JPS63131570A - 光電変換装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、トランジスタの制御電極領域に光によって励
起されたキャリアを蓄積する方式の光電変換装置に関す
る。

［従来技術］ 第３図（Ａ）は、従来の光電変換装置の概略的平面図、
第３図（Ｂ）は、そのＩ−Ｉ線断面図である。

両図において、ｎシリコン基板１０１上にエピタキシャ
ル成長によってｎ−領域１０３が形成され、その中に素
子分離領域１０２によって相互に電気的に絶縁された光
電変換セルが配列されている。

まず、ｎ″″領域１０３上にバイポーラトランジスタの
ｐベース領域１０４、その中にｎ十エミッタ領域１０５
が形成されている。さらに、酸化膜１０６を挟んで、ｐ
ベース領域１０４の電位を制御するためのポリシリコン
から成るキャパシタ電極１０７．ｎ÷エミッタ領域１０
５に接続しているエミッタ電極１０８が各々形成されて
いる。

そして、キャパシタ電極１０７に接続した電極１１０、
基板１０１の裏面にオーミックコンタクト用のｎ中領域
１１１、バイポーラトランジスタのコレクタ電極１１２
が各々形成され、光電変換セルを構成している。

光電変換セルの基本動作は、まず、負電位にバイアスさ
れたｐベース領域１０４を浮遊状態とし、光励起により
発生した電子・ホール対のうちホールをｐベース領域１
０４に蓄積する（蓄積動作〕。

続いて、キャパシタ電極１０７に正電圧を印加してエミ
ッタ拳ベース間を順方向にバイアスし、蓄積されたホー
ルにより発生した蓄積電圧を浮遊状態のエミッタ側へ読
出す（読出し動作）。

、　続いて、エミッタ側を接地してキャパシタ電極１０
７に正電圧のパルスを印加し、ｐベース領域１０４に蓄
積されたホールを消滅させる。これにより、リフレッシ
ュ用の正電圧パルスが立下がった時点でｐベース領域１
０４が初期状態に復帰する（リフレッシュ動作）。

このような光電変換装置は、蓄積された電荷を各セルの
増Ｈ機ｔｍにより電荷増幅してから読出すわけであり、
高出力、高感度、さらに低雑音を達成できる。また、構
造的に単純であるために、将来の高解像度化に対しても
有利なものであると言える。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記従来の光電変換装置では、キャパシ
タ電極１０７やエミッタ電極１０８等の配線が薄い酸化
膜１０６上に設けられているために、キャパシタ部周辺
の容量が無視できず、キャパシタ容量変動の原因になる
という問題点を有していた。

また、キャパシタ電極１０７の配線に信号が乗って電位
が上昇すると、下地となるｐベース領域１０４の表面が
反転し、ベースに蓄積されたキャリアが反転層を通して
リークして動作不良を生じさせるという問題点も有して
いた。

［問題点を解決するための手段］ 本発明による光電変換装置は、 半導体トランジスタと、該半導体トランジスタの制御電
極領域の電位を制御するためのキャパシタとを有し、前
記制御電極領域の電位を制御することにより、該制御電
極領域に光励起によって発生したキャリアを蓄積し、該
蓄積により発生した蓄積電圧を読出す光電変換装置にお
いて。

前記キャパシタは電極が絶縁層を挟んで前記制御電極領
域と対向することで構成されており、かつ、前記キャパ
シタ以外の部分の絶縁層は前記半導体トランジスタに影
響を及ぼさない程度に十分厚く形成されていることを特
徴とする。

［作用］ このように上記キャパシタ部分以外は前記半導体トラン
ジスタに影響を及ぼさない程度に厚い絶縁層が形成され
ているために、電極や配線によってキャパシタの総容量
が変動することがなく、また制御電極領域が反転して蓄
積キャリアがリークすること、もない、そのために、動
作不良を大幅に低減し、信頼性の高い光電変換装置を提
供することができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照しながら詳細に説明
する。

第１図（Ａ）は、本発明による光電変換装置の模式的平
面図、第１図（Ｂ）は、その■−■線断面図、第１図（
Ｃ）は、その等価回路図である。

第１図（Ａ）および（Ｂ）において、ｎ型シリコン基板
ｌ上に光電変換セルがライン上に配列されている。

各光電変換セルは、次に示すように、光電変換部である
バイポーラトランジスタとリフレッシュ用ＭＯ３）ラン
ジスタとから構成される。

基板１上に形成されたｎ−コレクタ領域２に、素子分離
のためのｐウェル領域５およびｎ十領域１２に囲まれて
ｐベース領域１１が形成され、ｐペニス領域ｌｌ内には
ｎ十エミッタ領域１５および１６が形成されている。さ
らに、ｎ−コレクタ領域２にはｐ十領域１９および２０
が形成され、ゲート電極１７とともにリフレッシュ用Ｍ
Ｏ５）ランジスタを構成している。

ｐベース領域１１の表面は酸化膜で覆われているが、電
位制御のためのキャパシタを構成する部分のみが薄い酸
化膜１３（膜厚２５０人〜１０００人）で覆われ、この
酸化膜１３を挟んでポリシリコンのキャパシタ電極１４
が対向している。

キャパシタを構成する部分以外の電極２２〜２７は酸化
膜６ｂおよび居間絶縁膜２１を挟んで形成され、バイポ
ーラトランジスタのアクティブ領域への影響を抑えてい
る。

特に、ｐベース領域１１とｎ−″コレクタ領域２との接
合部上に延びたキャパシタ電極１４は、厚さ２０００Å
以上の厚い酸化膜６ｂ上に形成され、キャパシタ電極１
４に正電圧が印加されてもベース表面が反転して蓄積キ
ャリアがリークしないように構成されている。

各電極２２〜２７が形成された層上には層間絶縁層２８
を挟んで遮光層２９が形成され、遮光層２９にはｐベー
ス領域１１の受、光面のみに光が入射するように受光窓
が形成されている。これによ−て、光が不必要部分に入
射して発生する誤動作を防止することができる。

さらに遮光層２９上には、全面にパッシベーション膜３
０が形成されている。

本実施例の動作は従来例と基本的には同様であるが、リ
フレッシュ用ＭＯ３）ランジスタが設けられているため
に、従来よりリフレッシュ動作を高速かつ完全に行うこ
とができる。

蓄積および読出し動作時には、電極１７はしきい値以下
（ここでは正電位）に維持され、リフレッシュ用ＭＯＳ
トランジスタをＯＦＦ状態である。したがって、従来例
と同様に蓄積および読出し動作を行う。

リフレッシュ動作時には電極１７に負電圧が印加され、
リフレッシュ用ＭＯＳトランジスタはＯＮ状態となる。

電ｐｉ２５にはリフレッシュ用の一定電圧（ここでは−
５ｖ〜−ｔＶ）が印加されいるためにｉ−ｐベース領域
１１に蓄積されたキャリアは消滅し、ｐベース領域１１
は蓄積動作を開始するための一定電位に設定される。

リフレッシュ動作が終了すると、蓄積動作、読出し動作
が行われ、以下、同様に繰り返される。

第２図（Ａ）〜（Ｈ）は、本実施例の概略的製造工程図
である。

まず、同図（Ａ）に示すように、ｎ型シリコン基板ｌ上
に、エピタキシャル成長によってｎ一層２を形成する。

次に、同図（Ｂ）に示すように、ｎ一層２上に酸化膜３
を形成し、ｐウェル領域を形成すべき部分をフォトリン
グラフィによって選択的に除去する。続いて、バッファ
用酸化膜４を形成してＢ＋をイオン注入し、熱処理によ
ってｐウェル領域５を形成する。

次に、酸化［３を除去した後、同図（Ｃ）に示すように
１表面にパッド酸化ＷＮ６、その上に窒化膜７を形成し
、ＬＯＧＯＳ酸化を行うために窒化膜７を選択的に除去
する。続いて、レジスト８をパターニングし、チャネル
ストッパを形成するためのＢ＋をイオン注入する。

次に、同図（Ｄ）に示すように、レジスト８を除去した
後フィールド酸化を行い、ｐ＋チャネルストッパ９およ
び素子分離用のフィールド酸化膜１０を形成する。

続いてパッド酸化膜６および窒化膜７を除去した後、バ
ッファ用酸化膜６ａを形成し、その上にレジストを形成
する。そしてｐベース領域を形成すべき部分のレジスト
を除去した後、Ｂ＋をドーズ量ｌＸ１０Ｌ２〜ｌＯＬ４
ｃｍ−２でイオン注入する。続いて、レジストを除去し
た後、熱酸化に伴う熱処理によってｐベース領域１１を
形成する。

センサ感度を向上させるには、ｐベース領域１１の不純
物濃度を下げてベース・エミッタ間容量Ｃｂｅを小さく
することが望ましい、しかし、不純物濃度をあまり小さ
くしすぎると、ベース領域が動作状態で完全に空乏化し
てパンチングスルー状態となってしまう。

本実施例におけるｐベース領域１１の厚さは０．５〜２
．０ｐｍ、不純物濃度は１Ｑ１６〜１０１ｆ１０１ｆ１
とした。

次に、上記ベース領域１１を形成する際の熱酸化によっ
て成長した表面の酸化膜のうちｎ中領域を形成しようと
する部分のみを除去し、そこにバッファ用酸化膜を形成
する。そしてＰイオンをドーズ量Ｉ　Ｘ　１０１４〜５
Ｘ　ｌ　０１５ｃｍ−２で注入した後、熱処理を行い、
同図（Ｅ）に示すように、ｎ十素子分離領域１２を形成
する。

次に、上記熱処理によって更に成長した表面の酸化膜６
ｂのうち、キャパシタを構成しようとする部分、エミッ
タ領域を形成しようとする部分およびＭＯＳ）ランジス
タを構成しようとする部分を選択的に除去する。そして
、パイロジェニック法、塩酸酸化法又はドライ酸化法等
によって、同図（Ｆ）に示すように、膜厚２５０〜ｔｏ
ｏｏ人の薄い酸化膜１３を形成する。

次に、ポリシリコンを堆積してパターニングし、同図（
Ｇ）に示すように、キャパシタ電極１４およびＭＯＳ）
ランジスタのゲート電極１７を形成する。

続いて、レジストを形成し、エミッタ領域を形成しよう
とする部分のみを除去してＰイオンをドーズｉｌ　Ｉ　
Ｘ　１０１４〜１０１８ｃｍ−２で注入する。

Ｐイオンが領域１５ａおよび１６ａに打込まれる。同様
にレジスト１８をパターニングし、レジスト１８および
ゲート電極１７をマスクとしてＭＯＳトランジスタ部に
Ｂイオンを注入する。Ｂイオンが領域１９ａおよび２０
ａに打込まれる。

こうしてイオン注入した後、レジスト１８を除去し、同
図（Ｈ）に示すように、ＰＳＧ膜２膜上１ＶＤ法によっ
て堆積する。

続いて、Ｎ２雰囲気中で熱処理を行い、注入したイオン
を拡散させてｎ十エミッタ望城１５および１６．　　リ
フレッシュ用ＭＯ３）ランジスタのソースφドレイン債
域１９および２０を各々形成する。この熱処理の時間、
温度を最適化することによってバイポーラトランジスタ
の所望のｈｆｅが得られる０本実施例では９００〜１０
００℃の温度で、５〜３０分程度の熱処理を行い、１０
０、〜２０００　ｃ７）　ｈ　ｆ　ｅが得られる。

続いて、ＰＳＧＩ！！２１にコンタクトホールを形成し
、Ａｌ−５ｉを堆積してパターニングを行う、これによ
って、キャパシタ電極１４に接続した電極２２、エミッ
タ電極２３および２４、リフレッシュ用ＭＯ３）ランジ
スタの電極２５、ｎ＋素子分離領域１２に接続した電極
２６、Ｐウェル領域５に接続した電極２７が各々形成さ
れる。

次に、居間絶縁膜としてプラズマ窒化ｌ１２８、遮光層
２９、パッシベーション膜としてプラズマ窒化膜３０お
よび基板１の裏面にオーミックコンタクト層を介してコ
レクタ電極３１を各々形成して、第１図に示す本実施例
が完成する。

［発明の効果Ｊ 以上詳細に説明したように本発明による光電変換装置は
、キャパシタ部分以外は半導体トランジスタに影響を及
ぼさない程度に厚い絶縁層が形成されているために、電
極や配線によってキャパシタの総容量が変動することが
なく、また制御電極領域が反転して蓄積キャリアがリー
クすることもない、そのために、動作不良を大幅に低減
し、信頼性の高い光電変換装置を提供することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は、本発明による光電変換装置の模式的平
面図、第１図（Ｂ）は、そのＩＩ−ＩＩ線断面図、第１
図（Ｃ）は、その等価回路図、第２図（Ａ）〜（Ｈ）は
、本実施例の概略的製造工程図、 第３図（Ａ）は、従来の光電変換装置の概略的平面図、
第３図（Ｂ）は、そのＩ−Ｉ線断面図である。 １・・・ｎ型シリコン基板 ２・・６ｆｉ−コレクタ領域 ５・噛・ｐウェル領域 ６ｂ＠舎・厚い酸化膜 ９・・Φチャネルストッパ ｌＯ・・・フィールド酸化膜 １２・・・ｎ十素子分離領域 １３・ＩＩ＋１ゲート酸化膜 １４・拳・キャパシタ電極 １５．１６・拳・ｎ十エミッタ領域 １７Φ・・ゲート電極 １９．２０・・・ソース・ドレイン領域２１．２８・・
・層間絶縁膜 ２２〜２７・・・電極 ２９・会・遮光層 ３０・・・パッシベーション膜 ３１・嗜・コレクタ電極 代理人　弁理士　山　下　積　平 第１図 第２図 第３図 （Ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体トランジスタと、該半導体トランジスタの
   制御電極領域の電位を制御するためのキャパシタとを有
   し、前記制御電極領域の電位を制御することにより、該
   制御電極領域に光励起によって発生したキャリアを蓄積
   し、該蓄積により発生した蓄積電圧を読出す光電変換装
   置において、 前記キャパシタは電極が絶縁層を挟んで 前記制御電極領域と対向することで構成されており、か
   つ、前記キャパシタ以外の部分の絶縁層は前記半導体ト
   ランジスタに影響を及ぼさない程度に十分厚く形成され
   ていることを特徴とする光電変換装置。