JPS6242447A - 固体撮像装置 - 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】 ｆｊｉ　　術　分　デ？ 本発明は固体撮像装置に関し、特に赤外線を検知しうる
固体撮像装置に関する。

背景技術 赤外線を検知する固体撮像装置としては従来。

中結晶のＧｅアバランシュフォトダイオード、Ｉ　ｎＰ
／ＩｎＧａＡｓダイオード、　ＰｂＳ　、　Ｐｂ５ｅ、
ＩｎＳｂなどを用いたものがあったが、いずれも結品性
のものであり、赤外線に対する吸収係数が小さいため赤
外線を１−分に検知することができず、さらに中結晶の
製造の工程が複雑で手間がかかり、コストも高かった。

特にｍ−ｖ族結晶の場合には赤外線に対する光吸収係数
が小さいため赤外線を有効に検知することができなかっ
た。

目　　　的 本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、製造が容
易で赤外線を有効に検知することのできる固体撮像装置
を提供することを目的とする。

発明の開示 本発明によれば、入射光に応じた電荷を発生して蓄積す
る感光手段と、感光手段から電荷に応じた信号電流を読
み出すための信号読み出し手段とを有する感光セルが半
導体基板の一方の主表面に形成された固体撮像装置は、
感光手段が、赤外線に対する光吸収係数の大きい非晶質
の半導体により形成されたフォトダイオードであるもの
である。

実施例の説明 次に添付図面を参照して本発明による固体撮像装置の実
施例を詳細に説明する。

第１図を参照すると本発明を適用した赤外線用固体４Ｍ
像装置が示されている。

ＮＯ３走査回路ノ、（板ｌ」−に積層された２層２０お
よび１層２２からなるフォトタイオート２は、入射した
赤外線に応じた光電荷を蓄積するものであり、１次元ま
たは２次元の感光セルアレイを構成している。１層２２
とＮＯＳ走査走査回路基板間には下地′Ｉｔｉ、Ｊ４ｉ
２４が間隔をおいて配置されており、この下地電極２４
は２層２０および１層２２により構成されるフォトダイ
オードの感光セルごとの゛北極である。

２層２０の上面には透明電極層２６が積層され、透明゛
電極層２６の上面には遮光用のシールド層２Ｂが互いに
間隔をおいて積層されている。シールド層２８は画素間
の分離のためのものである。

２層２０および１層２２は非晶質で赤外線吸収係数の大
きい半導体により形成される。

２層２０は、ホウＪ　（Ｂ）をドープしたＰ５半導体ａ
−ＧｅＨ、ａ−ＧｅＳｉＨにより形成される。１層２２
は、・ノンドープまたはホウ素をドープした真性半導体
ａ−ＧｅＳｉＨ、ａ−９ｉＨにより形成される。

２層２０および１層２２を形成する材料の組み合わせと
しては例えば次の表のようにすることができる。

このような組み合わせにより、ホモ接合またはへテロ接
合のフォトダイオードを構成する。

２層２０は波長１−１０ｐｍの赤外線を吸収できるよう
にエネルギーギャップを０．６〜１．３　ｅＶとなるよ
うにするのが有利である。また、２層２０の膜厚は例え
ば約０．１〜２弘ｍ、ｉ層２２の膜厚は例えば約０．５
〜２ＪＬｍとするのが有利である。

上記表の１の場合には２層２０および１層２２を同じ材
料によって形成したホモ接合ダイオードとなる。

ａ−ＧｅＳｉＨは第４図に示すように単結晶シリコンに
比較して長波長、赤外線領域での光吸収係数が大きい、
したがって、赤外線が透明電極２６を通して２層２０お
よび１層２２に入射したとき、赤外線を１−分に吸収し
て多くの光電荷を蓄積することができる。

また、従来の結晶性の半導体により形成されたフォトダ
イオードのｐ層の膜厚は例えば１００〜３００オングス
トローム、ｉ層の膜厚は例えば１．０〜３ＪＬｍであっ
たから、従来のフォトダイオードに比較して２層２０を
厚く形成しているので、赤外線の吸収を良くすることが
できる。またａ−ＧｅＳｉ）Ｉは非晶質であり、単結晶
とは異なり、製造が容易でありコストも安い。

上記表の２．３．４の場合には２層２０および１層２２
を異なる材料によって形成したベテロ接合ダイオードと
なる。

これらのへテロ接合タイオードを形成する材料の光学的
エネルギーギャップは、ａ−ＧｅＨが０．８〜ＪｅＶ　
、　ａ−ＧｅＳｉＨが１．３　ｅＶ、　ａ−９ｉｎ　ｆ
ｚ＜　１．７ｅＶ　テあり、 ａ−Ｇｅ）Ｉ　＜　　ａ−ＧｅＳｉＨ＜　　ａ−ＳｉＨ
の関係を示している。

したがってこの場合には光学的エネルギーギャップ（バ
ンドギャップ）は２層２０よりも１層２２の方が大きく
なるように材料が選択されている。この場合には特に２
層２０の厚みを厚くすることが好ましい。

このようケへテロ接合ダイオードとした場合には、１層
２２の光学的エネルギーギャップが大きいため１層２２
では熱励起による電荷の発生が少なく、逆方向リーク電
流が流れない、したがってＳＮ比の良い赤外線固体撮像
装置が得られる。また、前記のホモ接合ダイオードの場
合と同様に赤外線吸収係数の大きい非晶質の材料を用い
、しかも２層２０の膜厚を厚くしているから、赤外線を
十分に吸収でき、単結晶と異なり、製造が容易であり、
コストも安い。

なお、上記のように非晶質のｐ型半導体およびｉ型半導
体を使用してｐｉ接合ダイオードとするかわりに非晶質
のｐ型半導体およびｎ型半導体を用いてｐｎ接合ダイオ
ードとしてもよい。

第１図においてＭＯ３走査回路基板１は、Ｐ型シリコン
フ、（板ｌＯの−・力の主表面に２つのｎ◆領域１２お
よび１４が形成されている。２つのｎ＋領域１２と１４
の間の）、（板表面にはゲート酸化膜１６を介してゲー
ト電極１８が配設されている。ゲート電極１８は多結晶
シリコンが右利に使用される。これら２つのｎ中領域１
２および＋４．ゲート酸化膜１６、ならびにゲート電極
１８によってＭＯＳ　　トランジスタすなわちＦＥＴが
形成されている。この例ではｎチャネルのＦＥＴであり
、ｎ中領域１２がソースとして、またｎ÷領域！４がｔ
ドレーンとして機能する。ｎ◆領域１２にはソース電極
１２０が接続され、ソース電極１２０は下地電極２４に
接続されている。またｎ中領域１４には信号読み出し゛
Ｉヒ極目０が接続されている。

さらにシリコン基板１０のｎ◆領域１２．１４．ゲート
北極１Ｂの形成されていない部分にはＳ　ｉｏ　２の絶
縁層１１０が形成され、この絶縁層１１０１−にはＰＳ
Ｇの絶縁層＋３０が形成されている。この絶縁層１３０
、ソース電極１２０および信号読み出し電極１４０上に
はＰＳＧ　、　５１０２またはポリイミドの絶縁層１５
０がその−１−面を平担に形成されている。絶縁層１５
Ｇは、フォトダイオード２に発生するリーク電流を抑制
するため充分な平担化が必要である０、上記の下地電極
２４および１層２２は、この絶縁層１５０上に形成され
ている。このような赤外線用固体撮像装置の動作を説明
する。

赤外線がシールド層２日によって分離された各画素部分
のフォトダイオード２に入射すると、入射光量に応じて
各フォトダイオード２に光電荷が発生する。シフトレジ
スタからの読み出し信号が選択されたゲート電極１８に
印加されると、その選択されたＦＥＴが導通し、フォト
ダイオード２に蓄積された光電荷に対応した信号電荷が
下地電極２４、ソース電極１２０およびＦＥＴを通過し
て信号読み出し電極１４０に読み出される。

第２図に、本発明を適用した赤外線用固体撮像装置の他
の実施例が、ＭＯＳ走査走査回路基板者略して示されて
いる。

この実施例においては、シールド層２８とシールド層２
８のＦ！’ｉ’ｌｌの透明電極層２Ｂおよび透明電極層
２６の下部の絶縁層２１０をトレンチ構造とし、これに
よって２層２０を画素ごとに分離している。したがって
１層２０に発生した光電荷が隣接する画素の２層２０に
移動するのを防ぐことができるから、クロストークを少
なくすることができる。特に２層２０と１層２２を異な
る材料により形成したヘテロ接合ダイオードの場合にお
いて、２層２０は光学的エネルギーギャップが小さく、
比抵抗が小さいから、２層２０に発生した光電荷が隣接
する画素の２層２０に移動するのを防げばクロストーク
を殆どなくすことができる。

第３図に本発明を適用した赤外線用固体撮像装置のさら
に他の実施例が、　ＭＯＳ走査走査回路基板者略して示
されている。

この実施例においては、シールド層２８とシールド層２
８の下部の透明電極層２６および透明電極層２６の下部
の絶縁層２１Ｇを深いトレンチ構造とし、これによって
９層２０および１層２２の両方を画素ごとに分離してい
る。したがって２層２０に発生した光電荷が隣接する画
素の９層２０に移動するのを防ぐことができるだけでな
く、１層２２に発生した光電荷が隣接する画素の１層２
２に移動するのを防ぐことができるから、第２図に示す
ものよりもさらに確実にクロストークをなくすことがで
きる。

Ｌ記のいずれの実施例においても、フォトダイオードに
、ｖａされた電荷の読み出し手段として、上述のＭＯ８
走査回路に代えてＣＧ［ｌを用いてもよい。

次に上述した固体撮像装置の製造工程について説明する
−　ＰＳＧ　、５１０２．ポリイミドの絶縁層１５０に
より平担化されたＮＯ５走査回路基板！丘に、ＡＩ、　
Ａｌ５ｉＣｕ、　Ｎｏ、　Ｗ　、　Ｃｒ、　Ｐｉ等の金
属膜を蒸着して下地電極２４を形成する０次に下地電極
２４．絶縁層１５０の上にグロー放電分解法によるプラ
ズマＣｖＤ法またはスパッタ法により１層２２を形成す
る。

グロー放電分解法による場合には、Ｓ　ｉ　Ｈ４、Ｇ　
ｅ　Ｈ４ガスをＡＣ放電または高周波放電により分解し
、分解したガス雰囲気により）４Ｏ５走査回路基板１１
−に気相成長させて１層２２を形成する。この場合に例
えば（１行Ｆ板容ｔ（結合型のグロー放電分解装置を用
い、圧力０．１〜１．ＯＴｏｒｒ、　ｔｎｎ主電極面積
当の電力密度０．０１〜０．１　Ｗ／ｃｍ２で行う。

スパッタ法による場合にはＧｅ、　ＳｉまたはＣｅ−５
ｉのターゲットをＡ　ｒ　−Ｈ２ガスにより放電させて
スパッタによりＭＯＳ走査回路基板１」−に１層２２を
形成する。

いずれの方法による場合にもＭＯＳ走査回路基板ｌの〕
＾板温度は！５０〜３００　’　Ｃとし、１層２０の厚
さは前述のように０．５〜２．（１，ｐｍとなるように
する。

このようにＭＯＳ走査回路基板１および下地電極２４に
に１層２２を形成した後、同様にグロー放電分解法また
はスパッタ法により１層２２上に２層２０を形成する。

グロー放電分解法による場合には、Ｓ　＋　Ｈ４、Ｇ　
ｅ　Ｈａガスおよびｐ型とするためのドーピングガスと
して８２Ｈ，ガスをＡＣ放電または高周波放電により分
解し、分解したガス雰囲気により１層２２Ｌに気相成長
させて２層２Ｑを形成する。この場合にも例えば平行平
板容量結合型のグロー放電分解装置を用い、圧力０．１
〜１．０　Ｔｏｒｒ、単位電極面積当りの電力密度０．
０１〜０．Ｉ　Ｗ／ｃｍ”で行う、また、９層２０をａ
−ＧｅＳｉＨとする場合には、　Ｓ＋Ｈ４ガスとＧｅＨ
ガスのガス流量比ＧｅＨ／　ＳｉＨ＋　Ｇｅｔ（４を０
．２〜スパツタ法による場合には１層２２の形成と同様
に、　Ｇｅ、ＳｉまたはＧｅ−３ｉのターゲットをＡ　
ｒ　−）＋２ガスにより放電させてスパッタにより１層
２２）−、に９層２０を形成する。２層２０の厚さは前
述のように０．５〜２．０　ルｍとなるようにする。

次にスパッタリングによりＩｎ２Ｏ３，５ｎ０２、ＩＴ
Ｏの透明電極２Ｂを２層２０上に１００〜２０００Ａの
膜厚で形成する。さらにアルミニウムまたは遷移金属の
シールド層２８を電子ビームまたは抵抗加熱による真空
蒸着、あるいはスパッタリングによって透明電極２６ト
に形成することにより固体撮像装置が製造される。

なお第２図に示す一部トレンチ型または第３図に示すト
レンチ型を製造する場合においては、９層２０を形成し
た後、適当なマスクを使用してプラズマエツチングによ
り、一部トレンチ型の場合には９層２０を、トレンチ型
の場合には２層２０および１層２２を、プラズマエツチ
ングして溝を形成する。次にこの溝および２層２０にプ
ラズマＳｉＮ　、　　プラズマＳ＋０２．　　プラズマ
ＰＳＧ　、有機ポリイミド等により絶縁層２１０を形成
した後、透明電極２Ｂおよびシールド層２８を上記と同
様に形成する。

仇−」 このように本発明では、赤外線に対する光吸収係数の大
きい非晶質の材料によりフォトダイオードを形成してい
るから、赤外線に対し十分な感度を有し、赤外線を有効
に検知することができる。

したがって工業用、監視用、医療用等のカメラのセンサ
として利用できる。また、単結晶と異なり、製造が容易
でコストも安く、大面積センサを製造することも容易で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による固体撮像装置の一実施例の断面構
造を概念的に示す断面図、 第２図は本発明による固体撮像装置の他の実施例の断面
構造を概念的に示す一部省略断面図。 第３図は本発明による固体撮像装置のさらに他の実施例
の断面構造を概念的に示す一部省略断面図、 第４図は種々の材料の光吸収係数を示すグラフである。 １ノ）の、１のＵ １、、、ＭＯ３走査回路基板 ２１６．フォトダイオード １０、、、シリコン基板 ２０、、、ｐ層 ２２、、、ｉ層 ２４、、、下地電極 ２Ｂ、、、透明電極 ２８、、、シールド層 ２１０　、　、絶縁層 特許出願人　富士写真フィルム株式会社代　理　人　香
取　本縫 第１図 第２図 第３図 第４図 入＠文流五入

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、入射光に応じた電荷を発生して蓄積する感光手段と
   、該感光手段から該電荷に応じた信号電流を読み出すた
   めの信号読み出し手段とを有する感光セルが半導体基板
   の一方の主表面に形成された固体撮像装置において、該
   装置は、 前記感光手段が、赤外線に対する光吸収係数の大きい非
   晶質の半導体により形成されたフォトダイオードである
   ことを特徴とする固体撮像装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記フ
   ォトダイオードは、光学的エネルギーギャップの小さい
   ｐ型半導体により形成されるｐ層と、該ｐ層の下面に形
   成され、該ｐ層を形成するｐ型半導体よりも光学的エネ
   ルギーギャップの大きいｉ型半導体により形成されるｉ
   層と、前記ｐ層の上面に形成された透明電極と、前記ｉ
   層の下面に形成された下地電極とからなることを特徴と
   する固体撮像装置。 ３、特許請求の範囲第２項記載の装置において、少なく
   とも前記ｐ層の各画素を構成する部分がトレンチ型構造
   の絶縁層によって分離されていることを特徴とする固体
   撮像装置。