 is connected to the data line 6a and the drain. 10D (see FIG. 2) is electrically connected to a connection point between the photodiode 20 and the storage capacitor 30. In the present embodiment, the photosensor 50 is configured by the TFT 10, the photodiode 20, and the storage capacitor 30.

図2は、本実施形態におけるイメージセンサーが備える、フォトセンサーの概略構成を示す拡大断面図である。フォトセンサー50は、基板250、TFT10、光電変換素子としてのフォトダイオード20、第1層間絶縁層201、第2層間絶縁層202、平坦化層203、容量絶縁層204、素子分離層205、上部電極206、下部電極211、容量電極213、定電位コンタクト214、データ線コンタクト215、コンタクトホール201C、コンタクトホール202C、第1コンタクト201W、第2コンタクト202W、保持容量30、を備える。   FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a photosensor included in the image sensor according to the present embodiment. The photosensor 50 includes a substrate 250, a TFT 10, a photodiode 20 as a photoelectric conversion element, a first interlayer insulating layer 201, a second interlayer insulating layer 202, a planarizing layer 203, a capacitor insulating layer 204, an element isolation layer 205, an upper electrode. 206, a lower electrode 211, a capacitor electrode 213, a constant potential contact 214, a data line contact 215, a contact hole 201C, a contact hole 202C, a first contact 201W, a second contact 202W, and a storage capacitor 30.

TFT10は、チャネル10CH、電界緩和部10LDD、ソース10S、ドレイン10D、ゲート絶縁層10GI、ゲート電極10Gを備える。   The TFT 10 includes a channel 10CH, an electric field relaxation portion 10LDD, a source 10S, a drain 10D, a gate insulating layer 10GI, and a gate electrode 10G.

チャネル10CHは、TFT10に流れる電流を制御し、ソース10S、ドレイン10D間のオン・オフを切り替える機能を有している。   The channel 10CH has a function of controlling the current flowing through the TFT 10 and switching on and off between the source 10S and the drain 10D.

ゲート絶縁層10GIとゲート電極10Gは協働して、チャネル10CHにキャリアを誘起または排斥する機能を有している。   The gate insulating layer 10GI and the gate electrode 10G have a function of inducing or eliminating carriers in the channel 10CH in cooperation.

電界緩和部10LDDは、ソース10Sとチャネル10CH、ドレイン10Dとチャネル10CHとの間にかかる電界強度を緩和し、高電界によりキャリアが加速されることで発生するホットキャリアによるTFT10の劣化を抑制する機能を有している。   The electric field relaxation unit 10LDD has a function of relaxing the electric field strength applied between the source 10S and the channel 10CH, the drain 10D and the channel 10CH, and suppressing the deterioration of the TFT 10 due to hot carriers generated by the acceleration of carriers by the high electric field. have.

基板250は、上層にある構成物を支持している。基板250としては、たとえばガラスが好適に用いられる。平坦な構造を備えるガラスは、現在では一辺が3m程度のものが提供されており、多数のイメージセンサー100を一度で製造することができるため、好適である。また、セラミック板等を基板として用いても良い。   The substrate 250 supports the structure in the upper layer. As the substrate 250, for example, glass is preferably used. Glass having a flat structure is currently available with a side of about 3 m, and is suitable because a large number of image sensors 100 can be manufactured at one time. A ceramic plate or the like may be used as the substrate.

第1層間絶縁層201、第2層間絶縁層202、コンタクトホール201C、コンタクトホール202C、第1コンタクト201W、第2コンタクト202Wは、電気配線を行うために形成されている。構造上、一つの層間絶縁層上には、電的配線が独立性を保って交差する構造は作れない。そのため、多層の層間絶縁層を電気配線の分離に用いることで、複雑な電気配線を行うことを可能としている。ここで、各々の層間絶縁層間で導通を取る場合には、たとえば第1コンタクト201W、第2コンタクト202Wを介して行われる。   The first interlayer insulating layer 201, the second interlayer insulating layer 202, the contact hole 201C, the contact hole 202C, the first contact 201W, and the second contact 202W are formed for electrical wiring. In terms of structure, it is not possible to create a structure in which electrical wirings intersect with each other while maintaining independence on one interlayer insulating layer. Therefore, it is possible to perform complicated electrical wiring by using a multilayer interlayer insulating layer for separation of electrical wiring. Here, the conduction between the respective interlayer insulating layers is performed, for example, via the first contact 201W and the second contact 202W.

平坦化層203は、TFT10や、電気配線で凸凹ができた面を覆い、平坦な面に戻す機能を有している。このように平坦化することで、TFT10と基板250における平面視にて重なる領域にフォトダイオード20を形成することが可能となり、少ない面積で光感度が高いフォトセンサー50が得られる。   The planarization layer 203 has a function of covering the TFT 10 and the surface that is uneven by the electric wiring and returning it to the flat surface. By flattening in this manner, the photodiode 20 can be formed in a region overlapping the TFT 10 and the substrate 250 in plan view, and the photosensor 50 having a small area and high photosensitivity can be obtained.

容量絶縁層204は、上部電極206と下部電極211とが基板250における平面視にて重なる領域に保持容量30を形成するために形成されている。保持容量30を形成することで、フォトダイオード20で発生したキャリアをフォトダイオード20以外でも蓄えることを可能とし、光信号に対するダイナミックレンジを大きく確保することが可能となる。   The capacitor insulating layer 204 is formed to form the storage capacitor 30 in a region where the upper electrode 206 and the lower electrode 211 overlap with each other in the plan view of the substrate 250. By forming the storage capacitor 30, it is possible to store carriers generated in the photodiode 20 other than the photodiode 20, and to secure a large dynamic range for the optical signal.

上部電極206と下部電極211は協働して、フォトダイオード20から発生する電荷の制御や、バイアス電圧の供給を行う機能を有している。   The upper electrode 206 and the lower electrode 211 cooperate to control the charge generated from the photodiode 20 and supply a bias voltage.

素子分離層205は、隣接するフォトダイオード20間に配置され、フォトダイオード20同士のクロストークの発生を避ける機能を有している。   The element isolation layer 205 is disposed between adjacent photodiodes 20 and has a function of avoiding crosstalk between the photodiodes 20.

定電位コンタクト214は、定電位線3b(図1(b)参照)と導通を取り、保持容量30に電荷を蓄積させるための定電位を備えさせる機能を有している。   The constant potential contact 214 is electrically connected to the constant potential line 3b (see FIG. 1B) and has a function of providing a constant potential for accumulating charges in the storage capacitor 30.

データ線コンタクト215は、データ線6a(図1(b)参照)と導通を取り、走査線3a(図1(a)参照)からの信号を受けて、フォトダイオード20と、保持容量30とに蓄積された電荷をデータ線6aに出力する機能を有している。   The data line contact 215 is electrically connected to the data line 6a (see FIG. 1B), receives a signal from the scanning line 3a (see FIG. 1A), and receives the signal from the photodiode 20 and the storage capacitor 30. The accumulated charge is output to the data line 6a.

フォトダイオード20は、第1導電型半導体層としてのN+層210、I型半導体層208、第2導電型半導体層としてのP+層207を備える。なお、第1導電型半導体層をP+、第2導電型半導体層をN+としても良い。この場合には、電気配線等の変更や、フォトダイオード20のバイアス条件変更等で対応することができる。なお、N+、P+とは、それぞれ高濃度のN型、高濃度のP型(たとえば1×1020cm-3以上程度)を意味する。ここで、I型半導体層208のN型不純物量(第1導電型不純物量)はN+層210より少なく、かつP型不純物量(第2導電型不純物量)はP+層207よりも少ない。I型半導体層208の空乏層は光電変換部として機能する。I型半導体層208中では不純物濃度が低い。そのため空乏層の伸びは大きくなる。従って、光電変換効率を高くすることが可能となる。 The photodiode 20 includes an N + layer 210 as a first conductivity type semiconductor layer, an I type semiconductor layer 208, and a P + layer 207 as a second conductivity type semiconductor layer. The first conductivity type semiconductor layer may be P + and the second conductivity type semiconductor layer may be N + . In this case, it can be dealt with by changing the electrical wiring or the like, or changing the bias condition of the photodiode 20. N + and P + mean high concentration N-type and high concentration P-type (for example, about 1 × 10 20 cm −3 or more), respectively. Here, the N-type impurity amount (first conductivity type impurity amount) of the I-type semiconductor layer 208 is smaller than that of the N + layer 210, and the P-type impurity amount (second conductivity type impurity amount) is smaller than that of the P + layer 207. . The depletion layer of the I-type semiconductor layer 208 functions as a photoelectric conversion unit. The impurity concentration in the I-type semiconductor layer 208 is low. Therefore, the elongation of the depletion layer is increased. Therefore, it is possible to increase the photoelectric conversion efficiency.

また、N+層210とP+層207の境界部分では、P+層207の不純物量(第2導電型不純物量)と、N+層210の不純物量(第1導電型不純物量)の不純物量が、双方の和となる値を有している。そのため、N+層210とP+層207の境界部分での結晶性は著しく低下し、極めて高抵抗の領域が形成される。そのため、N+層210とP+層207との間に流れる暗電流を小さくでき、黒画質を向上させることが可能となる。 Further, at the boundary portion between the N + layer 210 and the P + layer 207, the impurity amount of the P + layer 207 (second conductivity type impurity amount) and the impurity amount of the N + layer 210 (first conductivity type impurity amount). The quantity has a value that is the sum of both. Therefore, the crystallinity at the boundary portion between the N + layer 210 and the P + layer 207 is remarkably lowered, and an extremely high resistance region is formed. Therefore, the dark current flowing between the N + layer 210 and the P + layer 207 can be reduced, and the black image quality can be improved.

フォトダイオード20を構成するI型半導体層208は、N+層210とP+層207により覆われており、I型半導体層208は、半導体層以外の領域と接することがない。そのため、界面欠陥起因の電荷発生を抑制することができる。N+層210とP+層207は他の物質と接触することとなるが、N+層210とP+層207は高い不純物濃度を有していることから、界面欠陥は高いキャリア密度を有する層で埋められるため、電荷を発生させる機能を喪失する。そのため、界面欠陥起因の電荷発生を抑えることが可能となる。そのため、暗電流を小さくでき、黒画質を向上させることが可能となる。 The I-type semiconductor layer 208 constituting the photodiode 20 is covered with an N + layer 210 and a P + layer 207, and the I-type semiconductor layer 208 does not contact any region other than the semiconductor layer. Therefore, generation of charges due to interface defects can be suppressed. Although the N + layer 210 and the P + layer 207 come into contact with other substances, the N + layer 210 and the P + layer 207 have a high impurity concentration, so that the interface defect has a high carrier density. Since it is filled with a layer, it loses its ability to generate charge. Therefore, it is possible to suppress the generation of charges due to interface defects. Therefore, the dark current can be reduced and the black image quality can be improved.

(第2の実施形態:イメージセンサーの製造方法)
以下、図3(a)、(b)、図4、図5、図6を用いて光電変換素子としてのフォトダイオードを備えるイメージセンサーの製造方法について説明する。図3(a)、(b)、図4、図5、図6は、イメージセンサーが備えるフォトセンサーの製造工程を説明するための工程断面図である。
(Second Embodiment: Manufacturing Method of Image Sensor)
Hereinafter, a method for manufacturing an image sensor including a photodiode as a photoelectric conversion element will be described with reference to FIGS. 3A, 3 </ b> B, 4, 5, and 6. 3A, 3 </ b> B, 4, 5, and 6 are process cross-sectional views for explaining a manufacturing process of a photosensor included in the image sensor.

まず、工程1として、基板250上に、能動素子としてのTFT10を形成する。TFT10の形成方法としては、たとえば、70nm程度の厚さを有するアモルファスシリコン層を形成し、エキシマレーザーアニールを行うことで結晶化させ、ポリシリコン層に改質する。次に、TFT10とすべき領域を残してパターニングを行う。次に、酸化雰囲気で熱処理し、酸化膜を形成した後、CVD法等によりゲート絶縁層10GIを形成する。次に、たとえばアルミ合金等を成膜した後、パターニングを行い、ゲート電極10Gを形成する。次に、たとえばゲート電極10Gをマスクとして用いてイオン注入を行い電界緩和部10LDDを形成する。この工程では、別にマスクを用いても良い。次に、たとえばゲート電極10Gを覆い、電界緩和部10LDDを残す領域と基板250における平面視にて重なるマスクを形成して、イオン注入を行い、ソース10Sとチャネル10CH(ゲート電極10Gの下部には不純物が入らず、チャネル10CHが残る)、ドレイン10Dを形成することでTFT10が形成される。ここまでの工程を終えた断面図を図3(a)に示す。   First, as step 1, a TFT 10 as an active element is formed on a substrate 250. As a method for forming the TFT 10, for example, an amorphous silicon layer having a thickness of about 70 nm is formed and crystallized by excimer laser annealing to be modified into a polysilicon layer. Next, patterning is performed leaving a region to be the TFT 10. Next, heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere to form an oxide film, and then the gate insulating layer 10GI is formed by a CVD method or the like. Next, for example, after an aluminum alloy film or the like is formed, patterning is performed to form the gate electrode 10G. Next, for example, ion implantation is performed using the gate electrode 10G as a mask to form the electric field relaxation portion 10LDD. In this step, another mask may be used. Next, for example, a mask that covers the gate electrode 10G and overlaps the region where the electric field relaxation portion 10LDD is left in plan view in the substrate 250 is formed, ion implantation is performed, and the source 10S and the channel 10CH (below the gate electrode 10G Impurities do not enter and the channel 10CH remains), and the drain 10D is formed, whereby the TFT 10 is formed. A cross-sectional view after the steps up to here are shown in FIG.

次に、工程2として、電気配線部分を形成する。具体的には、CVD法等を用いて第1層間絶縁層201を形成する。次に、パターニングを行い、データ線コンタクト215、第1コンタクト201Wが形成される領域(第1コンタクト201Wに対してはコンタクトホール201Cが対応する)を、ゲート絶縁層10GIを含めて開口する。次に、タングステンCVDにより、データ線コンタクト215、第1コンタクト201Wを形成し、ソース10Sやドレイン10Dと導通をとる。そして、不要な部分のタングステンをパターニングにより除去する。   Next, as step 2, an electrical wiring portion is formed. Specifically, the first interlayer insulating layer 201 is formed using a CVD method or the like. Next, patterning is performed to open a region where the data line contact 215 and the first contact 201W are formed (the contact hole 201C corresponds to the first contact 201W) including the gate insulating layer 10GI. Next, the data line contact 215 and the first contact 201 </ b> W are formed by tungsten CVD, and are electrically connected to the source 10 </ b> S and the drain 10 </ b> D. Then, unnecessary portions of tungsten are removed by patterning.

ここで、タングステンを配線に用いる構成に代えて、データ線コンタクト215、第1コンタクト201Wの部分を残してエッチングし、アルミニウム合金等、別の金属を用いて配線を行っても良い。アルミニウム合金は、タングステンと比べ半分程度の抵抗率を有しているため、配線に起因する時定数を低減することが可能となる。また、以降の工程についても、コンタクト部分の充填に対して同様の工程を適用することが可能である。次に、CVD法等を用いて第2層間絶縁層202を形成する。次に、パターニングを行い、定電位コンタクト214、第2コンタクト202Wが形成される領域(第2コンタクト202Wに対してはコンタクトホール202Cが対応する)を開口する。次に、タングステンCVDにより、定電位コンタクト214、第2コンタクト202Wを形成し、ドレイン10Dと導通をとる。そして、不要な部分のタングステンをパターニングにより除去する。ここまでの工程を終えた断面図を図3(b)に示す。   Here, instead of using tungsten for the wiring, the data line contact 215 and the first contact 201W may be etched and the wiring may be performed using another metal such as an aluminum alloy. Since the aluminum alloy has a resistivity about half that of tungsten, the time constant caused by the wiring can be reduced. In the subsequent processes, the same process can be applied to the filling of the contact portion. Next, the second interlayer insulating layer 202 is formed using a CVD method or the like. Next, patterning is performed to open a region where the constant potential contact 214 and the second contact 202W are to be formed (the contact hole 202C corresponds to the second contact 202W). Next, the constant potential contact 214 and the second contact 202W are formed by tungsten CVD, and are electrically connected to the drain 10D. Then, unnecessary portions of tungsten are removed by patterning. A cross-sectional view after the steps so far are shown in FIG.

次に、工程3として、保持容量30や、光電変換素子としてのフォトダイオード20の下部電極211となるべき領域(図2参照)を形成する。まず、アクリル等を用いた層厚2μm程度の層を形成し、パターニングすることで平坦化層203を形成する。次に、タングステン等を用いた層厚100nm程度の層厚を形成し、パターニングすることで、容量電極213を形成する。次に、窒化シリコン層を堆積し、フォトダイオード20の下部電極211となるべき領域と第2コンタクト202Wが基板250における平面視にて重なる領域を開口し、容量絶縁層204を形成する。次に、タングステン等を用い、層厚100nm程度の層厚を形成しパターニングすることで、下部電極211と保持容量30とを同時に形成する。ここまでの工程を終えた断面図を図4に示す。   Next, as Step 3, a storage capacitor 30 and a region (see FIG. 2) to be the lower electrode 211 of the photodiode 20 as a photoelectric conversion element are formed. First, a planarization layer 203 is formed by forming a layer having a thickness of about 2 μm using acrylic and patterning. Next, a capacitor electrode 213 is formed by forming and patterning a layer thickness of about 100 nm using tungsten or the like. Next, a silicon nitride layer is deposited, and a region where the second contact 202W overlaps with the second electrode 202W in plan view on the substrate 250 is opened by forming a capacitor insulating layer 204. Next, the lower electrode 211 and the storage capacitor 30 are formed simultaneously by forming and patterning a layer thickness of about 100 nm using tungsten or the like. A cross-sectional view after the steps up to here are shown in FIG.

次に、工程4として、フォトダイオード20の前駆体を形成する。まず、CVD法を用いて第1導電型半導体層としてのN+層210を形成する。続けて、たとえばCVD装置の反応チャンバーを変えてI型半導体層208を形成する。この工程は、反応チャンバーを変えずに、形成用ガスの切り替えによって行っても良い。次に、CVD装置から取り出し、パターニングを行い、フォトダイオード20の前駆体を形成する。ここまでの工程を終えた断面図を図5に示す。 Next, as a step 4, a precursor of the photodiode 20 is formed. First, an N + layer 210 as a first conductivity type semiconductor layer is formed using a CVD method. Subsequently, for example, the reaction chamber of the CVD apparatus is changed to form the I-type semiconductor layer 208. This step may be performed by switching the forming gas without changing the reaction chamber. Next, it is taken out from the CVD apparatus and patterned to form a precursor of the photodiode 20. A cross-sectional view after the steps up to here are shown in FIG.

次に、工程5として、イオン注入法やプラズマドーピング法等を用いて、フォトダイオード20の前駆体が露出している部分を第2導電型半導体層としてのP+層207を改質することで、光電変換素子としてのフォトダイオード20が形成される。フォトダイオード20を形成するためのCVD法を行う場合に、N+層210を形成するチャンバーと、I型半導体層208を形成するチャンバーの2つがあれば良く、短いTAT(所要時間)で、かつ2チャンバー構成のCVD装置でフォトダイオード20を形成することが可能となる。ここまでの工程を終えた断面図を図6に示す。 Next, as step 5, by using an ion implantation method, a plasma doping method, or the like, the P + layer 207 as the second conductivity type semiconductor layer is modified at the portion where the precursor of the photodiode 20 is exposed. A photodiode 20 as a photoelectric conversion element is formed. When performing the CVD method for forming the photodiode 20, it is sufficient to have two chambers, a chamber for forming the N + layer 210 and a chamber for forming the I-type semiconductor layer 208, with a short TAT (required time), and The photodiode 20 can be formed by a CVD apparatus having a two-chamber configuration. A cross-sectional view after the steps up to here are shown in FIG.

フォトダイオード20を構成するI型半導体層208は、N+層210とP+層207により覆われており、I型半導体層208は、半導体層以外の領域と接することがない。そのため、界面欠陥起因の電荷発生を抑制することができる。N+層210とP+層207は他の物質と接触することとなるが、N+層210とP+層207は高い不純物濃度を有していることから、界面欠陥は高いキャリア密度を有する層で埋められるため、電荷を発生させる機能を喪失する。そのため、界面欠陥起因の電荷発生を抑えることが可能となる。従って、暗電流を小さくでき、黒画質を向上させることが可能となる。 The I-type semiconductor layer 208 constituting the photodiode 20 is covered with an N + layer 210 and a P + layer 207, and the I-type semiconductor layer 208 does not contact any region other than the semiconductor layer. Therefore, generation of charges due to interface defects can be suppressed. Although the N + layer 210 and the P + layer 207 come into contact with other substances, the N + layer 210 and the P + layer 207 have a high impurity concentration, so that the interface defect has a high carrier density. Since it is filled with a layer, it loses its ability to generate charge. Therefore, it is possible to suppress the generation of charges due to interface defects. Accordingly, the dark current can be reduced and the black image quality can be improved.

また、ここではI型半導体層208には意図的な不純物添加を行っていないため、I型半導体層208のN型不純物量(第1導電型不純物量)はN+層210より少なく、かつP型不純物量(第2導電型不純物量)はP+層207よりも少ない。I型半導体層208の空乏層は光電変換部として機能するため、不純物濃度が低く空乏層が伸び易いI型半導体層208を用いることで光電変換効率を高めることが可能となる。なお、I型半導体層208にN+層210より少ないN型不純物を添加したり、P+層207より少ないP型不純物を添加しても差し支えない。 Here, since the intentional impurity addition is not performed on the I-type semiconductor layer 208, the N-type impurity amount (first conductivity-type impurity amount) of the I-type semiconductor layer 208 is smaller than that of the N + layer 210, and P The type impurity amount (second conductivity type impurity amount) is smaller than that of the P + layer 207. Since the depletion layer of the I-type semiconductor layer 208 functions as a photoelectric conversion portion, the photoelectric conversion efficiency can be increased by using the I-type semiconductor layer 208 that has a low impurity concentration and easily extends. Note that less N-type impurities than the N + layer 210 may be added to the I-type semiconductor layer 208, or less P-type impurities than the P + layer 207 may be added.

また、P型不純物が注入された、N+層210であった領域は、P+層207に変換されている。この製造方法を用いることで、N+層210とP+層207の境界部分では、P+層207の不純物量(第2導電型不純物量)と、N+層210の不純物量(第1導電型不純物量)の不純物量が、双方の和となる値を有している。そのため、N+層210とP+層207の境界部分での結晶性は著しく低下し、極めて高抵抗の領域が形成される。そのため、N+層210とP+層207との間に流れる暗電流を小さくでき、黒画質を向上させることが可能となる。なお、P型不純物が注入された、N+層210であった領域をN+層210で保持させるよう注入するP型不純物量を設定しても良い。 Further, the region that was the N + layer 210 into which the P-type impurity was implanted has been converted into the P + layer 207. By using this manufacturing method, at the boundary portion between the N + layer 210 and the P + layer 207, the impurity amount of the P + layer 207 (second conductivity type impurity amount) and the impurity amount of the N + layer 210 (first conductivity type). Type impurity amount) has a value that is the sum of both. Therefore, the crystallinity at the boundary portion between the N + layer 210 and the P + layer 207 is remarkably lowered, and an extremely high resistance region is formed. Therefore, the dark current flowing between the N + layer 210 and the P + layer 207 can be reduced, and the black image quality can be improved. Note that the amount of P-type impurity implanted may be set so that the N + layer 210 retains the region that was the N + layer 210 into which the P-type impurity has been implanted.

次に、工程6として、窒化珪素層を500nm程度堆積した後パターニングし、素子分離層205を形成する。そして、透明電極となるITO(インジウム・錫・酸化物)層を50nm程度堆積した後パターニングを行い、上部電極206を形成することで図2に示すイメージセンサー100が形成される。   Next, as step 6, a silicon nitride layer is deposited to a thickness of about 500 nm and then patterned to form an element isolation layer 205. Then, after depositing an ITO (indium / tin / oxide) layer of about 50 nm to be a transparent electrode, patterning is performed to form the upper electrode 206, whereby the image sensor 100 shown in FIG. 2 is formed.

(第3の実施形態:別の構成を備えるイメージセンサーの製造方法)
前述した第2の実施形態においては、N+層210とP+層207が協働してI型半導体層208を包む構成を製造するための製造方法について説明したが、製造工程におけるTATのボトルネックとなるフォトダイオード20にPIN構造を形成する工程を短縮することを主眼とした場合、以下に示す工程を用いてもフォトセンサー50aを集積したイメージセンサー100aを製造することが可能である。なお、この製造方法は、前述した第2の実施形態と共通な部分が多いため、同様な製造工程となる部分については説明を省略する。図7、図8、図9はイメージセンサーの製造工程を説明するための工程断面図である。
(Third Embodiment: Image Sensor Manufacturing Method with Another Configuration)
In the second embodiment described above, the manufacturing method for manufacturing the configuration in which the N + layer 210 and the P + layer 207 cooperate to wrap the I-type semiconductor layer 208 has been described. When the main purpose is to shorten the process of forming the PIN structure in the photodiode 20 as a neck, the image sensor 100a in which the photosensor 50a is integrated can be manufactured even by using the following process. Since this manufacturing method has many parts in common with the second embodiment described above, the description of the parts that are the same manufacturing process will be omitted. 7, 8, and 9 are process cross-sectional views for explaining the manufacturing process of the image sensor.

まず、工程1〜工程4までを行う。ここまでは同一の工程を用いている。   First, steps 1 to 4 are performed. So far, the same process is used.

次に、工程5aとして、窒化珪素層を500nm程度堆積した後パターニングし、素子分離層205を形成する。ここまでの工程を終えたものを図7に示す。   Next, as step 5a, a silicon nitride layer is deposited to a thickness of about 500 nm and then patterned to form an element isolation layer 205. FIG. 7 shows the process up to this point.

次に、工程6aとして、イオン注入法やプラズマドーピング法等を用いて、フォトダイオード20aの前駆体が露出している部分を第2導電型半導体層としてのP+層207を改質することで、光電変換素子としてのフォトダイオード20aが形成される。フォトダイオード20aを形成するためのCVD法を行う場合に、N+層210を形成するチャンバーと、I型半導体層208を形成するチャンバーの2つがあれば良く、短いTAT(所要時間)で、かつ2チャンバー構成のCVD装置でフォトダイオード20aを形成することが可能となる。ここまでの工程を終えた断面図を図8に示す。 Next, as a step 6a, an ion implantation method, a plasma doping method, or the like is used to modify the P + layer 207 as the second conductivity type semiconductor layer in the portion where the precursor of the photodiode 20a is exposed. A photodiode 20a as a photoelectric conversion element is formed. When performing the CVD method for forming the photodiode 20a, it is sufficient that there are two chambers, namely, a chamber for forming the N + layer 210 and a chamber for forming the I-type semiconductor layer 208, with a short TAT (required time), and The photodiode 20a can be formed by a CVD apparatus having a two-chamber configuration. A cross-sectional view after the steps up to here are shown in FIG.

次に、透明電極となるITO層を50nm程度堆積した後パターニングを行い、上部電極206を形成することで図9に示すイメージセンサー100aが形成される。   Next, an ITO layer serving as a transparent electrode is deposited to a thickness of about 50 nm, followed by patterning to form the upper electrode 206, thereby forming the image sensor 100a shown in FIG.

3a…走査線、3b…定電位線、6a…データ線、10…TFT、10CH…チャネル、10D…ドレイン、10G…ゲート電極、10GI…ゲート絶縁層、10LDD…電界緩和部、10S…ソース、12a…定電位線、20…フォトダイオード、20a…フォトダイオード、30…保持容量、50…フォトセンサー、50a…フォトセンサー、100…イメージセンサー、100a…イメージセンサー、101…データ線駆動回路、102…走査線駆動回路、201…第1層間絶縁層、201C…コンタクトホール、201W…第1コンタクト、202…第2層間絶縁層、202C…コンタクトホール、202W…第2コンタクト、203…平坦化層、204…容量絶縁層、205…素子分離層、206…上部電極、207…第2導電型半導体層としてのP+層、208…I型半導体層、210…第1導電型半導体層としてのN+層、211…下部電極、213…容量電極、214…定電位コンタクト、215…データ線コンタクト、250…基板。 3a ... scanning line, 3b ... constant potential line, 6a ... data line, 10 ... TFT, 10CH ... channel, 10D ... drain, 10G ... gate electrode, 10GI ... gate insulating layer, 10LDD ... electric field relaxation part, 10S ... source, 12a Reference potential line, 20 ... Photodiode, 20a ... Photodiode, 30 ... Retention capacitance, 50 ... Photosensor, 50a ... Photosensor, 100 ... Image sensor, 100a ... Image sensor, 101 ... Data line driving circuit, 102 ... Scanning Line drive circuit 201 ... first interlayer insulating layer 201C ... contact hole 201W ... first contact 202 ... second interlayer insulating layer 202C ... contact hole 202W ... second contact 203 ... flattening layer 204 ... Capacitance insulating layer, 205 ... element isolation layer, 206 ... upper electrode, 207 ... second conductivity type P + layer as a conductor layer, 208 ... I-type semiconductor layer, 210 ... N + layer of the first conductivity type semiconductor layer, 211 ... lower electrode, 213 ... capacitor electrode, 214 ... constant potential contact, 215 ... data line contact 250 ... substrate.

Claims (6)

第1導電型半導体層と、
第2導電型半導体層と、
前記第1導電型半導体層よりも第1導電型不純物量が少なく、かつ前記第2導電型半導体層よりも第2導電型不純物量が少ないI型半導体層と、を備え、
前記第1導電型半導体層と、前記第2導電型半導体層とが前記I型半導体層を包み、かつ前記第1導電型半導体層と、前記第2導電型半導体層とが直接接合した接合領域を備えることを特徴とする光電変換素子。
A first conductivity type semiconductor layer;
A second conductivity type semiconductor layer;
An I-type semiconductor layer having a first conductivity type impurity amount less than that of the first conductivity type semiconductor layer and a second conductivity type impurity amount being less than that of the second conductivity type semiconductor layer;
A junction region in which the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer enclose the I type semiconductor layer, and the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer are directly joined. A photoelectric conversion element comprising:
請求項1に記載の光電変換素子であって、前記直接接合した領域を含む前記第1導電型半導体層側、または前記接合領域を含む前記第2導電型半導体層側に、前記第1導電型不純物量と前記第2導電型不純物量との和の不純物量を含む領域を備えることを特徴とする光電変換素子。   2. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the first conductivity type is provided on the first conductivity type semiconductor layer side including the directly bonded region or on the second conductivity type semiconductor layer side including the junction region. A photoelectric conversion element comprising a region including an impurity amount that is the sum of an impurity amount and the second conductivity type impurity amount. 基板上に配置された能動素子と協働して、光信号を電気信号に変換して出力する光電変換素子を備えたイメージセンサーであって、
第1導電型半導体層と、
第2導電型半導体層と、
前記第1導電型半導体層よりも第1導電型不純物量が少なく、かつ前記第2導電型半導体層よりも第2導電型不純物量が少ないI型半導体層と、を備え、
前記第1導電型半導体層と前記第2導電型半導体層とが前記I型半導体層を包み、かつ前記第1導電型半導体層と、前記第2導電型半導体層とが直接接合している接合領域を備えた光電変換素子を前記基板上に備えていることを特徴とするイメージセンサー。
In cooperation with an active element arranged on a substrate, an image sensor including a photoelectric conversion element that converts an optical signal into an electric signal and outputs the electric signal,
A first conductivity type semiconductor layer;
A second conductivity type semiconductor layer;
An I-type semiconductor layer having a first conductivity type impurity amount less than that of the first conductivity type semiconductor layer and a second conductivity type impurity amount being less than that of the second conductivity type semiconductor layer;
A junction in which the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer surround the I type semiconductor layer, and the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer are directly joined. An image sensor comprising a photoelectric conversion element having a region on the substrate.
請求項3に記載のイメージセンサーであって、前記光電変換素子が、前記接合領域を含む前記第1導電型半導体層側、または前記接合領域を含む前記第2導電型半導体層側に、前記第1導電型不純物量と前記第2導電型不純物量との和の不純物量を含む領域を備えることを特徴とするイメージセンサー。   4. The image sensor according to claim 3, wherein the photoelectric conversion element is arranged on the first conductive semiconductor layer side including the junction region, or on the second conductive semiconductor layer side including the junction region. An image sensor comprising a region including an impurity amount that is the sum of one conductivity type impurity amount and the second conductivity type impurity amount. 第1導電型半導体層を形成する工程と、
前記第1導電型半導体層の形成に続けてI型半導体層を形成する工程と、
前記第1導電型半導体層と前記I型半導体層をパターニングする工程と、
第2導電型不純物イオンを注入し、第2導電型半導体層を形成する工程と、
を備え、
前記I型半導体層の第1導電型不純物量は、前記第1導電型半導体層よりも少なく、
前記I型半導体層の第2導電型不純物量は、前記第2導電型半導体層よりも少なく、
前記第1導電型半導体層と前記第2導電型半導体層とは協働して前記I型半導体層を包み、
前記第1導電型半導体層と前記第2導電型半導体層とが直接接合した接合領域を備えることを特徴とする光電変換素子の製造方法。
Forming a first conductivity type semiconductor layer;
Forming an I-type semiconductor layer following the formation of the first conductive semiconductor layer;
Patterning the first conductive semiconductor layer and the I-type semiconductor layer;
Implanting second conductivity type impurity ions to form a second conductivity type semiconductor layer;
With
The first conductivity type impurity amount of the I type semiconductor layer is less than that of the first conductivity type semiconductor layer,
The second conductivity type impurity amount of the I type semiconductor layer is less than that of the second conductivity type semiconductor layer,
The first conductive semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer cooperate to wrap the I type semiconductor layer,
A method for manufacturing a photoelectric conversion element, comprising: a junction region in which the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer are directly joined.
第1導電型半導体層を形成する工程と、
前記第1導電型半導体層の形成に続けてI型半導体層を形成する工程と、
第2導電型不純物イオンを注入し、第2導電型半導体層を形成する工程と、
を備え、
前記I型半導体層の第1導電型不純物量は、前記第1導電型半導体層よりも少なく、
前記I型半導体層の第2導電型不純物量は、前記第2導電型半導体層よりも少ないことを特徴とする光電変換素子の製造方法。
Forming a first conductivity type semiconductor layer;
Forming an I-type semiconductor layer following the formation of the first conductive semiconductor layer;
Implanting second conductivity type impurity ions to form a second conductivity type semiconductor layer;
With
The first conductivity type impurity amount of the I type semiconductor layer is less than that of the first conductivity type semiconductor layer,
The method for manufacturing a photoelectric conversion element, wherein the second conductivity type impurity amount of the I-type semiconductor layer is smaller than that of the second conductivity type semiconductor layer.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2016134386A (en) * 2015-01-15 2016-07-25 ソニー株式会社 Photoelectric conversion element and imaging device
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