JPS593982A - 撮像装置並びにその製造法 - 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】 〔発明の関連する技術分野〕 この発明は単結晶半導体ウェハを用いた撮像装置、特に
約６５°Ｃにおいて優れた性能を示す装置に関する。

〔従来技術〕

シリコンビディコンやシリコン増倍管のような撮、像装
置は単結晶半導体ウェハから成る感知素子またはターゲ
ットを用いるが、このような装置の感知素子の動作は当
業者に公知である。このような撮像装置は米国特許第４
２３２２４５号明細書に記載されていて、その撮像装置
はブルーミングの少ないシリコンターゲットを有する。

上記特許のターゲット素子はＮ型にド・−ヒ０ンク゛さ
れた半導体材料のウェハを有し、そのウエノ１の主面の
一方に選択ドーピングにより極めて多数の・Ｐ継領域が
形成され、その領域がそれぞれその下の基板と接合型ダ
イオードを形成している。基板を走査用電子ビームに対
して正の電位に保っておくと、そのＰ型領域が電子衝撃
を受けて逆ノくイアスされるようになる。この逆バイア
ス状態で各接合型ダイオードはビームから取出された電
子の電荷を蓄積し、その電荷を少なくともそれが再び走
査されるまで維持する。このターゲット素子の接合型ダ
イオードに維持された逆バイアスとそのダイオードに蓄
積された電荷により、各ダイオードの下に隣接ダイオー
ド間まで拡がった「空乏領域」が生ずる。この空乏領域
は多数キャリア（Ｎ型材料の場合は電子）の不足とこれ
を横切る電子の場を特徴とする。

正規の動作では、ターゲットのこのダイオードと反対側
（以後ターゲットの「ウェル側」ト呼ぶ）の表面が画像
からの光を受ける。ターゲットに衝突した光子は基板内
に電子正孔対を生成し、その正孔の相当数が光子が衝突
した点と反対側のダイオードに達してそこで対応する数
の電子と結合してそれを消去する。

基板内に発生した正孔はターゲットの本体を通って空乏
領域に達し、そこに存在する電界により最も近いダイオ
ードに速やかに掃き込まれる。このようにしてターゲッ
トのウェル側に投射された画像に対応する電荷バタンか
各ダイオードに生へその各ダイオードがその蓄積電荷を
ターゲットのウェル側の対応点に投射された光の時間積
分に相当する量だけ減じる。

コノ、Ｊ：１５なシリコンターゲットの°動作に関する
１つの問題は、普通「ブルーミング」と呼ばれるもので
、シリコンターゲットが比較的暗い背景中の比較的明る
い点光源に曝されたときに生ずる。

このような状態では、点光源によって発生した正孔の数
がターゲット内に対応するダイオードの蓄電容量を超え
るため、発生した正孔の一部が光の照射点のすぐ反対側
のダイオードを放電したとき、残りの正孔がターゲット
基板を横に拡って最も近い隣接ダイオードに侵入し、そ
れも放電するようになる。この横方向の正孔拡散がダイ
オードの過多放弗の傾向を持ち、点光源の強度と共に大
きくなる比較的大きな輝像として現れる。

上記米国特許はターゲットのウェル側から離れて可変エ
ネルギＶベルを持つ電位障壁を形成することによシプル
ーミングを減じている。正常動作時のこの電位障壁は限
られた数の正孔をターゲットのウェル側に通して再結合
させ、これにより、励起すｈ−た少数キャリアまたは正
孔のさらに多数をウェハの電荷蓄積領域に拡散さ′せて
装置の感度を最大にする。しかしく１述のプル＝ミング
条件に通常付随する）局部領域における過剰再励起によ
り過剰のキャリアが発生する場合は、その過剰キャリア
が電位障壁に累積してこれを征服する。

この過剰キャリアはターゲットのウェル側へ掃き寄せら
れ、その表面に沿う再結合速度が実質的に速くなるため
、速やかに再結合して夕・−ゲットの電荷蓄積領域の近
接ダイオードへの横方向拡散を防ぐ。

接合型ダイオードターゲットの第２の問題は光がないと
きでも逆バイアスダイオードを放電する暗電流とも呼ば
れる漏洩電流を生ずる傾向があることである。漏洩電流
は原理的に基板からＰ型ダイオード領域に流入し、そこ
に蓄積された電子と再結合してこれを抹消する正孔（Ｎ
型基板のときの少数キャリア）の流れにより起る。この
よううな漏洩電流は半導体基板内に欠陥または不純物が
ある場合や、材料内のドーピングが異る部分間で占位が
ある場合や、基板が他の材料と接している場合に生ずる
「発生再結合中心」と呼ばれる特殊な位置におけるター
ゲット素子の本体内の電子正孔対の発生により起ること
が判っている。以下に述べる漏洩電流は電圧依存性が温
度依存性のものである。

暗電流のル圧依存性は米国特許第３７１７７９０号明細
書において論じられ、ターゲットのダイオード側特ニシ
リコン・２酸化シリコン界面に電圧依存漏洩が発生する
と見られているが、この特許はダイオード側の漏洩しか
問題にｌ−でいない。また米国特許第３８２８２３２号
および第３８８３７６９号も同様にターゲット関係の問
題の研究をターゲラｌ−のダイオード側に限っている。

この暗電流の漏洩は一般にダイオードの大部分または全
部に影響する現象であるため、一般に暗電流の均一な増
大が起るが、漏洩の形式によっては、局部的な撹乱の様
相を呈し、しばしば強い白色ヌポットのような美観上の
欠点として現れる。このような欠陥は局部的に発生した
正孔が配列中の他のダイオードに影響なく１個以上の隣
接ダイオードを放電するときに生じ、電圧および温度の
一方まだは両方に関係する。

撮像管は、そめ多くの用途において９．６５°Ｃ付近の
高温で動作する必要があるが、残念ながらそれより低い
動作温度（２３〜４０°Ｃ）でうまく動作する多くの撮
像管が６５°ＣｌＣａい高温では失格する。この失格は
温度依存欠陥の発生によるもので、この欠陥は全部では
ないが主としてシリコンターゲットのウェル側表面の局
部から生じ、従ってダイオード側の漏洩しか考えない上
記米国特許の漏洩低減法では効果的に処理されないもの
と考えられる。

〔発明の開示〕

この発明による撮像装置は、内部に拡がった入力感知部
を持つ第１の表面と、内部に拡がった複数個の個別電荷
蓄積領域を含む電荷蓄積部を持つ第２の表面を有する単
結晶半導体材料のウェハを含ンテいる。このウェハはそ
の入力信号感知部にブルーミングを制御する手段を含む
と共に、その半導体ウェハのフエルミエネルギーレベル
ニ少数キャリアの伝導帯のエネルギレベルを平衡させる
不活性化領、域を含んでいる。その上第２の表面からウ
ェハ内に電気漏洩低減手段が拡がり、これが各個別電荷
蓄積領域と隣接している。

〔発明の実施例〕

この発明の撮象装置の推奨実施例は第１図に示すビディ
コン撮像管で、一端に透明なフェースプレート１４を持
つ真空外囲器１２と、その内部にあって低速電子ビーム
１８を形成する電子銃構体１６を有する。単結晶半導体
材料のウェハから成る光子励起型ターゲット２０が支持
ヌベーザ２２上に取付けられ、入力光像信号を受けるに
適した形でフェースプレート１４の内面に接して位置決
めされている。

外囲器１２の外部にはビーム１８をターゲット２０に磁
気集束する手段（図示せず）やターゲット２０の表面を
ビーム１８に走査させる手段（図示せず）が配置される
こともある。

光子励起型ターゲット２０はその一部を第２図に示すよ
うに対向する第１および第２の主面を持つ元素シリコン
単結晶のＮ型主領域２４を有するウェハ型シリコン光ダ
イオードターゲットである。その第１の主面２６はまた
ウェル側表面として知られるもので、入力光像を受ける
ターゲット２０の入力信号感知面を含み、第２の主面２
８は第１図の管球内に取付けられた電子銃構体１６に対
面して通常ターゲット２０の走査面またはダイオード側
部分と呼ばれる。ターゲット２０はその走査面２８を含
む部分に沿って電荷蓄積部Ｂを、入力信号感知部２６を
含む部分に沿って入力表面部Ａをそれぞれ含んでいる。

電荷蓄積部Ｂはシリコンウェハ２４の走査面２８上に個
別ＰＮ接合蓄積ダイオード３０の配列を含み、そのダイ
オード３０のそれぞれに付随する空乏領域３１が本体２
４中に拡っている。この空乏領域３１の大きさはダイオ
ードの逆バイアス条件に依存する。

各個別ダイオード３０間の走査面２８には２酸化シリコ
ンの絶縁層３２が設けられ、本体２４を走査用電子ビー
ムの効果から遮蔽している。個別ダイオード３０のＰ型
表面はＰ型シリコンの接触パッド３４で覆われ、その接
触パッド３４はダイオード３００周縁付近の絶縁層３２
に公知の態様で重なっている。このパッドはダイオード
３０に対する走査ビーム１８の接触を改善する。第２の
主面２８からウェハ２４内に拡がるＮ十型領域３６は次
の理由で設けられている。

シリコンターゲット２００Å力信号感知而２６からその
本体２４内に拡がる入力表面部Ａに沿って、第３・図に
示すようなウェハ２４のエネルギレベル勾配がある。す
なわち浅いＰ＋型領域４ｏが入カ信号感知面２６に沿っ
て深さ０２″！で設けられ、ターゲット２０のその領域
の原子価帯ＥＶをフェルミレベルＥｆニ効果的に固定し
ている。信号感知面２６から距離Ｃ工にプルーミング制
御用のＮ十型宙位障壁４２が設けられている。このＣ工
は表面２６がらＮ十分布のピークまたは最大点までの距
離を示す。Ｎ十型電位障壁４２はＣ１が約６００人の位
置にあることが好ましい。

シリコンターゲツト２０ＯＮ型本体２４に対するＮ十型
電位障壁４２の領域におけるドーピング濃度分布は、１
９７４年１月発行のアイ・イー・イー・トランザクショ
ン・オプーエレクトロン・デバインシーズ（ＩＥＥＥ　
Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅ工ｅｃｂｒｏｎ　Ｄ
ｅＶｉ、ＯｅＳ　）第ＥＤ−２１巻第８４〜８９頁掲載
のシンガ（Ｂ、Ｍ、Ｓｉｎｇｅｒ）等の論文「低プルー
ミングシリコンダイオード配列ターゲットの理論、設計
および性能（Ｔｈｅｏｒｙ。

ＤｅＳｌｇｎ　ａｎｄ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ
　ＬＯＷｒ−ＢｌｏｏｍｌｎｇＳ１上１ｃｏｎ　　Ｄｉ
ｏｄ−ｅ　　Ａｒｒａｙ　　工ｍａｇｉｎｇ　Ｔａｒｇ
ｅｔｓ　　）Ｊ　　ＶＣ記載されたプルーミング低減機
構を得るに必要な特性を持つことを要する。

一般に例えばシリコンの単結晶半導体感知素子の製造法
は当業者に公知である。すなわちミラー係数（１１１）
、体積抵抗率５０〜１５０Ω−（７）、キャリア濃度的
５×１０１３／ｃｒｎ３の適当なシリコンウェハを次の
ように処理すればよい。ウェハを乾燥酸素雰囲気中にお
いて温ｄ　ｇｏｏｏＣで２．５時間加熱して酸化物被膜
（図示せず）を形成する。これによって生ずる酸化物被
膜の厚さは約３００人である。このウェハの第２の主面
２８からその酸化物被膜を通して燐または砒素の原子を
ウェハに注入してＮ＋領域３６を形成する。この注入の
エネルギは約２５〜２５０　ＫｅＶであるが、約１７５
　ＫｅＶが好ましい。約１×１０１３原子／ｃｒｎ２と
することができるため、表面２８ノ濃度は約１×１０１
５〜１×１０１７原子／ＣＩｎ３トナル。

これらの原子は例えばウェハを蜘中で約８ｏｏ〜１０５
０°Ｃで約１８０〜３０分加熱または焼鈍することによ
り活性化されるが、この加熱は酸素の痕跡を含む窒素優
勢の雰囲気中において温度約１０００　’Ｃテ約３０分
間行うのが好ましい。

ウェハを室温に冷却した後緩衝弗酸液でエツチングして
酸化物被膜を除く。第４図に示すようにＮ十濃度はウェ
ハ中に約１．８〜２μの距離で約４．６×１０１３燐原
子／ｍ３まで減少する。同じ注入量と注入エネルギで砒
素原子を注入してＮ十領域３６を形成すると、とのＮ十
領域はウェハ中に約０．２μしか拡がらず、この点で砒
素濃度が本体領域２４の濃度に達する。

次にウェハ２ｏを約１１００’Ｃで約４時間水蒸気で酸
化して両主面に酸化物絶縁層３２を形成する。こゝＶウ
ェハの第２の主面２８に複数個の開孔をエツチングして
、米国特許第３５４８２３３号開示の方法で接合ダイオ
ード３０を形成する。この電荷蓄積接合ダイオード３０
の構造の細部はこの発明の適合性を損うことなく相当変
える、ことができる。厚さ低減を含−むウェハの追加処
理は当業者に公・知の方法で行われる。

次にシリコンターゲット２０に適当なドープ剤をイオン
注入して前述のＮ＋型電位障壁を形成する。

このＮ十型電位障壁はウェル側表面の第１の主面２６を
通して約７０　ＫｅＶのエネルギで砒素原子をブルー　
ミング制御の所要ドーピング密度【注入する。

注入量は約４×１０１２〜１．４×１０１３原子／Ｊ’
を用い得るが、約１．２　ＸＩＯが好ましい。砒素原子
は窒素対酸素が３：１の炉中でウェハと約８００°Ｃで
約４５分間加熱または焼鈍することにより活性化される
。この焼鈍後格子内で置換型になった原子により、得ら
れた電位障壁分布のピーク（第１の表面２６Δλら約６
００人）において、約２．７　Ｘｌ０１８原子／ｃ１ｎ
３の実効能動ドーピングレベルが得られ、前述のプルー
ミング制御機構が得られる。

ターゲット２０はさらに処理されて第１の表面２６から
これと前に注入されたＮ十型電位障壁４２との間で内方
に拡がる浅いＰ型領域すなわちＰスキン４０を生ずる。

このＰスキン４０を形成するには窒化硼素源を用いてタ
ーゲット２００表面２６に硼素ガラスを被着する。所要
の硼素表面濃度は約１．１　Ｘ　１０２０原子／ｉで、
その硼素はターゲットを例えばヘリウムのような実質的
な不活性ガス雰囲気中において温度８７５°Ｃで約５分
間加熱することによジターゲット内に約５００人の深さ
まで拡散される。推奨される被着法は、被着用ボート（
図示せず）に１対のターゲラｌ−を入れ、そのターゲッ
トの一方の側に１対の窒化硼素つ壬ハ（図示せず）を載
せてそのターゲット表面に硼素ガラスを被着することで
ある。硼素ガラスはターゲットのウェル側表面に被着さ
れる上に、ダイオード側にも若干被着されることが判っ
ている。これはＷｌにウェハ２０の第２の表面２８に形
成された水蒸気酸化絶縁層３２のピンホールを封閉する
有効な手段となり得るものである。次□にウェハからガ
ラスを剥離し、ウェハを洗浄してその原始表面を見せる
。次にこのウエノ１を水素中において５００°Ｃで約２
０分加熱する。Ｐスキン４０とｌｉ＋電位障壁４２のド
ーピング濃度分布は第５図に示す通りで、約５００人に
おける濃度曲線の勾配変化は、Ｐ型からＮ−型への、導
電度の変化を示す。

＋ｉ＋ｍ電位障壁４２を形成するだめの砒素注入エネル
ギ、注入量、焼鈍温度の値と、Ｐスキ７４０を形成する
だめの硼素ドーピング濃度および焼鈍温度は、ターゲッ
ト２０の性能に顕著な影響を及ぼすことなく、限度内で
変えることができる。すなわちＮ＋＋壁４２を形成する
砒素注入エネルギは、約１×１０１５原子／ｃｍ２から
約Ｉ　Ｘｌ０１０原子／ｃ７ｎ２ヘノ砒素注入量の変化
と共に３０ＫｅＶから約２００　ＫｅＶまで変えること
ができ、Ｐスキン４０を形成する場合は、硼素濃度を約
１×１０　から約５×１０２０原子／ａｎ３まで変える
ことができる。

この撮像装置の量子効率を増すには、タープ・ソト２０
のウェル側表面２６に反射防止被膜４４を被着すればよ
い。推奨被膜は厚さ約１２００人の酸化ジルコニウムで
ある。

Ｐスキン４０はまた弗化硼素が硼素を注入して形成する
こともできる。例えばｔｑ＋型電位障壁４２をエネルギ
７０ＫｅＶ、注入量１．２　Ｘｌ０１３電子／ｃｙｎ２
ノ砒素注入により形成すると、弗化硼素の注入はエネ／
ｌ／　キ５Ｋｅｖ　、注入量約７×１０１３〜７×１０
１４原子／Ｃｍ２とすればよい。この注入後に３対１の
窒素酸素雰囲気中において約８５０°Ｃで４５分間１回
だけ焼鈍を行う。他の方法で硼素その他の元素を浅くド
ープしてＰスキン４０を形成することもでき、これもま
たこの発明の技術的範囲に属する。

この形式の撮像装置に用いられるシリコンターゲット２
０の高温動作特性を改善するには、ターゲット本体内を
そのウェル側からダイオード側に生ずる暗電流に対する
寄与を可及的小なくする必要力する。シリコンターゲッ
トの漏洩を低減する従来の方法はターゲットのダイオー
ド側に偏しており、ターゲットの本体やウェル側の原因
は無視されていた。従って、隣接タイオード間のシリコ
ンと酸化シリコンの界面からの漏洩をなくし、ターゲッ
ト内に再結合発生地点を与える本体内の不純物を除き、
同時にターゲットのウェル側の局部に発生した少数キャ
リアがそのダイオード側のＰＮ接合３０に達するのを防
ぐことを要する。シリコンと酸化シリコンの界面からの
漏洩をなくするには、ターゲットのダイオード側に酸化
物被膜（図示せず）をａして燐原子を注入することによ
りＮ＋型領領域３６形成する。このＮ十型領域３６の深
さはＰＮ接合３０の深さにほぼ等しいかこれより浅く、
このだめダイオード接合は漏洩低減領域３６からＮ＋＋
材料でなく本体２４のＮ型材料により長手方向に区切ら
れている。上記引用の米国特許第３８２８２３２号およ
び第３８８３７６９号は隣接ダイオード間の１ｑ＋型領
域を開示しているが、このＮ十型領域は隣接ダイオード
の両側間に完全に拡がっておらず、シリコンと酸化シリ
コンとの界面間に若干の表面領域があって、と！で正孔
が発生して近隣のダイオードに吸引され、漏洩を起すこ
とがある。Ｐス゛キン４０はターゲットのダイオード側
のＮ＋型領領域３６共にウェル側にも利用され、そのウ
ェル側の表面２６の局部からの漏洩の原因を抑制する働
らきをする。高温で動作する従来法のターゲットでは、
ウェル側表面２６の局在部位からの少数キャリア（正札
）が、前に注入された電位障壁４２を克服するに足るエ
ネルギを持ち、ダイオード３０のいくつかに移動して「
白斑」のような美観上の欠陥を生ずる。

発明者はターゲット２０のウェル側に被着する硼素のよ
りなＰ型材料の濃度を慎重に選択して障壁４２の高さす
なわち電位を上げることにより、ターゲットのウェル側
の局在部位からの正孔がその電位障壁４２を克服し得な
くすることができるのを発見した。またウェハの入力表
面領域ＡにＮ十型電位障壁を形成する砒素の注入量は、
上記米国特許第４２３２２４５号における電位障壁の形
成に用いられた注入量より約４〜６倍多いことを要する
ことが判った。

Ｐスキン４０と電位障壁４２を形成する上述の処理は、
ターゲット２０に優れた均一度すなわちウェル側の局在
部位からの優れた自由度と広い温度範囲に亘る優れた動
作安定性を与え、製造上の再現性を高める上、この発明
のターゲット２０は米国特許第４２３２２４５号明細書
記載のように入力面にバイコ・−ルガラスを用いる必要
がないため、その感度が従来法のターゲットより優れて
いる。

上記ターゲラ）２０はビデイコン・撮像管に実施し定さ
れるものではなく、ターゲット２０はそのウェル側に光
子でなく光電子が入射する例えばシリコン倍増管にも使
用することができる。また当業者に自明のように、この
発明は（１１１）方位のＮ型シリコンに限定されない。

さらにＮ＋型領領域３６形□成に用いる２元素として砒
素と燐を開示したが、アンチモンを用いることもできる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を用いて改良されたビディコン撮像管
の縦断面図、第２図は第１図の撮像管に適するシリコン
ターゲットの拡大部分断面図、第３図は第２図のターゲ
ットの入力信号感知部の領域におけるエネルギーレベル
分布を示す帯域図、第４図は第２図のターゲットの電荷
蓄積部の漏洩低減手段に対するドープ剤濃度を深さの関
数として示す図、第５図は第２図のターゲットの信号感
知部のドープ剤濃度を深さの関数として示す図である。 １０・・・撮像装置、２ｏ・・・ウェハ、２６・・・第
１の主面、２８・・・第２の主面、３ｏ・・・電荷蓄積
領域、３２・・・絶縁層、３６・・・漏洩低減手段、４
ｏ・・・不活性化領域、Ａ・・・感知部、Ｂ　用型荷蓄
積部、Ｃよ・・・プルーミング制御用領域。 特許用Ｍ人　　　アールシーニー　コーポレーション代
　理　人　　清　　水　　　哲　　ほか２名才４図 塙総凍贋（ｌｏｇ尉／ｌｙｎ’　）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　単結晶、半導体材料のウェハを有する形式の
   もので、そのウェハが、その内部に拡がる入力信号感知
   部を持つ第１の表面と、上記入力信号感知部内にあって
   その入力信号感知部内のブルーミングを制御する手段と
   、上記ウェハの内部に拡がる複数個の個別電荷蓄積領域
   を含む電荷蓄積部を持つ第２の表面と、上記入力信号感
   知部内にあってその半導体ウェハのフェルミエネルギレ
   ベルの少数キャリアの伝導帯のエネルギレベルを安定化
   する不活性化領域と、上記第２の表面から内部に拡がり
   、上記各個別電荷蓄積領域と隣接する電気漏洩低減手段
   とを含むことを特徴とする撮像装置。
2. （２）第１および第２の主面を有する第１の導電型のシ
   リコンウェハを準備する段階と、上記ウェハの第２の主
   面に元素を注入してその第２の主面に隣接して増強され
   た第１の導電型の領域を形成する段階と、上記ウェハの
   上記第２の主面上に絶縁層を形成する段階と、上記絶縁
   層に複数個の開孔をエツチングする段階と、上記各開孔
   を介して上記第２の主面から上記増強された第１の導電
   型の領域より深く上記ウェハ内に拡がる第２の導電型の
   領域を複数個形成する段階と、上記ウェハの上記第１の
   主面に元素を注入して上記第１の主面から離れて増強さ
   れた第１の導電型のブルーミング制御用領域を形成する
   段階と、上記第１の表面から上記増強された第１の導電
   型のブルーミンク制御用領域より浅く拡がる第２の導電
   型の浅い領域を形成する段階とを含む撮像装置の製造法
   。