JPH01261863A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は固体撮像装置に関し、特にその画像信号の処
理回路を光電変換素子の下側に配置した積層型固体撮像
装置に関するものである。

〔従来の技術〕

固体撮像装置の軽量化、さらには画像信号の高速処理、
多機能処理を実現するため、信号処理回路、信号記憶用
メモリー、信号演算回路等を多層に集積した積層構造上
に半導体撮像素子を形成し、最上層の撮像素子からの画
像信号をその下層の回路によって並列処理する、いわゆ
る知能付撮像素子（インテリジェント　イメージプロセ
ッサ）を製造する試みがなされている。

従来、知能付撮像素子として第３図に示すものがあった
０図において、１）は単結晶シリコン基板、２はシリコ
ン酸化膜（以下酸化膜と称す）、３１は燐をドープした
多結晶シリコンよりなるゲート電極、４１は高融点金属
配線であり、これら１）．２．３１．４１によって１層
目の素子（ＭＯＳ）ランジスタ）Ａが構成されている。

また、２１はＩＭ目のＭＯ３型トランジスタＡ上に形成
された眉間酸化膜、１５は酸化膜、１２は層間酸化膜２
１上に形成された単結晶シリコン層、３２はゲート電極
、４２は高融点金属配線であり、これら１２，１５．３
２．４２によって２層目の素子（ＭＯＳ）ランジスタ）
Ｂが形成されている。

さらに２２は２層目ＭＯＳトランジスタＢ上に形成され
た眉間酸化膜、１３．１４は眉間酸化膜２２上に形成さ
れた単結晶シリコン層であり、該単結晶シリコン層１３
は砒素等を注入、拡散したＮ型シリコン、単結晶シリコ
ン層１４はボロン等を注入、拡散したｐ型シリコンから
なる。２３は酸化膜、４３はアルミニウム配線であり、
これら１３．１４，２３．４３によって、３層目（最上
層）の素子（ダイオード）Ｃが形成されている。

また５１．５２はそれぞれ第１層目、第２層目の素子間
、第２層目、第３層目の素子間を縦方向に接続するため
の縦配線で、眉間酸化膜に形成された縦穴に高融点金属
を埋め込んだものである。ここで単結晶シリコン層１２
．１３．１４は眉間酸化膜２１．２２上の多結晶シリコ
ン１２．１３゜１４にレーザ光あるいは電子線等のエネ
ルギー線を照射し、これを溶融することにより作製した
もので、その膜厚はシリコン層１２では４０００人、シ
リコン層１３．１４では両方合わせて７０００人である
。

次に動作について説明する。

３層目のダイオードＣの逆方向に電圧を印加する。すな
わち端子６に正電圧（５ｖ）を印加し、端子７を接地す
る。このときダイオードＣにはこれが逆方向に接続され
ているため電流は流れない。

このダイオードＣに光を照射すると、照射された光によ
って単結晶シリコン１３．１４中に電子・正孔対が発生
し、これらの電子、正孔がそれぞれ端子６．７に印加さ
れた電圧によって移動することにより照射した光量に比
例した電流（光電流）が流れる。この光電流は配線４３
．縦配線５２によって２層目の素子に導入される。そし
てＭＯＳトランジスタ等によって構成されている２Ｎ目
のＡ／Ｄコンバータによって、この光電流はアナログ信
号からデジタル信号へ変換される。さらに２層目のＡ／
Ｄコンバータ回路によって変換されたデジタル信号は縦
配線５１によってＩＮ目の素子に導入される。

ここではＭＯＳ）ランジスタなどにより構成されている
記憶素子、比較論理素子、シフトレジスタ等によって導
入されたデジタル信号を記憶したり、隣接画素間で比較
したりして画素信号の輪郭抽出、移動物体の検出等の処
理を行なう。

従って、積層構造中の最上層に光電変換器を設け、その
下側の層には最上層の画素毎に信号処理回路を形成すれ
ば、各画素毎の信号の並列処理が可能となり、高速度の
画像処理が実現できる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の固体撮像素子においては、最上層（第３層）の光
電変換器つまりダイオードを形成するための単結晶シリ
コン層１３．１４はその膜厚が両方合わせても７０００
人と薄く形成されているため、“１９８５　シンポジウ
ム　オン　ＶＬＳ　１テクノロジー、ダイジェスト　ｐ
３４　（１９８５Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎＶ　Ｌ　Ｓ
　Ｉ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＋　Ｄｉｇｅｓｔ　ｐ３４
）　”の第３図の光電流の波長依存性の関係に示されて
いるように、長波長の光に対する感度が低くなるという
欠点があった。

この欠点は単結晶シリコン１）３．１４の膜厚を大きく
すれば解決されることは自明のことであるが、単結晶シ
リコン層の形成がレーザ光などによる溶融再結晶化プロ
セスによるものであるため、溶融後の冷却によるシリコ
ンと下地酸化膜との熱膨張率の差によって単結晶シリコ
ンＪｉｉ１３．１４に大きな歪が発生する０通常単結晶
シリコン層１３．１４の膜厚が１μｍ（−１００００人
）以上になるとこの歪によりクランクが発生し、溶融再
結晶化プロセスによって１μｍ以上の膜厚の単結晶シリ
コン層を形成することは困難であった。

また、溶融再結晶化プロセスにより厚さ１μｍ以下の単
結晶シリコンを形成し、この上に９５０℃のエピタキシ
ャル成長法によって単結晶シリコンを１μｍはど成長さ
せても、長波長側の感度は向上するが、エピタキシャル
成長法は高温プロセスのため、積層構造形成のプロセス
としては適当でない。さらに、単結晶シリコンの代わり
に堆積温度の低い非晶質の半導体を使用するという方法
もあるが、この場合は非晶質シリコン中に安定なｐ−ｎ
接合を作ることが困難であった。さらにまた非晶質シリ
コンの易動度は単結晶に比べて１／１００以下であり動
作速度に問題があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、長波長側の感度を向上でき、かつ下層のデバ
イスの特性劣化を防止できる固体撮像装置を得ることを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る固体撮像装置は、光電変換素子を非晶質
または多結晶の半導体層とｐ−ｎ接合を有する単結晶シ
リコン層とから構成したものである。

〔作用〕

この発明においては、光電変換素子を非晶質または多結
晶の半導体層とｐ−ｎ接合を有する単結晶半導体層とか
ら構成したから、下層デバイスの特性の劣化を招くこと
なく長波長の光に対する感度を向上することができる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。なお
この実施例の説明において、従来の技術の説明と重複す
る部分については適宜その説明を省略する。

第１図はこの発明の一実施例による固体撮像装置を説明
するための断面図である。図において１）は単結晶シリ
コン基板、２，１５．２３は酸化膜、２１．２２は眉間
酸化膜、３１．３２はゲート電極、４１．４２は高融点
金属配線、４３はアルミニウム配線、１２は単結晶シリ
コン層、１３はＮ型単結晶シリコン層、１４はＰ型車結
晶シワ３フ ９は透明電極であり、△はＩＮ目の素子（ＭＯＳトラン
ジスタ）、Ｂは２層目の素子（ＭＯＳ）ランジスタ）、
Ｃは３層目の素子（ダイオード）である、単結晶シリコ
ン層１３．１４の膜厚は７０００人、非晶質シリコン層
８の膜厚は１μｍ（ｌｏｏｏｏ人）でＮ型９９３７層１
３上に形成されている。

次に動作について説明する。

端子６に正電圧（＋　５　Ｖ）を印加し、端子７を接地
し、３Ｎ目の素子のダイオードＣに透明電極９を通して
光を照射する．シリコン層は合計１。

７μｍと厚いため、長波長側の光も充分吸収され、電子
・正札対を発生し、この電子，正孔は透明電極９及びア
ルミニウム配線４３（端子７）に移動し、光電流となる
。この場合長波長側の光も充分吸収されているため、長
波長の光の感度は向上している．また非晶質シリコン８
の形成温度は４００℃以下と充分低いため、形成時に下
層デバイスの特性を劣化させることはない．なお光電流
の変換、信号処理に関しては従来の例と同一である。

このように本実施例では光電変換素子を、Ｎ型及びＰ型
車結晶シワ３フ 層上に形成した非晶質シリコン層８とから構成したので
、光電変換素子のシリコン層の膜厚が大きくなり、長波
長側の光も充分吸収でき、しかも非晶質シリコンＮ８の
形成温度が低いため、下層デバイスの特性劣化を招くこ
とはない。

なお、上記実施例ではＮ型９９３７層１３上に非晶質シ
リコン層８を形成した場合を示したが、該Ｎ型９９３７
層１３上に燐を注入した非晶質シリコン層を形成し、こ
れを熱処理してＮ型単結晶シリコン層としてもよい。

第１図を用いて詳しく説明するとＮ型９９３７層１３上
に、該シリコン層１３の導電性と同じとなるような不純
物（例えば燐）を導入した非晶質シリコン層を堆積し、
不純物の拡散が起こらない温度（ここでは６００℃）で
長時間（３時間）アニールする．この熱処理により上記
非晶質シリコン層はＮ型９９３７層１３を種として結晶
化し、Ｎ型単結晶シリコン層となる。

この場合も上記実施例と同様熱処理温度が６００℃と低
温であるため下層のデバイスの劣化を招くことなく、光
電変換素子のシリコン層の膜厚を厚（でき、長波長側の
光感度を向上できる。

さらに上記実施例ではＮ型９９３７層１３上に直接非晶
質シリコン層などを形成したが、単結晶のシリコン層１
３と非晶質シリコン層との間に電極を設けてもよい。

第２図はこのような構成の本発明の他の実施例装置を示
し、図中９１は非晶質シリコン層８とＮ型９９３７層１
３との間に形成された透明電極であり、その他の構成は
第１図のものと同様である。

この実施例装置では、非晶質シリコン層８．　Ｎ型９９
３２層１３間に電極９１が介在しているため、これらの
各１８．１３に異なる電圧を印加することができ、これ
により非晶質シリコン層８内で発生した短波長の光によ
る光電流と、単結晶シリコンＪ１）３．１４内で発生し
た長波長の光による光電流とを分離することができ、フ
ィルタ等を用いることなく分光することができる効果が
ある。

なお、上述の各実施例では、３層構造の固体撮像装置の
例を示したが、層数は何層であってもよく、絶縁体層あ
るいは絶縁性基板上に固体撮像素子を形成する場合であ
れば、上記実施例と同様の効果を奏する。

また上記第１図及び第２図に示す装置では、ｐ−ｎ接合
を有する単結晶半導体層の上に非晶質の半導体層を形成
したが、これはその形成温度が下層デバイスに影響を与
えない温度（シリコン素子では８００℃）以下であれば
多結晶半導体層であってもよく、この場合自明のことで
あるがこの多結晶半導体層はＮ型半導体である必要があ
る。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、光電変換素子を非晶
質または多結晶の半導体層とｐ−ｎ接合を有する単結晶
の半導体層とから構成したので、長波長側の光の感度が
よく、しかも下層デバイスの特性劣化のない固体撮像装
置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による固体撮像装置を示す
断面図、第２図はこの発明の他の実施例による固体撮像
装置を示す断面図、第３図は従来の固体撮像装置を示す
断面図である。 図において、１）は単結晶シリコン基板、１２は単結晶
シリコン層、１３はＮ型単結晶シリコン層、１４はＰ型
車結晶シリコン層、２．１５．２３は酸化膜、２１．２
２は眉間酸化膜、３１．３２はゲート電極、４１．４２
は高融点金属配線、４３はアルミニウム配線、５１．５
２は縦配線、６．７は端子、８は非晶質シリコン層、９
，９１は透明電極である。 なお、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。 特許出願人　工業技術院長　飯　塚　幸　三第１図 第２図 ９１：譜暫を令 第３図 ３１、ＪＺニゲ−／ｅグ銑

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板もしくは既にデバイスが形成された半
   導体基板上に比較的厚い絶縁体層を形成した後その上に
   、あるいは直接絶縁基板上に形成され、光電変換部とし
   て機能する半導体薄膜部を有する固体撮像装置において
   、 上記半導体薄膜部を、 ｐ−ｎ接合を内部に有する単結晶半導体層と、該単結晶
   半導体層上に形成された非晶質又は多結晶の半導体層と
   から構成したことを特徴とする固体撮像装置。