JPH0864792A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高品質な水素化アモルファスシリコンを積層
しても剥がれを少なくすることができ、膜剥がれの低減
と共に残像の低減をはかり得る積層型の固体撮像装置を
提供すること。 【構成】 半導体基板に蓄積ダイオード１２，読出しゲ
ート１５及びＣＣＤ１３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
した固体撮像素子チップと、チップ上に形成された光電
変換膜２１と、光電変換膜２１上に形成された透明電極
２４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膜を使用し、アモル
ファスシリコン膜とチップとの間に電荷注入阻止層とし
てのアモルファスシリコンカーバイド膜２３を挿入し、
アモルファスシリコンカーバイド膜２３中に含まれる総
水素量に対するＳｉ−Ｈ結合している水素量の割合を４
０％以下に設定した。

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】近年、半導体基板に信号電荷蓄積のため
の蓄積ダイオード，信号電荷読出し部及び信号電荷転送
部としてのＣＣＤを形成し、且つ最上層に蓄積ダイオー
ドに電気的に接続された画素電極を形成して固体撮像素
子チップを構成し、この固体撮像素子チップ上に光電変
換膜を積層した２階建て構造（積層型）の固体撮像装置
が開発されている。この積層型固体撮像装置は、感光部
の開口面積を広くすることができ、また画素電極によっ
て１階部分にあたる素子チップ上の大部分が覆われてい
るので、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、各種監視用テレビジョンカメラやＨＤＴ
Ｖ（High Difinition Television）等のカメラへの応用
が期待されている。

【０００３】上記の光電変換膜としては、一般に水素化
アルモファスシリコン（a-Si:H）が用いられている。そ
して、図６に示すように光電変換膜７０は、固体撮像素
子チップ６０の最上層である画素電極６１とＩＴＯ等の
透明電極７１との間に配置される。画素電極６１は酸化
シリコン等の平坦化用絶縁膜６２上に配置され、コンタ
クトホールによって蓄積ダイオード（図示せず）に接続
されている。そして、透明電極７１に負電圧を、画素電
極６１に正電圧を印加し、光の入射により光電変換膜７
０で発生した光電流を画素電極６１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転
送部（図示せず）を介して映像信号として読み出すよう
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を
固体撮像素子チップ上に形成した後の工程中に、アモル
ファスシリコン内部の高い応力によって、画素電極の下
層の絶縁膜との界面でアモルファスシリコン膜の剥離が
発生することがある。これは、例え一部分の軽微な膜剥
がれであっても、剥離片が飛散し装置自体にゴミとして
付着し、画像欠陥となる他、工程の製造装置に残留し、
永くゴミの原因になるなど深刻な問題になっていた。

【０００５】一般に、膜剥がれを防止する場合は、膜厚
を薄くする、応力の少ない膜を使用する等の方法が考え
られる。しかし、十分な感度を得るためにはアモルファ
スシリコン膜を１μｍ以上の厚さとしなければならなか
った。

【０００６】また、アモルファスシリコンはＳｉ−Ｓｉ
ネットワーク中に結合状態のゆらぎを持ち、このためバ
ンド端から指数関数的に減衰するバンド裾準位を持つ。
図７に示すようにバンド裾準位と応力は密接に関係し、
バンド裾準位を低減し、Ｓｉ−Ｓｉネットワークをより
堅固なものにすると、応力の高い膜となる。バンド裾準
位が少ない方が高品質なアモルファスシリコンであり、
積層型固体撮像装置のもう１つの問題である残像現象
も、図８に示すようにバンド裾準位が少ないほど低減さ
れる。

【０００７】残像現象とは、入射光が遮られても信号電
荷が直ちに暗状態での定常電流にはならず、経時的に減
衰するというものであり、映像の中に前の映像が僅かに
残って見え、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連続した局在準位
を持つためであり、光照射下で局在準位に捕獲された電
子が暗状態で熱的に励起されて出てくることによる。

【０００８】従って、アモルファスシリコンとしては局
在準位をできるだけ減らすことが必要であるが、局在準
位が少なく高品質なアモルファスシリコンは、応力が大
きく剥がれが生じ易いという問題があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、光電
変換膜として水素化アモルファスシリコン膜を積層した
積層型の固体撮像装置においては、特性上の問題点であ
る残像低減と装置作成上の問題点である剥がれとがトレ
ードオフの関係にあり、良質な画質の映像信号を得るこ
とは難しかった。

【００１０】本発明は、上記の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、高品質な水素化アル
モファシスリコン膜を積層しても膜剥がれを少なくする
ことができ、膜剥がれの低減と共に残像の低減をはかり
得る積層型の固体撮像装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、光導電
膜としての水素化アモルファスシリコン膜と固体撮像素
子チップとの間に挿入されている、電荷注入阻止層であ
るアモルファスシリコンカーバイド層を柔軟性のある構
造とすることによって、水素化アモルファスシリコン膜
の応力を緩和することにある。

【００１２】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膜
を使用し、該アモルファスシリコン膜と固体撮像素子チ
ップとの間に電荷注入阻止層としてのアモルファスシリ
コンカーバイド膜を挿入し、該アモルファスシリコンカ
ーバイド膜中に含まれる総水素量に対するＳｉ−Ｈｎ
（ｎ＝１〜３）結合している水素量の割合を４０％以下
に設定してなることを特徴とする。

【００１３】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。 (1) 水素化アモルファスシリコン膜のバンド裾準位を４
３ｍｅＶ以下に設定すること。 (2) 水素化アモルファスシリコン膜の応力を４．０×１
０⁹ dyn/cm² 以上に設定すること。 (3) アモルファスシリコンカーバイド膜の成膜温度を３
００〜３５０℃の範囲に設定すること。

【００１４】

【作用】本発明によれば、水素化アルモファスシリコン
カーバイド膜のＳｉ−ＣネットワークにＣ−Ｈ_n 結合を
多く作ることによって、アモルファスシリコンカーバイ
ド膜に構造柔軟性を持たせ、アルモファスシリコン膜の
応力を吸収する役割を持たせることができる。これによ
って、アモルファスシリコン膜は高品質な状態に維持で
き、また膜厚も１μｍ以上とすることが可能となる。

【００１５】図２は、アモルファスシリコンカーバイド
膜に含まれる総水素量における、珪素原子に結合してい
る（Ｓｉ−Ｈ_n 結合している）水素の割合と、アモルフ
ァスシリコン膜剥離との関係を示す図である。具体的に
は、複数個の固体撮像素子チップに対し、上記水素の割
合の異なるアモルファスシリコンカーバイド膜を形成
し、その上にアモルファスシリコン膜を形成して、それ
ぞれの試料における膜剥がれを測定した。本発明者ら
は、膜剥がれは画素電極上や配線パターンが密集してい
る部分ではなく、下地絶縁膜が比較的平坦な部分で発生
していることを見出した。

【００１６】図２から、アモルファスシリコン膜の応力
が３×１０⁹ dyn/cm² の場合、Ｓｉ−Ｈ結合の水素の割
合が４２％以下で膜剥がれが急激に少なくなる。また、
アモルファスシリコン膜の応力が４×１０⁹ dyn/cm² の
場合、水素の割合が４０％以下で膜剥がれが急激に少な
くなることが分かる。ここで、応力４×１０⁹ dyn/cm²
のアモルファスシリコンは、バンド裾準位が４３ｍｅＶ
と小さく、残像も０．１９％／μｍに十分に小さくでき
る値であり、光電変換膜として良好な特性を有してい
る。従って、アモルファスシリコンカーバイド膜の総水
素量に対するＳｉ−Ｈ結合している水素量の割合を４０
％以下にすれば、良質のアモルファスシリコン膜を用い
ても膜剥がれが発生しないことが分かる。

【００１７】アモルファスシリコンカーバイドが堅固な
Ｓｉ−Ｃネットワークを持つ場合、珪素と炭素の各々の
原子の結合手に水素が結合する割合はほぼ等しくなる。
通常電荷注入阻止層として使用するアモルファスシリコ
ンカーバイドの組成比はＣ／Ｓｉ≦０．３であり、膜中
に含まれる水素の内の５０％以上はＳｉ−Ｈ_n 結合をす
ることになる。しかし、柔軟なネットワークを有する場
合は、水素は炭素と結合した状態でネットワーク中に導
入されるため炭素と結合している水素の比率が増え、珪
素と結合している水素の比率が減少を始める。そして、
４０％以下となったときにシリコンカーバイドの柔軟性
はアモルファスシリコンの応力を十分吸収できるように
なる。

【００１８】以上のように、アモルファスシリコンカー
バイド層の柔軟性はネットワークを構成している珪素と
炭素原子との水素結合の状態で規定することができる。
アモルファスシリコンカーバイド層に含まれる総水素量
は通常数＋ａｔ．％であり、その結合の状態は赤外吸収
スペクトルによって容易に判別することができる。

【００１９】図３に、赤外吸収スペクトルの違いを示
す。図より、赤外吸収スペクトルにおいて２８００ｃｍ
^-1付近の広範囲のピークと９００ｃｍ^-1付近の広範囲の
ピークがＣ−Ｈ_n の関係のピークである。一方、１９０
０〜２２００ｃｍ^-1のピークがＳｉ−Ｈ_n 結合をしてい
る水素原子を表している。構造に柔軟性がある場合は、
２８００ｃｍ^-1付近と９００ｃｍ^-1付近に広範囲なピー
クが出現する。そして、１９００〜２２００ｃｍ^-1のピ
ークより求めた水素量は膜中に存在する総水素量の５０
％以下の割合になる。

【００２０】以下に、ネットワークに柔軟性を有するア
モルファスシリコンカーバイド膜をアモルファスシリコ
ン膜と固体撮像素子チップとの間に挿入した場合の、膜
剥がれの改善効果を示す。

【００２１】従来のアモルファスシリコンカーバイド膜
では、アモルファスシリコン膜の応力が、３．０×１０
⁹ dyn/cm² で既に細かい膜剥れが発生していた。従っ
て、さらにアモルファスシリコン膜を高品質することは
できなかった。しかし、柔軟性のあるアモルファスシリ
コンカーバイド膜の場合は、４．０×１０⁹ dyn/cm² の
応力を持つアモルファスシリコン膜に対しても膜剥れは
発生しなかった。これによって、アモルファスシリコン
膜のバンド裾準位は図７に示すように４５ｍｅＶから４
３ｍｅＶに小さくでき、これによる残像も図８に示すよ
うに０．２２％／μｍから０．１９％／μｍに低減で
き、十分実用的な画像特性を得ることができた。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。 （実施例１）図１は、本発明の一実施例に係わる光電変
換膜積層型固体撮像装置の１画素構成を示す断面図であ
る。

【００２３】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ｐ⁺ 型
の素子分離領域１１を形成し、この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を形成する。この蓄積ダイオード１
２の近傍にはｎ^- 型の垂直ＣＣＤのチャネル領域１３を
形成する。チャネル領域１３の上部には第１の絶縁膜１
４で周囲と絶縁された転送ゲート電極１５，１６を多結
晶シリコンによって積層形成する。

【００２４】そして、酸化シリコンからなる第１の絶縁
膜１４を形成し、フォトリソグラフィ法によって蓄積ダ
イオード１２とコンタクトするためのコンタクト孔１７
を設け、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の上部にアルミニウム
薄膜パターンからなる引出し電極１８を形成する。引出
し電極１８及び絶縁膜１４の上には、表面平坦化を兼ね
た第２の絶縁膜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膜１９の膜厚を
コントロールする。

【００２５】そして、第２の絶縁膜１９上に、スパッタ
リング法により膜厚１００ｎｍのチタン層を形成し、フ
ォトリソグラフィ法によってこれをパターニングして、
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を形成する。

【００２６】このようにして構成された固体撮像素子チ
ップの上には、正孔に対してバリアとなるｉ型水素化ア
モルファスシリコンカーバイド膜２３、光電変換層にな
るｉ型水素化アモルファスシリコン膜２１、電子に対し
てバリアとなるｐ型水素化アモルファスシリコンカーバ
イド膜２４をグロー放電分解による気相化学反応成膜法
で形成する。

【００２７】ｉ型アモルファスシリコンカーバイド膜２
３は、シランガスとアセチレンガスを原料として形成す
る。ｉ型水素化アモルファスシリコン膜２１は、シラン
ガスを原料として膜厚０．５μｍ〜数μｍに形成する。
ｐ型水素化アモルファスシリコンカーバイド膜２４は、
シランガスとメタンガスを原料ガスとし、ジボランガス
をドーピングガスとして膜厚５ｎｍ〜１００ｎｍに形成
する。このとき、ｉ型アモルファスシリコンカーバイド
膜２３を構造が柔軟性を持つような条件で形成する。こ
のような条件は図４から、例えば成膜温度を３２０℃と
することによって満たすことができる。なお、図４は、
アモルファスシリコンカーバイド膜の成膜温度と膜特性
との関係を示す図であり、横軸に基板温度をとり、縦軸
にＳｉ−Ｈ結合している水素の割合と、ダングリングボ
ンド密度を示した。

【００２８】ｐ型水素化アモルファスシリコンカーバイ
ド膜２４の上には、膜厚３０ｎｍのＩＴＯ等の透明電極
２２をスパッタリング法で全面に形成する。そして、最
後にボンディングパッド等の上部をフォトリソグラフィ
法でパターニングし除去することによって、固体撮像装
置は完成する。

【００２９】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の間に印加された所定のバイアス
電圧により、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に読出された後、このチャネル領域１３を順次移
動して転送される。

【００３０】ｉ型アモルファスシリコンカーバイド膜２
３の構造は、図４に示すように例えば成膜温度を変える
ことによって変化させることができる。Ｓｉ−Ｈ_n （ｎ
＝１〜３）結合をしている水素量の膜中の総水素量に対
する割合は、成膜温度が高くなるほど減少し、３００℃
以上で４０％以下となる。しかし、同時に図４に示すよ
うにダングリンボンド密度等の膜特性が３５０℃以上で
は顕著に劣化し始め、残像を増加させる結果となる。従
って、アモルファスシリコンカーバイドの成膜温度は好
ましくは３００〜３５０℃に保てば良い。

【００３１】上記の成膜条件でｉ型アモルファスシリコ
ンカーバイド膜２３を形成したところ、バンド裾準位が
４３ｍｅＶで４．０×１０⁹ dyn/cm² の応力を持つｉ型
水素化アモルファスシリコン膜２１を用いても、膜剥が
れは全く生じなかった。これは、光電変換膜２１として
残像を少なくできる高品質のアモルファスシリコン膜を
用いても膜剥がれがないことを意味し、固体撮像装置に
おける撮像画質の向上につながる。

【００３２】このように本実施例によれば、光電変換膜
としての水素化アモルファスシリコン膜２１と固体撮像
素子チップとの間にアモルファスシリコンカーバイド膜
２３を挿入し、このアモルファスシリコンカーバイド膜
２３中におけるＳｉ−Ｈ_n 結合をしている水素量の膜中
の総水素量に対する割合を４０％以下に設定することに
より、水素化アモルファスシリコン膜２１の応力が大き
くてもそれを吸収して水素化アモルファスシリコン膜２
１の膜剥がれを防止することができる。このため、水素
化アモルファスシリコン膜２１としてバンド裾準位が小
さく残像が小さくなる良質のものを用いることが可能と
なり、良質な画質の映像信号を得ることができる。 （実施例２）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固体撮像素子
チップの周辺部分のみにｉ型アルモファスシリコンカー
バイド層を形成した固体撮像装置について説明する。

【００３３】図５は、本実施例の基本構成を示す平面図
であり、５０はダイシングライン、５１は画素部、５２
は周辺配線、５３はボンディングパッドを示している。
このような構成において、光電変換膜の剥がれは画素電
極部や周辺回路部、ボンディングパッド部で発生するの
ではなく、パッシベーション膜が比較的平坦で広い面積
に渡って露出しているような部分、例えば図５で周辺の
白い部分（左側中央部や下側中央から右部のパターンの
無い部分）や外側に設けられているダイシングライン
等、で発生する。従って、周辺部に応力を吸収するアモ
ルファスシリコンカーバイド層を形成すれば十分であ
る。

【００３４】本実施例装置の製造方法は次の通りであ
る。第２の絶縁膜１９までは第１の実施例と同様に形成
する。そして、第２の絶縁膜１９を形成した後にｉ型ア
モルファスシリコンカーバイド膜を形成し、引出し電極
１８が第２の絶縁膜１９から露出している部分をフォト
リソグラフィ法でパターニングし、除去する。その後、
スパッタリング法でチタン層を形成し、画素電極２０を
パターニングし、光電変換層であるｉ型アモルファスシ
リコン膜２１を形成する。このとき、正孔のバリア層で
あるｉ型アモルファスシリコンカーバイド膜２３は形成
してもしなくてもよい。そして、光電変換膜２１の上に
はｐ型アモルファスシリコンカーバイド膜２４、透明電
極２２を第１の実施例と同様に形成する。

【００３５】本実施例の場合、画素電極２０上にはアモ
ルファスシリコンカーバイド膜２３は形成されていない
ので、このとき周辺部でのアルモファスシリコンカーバ
イドの成膜温度範囲は上限はアルミニウムの引出し電極
１９の形成温度で決まり、４５０℃までとなる。

【００３６】従って、ダングリングボンド密度の膜特性
が画素部での要求ほど必要のない周辺部においては、成
膜温度をより高温にできるので、この部分でのアモルフ
ァス知りカーバイドと下層の絶縁膜との密着性はより向
上することができる。故に、膜剥がれの生じやすい装置
の周辺部においては、より水素量の低い水素化アモルフ
ァスシリコンカーバイド膜を形成できるので、膜剥がれ
のない良好な装置を提供できる。

【００３７】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。実施例では、アモルファスシリコン
カーバイド膜の成膜温度を３００〜３５０℃に設定した
が、必ずしもこの範囲に限るものではなく、成膜方法に
よってこの範囲は変化する。要は、アモルファスシリコ
ンカーバイド膜中に含まれる総水素量に対するＳｉ−Ｈ
ｎ（ｎ＝１〜３）結合している水素量の割合が４０％以
下になるようにすればよい。また、固体撮像装置に限ら
ず、電極間に水素化アモルファスシリコン膜を挟んで使
用するデバイス、例えば太陽電池や液晶駆動用ＴＦＴ等
にも適用可能である。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】以上詳述したように本発明によれば、水
素化アモルファスシリコン層と固体撮像素子チップとの
間に挿入されている電荷注入阻止層であるアモルファス
シリコンカーバイド層を柔軟性のある構造とすることに
よって、水素化アモルファスシリコン層の応力を緩和す
ることができ、光電変換膜の膜剥がれを防止できると共
に、残像の少ない良質な画像を持つ積層型固体撮像装置
を実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例に係わる積層型固体撮像装置の１
画素構成を示す断面図。

【図２】総水素量に対するＳｉ−Ｈ結合している水素の
割合と膜剥離の関係を示す図。

【図３】アモルファスシリコンカーバイド膜の赤外吸収
スペクトル特性を示す図。

【図４】アモルファスシリコンカーバイド膜の成膜温度
と膜特性との関係を示す図。

【図５】第２の実施例に係わる積層型固体撮像装置の基
本構成を示す平面図。

【図６】従来の積層型固体撮像装置の基本構成を模式的
に示す図。

【図７】ａ−Ｓｉ：Ｈのバンド裾準位の特性エネルギー
と応力との関係を示す図。

【図８】ａ−Ｓｉ：Ｈのバンド裾準位の特性エネルギー
と残像値との関係を示す図。

【符号の説明】

１０…ｐ型シリコン基板 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 １７…コンタクト孔 １８…引出し電極 １９…第２の絶縁膜 ２０…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…透明電極 ２３…ｉ型水素化アモルファスシリコンカーバイド層
（電荷注入阻止層） ２４…ｐ型水素化アモルファスシリコンカーバイド層
（正孔注入阻止層）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野崎 秀俊 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内

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
   み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膜を
   使用し、該アモルファスシリコン膜と前記固体撮像素子
   チップとの間に電荷注入阻止層としてのアモルファスシ
   リコンカーバイド膜を挿入し、該アモルファスシリコン
   カーバイド膜中に含まれる総水素量に対するＳｉ−Ｈｎ
   （ｎ＝１〜３）結合している水素量の割合を４０％以下
   に設定してなることを特徴とする固体撮像装置。