JPWO2008093834A1 - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
可視光から近赤外光までの広い波長域に渡って高い感度を有し、暗電流が低減され、かつ構造が簡単な固体撮像装置およびその製造方法を提供する。基板上に形成された回路部30と、回路部30上に配置された下部電極層25と、下部電極層25上に配置され,光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜24と、化合物半導体薄膜24上に配置された透光性電極層26とを備える光電変換部28とを備え、下部電極層25、化合物半導体薄膜24、および透光性電極層26は、回路部30上に順次積層された固体撮像装置およびその製造方法。
Description
本発明は、固体撮像装置およびその製造方法に関し、特に光電変換部にCu(In,Ga)Se2からなるカルコパイライト構造の化合物半導体膜を備える固体撮像装置およびその製造方法に関する。
Ib族元素とIIIb族元素とVIb族元素とからなる、カルコパイライト構造の半導体薄膜であるCuInSe2(CIS系薄膜)、或いはこれにGaを固溶したCu(In,Ga)Se2(CIGS系薄膜)を光吸収層に用いた薄膜太陽電池は、高いエネルギー変換効率を示し、光照射などによる効率の劣化が少ないという利点を有している。
しかしながら、カルコパイライト構造の半導体薄膜であるCIS系薄膜、或いはこれにGaを固溶したCIGS系薄膜の形成では、膜質の悪化、リーク電流の増大の観点から、550℃による成膜が一般的である。550℃よりも低温で形成した場合、粒径が小さくなり、暗電流特性が悪化すると従来考えられてきた。なお、半導体集積回路の耐熱限界は400℃程度である。
一方、基板上に薄膜トランジスタによるスイッチ素子が形成され、上記スイッチ素子に接続された画素電極を介して、アモルファス半導体層によるセンサ領域が積層されてなることを特徴とする固体撮像素子、或いはまた上記基板が絶縁基板で形成されてなる固体撮像素子については、既に開示されている(例えば、特許文献1参照。)。
特許文献1による固体撮像素子では、アモルファス半導体層をフォトセンサ領域としていることから、光電変換波長は、主として可視光領域である。
特開2001−144279号公報 現在CIS系薄膜ならびにCIGS系薄膜は、太陽電池としての利用が主流である。
一方、本発明の発明者らは、この化合物半導体薄膜材料の高い光吸収係数と、可視光から近赤外光までの広い波長域に渡って高い感度を持つ特性に着目し、この化合物半導体薄膜材料を、セキュリティカメラ(昼間は可視光をセンシングし、夜間は近赤外光をセンシングするカメラ)や、個人認証カメラ(外光の影響を受けない近赤外光で個人認証するためのカメラ)、或いは車載カメラ(夜間の視覚補助や遠方の視野確保などのために車に搭載されるカメラ)用のイメージセンサとして利用することについて検討している。
本発明は、光電変換部にCu(In,Ga)Se2からなるカルコパイライト構造の化合物半導体膜を備えることによって、可視光から近赤外光までの広い波長域に渡って高い感度を有し、暗電流が低減され、かつ構造が簡単な固体撮像装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記固体撮像装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明の固体撮像装置は、基板上に形成された回路部と、前記回路部上に配置された下部電極層と、前記下部電極層上に配置され,光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜と、前記化合物半導体薄膜上に配置された透光性電極層とを備える光電変換部とを備え、前記下部電極層、前記化合物半導体薄膜、および前記透光性電極層は、前記回路部上に順次積層されたことを特徴とする。
この構成により、カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜の光吸収感度を備え、かつ構造が極めて簡単な固体撮像装置を得ることができる。
本発明の固体撮像装置において、前記回路部は、前記下部電極層がゲートに接続されたトランジスタを備えることを特徴とする。
この構成により、カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜の光吸収感度を備え、かつトランジスタによる増幅機能を備えた固体撮像装置を得ることができる。
本発明の固体撮像装置において、前記回路部は、前記下部電極層がソース、若しくはドレインに接続されたトランジスタを備えることを特徴とする。
この構成により、カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜の光吸収感度を備え、開口率の向上した固体撮像装置を得ることができる。
本発明の固体撮像装置において、前記回路部と前記光電変換部からなる光電変換セルが集積化されていることを特徴とする。
この構成により、カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜の光吸収感度を備え、ラインセンサ、エリアセンサなどの固体撮像装置を提供することができる。
本発明の固体撮像装置において、前記回路部と前記光電変換部からなる光電変換セルが集積化されており、前記透光性電極層が前記基板表面に一体的に形成されたことを特徴とする。
この構成により、カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜の光吸収感度を備え、かつ前記透光性電極層のパターニングが不要となり、構造が極めて簡単な固体撮像装置を得ることができる。
本発明の固体撮像装置において、前記カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜は、Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1)であることを特徴とする。
この構成によれば、In(インジウム)の一部をガリウムに置き換えたCIGS系薄膜を用いることにより、CIS系薄膜(CuInSe2)のバンドギャップの広幅化が有効となり、これにより、バンド幅を広げることによって、キャリアの再結合過程を減らすことができ、暗電流の低減をはかることができる。
本発明の固体撮像装置において、前記透光性電極層は、前記化合物半導体薄膜との界面に設けられるノンドープのZnO膜と、前記ノンドープのZnO膜上に設けられるn型のZnO膜とを備えることを特徴とする。
この構成によれば、前記透光性電極層としてノンドープのZnO膜(i−ZnO)を設けることにより、下地のCIGS薄膜に生じるボイドやピンホールを半絶縁層で埋め込むと共に、リークを防ぐことができる。したがって、ノンドープのZnO膜(i−ZnO)を厚膜化することによって、pn接合界面の暗電流を低減することができる。
本発明の固体撮像装置は、近赤外光領域にも感度を持つフォトセンサであることを特徴とする。
本発明の固体撮像装置は、近赤外光にも高い感度を有するため、セキュリティカメラ(昼間は可視光をセンシングし、夜間は近赤外光をセンシングするカメラ)や、個人認証カメラ(外光の影響を受けない近赤外光で個人認証するためのカメラ)、或いは車載カメラ(夜間の視覚補助や遠方の視野確保などのために車に搭載されるカメラ)用のイメージセンサとして、充分に利用可能である。
本発明の固体撮像装置は、前記透光性電極層上にカラーフィルタを備えることを特徴とする。
この構成によれば、可視光領域において、カラー用のイメージセンサを提供することができる。
本発明の固体撮像装置の製造方法は、基板上に回路部、下部電極層、光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜、透光性電極層が積層されて構成される固体撮像装置の製造方法であって、前記基板上に前記回路部を形成する工程と、前記回路部が形成された前記基板上に前記下部電極層を形成する工程と、前記下部電極層をフォトリソグラフィーによってパターニングして画素毎に分離する工程と、素子領域全面に前記カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜を形成する工程と、前記カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜をフォトリソグラフィーによってパターニングし、前記分離された下地の下部電極層に合わせて、画素毎に分離する工程とを有することを特徴とする。
本発明の固体撮像装置の製造方法は、素子領域全面に層間絶縁膜を堆積する工程と、前記層間絶縁膜をフォトリソグラフィーによってパターニングして画素毎に前記カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜表面を露出する工程とを更に有することを特徴とする。
本発明の固体撮像装置の製造方法は、素子領域全面に前記透光性電極層を形成する工程を更に有することを特徴とする。
本発明の固体撮像装置の製造方法は、前記化合物半導体薄膜表面を露出する工程後、素子領域全面にバッファ層を形成する工程を更に有することを特徴とする。
本発明の固体撮像装置の製造方法は、前記カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜を形成する工程は、PVD法により、Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1)薄膜を成膜する工程を含むことを特徴とする。
本発明の固体撮像装置の製造方法は、前記透光性電極層上にカラーフィルタを形成する工程を更に有することを特徴とする。
本発明の固体撮像装置の製造方法は、前記透光性電極層を形成する工程は、ノンドープのZnO膜を形成する工程と、前記ノンドープのZnO膜上にn型のZnO膜、ITO膜などの透明電極膜を形成する工程とを有することを特徴とする。
本発明の固体撮像装置の製造方法において、前記カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜を形成する工程は、ドライエッチングによりパターニングする第1の工程と、前記第1の工程で生じるエッチング残渣を、ウェットエッチングにより除去する第2の工程とを含むことを特徴とする。
本発明の固体撮像装置の製造方法においては、前記第1の工程は、塩素系ガスおよび臭素系ガスをエッチャントとしてドライエッチングを行い、また、前記第2の工程では、前記第1の工程で残ったCuの化合物を除去するために塩酸で処理することを特徴とする。
本発明の固体撮像装置の製造方法においては、前記カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜は、Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1)であることを特徴とする。
本発明の固体撮像装置は、本発明の固体撮像装置の製造方法によって製造されたことを特徴とする。
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
[第1の実施の形態]
(素子構造)
本発明の第1の実施の形態に係る固体撮像装置の模式的全体平面パターン構成は、図1に示すように、パッケージ基板1と、パッケージ基板1上の周辺部に配置された複数のボンディングパッド2と、ボンディングパッド2とボンディングパッド接続部4によって接続され、かつ固体撮像装置の画素5上に配置された透明電極層26と固体撮像装置の周辺部において接続されるアルミニウム電極層3とを備える。すなわち、透明電極層26の端部領域をアルミニウム電極層3が被覆していて、かつアルミニウム電極層3は、ボンディングパッド接続部4によって1つのボンディングパッド2に接続されている。また、画素5は、図1の例ではマトリックス状に配置されている。
(素子構造)
本発明の第1の実施の形態に係る固体撮像装置の模式的全体平面パターン構成は、図1に示すように、パッケージ基板1と、パッケージ基板1上の周辺部に配置された複数のボンディングパッド2と、ボンディングパッド2とボンディングパッド接続部4によって接続され、かつ固体撮像装置の画素5上に配置された透明電極層26と固体撮像装置の周辺部において接続されるアルミニウム電極層3とを備える。すなわち、透明電極層26の端部領域をアルミニウム電極層3が被覆していて、かつアルミニウム電極層3は、ボンディングパッド接続部4によって1つのボンディングパッド2に接続されている。また、画素5は、図1の例ではマトリックス状に配置されている。
本発明の第1の実施の形態に係る固体撮像装置の概略の断面構造は、図2に示すように、基板上に形成された回路部30と、回路部30上に配置された光電変換部28を備える。
光電変換部28は、光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))24と、化合物半導体薄膜24上に配置された透光性電極層26とを備える。
透光性電極層26は、化合物半導体薄膜24上に設けられるノンドープのZnO膜(i−ZnO)と、ノンドープのZnO膜(i−ZnO)上に設けられるn+型のZnO膜とで構成される。
回路部30は、例えば、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ(CMOSFET:Complementary Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)集積回路などによって形成する。
図2において、回路部30には、CMOSの一部を構成するnチャネルMOSトランジスタが示されており、半導体基板10と、半導体基板10内に形成されたソース・ドレイン領域12と、ソース・ドレイン領域12間の半導体基板10上に配置されるゲート絶縁膜14と、ゲート絶縁膜14上に配置されるゲート電極16と、ゲート電極16上に配置されるVIA0電極17と、VIA0電極17上に配置されるゲート用の配線層18と、配線層18上に配置されるVIA1電極22とを備える。
ゲート電極16、VIA0電極17、配線層18、およびVIA1電極22は、いずれも層間絶縁膜20内に形成される。
VIA0電極17と、VIA0電極17上に配置される配線層18と、配線層18上に配置されるVIA1電極22によって、ゲート電極16上に配置されるVIA電極32が形成される。後述する図3、或いは図13の断面構造においても、VIA電極32が示されている。
固体撮像装置においては、ゲート電極16上に配置されるVIA電極32によって、CMOSの一部を構成するnチャネルMOSトランジスタのゲート電極16と光電変換部28とを電気的に接続している。
nチャネルMOSトランジスタのゲート電極16に光電変換部28を構成するフォトダイオードのアノードが接続されることから、フォトダイオードにおいて検出された光情報は、当該nチャネルMOSトランジスタによって増幅される。
なお、回路部30は、図2の例では、半導体基板10上に配置される半導体集積回路の例で示されているが、例えば、ガラス基板上に形成された薄膜上に形成された薄膜トランジスタを集積化した薄膜トランジスタ集積回路によって形成することもできる。
固体撮像装置の隣接する画素を含めたより詳細な断面構造は、図3に示すように表され、半導体基板10上に形成された回路部30と、回路部30上に配置された光電変換部28を備える。
光電変換部28は、下部電極層25と、下部電極層25上に配置され,光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))24と、化合物半導体薄膜24上に配置されたバッファ層36と、バッファ層36上に配置された透光性電極層26とを備える。
下部電極層25は、回路部30内のMOSトランジスタのゲート電極16にVIA電極32を介して接続されている。
図3から明らかなように、隣接する画素セル間で、下部電極層25および下部電極層25上に配置される化合物半導体薄膜24が互いに層間絶縁膜34を介して分離されている。
また、化合物半導体薄膜24上に配置されるバッファ層36は、半導体基板表面全面に一体的に形成されている。
また、透光性電極層26は、半導体基板表面全面に一体的に形成され、かつ電気的に共通にされている。
この構成によれば、透光性電極層26としてノンドープのZnO膜(i−ZnO)を設けることにより、下地のCIGS薄膜に生じるボイドやピンホールを半絶縁層で埋め込むと共に、リークを防ぐことができる。したがって、ノンドープのZnO膜(i−ZnO)を厚膜化することによって、pn接合界面の暗電流を低減することができる。なお、図3に示す下部電極層25およびバッファ層36は、図2では図示を省略した。
(製造方法)
本発明の第1の実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法を、図4に示す概略の工程図を用いて説明する。
本発明の第1の実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法を、図4に示す概略の工程図を用いて説明する。
(a)まず、図4(a)に示すように、半導体基板上に形成されたCMOS集積回路などの回路部30上に、下部電極層25として、例えばモリブデン(Mo)層をスパッタリング技術などによって形成する。下部電極層25の厚さは、例えば約0.3μm程度である。
(b)次に、図4(b)に示すように、モリブデン(Mo)層からなる下部電極層25をパターニングして、各画素毎にエッチングにより分離する。
(c)次に、図4(c)に示すように、光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜(CIGS薄膜)24を素子表面全面に形成する。化合物半導体薄膜(CIGS薄膜)24の形成工程は、例えば、スパッタリング法により、後述する図5に示すような三段階のスパッタリング工程を用いることができる。化合物半導体薄膜(CIGS薄膜)24の厚さは、例えば、約1.0μm程度である。
(d)次に、図4(d)に示すように、化合物半導体薄膜(CIGS薄膜(p-))24を、ドライエッチングとウェットエッチングを併用した2段エッチングによって、パターニングする。これにより、電気的に分離された化合物半導体薄膜(CIGS薄膜(p-))24が得られる。
詳細には、レジストパターンを用いて、化合物半導体薄膜(CIGS薄膜(p-))24を、ドライエッチングする際、塩素系ガスおよび臭素系ガスをエッチャントとして用いて、化合物半導体薄膜(CIGS薄膜(p-))24を垂直にエッチングしてパターニングを行う。この場合、高いレートで、サイドエッチがほとんどないエッチングが可能であるが、多数のMo膜上に多数の柱状の残渣が残存する。塩酸で処理して、残渣を完全に除去する。上記ドライエッチング工程では、Cu(Br)Xが反応性ガスにより生成され、塩酸処理によるウェットエッチング工程によって、Cu(Br)Xが除去される。
このように、ドライエッチングのエッチャントとして、塩素系ガスおよび臭素系ガスを用いることによって、光吸収層を構成する化合物半導体薄膜(CIGS薄膜(p-))24を高いレートで、アンダーカットを生じさせることなく高精度にエッチングできる。その後、短時間のウェットエッチングを実施して、柱状の残渣を完全に除去する。これによって、残渣を生じさせることなく、高精度のCIGS膜のパターニングが可能となる。この場合、ダメージや欠陥がCIGS薄膜24の結晶に生じず、暗電流の大幅な低減が可能となる。次にレジストパターンを除去する。この状態のデバイス断面が、図4(d)に示されている。なお、図4(d)では、簡単のため、エッチング後の化合物半導体薄膜24と下部電極層25の幅は同等であるように図示しているが、より詳細には、図3に示すように、エッチング後の化合物半導体薄膜24の幅が、下部電極層25の幅よりも大きくなるように設定してもよい。
(e)次に、図4(e)に示すように、層間絶縁膜34を素子表面全面に堆積する。層間絶縁膜34としては、例えば、TEOS(テトラエトキシシラン)膜、BPSG膜、CVD酸化膜、CVD窒化膜など、或いはこれらの多層膜を用いることができる。
(f)次に、図4(f)に示すように、層間絶縁膜34をパターニングして、エッチングにより、化合物半導体薄膜(CIGS薄膜(p-))24の表面を露出する。露出される領域の幅は、化合物半導体薄膜24の幅よりも狭くなっている。
(g)次に、図4(g)に示すように、バッファ層(窓層)36としての薄いCdS膜を(50nm程度)を溶液成長法により成膜する。溶液成長法により、バッファ層36を被覆性よく成膜することができる。
(h)次に、図4(h)に示すように、透光性電極層(ZnO膜)26をスパッタリング法により成膜する。このとき、バッファ層36が化合物半導体薄膜24へのダメージを低減する。
透光性電極層(ZnO膜)26は、ノンドープのZnO膜(i−ZnO)と、n型不純物がドープされた低抵抗のZnO(n+)膜を、連続的に成膜することによって形成される。ここで、i−ZnOの厚みは約60nm程度であり、一方、低抵抗のZnO(n+)膜の厚みは、約0.5μm程度である。
ノンドープのZnO膜(i−ZnO)は、下地のCIGS薄膜24に生じるボイドやピンホールを半絶縁層で埋め込むと共に、リーク電流を防ぐ役割を果たす。
したがって、ノンドープのZnO膜(i−ZnO)を厚膜化することによって、pn接合界面の暗電流を低減することができる。但し、厚膜化するといっても、その厚みは充分に薄いため(例えば、約60nm程度)、透光性電極層26として機能する低抵抗のZnO(n+)膜とCIGS薄膜(p−)との間で実質的なpn接合が形成されると考えられる。
(i)最後に電極付けの工程を実施する。通常のCMOSプロセスにおける電極付け工程と同様であるため、説明は、省略する。なお、透光性電極層(ZnO膜)26は、等電位となるため、画素毎に分離形成する必要はないが、抵抗率が問題になる大容量のエリアセンサなどの場合には、画素の開口率に影響を及ぼさない範囲で、アルミニウムなどからなる電極を一定のピッチで、透光性電極層(ZnO膜)26上にメッシュ状、ストライプ状に配置してもよい。
(j)更に、可視光領域において、カラー画像を撮像する場合には、カラーフィルタを透光性電極層(ZnO膜)26上に配置してもよい。カラーフィルタは、赤(Red)用、緑(Green)用,青(Blue)用を、隣り合う画素5に設けて3組で1つとしてもよい。さらには、近赤外用のフィルタを追加して、4組で1つとしてもよい。この4組を2×2のマトリックス状に配置してもよい。カラーフィルタは、例えば、ゼラチン膜の多層化によって形成することもできる。
(カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜の形成工程)
光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜は、PVD(Pysical Vapor Deposition)法と呼ばれる真空蒸着法やスパッタ法によって、回路部30が形成された半導体基板やガラス基板上に、形成可能である。ここで、PVD法とは、真空中で蒸発させた原材料を堆積させて、成膜する方法をいうものとする。
光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜は、PVD(Pysical Vapor Deposition)法と呼ばれる真空蒸着法やスパッタ法によって、回路部30が形成された半導体基板やガラス基板上に、形成可能である。ここで、PVD法とは、真空中で蒸発させた原材料を堆積させて、成膜する方法をいうものとする。
真空蒸着法を用いる場合、化合物の各成分(Cu,In,Ga,Se)を蒸着源として、回路部30が形成された基板上に別々に蒸着させる。
スパッタ法では、カルコパイライト化合物をターゲットとして用いるか、或いは、その各成分を別々にターゲットとして用いる。
なお、カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜を回路部30が形成されたガラス基板上に形成する場合、基板を高温に加熱するため、カルコゲナイド元素の離脱による組成ずれが起こる場合がある。この場合は、成膜後にSeまたはSの蒸気雰囲気中で400〜600℃の温度で1〜数時間程度の熱処理を行うことにより、SeまたはSを補充するのが望ましい(セレン化処理または硫化処理)。
本発明の第1の実施の形態に係る固体撮像装置に適用するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜の形成工程は、例えば、図5に示すように表される。
組成制御のなされたp-型のCIGS薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))を例えば、イオンビームスパッタ法を使用して成膜する際、図5に示すように、例えば、第I階、第II段階、第III段階の三段階に分けて行う。図5(a)は各段階における基板温度と、イオンビームスパッタ法によって成膜する際のイオン種を表す。図5(b)は各段階における(Cu/(In+Ga))の組成比を表す。InとGaの割合は、後述するように、適宜調節する。基板温度は、最高でも、例えば、約400℃程度である。
まず、第I段階において、III族元素が過剰な状態において、(Cu/(In+Ga))の組成比を0のままとする。
次に、第II段階に移行して、(Cu/(In+Ga))の組成比を0から1.0以上のCu元素が過剰な状態に移行させる。
次に、第III段階に移行して、(Cu/(In+Ga))の組成比が1.0以上のCu元素が過剰な状態から、1.0以下のIII族元素が過剰な状態に移行させて、所望のカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))を成膜する。以上のように、本実施形態では、化合物半導体薄膜24の形成を400℃程度以下で行っている。基板温度が十分高い場合には、各成分元素は、相互に拡散し得る。
図6は、本発明の第1の実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法によって形成された光電変換部の断面構造のSEM写真(約1万倍)を示す。Moからなる下部電極層25と、下部電極層25上にパターニングにより形成されたCIGS薄膜24と、CIGS薄膜24上に全面に形成された透光性電極層(ZnO膜)26が形成されている。なお、バッファ層(CdS膜)36は、CIGS薄膜24と透光性電極層(ZnO膜)26の間に介在し、CIGS薄膜24上に全面に形成されているが、他の層に比べて極めて薄いため、図6上では表示されていない。また、CIGS薄膜24と同じレベルに層間絶縁膜34が存在するが、図6上では、図示されていない。
(エネルギーバンド構造)
固体撮像装置の光電変換部におけるエネルギーバンド構造は、模式的に図7に示すように表される。
固体撮像装置の光電変換部におけるエネルギーバンド構造は、模式的に図7に示すように表される。
即ち、図7(a)は、CIGS薄膜の組成が均一に形成された場合の熱平衡状態におけるZnO(n)/CdS/CIGS(p)からなる光電変換部のpn接合ダイオードのエネルギーバンド構造を示し、図7(b)は、CIGS薄膜の組成を制御し、バンドギャップコントロールを行った場合の熱平衡状態におけるZnO(n)/CdS/CIGS(p)からなる光電変換部のpn接合ダイオードのエネルギーバンド構造を示す。図7(c)は、図7(b)のバンドギャップコントロールを行った場合の、CIGS(p)薄膜24部分のエネルギーバンド構造の詳細拡大図を示す。
バンドギャップが大きいとリーク電流は低減され、暗電流は減少する。一方、バンドギャップが小さいと光電変換効率が増加する。
固体撮像装置においては、光電変換部におけるCIGS薄膜の組成制御を実施して、バンドギャッププロファイルを制御し、暗電流の低減化、および所定の波長域における光電変換特性の向上をはかることができる。
例えば、図7(c)に示すように、暗電流低減のために、pn接合界面近傍、およびMo電極面近傍において、化合物半導体薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))24の組成をGa過剰にして、図示されるように、エネルギーギャップEg1およびEg3を大きくする。
一方、光電変換効率を1300nm程度までの近赤外波長域で向上させるために、化合物半導体薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))24の組成を所定の深さの範囲でIn過剰にして、図示されるように、エネルギーギャップEg2を小さくするようにする。
なお、固体撮像装置の動作においては、p型のCIGS薄膜24とn型の透光性電極層(ZnO膜)26との間には、例えば逆バイアス電圧を印加して、画素情報の検出を行う。
図8は、固体撮像装置の製造方法によって形成された光電変換部の化合物半導体薄膜(CIGS薄膜)のオージェ電子分光法(AES:Auger Electron Spectroscopy)による分析結果の一例であって、原子密度(%)とスパッタ時間との関係を示す。
In過剰領域が、光電変換部の化合物半導体薄膜(CIGS薄膜)中の所定の深さに形成されている。
(バンドギャップエネルギーとIn/(In+Ga)組成比特性)
固体撮像装置に適用するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))のバンドギャップエネルギーとIn/(In+Ga)組成比の依存性は、図9に示すように表される。
固体撮像装置に適用するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))のバンドギャップエネルギーとIn/(In+Ga)組成比の依存性は、図9に示すように表される。
図9に示すように、Cu(Ga)Se2のバンドギャップエネルギーは1.68eVであり、Cu(In,Ga)Se2のバンドギャップエネルギーは1.38eVであり、Cu(In)Se2のバンドギャップエネルギーは1.04eVである。
カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))のバンドギャップエネルギーは、図9に示すように、In/(In+Ga)組成比を制御することによって、可変にすることができることから、組成制御によって、光電変換波長を可変にすることができる。
(光電変換特性)
固体撮像装置の光電変換特性は、図10に示すように表される。即ち、光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))24の量子効率を反映して、可視光から近赤外光まで幅広い波長領域において、高い量子効率の光電変換特性を示している。シリコン(Si)の場合の光電変換特性に比べ、量子効率は倍以上である。
固体撮像装置の光電変換特性は、図10に示すように表される。即ち、光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))24の量子効率を反映して、可視光から近赤外光まで幅広い波長領域において、高い量子効率の光電変換特性を示している。シリコン(Si)の場合の光電変換特性に比べ、量子効率は倍以上である。
光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))24の組成を、Cu(InGa)Se2からCu(In)Se2まで変化することによって、波長域を近赤外光の波長である約1300nmまで拡張することができる。
図11は、固体撮像装置の製造方法によって形成された化合物半導体薄膜(CIGS薄膜)の量子効率の波長特性を示す。
固体撮像装置の製造方法においては、400℃という低温プロセスで、化合物半導体薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))24の組成制御を組み合わせることで、550℃で形成されるCIGS薄膜と同程度の暗電流密度が得られている。
化合物半導体薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))の形成では、膜質、リーク電流の観点から、550℃による成膜が一般的であるため、回路部にCMOSなどの半導体集積回路を形成することが難しかったのに対して、固体撮像装置では、組成制御による化合物半導体薄膜(CIGS薄膜)の形成によって、約400℃程度の低温プロセスが可能となり、暗電流も抑制されている。
また、固体撮像装置の製造方法によって形成された化合物半導体薄膜(CIGS薄膜)の量子効率の波長特性においても、組成制御による化合物半導体薄膜(CIGS薄膜)の形成によって、約400℃程度の低温プロセスにおいて、550℃で形成されるCIGS薄膜と同程度の波長特性が得られている。
図12に示す光吸収特性により、光強度が(1/e)に減衰する光の侵入深さを、吸収係数の逆数から得ることができる。また、対応する化合物半導体薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))24のエネルギーギャップは、図9から得ることができる。
(光吸収特性)
固体撮像装置の光吸収特性は、図12に示すように表される。即ち、光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))24の光吸収係数特性を反映して、可視光から近赤外光まで幅広い波長領域において、強い吸収性能を有する。
固体撮像装置の光吸収特性は、図12に示すように表される。即ち、光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))24の光吸収係数特性を反映して、可視光から近赤外光まで幅広い波長領域において、強い吸収性能を有する。
例えば、可視光領域においてもシリコン(Si)の吸収係数の約100倍であり、光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))24の組成を、CuGaSe2からCuInSe2まで変化することによって、波長1300nm程度まで、吸収性能を拡張することができる。
(第1の実施の形態の変形例)
本発明の第1の実施の形態の変形例に係る固体撮像装置は、図13に1画素部分の断面図として示すように、半導体基板10上に形成された回路部30と、回路部30上に配置された下部電極層25と、下部電極層25上に配置され,光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))24と、化合物半導体薄膜24上に配置された透光性電極層26とを備える光電変換部28とを備える。
本発明の第1の実施の形態の変形例に係る固体撮像装置は、図13に1画素部分の断面図として示すように、半導体基板10上に形成された回路部30と、回路部30上に配置された下部電極層25と、下部電極層25上に配置され,光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))24と、化合物半導体薄膜24上に配置された透光性電極層26とを備える光電変換部28とを備える。
下部電極層25、化合物半導体薄膜24、および透光性電極層26は、回路部30上に順次積層されている。
また、固体撮像装置において、回路部30は、下部電極層25がゲート電極16に接続されたトランジスタを備える。
下部電極層25としては、例えば、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、およびタングステン(W)などを使用することができる。
透光性電極層26は、前記化合物半導体薄膜24との界面の設けられるノンドープのZnO膜(i−ZnO)と、前記ノンドープのZnO膜(i−ZnO)上に設けられるn+型のZnO膜とで構成される。
この構成によれば、透光性電極層26としてノンドープのZnO膜(i−ZnO)を設けることにより、下地のCIGS薄膜に生じるボイドやピンホールを半絶縁層で埋め込むと共に、CIGS薄膜とi−p接合を形成し、導電性のZnO膜(n+)をCIGS薄膜と直接に接触させた場合に起こるトンネル電流によるリークを防ぐことができる。したがって、ノンドープのZnO膜(i−ZnO)を厚膜化することによって、pn接合界面の暗電流を低減することができる。
また、透光性電極層26としては他の電極材料を適用することもできる。例えば、ITO膜、酸化錫(SnO2)膜、或いは酸化インジウム(In2O3)膜を用いることができる。
図13において、回路部30は、例えば、CMOS集積回路によって形成する。図13において、ソース・ドレイン領域12間の半導体基板10上に配置されるゲート絶縁膜は図示を省略している。また、ゲート電極16と下部電極層25間には、層間絶縁膜20に埋め込まれたVIA電極32が配置されている。
また、本発明の第1の実施の形態の変形例に係る固体撮像装置は、回路部30と光電変換部28からなる光電変換セルが1次元、或いは2次元マトリックス状に集積化されている。
また、集積化された複数の画素において、透光性電極層26は、半導体基板表面に一体的に形成され、電気的に共通にされている。
即ち、本発明の第1の実施の形態に係る固体撮像装置においては、透光性電極層26は、光電変換部28を構成するフォトダイオード(PD)のカソード電極となり、一定電位(例えば、電源電圧)になされている。したがって、集積化された複数の画素において、光電変換部28を構成するフォトダイオード(PD)のカソード電極は、分離して形成する必要はなく、半導体基板表面に一体的に形成され、電気的に共通にされている。
本発明の第1の実施の形態の変形例に係る固体撮像装置は、回路部30と光電変換部28の積層化構造によって、光電変換セルの画素(ピクセル)領域全体が略光電変換領域として使用可能である。このことは、CMOS型イメージセンサにおいて、光電変換部28をpn接合ダイオードとして半導体基板内に形成した場合の開口率約30〜40%に比べ、開口率約80〜90%となり、大幅な改善効果を有する。
本発明の第1の実施の形態、およびその変形例に係る固体撮像装置によれば、光電変換部にCu(In,Ga)Se2からなるカルコパイライト構造の化合物半導体膜を備えることによって、可視光から近赤外光までの広い波長域に渡って高い感度を有し、暗電流が低減され、構造が簡単な固体撮像装置を提供することができる。
また、本発明の第1の実施の形態、およびその変形例に係る固体撮像装置の製造方法によれば、前記透光性電極層が前記基板表面に一体的に形成でき、前記透光性電極層をパターニングする必要がないため、製造工程を簡略化することができる。
また、本発明の第1の実施の形態、およびその変形例に係る固体撮像装置によれば、In(インジウム)の一部をガリウムに置換したCIGS系薄膜を使用してバンド幅を広げることによって、キャリア再結合過程を減らすことができ、暗電流を低減することができる。
また、本発明の第1の実施の形態、およびその変形例に係る固体撮像装置によれば、Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1)でのバンドギャップコントロールによって、暗電流密度を102のオーダで、低減することができる。
[第2の実施の形態]
(素子構造)
本発明の第2の実施の形態に係る固体撮像装置は、図14に示すように、基板上に形成された回路部30と、回路部30上に配置された光電変換部28を備える。
(素子構造)
本発明の第2の実施の形態に係る固体撮像装置は、図14に示すように、基板上に形成された回路部30と、回路部30上に配置された光電変換部28を備える。
光電変換部28は、光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))24と、化合物半導体薄膜24上に配置された透光性電極層26とを備える。
透光性電極層26は、化合物半導体薄膜24との界面の設けられるノンドープのZnO膜(i−ZnO)と、ノンドープのZnO膜(i−ZnO)上に設けられるn+型のZnO膜とで構成される。
この構成によれば、透光性電極層26としてノンドープのZnO膜(i−ZnO)を設けることにより、下地のCIGS薄膜に生じるボイドやピンホールを半絶縁層で埋め込むと共に、CIGS薄膜とi−p接合を形成し、導電性のZnO膜(n+)をCIGS薄膜と直接に接触させた場合に起こるトンネル電流によるリークを防ぐことができる。したがって、ノンドープのZnO膜(i−ZnO)を厚膜化することによって、pn接合界面の暗電流を低減することができる。
回路部30は、例えば、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ(CMOS)集積回路などによって形成する。図14において、回路部30には、CMOSの一部を構成するnチャネルMOSトランジスタが示されており、半導体基板10と、半導体基板10内に形成されたソース・ドレイン領域12と、ソース・ドレイン領域12間の半導体基板10上に配置されるゲート絶縁膜14と、ゲート絶縁膜14上に配置されるゲート電極16と、ソース・ドレイン領域12上に配置されるVIA0電極17と、VIA0電極17上に配置されるソース・ドレイン用の配線層18と、配線層18上に配置されるVIA1電極23とを備える。VIA0電極17、配線層18、およびVIA1電極23は、いずれも層間絶縁膜20内に形成される。
VIA0電極17と、VIA0電極17上に配置される配線層18と、配線層18上に配置されるVIA1電極23によって、ソース・ドレイン領域12上に配置されるVIA電極33が配置形成される。後述する図15の断面構造においても、VIA電極33が示されている。
本発明の第2の実施の形態に係る固体撮像装置においては、ソース・ドレイン領域12上に配置されるVIA電極33によって、CMOSの一部を構成するnチャネルMOSトランジスタのソース・ドレイン領域12と光電変換部28とを電気的に接続している。
nチャネルMOSトランジスタのソース・ドレイン領域12に、光電変換部28を構成するフォトダイオードのアノードが接続されることから、フォトダイオードにおいて検出された光情報は、nチャネルMOSトランジスタによってスイッチングされる。
なお、回路部30は、図14の例では、半導体基板10上に配置される半導体集積回路の例で示されているが、例えば、ガラス基板上に形成された薄膜上に形成された薄膜トランジスタを集積化した薄膜トランジスタ集積回路によって形成することもできる。
(第2の実施の形態の変形例)
本発明の第2の実施の形態の変形例に係る固体撮像装置は、図15に1画素部分の断面図として示すように、半導体基板10上に形成された回路部30と、回路部30上に配置された下部電極層25と、下部電極層25上に配置され,光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))24と、化合物半導体薄膜24上に配置された透光性電極層26とを備える光電変換部28とを備える。
本発明の第2の実施の形態の変形例に係る固体撮像装置は、図15に1画素部分の断面図として示すように、半導体基板10上に形成された回路部30と、回路部30上に配置された下部電極層25と、下部電極層25上に配置され,光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜(Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1))24と、化合物半導体薄膜24上に配置された透光性電極層26とを備える光電変換部28とを備える。
下部電極層25、化合物半導体薄膜24、および透光性電極層26は、回路部30上に順次積層されている。
また、本発明の第2の実施の形態の変形例に係る固体撮像装置において、回路部30は、下部電極層25がソース・ドレイン領域12に接続されたトランジスタを備える。
下部電極層25としては、例えば、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、およびタングステン(W)などを使用することができる。
透光性電極層26は、化合物半導体薄膜24との界面の設けられるノンドープのZnO膜(i−ZnO)と、ノンドープのZnO膜(i−ZnO)上に設けられるn+型のZnO膜とで構成される。
この構成によれば、透光性電極層26としてノンドープのZnO膜(i−ZnO)を設けることにより、下地のCIGS薄膜に生じるボイドやピンホールを半絶縁層で埋め込むと共に、CIGS薄膜とi−p接合を形成し、導電性のZnO膜(n+)をCIGS薄膜と直接に接触させた場合に起こるトンネル電流によるリークを防ぐことができる。したがって、ノンドープのZnO膜(i−ZnO)を厚膜化することによって、pn接合界面の暗電流を低減することができる。
更にまた、透光性電極層26としては他の電極材料を適用することもできる。例えば、ITO膜、酸化錫(SnO2)膜、或いは酸化インジウム(In2O3)膜を用いることができる。
図15において、回路部30は、例えば、CMOS集積回路によって形成するが、回路の詳細は、説明を省略する。図15において、ソース・ドレイン領域12間の半導体基板10上に配置されるゲート絶縁膜14は図示を省略している。また、ソース・ドレイン領域12と下部電極層25間には、VIA電極33が配置されている。
また、本発明の第2の実施の形態の変形例に係る固体撮像装置は、回路部30と光電変換部28からなる光電変換セルが1次元、或いは2次元マトリックス状に集積化されている。
1次元、或いは2次元マトリックス状に集積化された複数の画素において、透光性電極層26は、半導体基板表面に一体的に形成され、電気的に共通にされている。
即ち、本発明の第2の実施の形態の変形例に係る固体撮像装置においては、透光性電極層26は、光電変換部28を構成するフォトダイオード(PD)のカソード電極となり、一定電位(例えば、電源電圧)になされている。したがって、1次元、或いは2次元マトリックス状に集積化された複数の画素において、光電変換部28を構成するフォトダイオード(PD)のカソード電極は、分離して形成する必要はなく、半導体基板表面に一体的に形成され、電気的に共通にされていればよい。
本発明の第2の実施の形態の変形例に係る固体撮像装置は、回路部30と光電変換部28の積層化構造によって、光電変換セルの画素(ピクセル)領域全体が略光電変換領域として使用可能である。開口率は、約80〜90%である。
本発明の第2の実施の形態の変形例に係る固体撮像装置においては、回路構成上の差異を反映して、第1の実施の形態と比べ、各画素毎に増幅機能はない。
一方、光電変換部28の構成は第1の実施の形態に係る固体撮像装置と同様であるため、図5に示したカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜の形成工程、図9に示した化合物半導体薄膜のバンドギャップエネルギーの組成比依存性、図10に示した光電変換特性、図11に示した化合物半導体薄膜(CIGS薄膜)の量子効率の波長特性、図12に示した光吸収特性、などはいずれも本発明の第2の実施の形態、およびその変形例に係る固体撮像装置においても同様である。また、図4に示した製造方法についても回路部の形成後の製造方法は共通である。したがって、これらの説明は省略する。
本発明の第2の実施の形態、およびその変形例に係る固体撮像装置によれば、光電変換部にCu(In,Ga)Se2からなるカルコパイライト構造の化合物半導体膜を備えることによって、可視光から近赤外光までの広い波長域に渡って高い感度を有し、暗電流が低減され、かつ構造が簡単な固体撮像装置を提供することができる。
また、本発明の第2の実施の形態、およびその変形例に係る固体撮像装置の製造方法によれば、前記透光性電極層が前記基板表面に一体的に形成でき、前記透光性電極層をパターニングする必要がないため、製造工程を簡略化することができる。
また、本発明の第2の実施の形態、およびその変形例に係る固体撮像装置によれば、In(インジウム)の一部をガリウムに置換したCIGS系薄膜を使用してバンド幅を広げることによって、キャリア再結合過程を減らすことができ、暗電流を低減することができる。
また、本発明の第2の実施の形態、およびその変形例に係る固体撮像装置によれば、Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1)でのバンドギャップコントロールによって、暗電流密度を102のオーダで、低減することができる。
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第1乃至第2の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
上記のように、本発明は第1乃至第2の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
本発明の第1乃至第2の実施の形態に係る固体撮像装置は、近赤外光にも高い感度を有するため、セキュリティカメラ(昼間は可視光をセンシングし、夜間は近赤外光をセンシングするカメラ)や、個人認証カメラ(外光の影響を受けない近赤外光で個人認証するためのカメラ)、或いは車載カメラ(夜間の視覚補助や遠方の視野確保などのために車に搭載されるカメラ)用のイメージセンサとして、充分に利用可能である。
本発明の第1乃至第2の実施の形態に係る固体撮像装置においては、カルコパイライト構造をもつ化合物半導体薄膜(CIGS)としては、Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1)を用いているが、これに限定されるものではない。
CIGS薄膜としては、Cu(InX,Ga1-X)(SeY, S1-Y) (0≦X≦1, 0≦Y≦1)という組成のものも知られており、このような組成をもつCIGS薄膜も利用可能である。
カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜としては、この他、CuAlS2,CuAlSe2,CuAlTe2,CuGaS2,CuGaSe2, CuGaTe2, CuInS2, CuInSe2, CuInTe2, AgAlS2, AgAlSe2, AgAlTe2, AgGaS2, AgGaSe2, AgGaTe2, AgInS2, AgInSe2, AgInTe2など、他の化合物半導体薄膜も適用可能である。
本発明の第1乃至第2の実施の形態に係る固体撮像装置においては、各画素領域上にマイクロレンズを配置し、画素毎の集効率を高めてもよい。
また、複数の画素を有する実施形態について説明したが、これに限るものではなく、例えば、1つの受光領域のみを有するPD(フォトダイオード)として構成してもよい。
本発明の第1乃至第2の実施の形態に係る固体撮像装置においては、回路部30は、半導体基板上に形成されたCMOS集積回路で構成される例を主として記載したが、CMOSに限られるものでなく、他の回路構成を用いてもよい。例えば、光電変換部28は、本発明の第1乃至第2の実施の形態に係る固体撮像装置で適用したカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜を使用し、回路部にはCCD(Charge Coupled Device)と同様に電荷転送機能を持たせてもよい。
本発明の第1乃至第2の実施の形態に係る固体撮像装置においては、基板は半導体基板について主として説明したが、簡単な構成としては、ガラス基板上に薄膜を形成し、当該薄膜に薄膜トランジスタからなる所定の回路部を形成してもよい。
本発明の第1乃至第2の実施の形態、およびその変形例に係る固体撮像装置においては、基板は半導体の例を主として記載したが、単結晶基板のみならず、低消費電力化、高速化を目的に、シリコン・オン・インスレータ(SOI:Silicon On Insulator)基板を用いてもよい。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
本発明の固体撮像装置によれば、光電変換部にカルコパイライト構造の化合物半導体膜を備えることによって、可視光から近赤外光までの広い波長域に渡って高い感度を有し、暗電流が低減され、かつ構造が簡単な固体撮像装置を提供することができる。
また、本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、透光性電極層が前記基板表面に一体的に形成でき、透光性電極層をパターニングする必要がないため、製造工程を簡略化することができる。
また、本発明の固体撮像装置によれば、In(インジウム)の一部をガリウムに置換したCu(In,Ga)Se2 からなるCIGS系薄膜を使用してバンド幅を広げることによって、キャリア再結合過程を減らすことができ、暗電流を低減することができる。
また、本発明の固体撮像装置によれば、Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1)でのバンドギャップコントロールによって、暗電流密度を102のオーダで、低減することができる。
本発明の実施の形態に係る固体撮像装置は、近赤外光にも高い感度を有するため、セキュリティカメラ(昼間は可視光をセンシングし、夜間は近赤外光をセンシングするカメラ)や、個人認証カメラ(外光の影響を受けない近赤外光で個人認証するためのカメラ)、或いは車載カメラ(夜間の視覚補助や遠方の視野確保などのために車に搭載されるカメラ)用のイメージセンサ、更に医療用の近赤外光検出用のイメージセンサとして充分に利用可能である。
Claims (20)
- 基板上に形成された回路部と、
前記回路部上に配置された下部電極層と、前記下部電極層上に配置され,光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜と、前記化合物半導体薄膜上に配置された透光性電極層とを備える光電変換部と
を備え、前記下部電極層、前記化合物半導体薄膜、および前記透光性電極層は、前記回路部上に順次積層されたことを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項1記載の固体撮像装置であって、
前記回路部は、前記下部電極層がゲートに接続されたトランジスタを備える固体撮像装置。 - 請求項1記載の固体撮像装置であって、
前記回路部は、前記下部電極層がソース,若しくはドレインに接続されたトランジスタを備える固体撮像装置。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載の固体撮像装置であって、
前記回路部と、前記光電変換部からなる光電変換セルが集積化されている固体撮像装置。 - 請求項1乃至4のいずれかに記載の固体撮像装置であって、
前記回路部と、前記光電変換部からなる光電変換セルが集積化されており、前記透光性電極層が前記基板表面に一体的に形成されたことを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項1乃至5のいずれかに記載の固体撮像装置であって、
前記カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜は、Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1)である固体撮像装置。 - 請求項1乃至6のいずれかに記載の固体撮像装置であって、
前記透光性電極層は、前記化合物半導体薄膜との界面に設けられるノンドープのZnO膜と、前記ノンドープのZnO膜上に設けられるn型のZnO膜とを備える固体撮像装置。 - 請求項1乃至7のいずれかに記載の固体撮像装置であって、
前記固体撮像装置は、近赤外光領域にも感度を持つフォトセンサである固体撮像装置。 - 請求項1乃至7のいずれかに記載の固体撮像装置であって、
前記固体撮像装置は、前記透光性電極層上にカラーフィルタを備える固体撮像装置。 - 基板上に回路部、下部電極層、光吸収層として機能するカルコパイライト構造の化合物半導体薄膜、透光性電極層が積層されて構成される固体撮像装置の製造方法であって、
前記基板上に前記回路部を形成する工程と、
前記回路部が形成された前記基板上に前記下部電極層を形成する工程と、
前記下部電極層をフォトリソグラフィーによってパターニングして画素毎に分離する工程と、
素子領域全面に前記カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜を形成する工程と、
前記カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜をフォトリソグラフィーによってパターニングし、前記分離された下地の下部電極層に合わせて、画素毎に分離する工程と
を有することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 - 請求項10記載の固体撮像装置の製造方法であって、
素子領域全面に層間絶縁膜を堆積する工程と、
前記層間絶縁膜をフォトリソグラフィーによってパターニングして画素毎に前記カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜表面を露出する工程と
を更に有することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 - 請求項11記載の固体撮像装置の製造方法であって、
素子領域全面に前記透光性電極層を形成する工程
を更に有することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 - 請求項10または11記載の固体撮像装置の製造方法であって、
前記化合物半導体薄膜表面を露出する工程後、素子領域全面にバッファ層を形成する工程を更に有することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 - 請求項10記載の固体撮像装置の製造方法であって、
前記カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜を形成する工程は、
PVD法により、Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1)薄膜を成膜する工程
を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 - 請求項12記載の固体撮像装置の製造方法であって、
前記透光性電極層上にカラーフィルタを形成する工程を更に有することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 - 請求項12記載の固体撮像装置の製造方法であって、
前記透光性電極層を形成する工程は、ノンドープのZnO膜を形成する工程と、
前記ノンドープのZnO膜上にn型のZnO膜、ITO膜などの透明電極膜を形成する工程と
を有することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 - 請求項10記載の固体撮像装置の製造方法であって、
前記カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜を形成する工程は、
ドライエッチングによりパターニングする第1の工程と、
前記第1の工程で生じるエッチング残渣を、ウェットエッチングにより除去する第2の工程と
を含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 - 請求項17記載の固体撮像装置の製造方法であって、
前記第1の工程は、塩素系ガスおよび臭素系ガスをエッチャントとしてドライエッチングを行い、また、前記第2の工程では、前記第1の工程で残ったCuの化合物を除去するために塩酸で処理することを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 - 請求項10乃至18のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法であって、
前記カルコパイライト構造の化合物半導体薄膜は、Cu(InX,Ga1-X)Se2 (0≦X≦1)であることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。 - 請求項10乃至19のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法によって製造されたことを特徴とする固体撮像装置。
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