JPS6042667B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、固体撮像装置に関する。

従来、ホトダイオードを光検知部とし、これをマトリ
ックス状に配置し、さらにＸＹ走査のための電界効果ト
ランジスタ回路を組合せたもの（以下ＸＹマトリックス
型という）。

例えば特公昭４５一３０７６８号）がある。また最近、
ＸＹマトリックス型にみられる走査パルスに伴うスパイ
クノイズの少ない自己走査型撮像装置として開発された
ものにＢＢＤ、ＣＣＤ等によるもの（以下電荷転送型と
いう。例えば特開昭４６−１２２１号、特開昭４７−２
６０９１号）がある。しカルいずれも、光検知部のホト
ダイオードは、ＸＹ走査のための電界効果トランジスタ
あるいは電荷転送用の電極部とともに同一基板面に構成
される必要があるため、その光利用効率が面積上たかだ
か１１３〜１１５となつていた。 これらの欠点を除去
すべく、ホトダイオードの代りに光導電体膜を用い、Ｘ
Ｙマトリックス型と組合せた固体撮像装置（例えば特開
昭４９−９１１１６号）及び光導電体膜と電荷転送型を
組合せた固体撮像装置（例えば特開昭５１−９５７２０
号）が提案されているが、この場合の暗電流、光感度等
の諸特性は光導電体膜で決定されることになり、諸特性
のすぐれた光導電体膜の開発ともにＸＹマトリックス型
及び電荷転送型の半導体基板基板上に光導電体膜を形成
するに際しての特性低下、とりわけ暗電流の増加や不均
一性を防ぐことが必要不可欠であるが、従来そのような
検討は全く行なわれていなかつた。本発明は、上記のよ
うなＸＹマトリックス型あるいは電荷転送型の回路素子
を有する半導体基板上に光導電膜を形成するに際して、
半導体基板と光導電体膜との間に低融点ガラス絶縁膜を
介在させることにより低暗電流でかつ一様性の良い固体
撮像装置を提供するものである。

以下本発明の一実施例を図面とともに説明する。

第１図はシリコン基板上に形成された回路素子が電荷転
送型の場合の固体撮像装置の一単位の断面構造を示した
例である。

ｐ型半導体基板１０にソース領域であるｎ＋型領域１１
を形成しダイオードを設ける。１２はｐ＋型領域で、Ｃ
ＣＤ動作の場合にｎ＋型領域１１からの電子の注入を阻
止す−るための電位障壁である。

１３はドレイン領域である耐型領域でＢＢＤ動作の場合
の電位の井戸であり、それぞれＣＣＤ，ＢＢＤの時のみ
設置すればよい。

ＣＣＤ動作、ＢＢＤ動作は基本的に同じ電荷転送である
ので、以下はｎ＋型領域１３のあるＢＢＤ動作て説明を
行なう。１４は第１ゲート電極であり、ｎ＋型領域１１
と重なり部分を有している。

１６は半導体基板１０と第１ゲート電極１４との間のゲ
ート酸化膜、１５は第１電極１７と半導体基板１０及び
第１ゲート電極１４とを電気的に分離するとともに急峻
な段差を緩和するための本発明にかかる第１の絶縁体膜
である。

１７は、第１電極で、ｎ＋型領域１１と電気的に接続さ
れており、正孔阻止層１８の電極にもなつている。

１９は（Ｚｎｌ−ＸＣｄＪｅ）１−ｙ（Ｉｎ２Ｔｅ３）
，よりなる光導電体であり、その上の光入射側に光透過
性の第２電極２０が形成され、半導体基板１０と同電位
に保たれている。

なお、この電極と半導体基板との間に図示の極性で電圧
２２を印加してもよい。ここで、絶縁体膜１５を介して
半導体基板１０を第１ゲート電極１４とより形成される
結合容量ＣＢはｎ＋型領域１１と半導体基板１０とより
形成される結合容量ＣＤ正孔阻止層１８と光導電体１９
とよりなるヘテロ接合を介して第１電極１７、第２電極
２０により形成される結合容量Ｃｐとの和より充分大と
なるよう形成する。２１は入射光である。

次に、かかる装置の光情報読み込み動作を説明する。

第２図にこの素子を駆動するパルスパターンと第１電極
１７における電位変化を示す。時点（において第１ゲー
ト電極１４にＶＣＨなる読み込みパルスを印加すると、
電極１７における電位は第２図ｂに示した如く（■。８
−Ｖ，）となる。

ここで■Ｔは、ｎ＋型領域１１，１３および第１ゲート
電極１４より構成されるＦＥＴのしきい値電圧である。
今、電極２０側より光が入射されると、（Ｚｎｌ−ＸＣ
ｄＯＴｅ）１−ｙ（Ｉｎ２Ｔｅ３）ｙよりなる光導電体
１９において電子正孔対が生成され、それぞれ電極１７
，２０に到達して電極１７の電位が低下する。この電位
低下は入射光量に比例し、１フィールド期間蓄積される
ので、■Ｓまで低下する。さらに時点！において、第１
ゲート電極１４に■ＣＨを印加すると、その下の半導体
の表面電位は上昇し、その結果ｎ＋型領域１１からｎ＋
型領域１３に電子の注入が起こりＣＤに移される。その
結果、ｎ＋型領域１１の電圧は再び上昇し注入は停止す
る。この時ギ領域１１の電圧は（ＶＣＨ−ＶＴ）となる
。従つて前記蓄積容量に放電により失われた電荷と等価
の電子が移動した時点で注入は停止するので、蓄積容量
ＣＢに移動した電荷の総量は入射光の照度に対応する。
ここで、電極２０の電位を第１図の破線に示した如く、
電源２２により■φにバイアスすると、強い入射光があ
る場合で・も、ダイオードの電位低下は■φ以下になら
ないので、ブルーミングを避けることができる。以上は
、光検知部と第１ゲート電極１４による固体繋子の一単
位についての説明であるが、ｎ＋型領域１３に読み込ま
れた光電変換信号を自己走・査によつて出力部に送り出
す手段について以下に説明する。第３図は第１図に示し
た固体素子の一単位を一次元に配置した場合の平面図で
あり破線でかこまれた部分２３は上記一単位を示してい
る。

その他ｌの数字は第１図の数字に対応している。隣り合
う単位に含まれる第１ゲート電極１４，２５との間に第
２ゲート電極２４，２６が付設されている。前述した一
連の操作で第１ゲート電極１４で読み込まれた電荷は第
２ゲート電極２４に第２図に示した正の転送パルスを加
えることにより、電荷転送の形で第２ゲート電極２４の
下に移動する。さらに第２ゲート電極２４の下に移動し
た電荷は、同様の原理に基づいて第１ゲート電極２５、
第２ゲート電極２６と次々に転送された出力段まで転送
される。すなわち、光検出部で光電変換された信号を２
相のクロック信号で出力段に送り出すことができる。次
に本発明装置の製造方法の一例について説明する。

はじめに所定の段差部（第１ゲート電極１４、ゲート酸
化膜１６）を有するｐ型シリコンよりなる半導体基板１
０の表面上に低融点ガラス絶縁膜である第１絶縁体層１
５を形成し、写真蝕刻法を用いてギ型領域１１と同等か
それより小さい面積のコンタクト窓を開口する。

ここでｐ型基板を用いた場合は、低融点ガラスとしては
、ｎ型不純物拡散源でもあるＳｌＯ２中に５〜２０％の
Ｐ２Ｏ５を含むリンガラス等を用いればよくこの材料は
、正孔阻止層と（Ｚｎｌ−０Ｃｄ０Ｔｅ）１−ｙ（Ｉｎ
２Ｔｅ３）ｙの異種接合との膨張係数の差も少さく、剥
離等の現象も少ない。またｎ型基板を用いた場合はｐ型
不純物拡散源ともなるホウ素、ヒ素、鉛、亜鉛等を含む
低融点ガラスを用いればよい。次に前記低融点ガラス中
の不純物と同一不純物を含有する酸化性ガス雰囲気（例
えば不純物がリンの場合にはＮ２ガス、０２ガス、ＰＯ
Ｃｌ３ガスの混合雰囲気中で１０００〜１１００℃にて
１０〜４Ｃｙ）Ｊ−熱処理を行ない、低融点ガラス層を
塑ｌ流動させると第１ゲート電極１牡ゲート酸化膜１６
に基づく急峻な段差は緩和されなだらかとなる。なお、
この時、酸化性ガス雰囲気でかつ低融点ガラスと同一不
純物を含む雰囲気中で処理されるため、コンタクト窓の
部分には低融点ガラスと同種類のガラス絶縁体層が形成
されるが、これは基板表面全面を薄くエッチングするこ
とにより除去することができる。このようにしてｎ＋型
領域１１とのコンタクト部ゲート酸化膜１６およびゲー
ト電極１４のエッジ部の急峻な段差は消減してなだらか
となり、その上に形成される第１電極１７の断線や正孔
阻止層１８と光導電体層１９よりなる異種接合への電界
集中等は緩和される。次にスパッタリング法によりＭＯ
，ＴａあるいはＴ１を０．１〜０．２μの厚さに形成し
第１電極１７とする。更にこの上に正孔阻止層１８のＺ
ｎＳｅ，ＺｎＳ，ＺｎＯ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅを真空蒸着
法により０．１〜０．５μの厚さに形成し、ひきつづき
、光導電体１９である（Ｚｎｌ−ＸＣｄＸＴｅ）１−ｙ
（ＩＩｌ２Ｔｅ３）ｙを同じく真空蒸着法により０．６
〜２．５μの厚さに形成する。次にこのようにして得ら
れた異種接合を真空中にて３００〜６００℃、２〜３紛
熱処理を加え、更にスパッタリング法によりＩｎ２Ｏ３
あるいはＳｎＯ２を含む透明電極を０．１〜０．５μ形
成すると、本発明の固体撮像素子が得られる。次に、本
発明の特徴である低融点ガラス絶縁体の働きについてよ
り詳細に述べる。

半導体装置の製作には通常写真蝕刻法が用いられている
が、この方法を用いると、エッジ部にて急峻な段差を生
じその上を横切る金属配線に断線が生じたり、断線まで
は到らずとも局部的な膜厚の減少にともない使用時には
溶断する等の信頼性の低下が問題であつた。

このような欠点を除去するための段差の緩和方法として
は（１）Ｓｉ３Ｎ４等をマスクとしてＳｉを熱酸化する
する選択酸化法、（２）液状有機シリコンを回転塗布後
固化する方法、（３）テーパ状にエッチングし得るエッ
チング液を用いる方法等があるが、（１），（２）の方
法ではポリシリコンよりなるゲート電極１４のような段
差は解消できるが、製造工程上、あととなるコンタクト
窓形成時の段差はそのまま残る。また（３）のエッチン
グ法はコンタクト窓の広がり等のため、高密度半導体装
置では大きな効果は得られなかつた。一方、低融点ガラ
ス絶縁膜を用いると、前述した如く、コンタクト窓を開
口した後熱処理を加えると、ゲート電極１４の段差、ゲ
ート酸化膜１６の段差、コンタクト部の段差等のすべて
の段差が緩和され、かつ高密度半導体装置にも適する。

第１表には本発明による低融点ガラス絶縁膜を用いた場
合と通常のＣＶＤ法によりＳｉＯ２絶縁体膜を形成した
場合の正孔阻止層１８と低融点ガラス１９とよりなる異
種接合の暗電流とそのバラツキを示す。第１表より低融
点ガラス絶縁体を用いた場合がゲート電極１４の段差、
ゲート酸化膜１６の段差、コンタクト部の段差等のすべ
ての段差が緩和されるため暗電流も少なくバラツキも少
ないことがわかる。

本発明の低融点ガラスはリン、ホウ素、ヒ素、亜鉛等を
含むもので、Ｓｉの融点より低い温度で塑性流動を起こ
すものであればよい。以上は半導体基板上に電荷転送型
の回路素子を形成した場合について述べたが、これらの
ことは、第２のゲート電極を設けた固体素子を複数個配
列列し、列ごとに上記固体素子のゲート電極を共通接続
して列選択線を得、行ごとに上記固体素子のドレインを
共通接続して行選択線を得、上記列選択線及び行選択線
に所定の走査パルスを印加することにより各絵素の映像
信号を取り出すようにしたＸＹ走査のための電界効果ト
ランジスタ回路を組合せたＸＹマトリックス型において
も全く同様な効果が得られる。また急峻な段差に基づく
暗電流の増加を緩和する効果をみるなら、光導電体は正
孔阻止層と（Ｚｎｌ−ＸＣｄＪｅ）１−ｙ（Ｉｒｌ２Ｔ
ｅ３）ｙの−異種接合に限定されるものではなく、例え
ば、Ｓｂ２Ｓ３等の他の光導電体でも、全く同様に効果
が得られる。以上説明したように、本発明は電荷転送型
あるいはＸＹマトリックス型の回路素子を形成した半導
体基板上に光導電膜を形成するに際して低融点ガラス絶
縁膜を介在させることにより、従来になく、低暗流で一
様性のすぐれた固体撮像装置を提供することができるも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の電荷転送型固体撮像装置の
一単位の構造断面図、第２図Ａ，ｂは同装置の動作を説
明するための図でクロックパルスの時間関係及び光導電
体膜の電位変化を示す図、第３図は第１図の固体撮像装
置の一単位を一次元に配置し電荷転送をもたせた構造の
平面図である。 １０・・・・・・半導体基板、１１，１３・・・・・・
酎型領域、１４・・・・・・第１ゲート電極、１５・・
・・・絶縁体膜、１７・・・・・・第１電極、１８・・
・・・正孔阻止層、１９・・・・・・光導電体、２０・
・・・・・電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一導電型を有する半導体基板にこれとは反対の導電
   型を有するソース・ドレイン領域および第１のゲート電
   極を有する電界効果トランジスタを形成し、上記ソース
   領域の一部を除いて第１の絶縁体層を設け、この第１の
   絶縁体層上に上記ソース領域と電気的に結合した第１電
   極を形成し、上記第１電極上および絶縁体層上に光導電
   体を形成し、更に上記光導電体上に第２電極を形成して
   なり、前記第１の絶縁体層として低融点ガラス絶縁膜を
   用いたことを特徴とする固体撮像装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置において
   、第２のゲート電極を設けた固体素子を一単位とし、こ
   の一単位を複数個配列した構成よりなることを特徴とす
   る固体撮像装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置において
   、第２のゲート電極を設けた固体素子を複数個配列し、
   列ごとに上記固体素子のゲート電極を共通接続して列選
   択線を得、行ごとに上記固体素子のドレインを共通接続
   して行選択線を得、上記列選択線及び行選択線に所定の
   走査パルスを印加することにより各絵素における映像信
   号を取り出すようにしたことを特徴とする固体撮像装置
   。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置に（Ｉｎ
   ＿２Ｔｅ＿３）＿ｙを用いたことを特徴とする固体撮像
   装置。