JPH05152554A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 残像を低減して良質な画質の映像信号を得る
ことのできる積層型の固体撮像装置を提供すること。 【構成】 半導体基板１０に蓄積ダイオード１２，ＣＣ
Ｄチャネル１３及び信号電荷読出し部を兼ねる転送ゲー
ト電極１５，１６等を形成し、且つ最上層に蓄積ダイオ
ード１２に電気的に接続された画素電極２０を形成して
なる固体撮像素子チップと、この固体撮像素子チップ上
に形成された光電変換膜２１とを備えた固体撮像装置に
おいて、光電変換膜２１として水素化アモルファスシリ
コンを使用し、このシリコンの空乏状態の空間電荷密度
を２×１０¹⁴ｃｍ^-3以下に設定したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像素子チップ上
に光電変換膜を積層して構成される積層型の固体撮像装
置に係わり、特に光電変換膜として水素化アモルファス
シリコンを用いた固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像素子チップ上に光電変換膜を積
層してなる２階建て構造の固体撮像装置は、感光部の開
口面積を広くすることができるため、高感度且つ低スミ
ア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 Defin
ition Television）等のカメラへの応用が期待されてい
る。

【０００３】この種の装置では、光電変換膜として水素
化アモルファスシリコンが用いられており、光電変換膜
は下部電極（画素電極）と上部電極（透明電極）との間
に配置される。そして、上部電極に負電圧を、下部電極
に正電圧を印加し、光の入射により光電変換膜で発生し
た光電流を下部電極を通して蓄積ダイオードに導き、蓄
積ダイオードに蓄積された信号電荷をＣＣＤ等の転送部
を介して映像信号として読出すようになっている。

【０００４】しかしながら、この種の装置にあっては次
のような問題があった。即ち、アモルファスシリコン層
を光電変換層として用いることによって、入射光が遮ら
れても信号電流が直ぐには暗状態での定常電流にはなら
ず、経時的に減衰するという現象が見られる。この現象
は、画像信号としては前の映像が僅かに残って見える残
像として認識され、画質を著しく悪化させる。これは、
アモルファスシリコンがバンドギャップ中に図６に示す
ような連続した局在準位を持つためであり、光照射下で
アモルファスシリコン層内部に発生し、局在準位に捕獲
された電子及び正孔が暗状態で熱的に励起されて出てく
ることによる。

【０００５】この残像現象は、光電変換膜を持たない固
体撮像装置には見られない現象であり、水素化アモルフ
ァスシリコン層を積層した固体撮像装置を実用に絶え得
るものとするためには、これを解決する必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、水素
化アモルファスシリコン層を積層した積層型の固体撮像
装置においては、アモルファスシリコンが持つ局在準位
に捕獲された電子及び正孔が暗状態で熱的に励起されて
出てくることにより、残像が発生するという問題があっ
た。

【０００７】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、アモルファスシリコン
の局在準位に捕獲された電子及び正孔の熱的な励起に起
因する残像を低減することができ、良質な画質の映像信
号を得ることのできる固体撮像装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、アモル
ファスシリコンの局在準位に関係する空間電荷密度を最
適化することにより、残像を低減することにある。

【０００９】即ち本発明は、半導体基板に信号電荷蓄積
部，信号電荷読出し部及び信号電荷転送部を形成し、且
つ最上層に信号電荷蓄積部に電気的に接続された画素電
極を形成してなる固体撮像素子チップと、この固体撮像
素子チップ上に形成された光電変換膜と、この光電変換
膜上に形成された透明電極とを備えた固体撮像装置にお
いて、光電変換膜として水素化アモルファスシリコンを
用い、該シリコンの空乏状態の空間電荷密度が２×１０
¹⁴ｃｍ^-3以下となるようにしたものである。

【００１０】

【作用】前述したように残像は、光照射下で水素化アモ
ルファスシリコンの内部に発生し、バンドギャップ中の
局在準位に捕獲されていた過剰な電子及び正孔が光が遮
られたときに熱的に伝導帯及び価電子帯に励起されて信
号電流として検出されることによる。従って、残像を低
減するためには、まずアモルファスシリコンのバンドギ
ャップ中の局在準位を減らすことが必要になる。

【００１１】局在準位は様々な起源を持ち、図６に示す
ようにバンドギャップの全エネルギー領域において連続
して存在する。これらのうち、空乏状態において空間電
荷として観測される帯電した準位は光照射下でトラップ
中心となり易く、残像の大小に著しい影響を与える。従
って、空間電荷密度を減らすことが残像の低減には重要
である。

【００１２】空間電荷密度は、図１に示すように、主に
膜中の弗素や窒素等の不純物元素によるものであり、膜
形成の環境に左右される量である。このため、膜形成の
環境が清浄であって、膜中の不純物元素が少なければ少
ないだけ空間電荷密度も少ないと考えられていた。従っ
て、残像を小さくするためには、光電変換膜としてのア
モルファスシリコン層をできる限り清浄な環境で形成す
る必要があると考えられてきた。ここで、膜形成におけ
る雰囲気を清浄にすればするほど製造コストが上昇する
ことになる。

【００１３】しかしながら、実際に空間電荷密度と残像
との関係を調べてみると、図２に示すように、空間電荷
密度が２×１０¹⁴ｃｍ^-3以上の領域では空間電荷密度と
残像は比例していて空間電荷密度が増加すると残像も増
加しているが、それ以下になると空間電荷密度が減少し
ても残像は略一定であることが分かった。

【００１４】そこで本発明では、図２に示した空間電荷
密度と残像との関係から、空間電荷密度が２×１０¹⁴ｃ
ｍ^-3以下である水素化アモルファスシリコン層を光電変
換膜として用いることによって、残像の少ない良質な映
像信号を得ることを可能にする。特に、空間電荷密度を
２×１０¹⁴ｃｍ^-3以下で且つこの値に近い範囲、例えば
１×１０¹⁴ｃｍ^-3〜２×１０¹⁴ｃｍ^-3とすれば、製造コ
ストの点でも有利である。また、図３に示すように、こ
のときの暗状態の定常電流（リーク電流）を１×１０
^-10 Ａ／ｃｍ² 以下にすると、リーク電流による残像の
増加も防止することができ、さらに良質な画質を得るこ
とが可能となる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。

【００１６】図４は、本発明の第１の実施例に係わる固
体撮像装置の１画素構成を示す断面図である。基本的な
構成は、一般的な積層型固体撮像装置と同様である。即
ち、ｐ型シリコン基板１０には、ｐ⁺ 型の素子分離領域
１１で囲まれた領域内にｎ⁺ 型の不純物領域からなる蓄
積ダイオード１２が形成されており、この蓄積ダイオー
ド１２の近傍にはｎ^- 型の垂直ＣＣＤのチャネル領域１
３が形成されている。チャネル領域１３の上部には、第
１の絶縁膜１４で周囲と絶縁された転送ゲート電極１
５，１６が積層形成されている。第１の絶縁膜１４には
蓄積ダイオード12とコンタクトするためのコンタクト孔
１７が設けられており、このコンタクト孔１７から絶縁
膜１４の周縁に沿って転送ゲート電極１５，１６の上部
には、引出し電極１８が形成されている。引出し電極１
８及び絶縁膜１４の上には、表面平坦化用の第２の絶縁
膜１９が形成されている。そして、この第２の絶縁膜１
９上に、１画素毎に対応して引出し電極１８に接続され
た下部電極（画素電極）２０が形成されて、固体撮像素
子チップが構成されている。

【００１７】固体撮像素子チップの上には、例えばｉ型
の水素化アモルファスシリコン層（a-Si:H）からなる光
電変換膜２１が形成されており、この光電変換膜２１上
には、膜厚３０ｎｍのＩＴＯ等からなる上部電極（透明
電極）２２が形成されている。また、光電変換膜２１と
透明電極２２との間には、電子に対してバリアとなるｐ
型の水素化アモルファスシリコンカーバイド層（ a-Si
C:H）膜２４が形成されている。なお、光電変換膜２１
と画素電極２０との間には、正孔に対してバリアとなる
ｉ型の水素化アモルファスシリコンカーバイド層（a-Si
C:H ）２３を形成してもよい。

【００１８】このような構成において、光電変換膜２１
で受光された入射光は、電子−正孔対に変換され、透明
電極２２と画素電極２０間に印加された所定のバイアス
電位により、電子は引出し電極１８を通じて蓄積ダイオ
ード１２に与えられ、信号電荷として蓄積ダイオード１
２に蓄積される。蓄積された信号電荷は、転送ゲート電
極１５に印加される電圧により、垂直ＣＣＤのチャネル
領域１３に移送された後、このチャネル領域１３を順次
移動して転送される。次に、上記実施例装置の製造方法
について説明する。

【００１９】まず、ｐ型のシリコン基板１０内にｐ⁺ 型
の素子分離領域１１，ｎ⁺ 型拡散層からなる蓄積ダイオ
ード１２及びｎ^- 型拡散層からなるＣＣＤチャネル領域
１３を形成し、このＣＣＤチャネル領域１３上にゲート
絶縁膜を介して転送ゲート電極１５，１６を形成する。
そして、酸化シリコンからなる層間絶縁膜１４を形成
し、フォトリソグラフィ法によりコンタクト孔１７を形
成し、アルミニウム薄膜パターンからなる引出し電極１
８を形成する。この上層にＣＣＤ素子の保護と表面の平
坦化を兼ねて絶縁膜１９を形成する。このとき、引出し
電極１８の上端面がやや露出するように絶縁幕１９の膜
厚をコントロールする。

【００２０】次いで、スパッタリング法により膜厚１０
０ｎｍのチタン層を成膜し、フォトリソグラフィ法によ
りこれをパターニングし、分割電極として下部電極２０
を形成する。続いて、シランガスを原料ガスとして用い
たグロー放電分解法により、膜厚１μｍの水素化アモル
ファスシリコン層２１を全面に形成する。その後、連続
でシランガスとメタンガスを原料ガス、ジボランガスを
ドーピングガスとして用いたグロー放電分解法により、
膜厚２０ｎｍのｐ型の水素化アモルファスシリコンカー
バイド層２４を全面に堆積する。

【００２１】このとき、アモルファスシリコン層２１の
空間電荷密度が２×１０¹⁴ｃｍ^-3以下、例えば１×１０
¹⁴ｃｍ^-3となるようにする。空間電荷密度の制御は、例
えば図５に示すように堆積速度を速くすることで行うこ
とができる。これは、単位時間当たりに膜堆積表面に到
達する不純物元素の量と堆積速度との関係によって膜内
に取り込まれる不純物の量が決まってしまうからであ
る。その他にも成膜時の真空度を良くする、等の方法に
よって空間電荷密度は制御することができる。

【００２２】次いで、スパッタリング法により、膜厚５
０ｎｍの透光性の酸化インジウム或いは酸化インジウム
・錫の薄膜（透明電極２２）を一体的に成膜し、固体撮
像装置が完成する。

【００２３】このように本実施例によれば、光電変換膜
２１として使用する水素化アモルファスシリコンの空間
電荷密度が１×１０¹⁴ｃｍ^-3となるようにしているの
で、空間電荷密度に起因する残像を最小限に抑えること
ができ、十分実用になる高画質な映像信号を得ることが
できる。そしてこの場合、空間電荷密度を極端に小さく
するために必要以上に成膜時の雰囲気を清浄にする必要
もなくなり、成膜コストの低減をはかることも可能であ
る。

【００２４】次に、本発明の第２の実施例として、第１
の実施例に説明した固体撮像装置において、光電変換膜
２１として積層する水素化アモルファスシリコンと下部
電極２０であるチタン電極との間にｉ型の水素化シリコ
ンカーバイド層２３を堆積した固体撮像装置について説
明する。

【００２５】ｉ型の水素化アモルファスシリコンカーバ
イド層２３は、アモルファスシリコン層２１及びその上
層のｐ型のアモルファスシリコンカーバイド層２４と連
続で形成する。分割形成した下部電極２０の上層にシラ
ンガスとメタンガスを原料ガスとして用いたグロー放電
分解法により膜厚２０ｎｍのｉ型の水素化アモルファス
シリコンカーバイド層２３を一体的に形成する。このと
き、ｉ型のアモルファスシリコンカーバイド層２３のバ
ンドギャップをアモルファスシリコン層２１のバンドギ
ャップより僅かに広くする。

【００２６】この実施例装置においては、先の第１の実
施例と同様の効果が得られるのは勿論のこと、暗状態で
の定常電流（リーク電流）は１×１０^-10 Ａ／ｃｍ² 以
下となり、定常電流（リーク電流）による残像の増加は
認められず、十分実用に絶え得る高画質な映像信号を得
ることができる。次に、本発明の第３の実施例として、
光導電性残像特性の改善をはかった固体撮像装置につい
て説明する。

【００２７】積層型固体撮像装置の画像特性として重要
である光導電性残像特性は、アモルファスシリコン層の
バンドギャップ中の局在準位密度の分布状態に大きく関
わっている。さらに、アモルファスシリコン層中の局在
準位は、主に膜中の全水素量やＳｉ−Ｈ₂ 結合比等によ
って決定される。アモルファスシリコン層中の水素量は
シリコンのダングリングボンドを終端するのに十分な量
が必要であり、Ｓｉ−Ｈ₂ 結合比は少ない方がバンドの
裾準位を少なくすることができる。

【００２８】Ｓｉ−Ｈ₂ 結合を減少させるためには、図
７に示すように成膜温度を高くして成膜時に水素が容易
に動き回れるようにする必要がある。しかし、成膜温度
を上昇させると、図８から分かるように膜中の水素量自
体も減少してしまうという事実があるため、成膜条件を
最適化することだけで達成されるアモルファスシリコン
の膜特性には限界がある。なお、図７においてＳｉ−Ｈ
₂ 結合比は、Ｃ_Si-H2／（Ｃ_Si-H＋Ｃ_Si-H2 ）として定
義した。

【００２９】また、膜中のＳｉ−Ｈ₂ 結合比は図１２に
示したように膜の応力とも関係のある量で、膜中Ｓｉ−
Ｈ₂ 結合比が大きいほど構造に柔軟性があり、応力は減
少する。反対に、Ｓｉ−Ｈ₂ 結合比を小さくしていくと
特性も向上するが膜中の応力も増加する。このため、良
好な特性を有する膜ほど成膜後の工程で剥離されやすい
という問題がある。剥離は素子の歩留まりを著しく悪化
させるばかりでなく、生産ラインそのものに対しても損
害となるため大きな問題となる。

【００３０】さらに、水素化アモルファスシリコン層に
成膜後に熱処理を加えることによって、膜中の水素の結
合形態を変化させ、Ｓｉ−Ｈ₂ 結合比を減少させる必要
がある。熱処理温度に対するＳｉ−Ｈ₂ 結合比の減少
を、図９に示す。Ｓｉ−Ｈ₂ 結合比は、熱処理温度が高
くなるほど減少する。十分にＳｉ−Ｈ₂ 結合比を減少さ
せようとすると、熱処理温度は成膜温度より高くする必
要があるが、このような温度で長時間熱処理を行うと、
図１０に示すように水素の剥離に伴う欠陥の増加が見ら
れるようになる。図１０では、ダイオードの逆方向電流
の熱処理時間依存性を示している。逆方向電流は、熱処
理時間が長くなるに伴って増加している。これは、成膜
温度で膜中に存在していた水素が成膜温度より高い熱処
理を受けることによって脱離し、その結果、膜中に欠陥
準位（ダングリングボンド）が増加し、この欠陥準位を
介して再結合電流が流れるためである。

【００３１】前述したように、光導電性残像はアモルフ
ァスシリコン層中の水素量及び膜中Ｓｉ−Ｈ₂ 結合比に
大きく依存した量である。従って、良質な映像を得るた
めには、アモルファスシリコン層中の水素量を一定に保
った状態で、膜中Ｓｉ−Ｈ₂結合比を減少させる必要が
ある。本発明者らの実験によれば、アモルファスシリコ
ンの成膜温度以上の２３０℃から３００℃の熱処理を３
気圧以上の加圧雰囲気中で行うことによって、膜からの
水素の脱離を防止し膜中Ｓｉ−Ｈ₂ 結合比を良質な映像
を得るために十分な程度まで減少させることができた。

【００３２】本実施例では、成膜後の熱処理によって膜
中Ｓｉ−Ｈ₂ 結合比を減少させるので、成膜時の膜は必
ずしも膜中Ｓｉ−Ｈ₂ 結合比が小さいものでなくともよ
い。従って、膜の応力を小さくすることが可能になる。
これによってアモルファスシリコン層形成後、透明電極
形成，ボンディングパッド露出等の剥離が発生しやすい
工程をへた後、上記の手法で熱処理を行い、Ｓｉ−Ｈ₂
結合を減少させ、光導電性残像の低い膜を得ることがで
きる。

【００３３】具体的には、第１及び第２の実施例で得ら
れた固体撮像装置に対し、装置形成後に熱処理を加え、
アモルファスシリコン層の膜質を改善して光導電性残像
を低減する。

【００３４】熱処理は次のような手順で行う。常温常圧
で加圧可能なオーブン中に固体撮像装置を設置し、その
後昇温加圧を行う。３００℃で３気圧の窒素雰囲気中で
１時間の熱処理を行った後、常温常圧に戻す。この処理
によって、水素量は１５ atm％で一定でありながらＳｉ
−Ｈ₂ 結合比は２０％から１５％に減少している。この
結果、光導電性残像は１％から０．５％に減少し、良質
な画像特性を得ることができた。

【００３５】この際、成膜直後の水素化アモルファスシ
リコン層の応力は１．１×１０¹⁹dyn／ｃｍ² であり、
透明電極２２のスパッタリングやボンディングパッドの
コンタクト穴の形成の工程の間、このように膜の応力を
低く保つことによって剥離を防止することができた。

【００３６】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。第１及び第２の実施例では、水素化
アモルファスシリコンの空間電荷密度を１×１０¹⁴ｃｍ
^-3としたが、これは［作用］の項で説明したように残像
を十分低減するためであり、２×１０¹⁴ｃｍ^-3以下であ
ればよい。さらに、残像以外の要因をも加味して考える
と、２×１０¹⁴ｃｍ^-3以下で且つこれに近い範囲とする
のが望ましい。

【００３７】また、第３の実施例では水素化アモルファ
スシリコンの熱処理工程を３００℃で３気圧としたが、
これは良好な画像を得るために十分な程度まで光導電性
残像を減少させるための条件であり、これよりも高温高
気圧としてもよい。さらに、水素化アモルファスシリコ
ン膜を用いたデバイス、例えばガラス基板上のＴＦＴな
どに適用することができる。その他、本発明の要旨を逸
脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、積
層型の固体撮像装置における光電変換膜であるアモルフ
ァスシリコンの空間電荷密度を２×１０¹⁴ｃｍ^-3以下に
することによって、残像を十分に減少させることがで
き、画質の向上をはかることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の作用を説明するためのもので、空間電
荷密度と不純物濃度との関係を示す特性図、

【図２】本発明の作用を説明するためのもので、空間電
荷密度と残像との関係を示す特性図、

【図３】本発明の作用を説明するためのもので、リーク
電流と残像との関係を示す特性図、

【図４】本発明の一実施例に係わる固体撮像装置の１画
素構成を示す断面図、

【図５】アモルファスシリコン層の堆積速度と空間電荷
密度との関係を示す特性図、

【図６】アモルファスシリコン層のバンドギャップ中の
局在準位密度を示す特性図。

【図７】成膜温度と膜中の水素量との関係を示す特性
図、

【図８】成膜温度と膜中のＳｉ−Ｈ₂ 結合比との関係を
示す特性図、

【図９】熱処理温度と膜中のＳｉ−Ｈ₂ 結合比との関係
を示す特性図、

【図１０】熱処理時間とダイオードの逆方向電流との関
係を示す特性図、

【図１１】熱処理時の気圧とダイオードの逆方向電流と
の関係を示す特性図、

【図１２】膜中のＳｉ−Ｈ₂ 結合比と膜の応力との関係
を示す特性図。

【符号の説明】

１０…シリコン基板、 １１…ｐ⁺ 型素子分離領域、 １２…ｎ⁺ 型蓄積ダイオード、 １３…ｎ^- 型垂直ＣＣＤチャネル、 １４…第１の絶縁膜、 １５，１６…転送ゲート電極、 １７…コンタクト孔、 １８…引出し電極、 １９…第２の絶縁膜、 ２０…下部電極（画素電極）、 ２１…ｉ型水素化アモルファスシリコン層（光電変換
膜）、 ２２…上部電極（透明電極）、 ２３…ｉ型アモルファスシリコンカーバイド層、 ２４…ｐ型アモルファスシリコンカーバイド層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板に信号電荷蓄積部，信号電荷読
   出し部，及び信号電荷転送部を形成し、且つ最上層に信
   号電荷蓄積部に電気的に接続された画素電極を形成して
   なる固体撮像素子チップと、この固体撮像素子チップ上
   に形成された光電変換膜と、この光電変換膜上に形成さ
   れた透明電極とを備えた固体撮像装置において、 前記光電変換膜として水素化アモルファスシリコンを使
   用し、該シリコンの空乏状態の空間電荷密度を２×１０
   ¹⁴ｃｍ^-3以下に設定してなることを特徴とする固体撮像
   装置。