JPS5812480A - 複合形固体撮像素子 - 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】 本発明は光導電体と自己走査機能を有する素子を組み合
わせた複合形固体撮像素子に係り、特に赤外線を中心と
する不可視光用の複合形固体撮像素子（関する。

赤外線用固体撮像素子は計測用、監視用や医用などの分
野で極めて有用な素子であるが、現状では可視光用の固
体慢鷹素子の傾単的な画素数、例ｔ［５００ＶＸ４００
Ｈｉｌｉ素ＩＣ比べてその１／１０以下である事が多い
。この原因は赤外に感ずる材料例えばＩｎＳｂなどの製
造プロセスが未だ完全に把握−されておらず可視充用の
８ｉのプロセスと同等のレベルに到達していないためで
ある。赤外用材料により自己走査機能を有したモノリシ
ック形赤外素子あるいはイントリフシツク形赤外素子の
製造プロセスのａＦＩ．を除外する方法として赤外用材
料による光起電形セルを８ｉの自己走査機能部と組み合
わせるいわゆるハイブリッド形があり、さらには８ｉ中
に拡散し九不純物単位の赤外感度を利用してこれを基板
として、菓子を形成するエクストリフジツク形赤外素子
がある。前者は中間のインターフェースが麹かしく、画
素数も少ない欠点があシ、後者は素子数は多いが、拡散
する不純物の量に限界があるために感度が少ないという
欠点がある。

一方、現在、　５ｉｎ２やＳ　ｉ　３Ｎ４膜のような非
晶質絶縁物上に、単結晶膜や良質の多結晶膜を成長させ
る試みが発表されている０例えば、人ｐｐｌ、Ｐｈｙｓ
。

Ｌｅｔｔ、、Ｖｏｌ、３５．ＮＯ，１＊１）Ｉ）７１−
７４　、　Ｊｕｌｙｌ、　１９７９”Ｃｒｙｓｔｉｌｌ
ｏｇｒａｐｈｉｃ　ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　８
目１１（ｏｎｏｎ　　ａｎ　　ａｍｏｒｐｈｏｕｓ　　
５ｕｂｓｔｒａｔｅ　　ｕｓｉｎｇ　　ａｎ　　ａｒｔ
ｉｆｉｃｉａｌｓｕｒｆａｃｅ−ｒｅｌｉｅｆ　　ｇｒ
ａｔｉｎｇ　　ａｎｄ　　１ａｓａｒ　　ｃｒｙｓｔａ
ｌｌｉｘ−ａｔｌｏｎ”　には、非晶質絶縁基板機ｌ１
ｌｉｙＫ周期的な微細な溝を設け、デポジットし九Ｓｉ
結晶膜の結晶軸を制御し、単結晶を成長させることが示
されでいる。

第１図はインターライン転送形ＣＯＤを自己走査機能部
として有する従来構成の複合体操体操儂素子を示す。ｐ
形８ｉ基板（１）に埋め込みチャンネル形の垂直転送Ｃ
ＣＤとなるｎ１ｔ２）、オーバー・フロｍ−ドレインの
ｎ“ＩＩ（３）　、チャンネル拳ストッパのｐ”　ＩＩ
Ｉ　ｔ５）、ゲート酸化膜（６）、第−響ポリ・シリコ
ン電極（７）、酸化膜（８）、第二層ポリ・シリコン電
極ｆ９）、ＣＳ■酸化膜α・が形成されており、信号電
荷を蓄積するａｌｌの拡散層α力とオーバー・フロー・
ドレイ／のｎ＋１ｉｅ（３）の間にはｎ１ｌｌからなる
オーバー・−７０−・コントロール・ゲート部α２が設
けられている。また、蓄積された信号電荷を垂直転送Ｃ
ｃＤのｎ　Ｉｌ＋２）Ｋ送ル丸メ、）ランスファ・コン
トロール・ゲート部α３がある。また、Ｇ■酸化膜上に
はＡＩ電極α４があり、光シールドとす−パー・フロー
コントロール・ゲート部α１の電位を制御する。

これらの構成にてインターライン転送形Ｃ■の固体の撮
像素子ができるが、複合型固体撮像素子では、これを走
査部として使用するため、さらにＧつ酸化膜ａ９を形成
し、ｎ層αηの一部に穴をあけて、金属の信号電荷蓄積
電極（１９を形成する。すなわち、アルＺ膜などの金属
膜を全面に形成した後に、所定の位置にの本−るように
エツチングを行ない、信号蓄積電極な傍とする。さらに
光導電体署ａ力を蒸着等により形成し、さらにその上部
に透明電極舖を形成して複合体操体操ＩＩ素子を形成す
る。

このような複合体操体操儂素子において、光導電♂−外
感度を有する材料を用いれば赤外用固体＾ 撮像素子を得る事ができる。しかし赤外域に高感度の材
料は結晶性の良い材料であり、通常の光導電体を得る真
空蒸着法では、結晶性が悪く所望の感度を得られない場
合が多い。

本発明は上記点に謹みなされたもので、自己走査機能部
を有する半導体基板と、この自己走査機能部に市って形
成された信号電荷蓄積領域と、＃起生導体基板に形成さ
れた絶縁層と、この絶縁層に開口部を設け、前記浦号電
荷蓄積頃域と電気的に結合して形成され、シ璽ットキー
結合によって信号電荷を発生する光電変換現象とを具備
することによってシ璽ットキーバリャにおける光電変換
現象を利用し、極めて簡単な構成にて、所望の赤外域の
分光特性を持たせ死因体操を素子を提供することを目的
とするものでちる。

以下、図面を参照して本発明を実権例に基き詳細に説明
する。第２図は本発明の一実施例を示す固体撮像素子の
断面概略図である。

以下、第２図に従い説明する。尚、第１図と同一箇所は
同一符号を付して説明する。ｐ形８ｉ基板（１）には堰
め込みチャンネル形の垂直転送ＣＯＤとなるｎ一層（２
）、オーバー・フ四−ドレインのｆｌ”１ｌ（３入チヤ
ンネル・ストツバのｐ層（５）、ゲート酸化膜（６）。

第一層ポリ・シリコン電極（））、酸化膜ｆ８）、第二
層ポリ・シリコン電極（９）、　Ｃｔの酸化膜α〔が形
成されており、信号電荷を蓄積するｎＷｉの拡散−αυ
とオーバー・フロー−ドレインのｎ層（３）の間にｑｎ
一層から１！オー、＜−のフロー・コントロール・ゲー
ト部α３が設けられている。ｔｆｅ、蓄積された信号電
荷を垂直転送ＣＣＤ　Ｏ＊　ｄ、２）Ｋ送るため、トラ
ンスファ・コントロール・ゲート部ａＳがある。ｉ九Ｇ
■酸化膜上には人１電極Ｉがあり、元シールドとオーバ
ー・フロー−コントロール・ケー）１１ａ２０電位を制
御する。これらの構成を自己走査機能部として使用する
九め、さらＫＣＶＤ酸化膜α９を形成する。次Ｋｎ層Ｑ
ｌ）とのコンタクトΦホールの穴あけを従来よ〉広くと
り、出来るだけｎＱｌ全体が露出するようにエツチング
を行なう。これに、例えば人Ｕ電極Ｑ１）を真空蒸着に
よシ形成する。この構成により、入Ｕとｎ　−Ｓ　１間
にてシｌットキー・バリヤが構成される。このバリヤの
高さは通常０．８ｅＶＱ度で套る。バイアス電圧として
１人Ｕ電極がｎ形８１に対して負となるような逆方向バ
イアスを与えておく。入射光はＡｕ電極中にて電子を励
起し、これがショットキー・バリヤを飛び越えてｎ層側
に入り、信号電荷として蓄積される。シｌットキー・バ
リヤが０，８ｅＶでらると、これよりエネルギーの高い
光に対して感度が出るので、約１．２４μｍの赤外線に
対して光電変換が可能になる。

上記実施例のように従来の信号電荷蓄積部に直接金属電
極を蒸着する事により簡単に赤外光に対して感度を有す
る固体撮偉素子を得る事が出来る。

走査機能部として、従来の固体撮ｆ象素子が使用できる
ので、繍単に多画素の素子が得られる事になる。

本発明に係る固体逢像素子の有利な点は、金属電極の材
料を変える事でショットキー・バリヤの高さが変わり、
分光感度の限界波長が変えられる点である。すなわち、
例えばＭｇ電極を使えば、バリヤの高さが約０３５　ｅ
　Ｖ　＠　ｙであり、約３．５μｍの赤外線にまで感度
を持たせる事が出来る。この他、ａｔｅ、ＡＪ、Ａｇ、
Ｃｕ、　ｈるいはＮｉ等がＭｇとＡｕの中間に属し、Ａ
ｕより短かい限界波長ではＰｄ　−？　Ｐｔがある。

上記実施例にて、赤外線に対して有効なのは、５ｉｌｌ
が接触している金−電極の部分のみである。

他の酸化膜上の金属電極では励起された電子が８ｉ層に
入る事は出来ないので無効（なる。従ってｎ　ＩＩＩと
の接触面積が大きい方が感度が高くなる。

通常のインターライン形ＣＣＤでは一画素中の有効部は
約３０優前後である。

次にこの面積を増加させる構造の他の実施例を説明する
。

＃！３図は・本発明に係る赤外用固体＊涜素子の他の実
施例を示す断面概略図である。尚、第１図と同一箇所は
同一符号を付してＰ＆ｌｌする。シリコ／の露出面を広
げるために、アモルファス・シリコンからレーザー光照
射により結晶化させたシリコン−を形成し九ものである
。この目的は、例えばｉ［１述のＡｐｐ）ｊｅｄ、ｐｋ
ｙｓｕｂｓｒ）ｅＭａ）ａ　；Ｖｏ／、＠５．Ｎｃｂ、
１’、・ｉ＃７ｔ　−７４、Ｊｕ１７１．１９７９など
に記載された結晶成長法を利用する事によシ達成される
。第３図に示す実施例においては、ＣＶＤ酸化膜ａ９の
形成までは第２図における実施例と同様に行なう。０１
１ｎυとのコンタクトホールをあける時に、凹凸の溝（
社）を形成する。この後薄いアモルファス・シリコン膜
うを形成する。アモルファス・シリコン膜の形成は例え
ば８ｉＨ４の熱分解により温度６１０℃にて化学気相成
長（ＣＶＤ）法によるか、あるいけスパッタリングによ
シ形成する。前者の場合には、高温にてＡＩ！電極０４
がこわれるのでこれをモリブデン脱などにかえておく配
慮は必要である。次に信号蓄積電極として必要な形状あ
るいはスポット形状にてレーザー光を照射する。これに
より、凹凸の溝部分を中心にアモルファス拳シリコンが
結晶化を起す、他の部分でも酸化膜に凹凸があるために
、結晶化が行なわれ、図のように結晶化したシリコン（
２４が形成される。レーザー光の出力を強くすれば１層
０υと接触している部分では、アモルファス・シリコン
とｎ層のシリコンが溶犠するので両者の電気的接触は良
好にな９均質（ヒする。アモルファス・シリコンの膜の
一部Ｉ・まレーザ光があたらないためにそのまま残る。

＃四は例えば０１μｍ深さで３．８μｍピッチが必要で
あるが画素数の増加やチップ面積の縮少の場合には適当
な凹凸が表面に形成されており、％Ｋ１１を必要としな
い。

さらに、これらシリコン噛の上部に第２図の説明に述べ
たような金属電極Ｉ２Ｄを蒸着する。金属の蒸着は第２
図においても、第３図においても同様であるが全ｒｋＪ
Ｋ蒸着しても良く、必要な有効部分を王として電気的な
コンタクトがとれるよ艷な構成にて所定の部分に蒸着あ
るいは全面蒸着後（エツチング形成しても良い。

このような構成をとると、結晶化したシリコンがｎ形で
あれば、金属電極との間でショットキー・バリヤを形成
し、有効面積が第２図の実施例よ〉広ｉ赤外線固体操像
素子が得られる。なお、結墨化し九シリコンをｎ形とす
る丸めにル−ザ光照射による単結晶化後に、　Ｐヤ人３
のイオン拳インプランテーシ冒ンを行ない拡散を行なっ
ても良い、シリコンの単結晶化がはソ全面で行なわると
有効面積は纜ソ画素全体となる。

従来、シ冒ットキー・バリヤを用いた赤外線固体熾儂素
子が開発されてき九が、これらはシ璽ットキー・バリヤ
と走査＊ａ部が別個に作られた後に組み合わされたもの
で８り、そのインターフェースが離しいため、思うよう
に画素数を増やす事が出来なかった０本発明では極めて
簡単な構成によ）容易に多画素化が可能とな抄、かつ、
テレビ−面と同様の解像度の高い赤外画像が得られる。

なお、シ璽ットキー拳バリヤ構成の九め感度が低い場合
には、信号電荷を蓄積する時間を長めくとれば夷い。こ
の場合の動作も含めて、暗電流が問題となる場合には、
素子全体を冷却する必要がある。

★九上記実施例では、オーバー・フａ−・ドレイｙを設
は九例について説明したが、入射光の大部分が走査部の
上に設けられ九光電変換部にて吸収されたシ、接合部の
面積増加により蓄積する電荷量が増え九ために、特に必
要としない場合もある。特に素子の多画素化や小形化の
時にはこの点が有利となる。

なお、走査部にはインターライン転送形ＣＣＤの例を述
べ九が、これに限らず、フレーム転送形ＣＯＤ、ＭＤＳ
形、　ＣＩＤ　−？　ＢＢＤま九はこれらの組み合わせ
で良い。

以上述べたように、従来の固体逢像素子の信号電荷蓄積
部のシリコンの露出面（設は九金属電極のシ冒ツＦ中−
−バリヤによシ有用な赤外用固体撮澹票子が得られる。

なお、上記実施例は金属電極とｎ形シリコンの例につい
て述べ九が、ｐ形シリコンについても同様の応用が出来
る事は明らかである。″Ｌ！九８ｉ　ＫかぎらずＧａＡ
ｓ、ＩｎＳｂ等の走査機能部に対しても本発明は適用で
きる事は明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の複合体操体操儂素子の構造例を示す断面
概略図、＠２図及び第３図は本発明に係る赤外線用固体
撮儂素子の実施例を示す断面概略図である０図において
、 １：ｐ形８１基板、２ｅ１２　：　ｎ−拡散１．３：ｎ
十拡散層、５：ｐ＋拡散層、６：ゲート酸化膜、７：第
１層目ポリＳｔ電極、８：酸化膜、９：第２１ｉ目ポリ
Ｓｉ電極、１０，１５　：　ＣＶＤＩＩ（［，１１：　
ｎ形波散層、１２ニオ−バー・フロー〇コントロール・
ゲート部、１３・・・トランスファー・コントロール・
ゲート部、１４：人！電極、１６：信号電荷蓄積電極、
１７：光導電体層、 １８：透明電極、２１：入Ｕ電極、２２：＠。 ２３：アモルファス・シリコン膜、 ２４：結晶化したシリ；ン層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １１）自己走査ｆｌＩｍ部を有する半導体基板と、この
   自己走査機能部に沿って形成された信号電荷蓄積領域と
   、前記半導体基板に形成された絶縁層と、この絶ａｉｍ
   に開口部を設は前記信号電荷蓄積領域と電気的に結合し
   て形成され、シ璽ットキー結合によって信号電荷を発生
   する光電変換領域とを具備し九ことを特徴とする複合体
   操体操惨素子。 （２）前記光電変換領域と前記信号電荷蓄積領域とくよ
   ってシ■ットキー緒合を形成したことを特徴とする特許 体操嘗素子。 （３）前記光電変換領域が、不純物含有結晶化シリコン
   聯と導電層によって形成され、この結晶化シリコン聯と
   導電層κよってシ曹ットキー結合を形成し九ことを特徴
   とする前記特許請求の範囲第１項記載の複合形固体撮像
   素子。