JPS6341227B2 - - 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ものであり、更
に詳しくは光検出部に非晶質シリコンを用いた固
体撮像装置に関するものである。

従来の固体撮像装置は、マトリツクス状に配置
されたフオトダイオードの如き光検出部と、更に
この光検出部で検出された信号を順次選択する走
査回路とから構成されている。例えば光検出部の
マトリツクスと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マトリツク
ス型という。例えば特公昭45−30768号公報に記
載されている。）、同じく光検出部のマトリツクス
とバケツトブリゲードデバイス（BBD）、チヤー
ジカツプルドデバイス（CCD）あるいは呼び水
転送（CPT）型電荷転送部を組合せたもの（こ
れらは、例えば特開昭46−1221号、同47−26091
号公報及び「電子材料」誌、1980年３月号、第６
頁以降に記載されている。）などがある。しかし
ながら、これら公知の固体撮像装置においては光
検出部とこの光検出部で検出した信号を順次選択
する回路（上記XYマトリツクス回路、電荷転送
回路及びこれらの回路に電荷を送り込むスイツチ
素子としての電界効果トランジスタなどを包含す
る）とが同一平面上に二次元的に配置されている
ので装置の単位面積当りの光利用効率が極めて低
いという欠点があつた。

近年に至り、上記の固体撮像装置の光検出部に
代えて光導電体を上記走査回路に積層して多層構
造とすることによつて光利用効率を高めたものが
開発されている。例えば電界効果型トランジスタ
ーを用いてXYマトリツクス型の走査回路の上に
光導電体を積層した固体撮像装置が特開昭49−
91116号公報に、あるいはBBD型、CCD型の走査
回路の上に−族化合物半導体のヘテロ接合を
用いた多結晶蒸着膜を設けた固体撮像装置が特開
昭55−27772号公報にそれぞれ示されている。

他方、太陽電池あるいは電子写真感光体用の半
導体として非晶質シリコンの利用の試みが積極的
に行なわれている。ここで言う非晶質シリコン膜
とは原子配列が周期性をもたないもので原子配列
において長周期をもつ結晶シリコンとは異なつて
いる。従つて従来の非晶質シリコンはこの周期性
をもたないことに起因する構造欠陥のため非常に
悪い光電特性しか示さなかつた。ところが非晶質
シリコンのエネルギーギヤツプ内の電子、正孔の
局在準位（gap state）を減少させる元素即ち水
素及び／又はフツ素を含む非晶質シリコンは、比
較的高い抵抗率（10⁸〜⁹Ωcm）で大きな光電導度
を示すとう特徴が生じることが見い出された。し
かも重要な事は、かかる非晶質シリコンは結晶シ
リコンと同様不純物ドーピングによる電導度制御
が可能なことが明らかになり、（例えばW.E.
Spear and P.G.Le Comber著：“Solid State
Communication”、17巻（1975年）1193頁からに
記載されている。）例えば、D.E.Carlson and C.
R.Wronski著“Applied Physics Letters”28巻、
（1976年）、671頁からに記載の如き、光起電力素
子への応用を中心に基礎分野、応用分野で大変注
目されるに至つている。

そこで前記した多層構造の固体撮像装置に用い
られる光導電体としてかかる非晶質シリコンを用
いる試みが特開昭55−39404号公報によつて開示
されている。かかる固体撮像装置はマトリツクス
状に配置されたMOS型の電界効果トランジスタ
ーと組合わされたXYマトリツクス型あるいは電
荷転送型の走査回路の電荷効果トランジスターの
ソース電極あるいはドレイン電極に電気的に接続
されるように単層の非晶質シリコン層を設け更に
その上に透明電極を設けた構造である。

本発明者らは、上述の如き走査回路上にシリコ
ンを主体とする非晶質材料を積層した固体撮像装
置について鋭意研究を重ねたところ、該光導電体
層としてシリコンと炭素を主体とし、更に水素及
びフツ素を含有する非晶質材料を走査回路に積層
させる事により、非晶質シリコンを走査回路に積
層したものに比して極めて好ましい固体撮像装置
が得られることを見い出した。

即ち本発明者らの実験の結果、固体撮像装置の
光検出層で要求される例えば10¹²Ω・cmもの高抵
抗の非晶質シリコンを作製するためには、例えば
シランのグロー放電においては非晶質シリコン層
を形成すべき基板の基板温度を250℃以下の低い
温度に設定して製造すると、得られた非晶質シリ
コン層は層中の格子欠陥が多いことに由来すると
思われるが、光導電特性が極めて劣り特に低電界
における感度が低下する。更に暗抵抗を高めるた
めに例えばシランをグロー放電する際に少量のメ
タンを混合しておき、シリコンの一部を該シリコ
ンと同族元素である炭素で置換した非晶質材料を
製造することも知られているが、かかる方法を用
いた場合にも、上記と同様に暗抵抗を高める事に
よつて光導電特性が低下することが判つた。

一方、例えば上記の基板温度を250℃以上の比
較的高い温度条件に設定して高い光導電特性を得
ようとすると低い抵抗率（10⁸〜⁹Ω・cm）しか示
さず、得られた固体撮像装置は暗電流によるSN
比が劣るものとなる。従つて一般に非晶質シリコ
ンを製造する際に高い暗抵抗及び高い光導電性は
相反する現像を示し、一方を改善すると他方が劣
化してしまい、これらを両立することは極めて困
難であつた。

本発明者等は光検出部の光電変換膜をシリコン
と炭素を主体とし更に水素及びフツ素を含有する
非晶質材料で形成することにより従来のものと比
較して幾多の優れた性能を有する固体撮像装置の
得られることを見い出して本発明を完成した。

本発明の目的は固体撮像装置の光検出部に要求
される高い暗抵抗と高い光導電性を有する新規な
光導電体層を走査回路上に積層した固体撮像装置
を得ることにある。

即ち本発明は光の入射方向に透明電極、光導電
体層をこの順に配し、該光導電体層の信号を順次
選択する複数の走査回路を備えた固体撮像装置に
おいて、該光導電体層がシリコンと炭素を主体と
し更に水素及びフツ素を含有する非晶質材料から
形成されていることを特徴とする固体撮像装置で
ある。

以下、本発明の一実施例を図面に基いて説明す
る。

第１図は走査回路が電荷転送型である場合の固
体撮像装置の一単位の断面構造を示したものを示
す。かかる実施例においてＰ型半導体基板１０は
n⁺型領域１１によりダイオードが形成されてい
る。１２はP⁺型領域で、CCD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
障壁であり、１３はn⁺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
時のみに設置すればよい。以下かかる説明は
BBD動作を例にして説明する。１４は第１ゲー
ト電極でありn⁺型領域１１との重なり部分を有
している。１６は半導体基板１０と第１ゲート電
極１４との間の絶縁体膜でゲート酸化膜である。
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ための絶縁体
層である。１７は第１電極でn⁺型領域１１と電
気的に接続したダイオードの電極である。１８は
必要に応じて設けられる電子阻止層又は正孔阻止
層であり、例えば後述するシリコンと炭素を主体
とし更に水素及びフツ素を含有する非晶質材料か
ら成る光導電体にＢ又はＰなどをドープしてｐ型
又はｎ型としたものである。１９はシリコンと炭
素を主体とし更に水素及びフツ素を含有する非晶
質材料から成る光導電体層であり光検出部の主要
部分を構成している。２０は該光導電体層上に設
けられている透明電極であり、該透明電極２０に
は電源２１によつて電圧が印加されている。

ここで電源２１から電極２０に印加される電圧
の極性は層１８がｎ型である場合には負電位が、
層１８がｐ型である場合には正電位が印加され
る。層１８が無い場合にはいずれの極性でもよ
い。又、所謂ｐ−ｉ−ｎ接合を有する光検出部及
びｐ−ｎ接合を有する光検出部を用いることもで
きるが、この場合にも電極２０に接する層がｎ型
である場合には負電位が、ｐ型である場合には正
電位がそれぞれ印加される。つまり上記の電極２
０に印加される電圧の極性は光検出部を構成する
各層の界面に対して逆バイアスとなる極性の電位
を印加すればよいのである。

このように構成された本発明の固体撮像装置の
光検出部に入射光２２を照射すると、シリコンと
炭素を主体としこれに水素及びフツ素を含有する
非晶質材料から構成された光検出部が光を吸収
し、電子−正孔対を生成し、それぞれ電極１７，
２１に到達して電極１７の電位を低下させる。こ
の電位低下は入射光量に比例し、１フイールド期
間蓄積される。次に第１ゲート電極１４に読み取
り信号電圧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⁺領域１１からn⁺領域１
３に電子の移送が行なわれる。そのためn⁺領域
１１の電圧は再び元にもどる。従つてn⁺型領域
１３に移動した電荷の総量は入射光の光量に比例
する。

以上は光検出部と第１ゲート電極１４による固
体素子の一単位についての説明であるがn⁺型領
域１３に読込まれた光電変換信号の電荷転送はこ
れまでに知られている方法によつて行なわれる。

例えば次に示す如き自己走査によつて電荷転送
を行なうことが可能である。第２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２
４，２６が付設されている。公知のパルス印加操
作で第１ゲート電極１４で読み込まれた電荷は転
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相のクロツ
ク信号で出力段に送り出すことができるのであ
る。

以上の説明においては、CCDあるいはBBD等
の電荷転送型の走査回路について説明したが、走
査回路として例えば特開昭49−91116号公報に記
載の如きＸ−Ｙマトリツクス型のものを用いても
よいことは勿論である。更に上記の如き電界効果
型トランジスタ回路に代えて例えば
「Proceeding of the IEEE，The Institute of
Electrical and Electronics Engineers，Inc 発
行、1964年、12月、Vol52、No.12の第1479頁乃至
第1486頁に示される如きガラス支持体上に設けら
れる薄膜型電界効果トランジスタ回路なども使用
することができ、更に公知の半導体スイツチング
回路を用いて走査回路を構成することができる。

次に本発明に用いられる光検出部の製造方法に
ついて述べる。

本発明の固体撮像装置は前記した走査回路の上
にシリコンと炭素を主体とし更に水素及びフツ素
を含有する非晶質材料から成る光導電体層が形成
されていることを特徴とするものである。かかる
光導電体層は、例えばグロー放電分解法によつて
形成され所望される固体撮像装置の光検出部の特
性等の要因によつて適宜、スパツタリング法、イ
オンインプランテーシヨン法が併用することもで
きる。

炭素及びシリコンを主体とし、更に水素及びフ
ツ素を含有する非晶質材料から成る光導電層は、
暗比抵抗が、固体撮像装置の光検出部に要求され
る値を満足するため、炭素及びシリコンの組成制
御及び水素、フツ素の添加量の制御を行なう。即
ちグロー放電分解法においてはシラン又はシラン
誘導体等のガスであるSiH₄、Si₂H₆、SiCl₄、
SiHCl₃、SiH₂Cl₂、Si（CH₃）₄等、又はこれらガ
スをH₂、He、Ar、Ne等の不活性ガスで稀釈し
たガスと、C₂H₃F、CH₃F、CF₄、C₂H₂F₂、
C₂ClF₃、C₃F₈、CCl₂F₂、CCl₃F等のフツ素系有
機ガス等の少なくとも１種以上のガスをグロー放
電を生起させ、導入ガスを分解反応させ、光導電
膜を形成するものである。

本発明におけるシリコン及び炭素を主体とする
非晶質材料の炭素及びシリコンの組成比又は原子
数比Ｃ／Siは５原子％乃至40原子％であり、さら
に水素及びフツ素を含むものであることが暗比抵
抗が高く、光導電性の良い光導電層を得るうえで
好ましいことが判つた。第５図に基板温度220℃
でSiH₄ガスとCF₄ガスのグロー放電分解法で形成
した炭素及びシリコンを主体とする非晶質材料の
シリコンに対する炭素の組成比を変えたときの暗
電導度及び光電導度を示す。図において、Ｃ／Si
が0.21近傍で暗電導度は極小値を示し光導電性も
良好な値を示した。この組成領域で炭素及びシリ
コンを主体とする非晶質材はｎ型電導を示し、不
純物のドーピングにより更に高い光導電性を示
し、更に高い暗比抵抗を得ることが可能である。

炭素及びシリコンを主体とする非晶質材料に添
加するフツ素の量は0.01原子％乃至20原子％、よ
り好ましくは0.5原子％乃至10原子％であること
が望ましい。また水素の量は１原子％乃至40原子
％であり、より好ましくは10原子％乃至30原子％
であることが望ましい。特に添加する水素の量を
制御するには、蒸着基板温度及び／又は水素を添
加する為に使用される出発物質の装置系内へ導入
する量を制御してやれば良い。更には、炭素及び
シリコンを主体とする非晶質層を形成した後に、
該層を活性化した水素雰囲気中に晒しても良い。
又、この時炭素及びシリコンを主体とする非晶質
層を結晶化温度以下で加熱するのも一つの方法で
ある。

このようにして作製されたシリコンと炭素を主
体とし更に水素及びフツ素を含有する非晶質材料
の導電型はそのままではわずかにｎ型の傾向を示
すが、所謂ドーピングにより電導度制御が可能で
ある。即ち微量のＢ等の添加によりＰ型の性質を
付与することができ真性半導体（ｉ−型半導体）
を作製することができ更にＰ型半導体を作製する
ことができる。更に例えばＰ等の添加によりｎ型
半導体を作製しうる。ドーピングされる不純物と
しては、Ｐ型にする場合には、周期律表第族の
元素、例えば、Ｂ、Al、Ga、In、Tl等が好適な
ものとしてあげられ、ｎ型にする場合には、周期
律表第族の元素、例えば、Ｎ、Ｐ、As、Sb、
Bi等が好適なものとして挙げられる。これ等は
不純物は含有される量が微量であるので光導電層
を構成する主物質程その公害性に注意を払う必要
はないが、出来る限り公害性のないものを使用す
るのが好ましい。この様な観点からすれば、形成
される光導電層の電気的光学的特性を加味して、
例えば、Ｂ、Ｐ等が最適である。

本発明の非晶質半導体中にドーピングされる不
純物の量は、所望される電気的・光学的特性に応
じて適宜決定されるが、周期律表第族の不純物
の場合には、通常10^-6乃至５原子％、好適には
10^-5乃至１原子％、周期律表第族の不純物の場
合には、通常10^-6乃至１原子％、好適には10^-4乃
至10^-1原子％とされるのが望ましい。

しかしながら、前記ドーピングされる不純物の
量は基板温度等の条件で異なり、特に臨界的意味
を有するものではない。

以上の如きドーピング技術を用いて本発明の光
検出部としてｐ−ｎ接合もしくはｐ−ｉ−ｎ接合
を有する非晶質材料層を形成することができる。

このｐ−ｎ接合において非晶質材料層はｎ−型
として0.1〜10μ、好ましくは0.3〜3μの厚さで形
成され、この下方側にB₂H₆ドープガスにより充
分にＰ−型となつた非晶質材料層が電子阻止層と
して施こされる。この電子阻止層の厚さは0.02〜
0.2μ程度でよい。

更に他の例においては光導電層はＰ−型非晶質
材料層から成る電子阻止層とｉ−型非晶質材料層
とｎ−型非晶質材料から成る正孔阻止層とからな
つている。ｐ−型非晶質材料層は例えばＢ−ドー
プした非晶質材料からなり、その厚さは0.05〜
0.2μである。次のｉ−型非晶質材料層は第１の発
明の光導電層と同一のものであり、厚さ0.1〜
10μ、好ましくは0.3〜3μである。最後にｎ−型正
孔阻止層はドープ処理しないか、又はＰ（燐）を
ドープした非晶質材料層を0.05〜0.2μの厚さで形
成させることによつて作られる。本構成において
は第２電極に負電圧を印加した場合に有効であり
第２電極から光半導体層への電子の注入が阻止さ
れ、また第１電極からの正孔の流入が阻止され
る。

更に他の光導電層としては第２の例とは逆の構
成のｎ−ｉ−ｐ接合の光導電層も同様に使用する
ことができる。本構成においては第２電極に正電
圧を印加した場合に有効であり、第２電極から半
導体層への正孔の注入が阻止され、また第１電極
からの電子の注入が阻止される。

こうして得られる非晶質材料層の光導電層とし
ての厚さは0.1〜10μであり、好ましくは0.3〜3μ
であり、光導電層に印加される電位は0.1〜
30V／μである。

本発明の特徴は固体撮像装置の光検出部として
シリコンと炭素を主体とし更に水素とフツ素を含
有する非晶質材料を用いることにある。これまで
高抵抗の非晶質シリコンを得るためには非晶質シ
リコンの析出すべき基板温度を250℃以下の低い
温度でシランのグロー放電を行なつて非晶質シリ
コンを基板上に沈積させて膜形成を行うが、この
ように比較的低い基板温度で得られるα−Si層は
層中の格子欠陥が多く光導電特性に劣る傾向があ
り、特に低電界における感度が低下する。一方、
250℃以上の比較的高い基板温度でａ−Si層を製
造し、格子欠陥が少なく光導電特性の良好なａ−
Si層を得ることができるが、このような比較的に
高い基板温度で得られるａ−Si層は固体撮像装置
の光検出部に要求される暗比抵抗が例えば
10¹²Ω・cm以上となり難いために暗電流による
SN比の低下が起る。

更に暗抵抗を高めるために例えばシランをグロ
ー放電する際の少量のメタンを混合しておき、シ
リコンの一部をシリコンと同様な元素である炭素
で置換した非晶質材料を形成しても、上記と同様
に暗抵抗を高めるに従つて光導電性が低下するの
である。

これに対して本発明の如く例えばシランをグロ
ー放電する際に少量の炭素及びフツ素を含むガス
（例えばCF₄）を混合させて、シリコンと炭素を
主体とし更に水素とフツ素を含有する非晶質材料
を用いることによつて例えば第３図に示す如く固
体撮像装置の光検出部として十分に高い暗抵抗を
有し且つ高い光導電性を有する固体撮像装置を得
ることができたのである。

以上述べた非晶質材料膜は、水素及びフツ素を
含んだ雰囲気においてシリコン及び炭素の高周波
または直流スパツタリング法を用いることによつ
ても同様の膜を得ることができる。更に、透明電
極２０はスパツタリング法によりIn₂O₃あるいは
SnO₂を含む透明電極を0.05〜0.5μの厚さに形成す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例たる固体撮像装置の
一単位の断面構造を示す図、第２図は第１図の固
体撮像装置の一単位を一次元に配置した平面図、
第３図は本発明に用いられる非晶質材料の光電特
性を示すグラフである。 １０：半導体基板、１１：n⁺領域、１３：n⁺
領域、１４：第１ゲート電極、１７：第一電極、
１９：非晶質材料層（光検出層）、２０：透明電
極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 光の入射方向に透明電極、光導電体層をこの
   順に配し、該光導電体層の信号を順次選択する複
   数の走査回路を備えた固体撮像装置において、該
   光導電体層がシリコンと炭素を主体とし更に水素
   及びフツ素を含有する非晶質材料から形成されて
   いることを特徴とする固体撮像装置。