JPH0888341A

JPH0888341A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPH0888341A
Application number: JP6220724A
Authority: JP
Inventors: Hisanori Ihara; 久典井原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-09-16
Filing date: 1994-09-16
Publication date: 1996-04-02

Abstract

(57)【要約】【目的】画素電極を形成した基板上に光電変換膜を積
層した構造において、残像の低減をはかり得る固体撮像
装置を提供することにある。【構成】半導体基板１０に蓄積ダイオード１２，ＣＣ
Ｄ１３を形成し、最上層に蓄積ダイオード１２と接続さ
れる画素電極１９を形成した固体撮像素子チップと、こ
のチップ上に形成された光電変換膜２０と、この光電変
換膜２０上に形成された透明電極３０とを具備した固体
撮像装置において、光電変換膜２０を画素電極１９側か
ら順に、ｉ型ａ−ＳｉＣ正孔バリア層２１，ｐ型ａ−Ｓ
ｉバッファ層２２，ｉ型ａ−Ｓｉ光電変換層２４，ｐ型
ａ−ＳｉＣ電子バリア層２５を積層して構成したことを
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、画素電極を形成した基
板上に光電変換膜を積層した固体撮像装置に係わり、特
に光電変換膜の改良をはかった固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体基板の主面に受光蓄積部，
信号電荷読出し部及び信号電荷転送部を平面的に形成し
た固体撮像素子に代わり、この素子を固体撮像素子チッ
プとして用い、この上に光電変換膜を積層した２階建て
構造の固体撮像装置が開発されている。この装置は、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（Hi
gh Definition Television）等のカメラへの応用が期待
されている。

【０００３】ところで、この種の装置において光電変換
膜としては、画素電極側からｉ型のアモルファスシリコ
ンカーバイド（以下ａ−ＳｉＣと略記する）層或いはア
モルファスシリコンナイトライド（以下ａ−ＳｉＮと略
記する）層，ｉ型のアモルファスシリコン（以下ａ−Ｓ
ｉと略記する）層，ｐ型のａ−ＳｉＣ層が順次積層され
る。ここで、光電変換に寄与するのはａ−Ｓｉであり、
ｉ型のａ−ＳｉＣ或いはａ−ＳｉＮは正孔に対してバリ
ア（正孔バリア層）となり、ｐ型のａ−ＳｉＣは電子に
対してバリア（電子バリア層）となる。

【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、光電変換層として機能す
るａ−Ｓｉは、膜に微量の欠陥を含むためａ−Ｓｉ中に
電荷がトラップされ、これが残像電荷となり残像が発生
してしまうという問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、２階
建て構造の固体撮像装置においては、ｉ型の非晶質半導
体層からなる光電変換層にトラップされる残存電荷の影
響で残像が発生してしまうという問題があった。なお、
この問題は、２階建て構造の固体撮像装置に限るもので
はなく、画素電極を形成した基板上に光電変換膜を積層
した構造であれば同様に言えることである。

【０００６】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、画素電極を形成した基
板上に光電変換膜を積層した構造において、残像の低減
をはかり得る固体撮像装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、残像の
発生源となるｉ型又はｎ型の非晶質半導体層（正孔バリ
ア層）近傍のｉ型の非晶質半導体層（光電変換層）を改
良し、正孔バリア層と光電変換層との間にｐ型の非晶質
半導体層（バッファ層）を挿入したデバイス構造にした
ことにある。

【０００８】即ち本発明は、主面に複数の画素電極が形
成された基板と、この基板の主面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具
備した固体撮像装置であって、前記光電変換膜を、前記
画素電極側から正孔バリア層としてのｉ型又はｎ型の非
晶質半導体層，バッファ層としてのｐ型の非晶質半導体
層，光電変換層としてのｉ型の非晶質半導体層を順に積
層して構成したことを特徴とする。

【０００９】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) 光電変換層と透明電極との間に、ｐ型の非晶質半導
体層（電子バリア層）を挿入すること。 (2) 光電変換膜は、水素化非晶質半導体層であること。 (3) 正孔バリア層はａ−ＳｉＣであり、バッファ層はａ
−Ｓｉであり、光電変換層はａ−Ｓｉであり、電子バリ
ア層はａ−ＳｉＣであること。 (4) 基板は半導体基板であり、この半導体基板には複数
個の信号電荷蓄積部，複数個の信号電荷読出し部及び複
数本の信号電荷転送部が形成され、２次元に配列された
画素電極がそれぞれ対応する信号電荷蓄積部と電気的に
接続されていること。 (5) 基板はガラス基板であり、画素電極は一方向に配列
されていること。 (6) ａ−Ｓｉバッファ層のｐ型不純物として硼素（Ｂ）
を用いＳｉに対するＢの濃度を１〜１０⁴ ppm に設定し
たこと。

【００１０】

【作用】本発明によれば、正孔バリア層としてのｉ型又
はｎ型の非晶質半導体層（例えばａ−ＳｉＣ）と光電変
換層としてのｉ型の非晶質半導体層（例えばａ−Ｓｉ）
との間に、バッファ層としてのｐ型の非晶質半導体層
（例えばａ−Ｓｉ）が挿入された構造となるので、これ
まで残像の原因となっていた正孔バリア層近傍の光電変
換層に蓄積されていた残像に起因する電荷（残像電荷）
はバッファ層に蓄積されることになる。

【００１１】図３は、従来と本発明のデバイス構造にお
けるバンド図を示したものである。ここでは、正孔バリ
ア層としてｉ型ａ−ＳｉＣ、光電変換層としてｉ型ａ−
Ｓｉを用い、さらにバッファ層としてｐ型ａ−Ｓｉを用
いた例を示しているが、他の材料系を用いた場合にも同
様に議論することができる。

【００１２】残像電荷は、真性フェルミ準位よりもコン
ダクションレベル側に蓄積されると考えられるため、従
来例では残像電荷はｉ型ａ−Ｓｉ層中に蓄積され、本発
明ではｐ型ａ−Ｓｉ層中に蓄積される。ｉ型ａ−Ｓｉ層
とｉ型ａ−ＳｉＣ層の界面ではコンダクションレベル側
に高い電位障壁が存在し、ｐ型ａ−Ｓｉ層とｉ型ａ−Ｓ
ｉＣの界面ではコンダクションレベル側の電位障壁は低
くなる。

【００１３】このため、従来は図３（ａ）に示すよう
に、ｉ型ａ−Ｓｉ層中に蓄積された残像電荷はｉ型ａ−
ＳｉＣのコンダクションレベル側の高い電位障壁を越え
る必要があるので、界面準位に掴まった電子が外に出に
くい。これに対し本発明では、図３（ｂ）に示すよう
に、ｐ型ａ−Ｓｉ層中に蓄積された残像電荷はｉ型ａ−
ＳｉＣのコンダクションレベル側の電位障壁が低くなっ
ているので、それを容易に飛び越えることができる。従
って本発明では、残像を従来よりも低減することができ
る。即ち、従来構造では電子が外に出にくいため、出て
くるまでに５０msec程度の時間を要し、これが人間の目
に残像として見えていた。これに対し、本発明では電子
が外に出やすいため、出てくる時間を短くすることがで
き、残像低減が可能となるのである。

【００１４】また、ｐ型ａ−Ｓｉ層の挿入により電位障
壁が下がることは、電子が界面準位に掴まらず電極に放
出されやすいことを意味し、さらに界面準位に掴まった
電子も外に出やすいことを意味する。また、ｐ型にする
ためにａ−Ｓｉに硼素（Ｂ）をドープした場合、Ｂがシ
リコンネットワークを緩和し、界面準位密度が減少す
る。このような理由からも、界面準位に掴まる電子の数
が減り、残像輝度の絶対量が減少すると考えられる。

【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。（実施例１）図１は、本発明の第１の実施例に係わる２
階建て構造の固体撮像装置の１画素構成を示す断面図で
ある。ｐ型のＳｉ基板１０の表面層にｐ⁺ 型の素子分離
層１１，ｎ^- 型の蓄積ダイオード１２，ｎ^- 型の垂直Ｃ
ＣＤチャネル１３が形成され、基板１０上には転送電極
１４，１５，第１の絶縁膜１６，引出し電極１７，第２
の絶縁膜１８及び画素電極１９が形成され、これらから
固体撮像素子チップが構成されている。

【００１６】なお、図では分からないが、蓄積ダイオー
ド１２は基板１０上にマトリックス状に配置され、垂直
ＣＣＤチャネル１３は蓄積ダイオード１２間に縦列状に
配置されている。そして、垂直ＣＣＤチャネル１３に読
出された信号電荷は、ＣＣＤチャネル１３を転送され、
さらに図示しない水平ＣＣＤチャネルを転送されて出力
されることになる。また、転送電極１４，１５はＣＣＤ
チャネル１３上に形成されているが、転送電極１４は蓄
積ダイオード１２上まで延長して読出しゲート（信号電
荷読出し部）を兼ねるものとなっている。

【００１７】固体撮像素子チップ上には、光電変換膜２
０が形成され、その上にＳｎＯ₂ やＩＴＯ等の透明電極
３０が形成されている。ここで、光電変換膜２０は固体
撮像素子チップ側から順に、ｉ型の水素化ａ−ＳｉＣ層
（正孔バリア層）２１，ｐ型の水素化ａ−Ｓｉ層（バッ
ファ層）２２，ｉ型の水素化ａ−Ｓｉ層（光電変換層）
２４，ｐ型の水素化ａ−ＳｉＣ層（電子バリア層）２５
と積層されている。

【００１８】この実施例では、光電変換膜２０の各層は
いずれも高周波グロー放電分解法により形成した。各層
の膜厚は、ｉ型ａ−ＳｉＣ層２１が１０〜１００ｎｍ、ｐ型ａ−Ｓｉ層２２が１０〜１０００ｎｍ、ｉ型ａ−Ｓｉ層２４が１００〜５０００ｎｍ、ｐ型ａ−ＳｉＣ層２５が１０〜１００ｎｍ、の範囲にそれぞれ設定されている。

【００１９】図２は、ｐ型ａ−Ｓｉ層の作成に用いた成
膜装置の概略構成を示している。反応室４０の内部には
上下に対向する平行平板電極３１，３２が設けられ、ま
た反応室４０の側壁には反応ガス導入口３３及び排気口
３４が設けられている。下部電極３２に被処理基板３５
がセットされ、基板３５は下部電極３２の内部に設けら
れたヒータ３６により加熱できるようになっている。

【００２０】ｐ型ａ−Ｓｉ層の堆積には、ガス導入口３
３から原料ガスとしてＳｉＨ₄ とＢ₂ Ｈ₆ とＨ₂ の混合
ガスを導入し、基板３５（固体撮像素子チップ）を所定
の温度に加熱した状態で高周波電力（例えば１３．５６
ＭＨｚ）を平行平板電極３１，３２間に加える。そし
て、電極３１，３２間に発生したプラズマ３７により、
ＳｉＨ₄ とＢ₂ Ｈ₆ とＨ₂ の混合ガスを分解する。ここ
で、ＳｉＨ₄ とＢ₂ Ｈ₆の比を適当に調整することによ
り、シリコンに対する硼素（Ｂ）の濃度が１〜１０⁴ pp
m （本実施例では１０ppm ）のｐ型のａ−Ｓｉ層を得
る。

【００２１】以上のようにして基板３５上にｐ型ａ−Ｓ
ｉ層を堆積する。また、これに続いてｉ型のａ−Ｓｉ層
を堆積するには、上記の混合ガスの代わりにＳｉＨ₄ と
Ｈ₂の混合ガスを用いればよい。なお、本実施例ではｐ
型不純物として硼素を用いたが、他の III族の元素を用
いることも可能である。

【００２２】この実施例による２階建て構造の固体撮像
装置の残像特性を、ｐ型ａ−Ｓｉ層を用いない従来の固
体撮像装置の場合と比較して、図４に示した。残像特性
は、光電変換膜２０に約３×１０⁴ Ｖ／ｃｍの電界を印
加し、信号電流が約１×１０^-7Ａ／ｃｍ² になるように
赤色ＬＥＤ光を透明電極側から照射して測定した。本実
施例装置においては、光を遮断して３フィールド（５０
msec）後で残像値０．４〜０．５％が得られた。これに
対して従来装置では０．７〜０．８％であった。このよ
うに本実施例によれば、残像特性が明らかに改善され
た。

【００２３】また、本実施例のように、ｐ型ａ−Ｓｉ層
がｉ型ａ−ＳｉＣ層とｉ型ａ−Ｓｉ層の間に挿入された
構成であると、コンダクションバンド側を走行する電子
がスムーズにｉ型ａ−Ｓｉ層を越えることができ、残像
を減らす効果も期待できる。さらに、バレンスバンド側
を走行する正孔に対しては、ｉ型ａ−ＳｉＣ層とｐ型ａ
−Ｓｉ層とで構成される障壁が従来よりも大きいので、
正孔をリターンする効果（ｐ型ａ−ＳｉＣ層側へ）が期
待でき、光を電気に変える変換効率を高めることができ
る。

【００２４】また、ｐ型ａ−Ｓｉ層とｉ型ａ−ＳｉＣ層
との間の界面に対しては、III 族の硼素（Ｂ）が入るこ
とにより、IV族からなるネットワークに対して構造の緩
和が期待でき、界面における欠陥密度が下がり、残像を
小さくできる。しかも、光電変換効率も高めることがで
きる。

【００２５】また、本実施例のように光電変換層２４と
正孔バリア層２１との間にバッファ層２２を挿入するこ
とにより、画素電極１９のコーナ部における電界集中を
緩和する効果も得られる。図５は、光電変換膜２０（特
に光電変換層２４）における電界分布をシミュレーショ
ンで得た結果を示す図である。

【００２６】従来構造では画素電極１９のコーナ部にお
いて急峻な電界集中（７×１０⁴ Ｖ／ｃｍ以上）が生じ
ているが、本実施例構造では画素電極１９のコーナ部に
おける電界集中が２×１０⁴ Ｖ／ｃｍと極めて小さくな
っている。コーナ部における電界集中を緩和する目的か
らは、画素電極１９のコーナ部のみにバッファ層２２を
設けるようにしてもよい。（実施例２）図６は、本発明の第２の実施例に係わる固
体撮像装置として、密着型イメージセンサの概略構成を
示す断面図である。

【００２７】ガラス基板６０上に画素電極６１が一方向
に配列形成されており、その上に光電変換膜７０及び透
明電極８０が形成されている。光電変換膜７０は、第１
の実施例と同様に、画素電極側から順に、ｉ型ａ−Ｓｉ
Ｃ正孔バリア層７１，ｐ型ａ−Ｓｉバッファ層７２，ｉ
型ａ−Ｓｉ光電変換層７４，ｐ型ａ−ＳｉＣ電子バリア
層７５からなる光電変換膜７０を積層したものである。

【００２８】このような構成であっても、第１の実施例
と同様に、ｉ型ａ−ＳｉＣ正孔バリア層７１とｉ型ａ−
Ｓｉ光電変換層７４との間にｐ型ａ−Ｓｉバッファ層７
２を挿入することにより、コンダクションバンド側を走
行する電子がスムーズにｉ型ａ−ＳｉＣ正孔バリア層７
１を越えることが可能となり、従来よりも残像を低減す
ることができる。

【００２９】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。実施例では、高周波グロー放電法によ
り光電変換膜を形成した場合を示したが、光励起化学反
応を用いるために低圧水銀ランプ，重水素ランプ，希ガ
ス（Ｘｅ，Ｋｒ，Ａｒなど）ランプやエキシマレーザ等
を用いた光ＣＶＤ法も利用することができる。また、必
ずしも光ＣＶＤ法に限らず、ＥＣＲプラズマ法，リモー
トプラズマ法，熱ＣＶＤ法，触媒ＣＶＤ法等を用いるこ
とも可能である。さらに、光電変換膜の各層の膜厚は、
必ずしも実施例で示した範囲に限るものではなく、仕様
に応じて適宜変更可能である。

【００３０】また、実施例では光電変換膜として特に水
素を含む水素化非晶質半導体を用いたが、これに限ら
ず、弗素を含む弗素化非晶質半導体等についても適用可
能である。また、実施例では正孔バリア層としてｉ型ａ
−ＳｉＣ層を用いたが、これに限らず、ｉ型ａ−ＳｉＮ
層やｉ型ａ−ＳｉＯ層等を正孔バリア層として用いるこ
とができる。さらに、正孔バリア層としてはｉ型に限ら
ずｎ型の半導体層を用いることも可能である。また、実
施例ではバッファ層としてｐ型ａ−Ｓｉ層を挿入した例
を示したが、ｐ型のａ−ＳｉＣ層，ｐ型のａ−ＳｉＮ
層，ｐ型ａ−ＳｉＯ層等を用いても同じ効果が得られ
る。また、ｐ型のａ−ＳｉＣ電子バリア層は必ずしも必
要ではなく、省略してもよい。

【００３１】また、本発明はＣＣＤ型の２階建て構造の
固体撮像装置や密着型イメージセンサに限られるもので
はなく、画素電極を形成した基板上に光電変換膜を積層
した構造であれば適用可能である。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。

【００３２】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、正
孔バリア層としてのｉ型又はｎ型の非晶質半導体層と光
電変換層としてのｉ型の非晶質半導体層との間に、バッ
ファ層としてｐ型の非晶質半導体層を挿入することによ
り、正孔バリア層の近傍にトラップされる残像電荷を少
なくすることができ、残像の低減をはかった固体撮像装
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の実施例に係わる固体撮像装置の１画素構
成を示す断面図、

【図２】ｐ型ａ−Ｓｉ層の成膜装置を示す図。

【図３】従来と本発明の個体撮像装置のバンドエネルギ
ー状態を示す図。

【図４】従来と本発明の個体撮像装置の残像特性を比較
して示す図。

【図５】従来と本発明の固体撮像装置の光電変換膜にお
ける電界分布の違いを示す図。

【図６】第２の実施例に係わる密着型イメージセンサの
概略構成を示す断面図。

【符号の説明】１０…ｐ型Ｓｉ基板（半導体基板）１１…ｐ⁺ 型素子分離層１２…ｎ^- 型蓄積ダイオード（信号電荷蓄積部）１３…ｎ^- 型垂直ＣＣＤチャネル（信号電荷転送部）１４，１５…転送電極１６，１８…絶縁膜１７…引出し電極１９，６１…画素電極２０，７０…光電変換膜２１，７１…ｉ型ａ−ＳｉＣ層（正孔バリア層）２２，７２…ｐ型ａ−Ｓｉ層（バッファ層）２４，７４…ｉ型ａ−Ｓｉ層（光電変換層）２５，７５…ｐ型−ＳｉＣ層（電子バリア層）３０，８０…透明電極６０…ガラス基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主面に複数の画素電極が形成された基板
と、この基板の主面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具備した固体撮
像装置であって、前記光電変換膜は、前記画素電極側から正孔バリア層と
してのｉ型又はｎ型の非晶質半導体層，バッファ層とし
てのｐ型の非晶質半導体層，光電変換層としてのｉ型の
非晶質半導体層を順に積層してなることを特徴とする固
体撮像装置。