KR840002152B1 - 광전변환장치의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

광전변환장치의 제조방법

제1도는 고체 촬상 장치의 원리를 나타낸 도면.

제2도는 반도체 기판의 단면도.

제3도는 광도전성 박막층을 사용한 고체 촬상장치의 1 화소부분의 단면도.

제4도는 종래방식에 의한 광 도전정박막층의 형성 상태를 나타낸 설명도.

제5도는 기판과 스퍼터 입자와의 관계를 나타낸 도면.

제6도는 입자의 입사각과 에칭속도와의 관계를 나타낸 도면.

제7도∼제9도 및 제11도는 본 발명의 방식에 의한 광도전성 박막층의 형성 과정을 나타낸 설명도.

제10도는스퍼터 장치의 개략도.

제12도는 암전류 특성을 나타낸 도면.

제13도는 직류 바이어스의 인가방식을 나타낸 설명도.

제14도는 글로우 방전밥에 의한 장치의 개략도이다.

본 발명은 반도체 기판상에 광도전박막층을 개재하여 구성하는 광전변환장치나 고체촬상장치의 개량에 관한 것이다. 고체촬상장치의 원리는, 광전변환부를 가진 화소를 복수개의 매트릭스 형으로 배치하여 각 화소의 정보를 하나씩 XY어드레스 방식에 의하여 독출하는 것이다. 각 화소에 있어서의 광전 변환부의 구체적인 구성은 실리콘 기판에 직접 불순물 확산 영역을 형성하는 방법과 광도전성 박막층을 형성하는방법 등이 있다. 광도전성 박막층을 형성하는 방법으로는 예컨대 MOS형 트랜지스터등을 이용한 XY어드레스를 행하기 위한 주사회로를 실리콘기판에 형성하여 실리콘 기판의 상층부에 광도전성 박막층을 형성하여 수광부를 구성하는 것이다. 이와같은 고체촬상장치의 예는 일본 특개소 51-95720호나 1979. 12월에 발간된 "International Electron Devices Meeting"의 134∼136페이지등에서 볼 수 있다. 또 광도전성박막층에 수소화 비정질실리콘을 이용한 고체촬상장치의 예는 미국에 출원된 출원번호 제66,230호에서도 볼수있다.

본 발명의 기본적인 사상은, 소정의 주사회로 등이 형성된 반도체 기판이 리액티브 스퍼터링 법이나 글로우 방전 CVD(chemical vapor deposition)법 등을 이용하여 주위대기중에 플라즈마를 가진 상태에서 광도전성 박막층을 형성시킬 경우인데 이때 상술한 반도체 기판이 부(負)의 바이어스 전위를 인가하는 것이다. 이와 같은 방법에 의하여 광도전성 박막층을 반도체 기판의 요철면 부분에 용이하게 형성시켜 광도전성 박막층의 끊어짐 등을 방지할 수 있다.

즉 본 발명은 주위대기중에 적어도 플라즈마를 가진 상태에서 소정의 기판을 제1 전극의 상부에 배치한후 제1 전극의 대향전극을 설치함과 동시이 그 제1 전극에는 부(負)의 전위를 인가하면서 광도전성 박막층을 형성하는 것을 특징으로 한다.

제1도는 고체촬상장치의 원리를 나타낸 것이다. 각 화소(4)는 바둑판 눈금과 같이 배치되어 있으며 하나씩 XY어드레스 방식에 의해 독출된다. 각 화소의 선택은 수평 주사 신호 발생기(1)와 수직 주사 신호발생기(2)에 의해 선택된다. 3은 각화소에 접속된 스위치 부이며 5는 출력단이다.

제2도에 광도전박막층을 이용한 고체촬상장치의 원리를 설명하기 위한 1화소의 단면 개략도를 나타낸다. 실리콘 기판(20)중에 확산영역(23),(24)을 설치하여 MOS스위치의 소오스 및 드레인을 형성한다. 29는 MOS스위치의 게이트 전극, 26은 신호를 출력하기 위한 드레인 전극, 28은 소오스전극이다. 이와같이 구성된 스위치 회로의 상부에 제3도에 나타내진 바와같이 광도전성 박막층(31) 및 투명도전성 전극(32)이 형성된다. 한판 제2도에 대한 상세한 설명은 후술한다.

또 주사회로로 CCD(charge coupled device)등을 실리콘 기판중에 형성한 예도 있지만, 주사회로의 구체적인 구성이 서로 다르더라도 거의 마찬가지로 본 발명이 적용될 수 있다. 소오스 전극(28)은 예컨대 Sb₂S₃,CdS 또는 As₂Se₃등의 칼코겐 화물이나 다결정 실리콘 등의 광도전성을 나타내는 물질로 이루어진 광도전성 박막층(31)을 개재하여 투명도전성 전극(32)간에 전극의 면적에 따른 용량을 형성한다. 전극 패턴은 매트릭스 형으로 분리되어 있기 때문에 용량이 매트릭스 형으로 배치되게 된다. 이용량 사이에는 광도전성 박막층을 개재하고 있기 때문에 감광소자로 작용하여 화소를 형성한다. 감광소자를 등가회로로 나타내면, 빛의 강도에 따라 전기저항이 변하는 가변저항과 용량의 병열 접속으로 나타낼수 있다. 광학상이렌즈를 통하여 광도전성 박막상에 결상(結像)하면, 광학상의 광강도에 따라 광도전성 박막층의 저항값이 변화하여 수직 스위치(3)의 일단에는 광학상에 대응한 전압변화가 나타난다. 이 변화량을 신호출력선(11),(12)을 통하여 출력단(5)에서 영상신호로 출력시킨다.

그러나 상술한 바와같은 광전변환장치에서는 광도전성 박막층을 개재하는 실리콘 기판은 표면에 대단히 큰 요철면을 가지고 있다. 이것은 전술한 설명으로 알 수 있듯이 실리콘 기판내에 MOS트랜지스터나 CCD등의 회로가 형성되어 있기 때문이다. 표면의 요철면은 최대 1.5μm에 달해있다.

일반적으로 광도전성 박막층은 증착법, 스퍼터증착법, 리액티브스퍼터법, 글로우방전 CVD법 등으로 형성되지만, 실리콘 기판 표면이 갖는 요철면으로 인해 그 표면을 완전하게 피복할 수 없으며 특히 이 요철면때문에 광도전성 박막층이 끊어지거나 핀홀을 발생한다. 이와 같은 수광면을 가진 고체촬상장치에 의해 촬상된 화면에는 무수한 잡음이 발생하여 화질이 매우 저하된다. 또 극단적인 경우에는 광도전성 박막층의 상무에 형성되는 투명도전성 전극과, 실리콘 기판 상부의 하부(下部) 전극이 단락(短絡)하는 경우도있다.

제4도는 이 상태를 설명하기 위한 도면이다. 110은 스위치소자나 주사회로가 형성된 반도체 기판이다. 반도체 기판상의 요철면은 반도체 장치의 배선이나 출력전극 등에 의한 것이다. 이 상부에 광도전성 박막층을 통상적인 방법에 의해 형성시켰을 경우, 제4도의 광도전성 박막층(111)과 갈이 특히 아래에 있는 반도체 기판(110)의 요철면에서 불연속점이 잘 나타난다. 따라서 이 광도전성 박막층(111)상에 투명도전성전극(112)을 형성했을 경우 반도체기판(110)상에 노출되는 하부 전극과 상기한 투명도전성 전극등이 단락하는 경우도 발생하는 경향이 있다. 본 발명은 상기한 결점을 해결하는 광도전성 박막층의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 기본적인 사상은, 소정의 주사회로등이 형성된 반도체 기판에 리액티브스퍼터법이나 글로우방전 CVD법 등으로 주위 대기 중에 적어도 플라즈마를 가진 상태에서 광도전성 박막층을 형성하는 경우, 상술한 반도체 기판에 부(負)의 바이어스 전위를 인가하는 것이다. 이와 같은 방법으로서 광도전성박막층을 반도체 기판의 요철면에 용이하게 형성할 수 있으며 광 도전성박막층의 끊어짐등을 방지할 수 있다.상기한 방법외에 예컨대 이온도금 방법으로 광도전성 박막층을 형성하는 경우에도 물론 본 발명을 적용할수 있다.

본 발명의 방법에 의하여 형성된 광도전성 박막층이 요철면에서 끊어지지 않는 이유나 광도전성 박막층의 표면이 평탄화되는 이유에 관하여 간결하게 설명한다. 제5도는 스퍼터용의 시료와, 입사하는 입자의 관계를 나타낸 도면이다. 입자(104)가 시료(101)표면의 법선(102)에 대하여 입사각 ψ로 입사한 상태를 나타낸다.

제6도는 스퍼터 에칭속도와 입자의 입사각(ψ)과의 관계를 나타낸 도면이다. 곡선(105)은 이 관계를 나타낸 것이다. 직선(106)을 기판에 부착하여 박막층을 형성하는 입자의 박막형성 속도이다. 지금 기판 홀더가 바이어스를 인가함으로써 기판 상에의 박막형성 속도(106)와, 기판이 형성된 막의 스퍼터 에칭속도(105)의 상태값이 107에서 교차하여 이 값을 경계로 108과 109의 2개의 영역으로 나뉜다. 즉 ψ가 큰 영역에서는 박막형성량보다 스페터 에칭량이 더 커진다. 따라서 기판상면의 요철면의 경사부에서 박막형성 속도는 매우 지연되게 되나 평탄부에서는 순차적으로 형성된다. 따라서 요철면에서의 박막층의 끊어짐이 방지된다.

제7도∼제9도는 이 상태를 설명한 도면이다. 제7도는 초기, 제8도는 중기, 제9도는 완성도이다. 또 광도선성박막층의 표면이 평탄화되는 이유를 스퍼터법을 예로들어 설명했지만 본 발명을 적용할 수 있는 다른 방법에 있어서도 같은 구조에 의해 막이 균일화된다. 이하 본 발명의 광도전성 박막층을 수소화 비정질 실리콘을 예로들어 구체적으로 설명한다. 물론 주위 대기중에 플라즈마를 가진 상태에서 형성 가능한 다른 광도전성 박막층의 형성에도 본 발명을 적용할 수 있다. 예를들면 각종 칼코겐 화물등과 스위치 회로 및 주사회로등이 형성된 실리콘 기판을 준비한다.

반도체 기판에 형성되는 스위치 회로부등은 통상의 반도체장치의 공정을 이용하여 형성하여도 좋다.

제2도가 MOS형 전계효과 트랜지스터를 스위치 소자로한 광전 변환장치의 반도체 기판부와 1화소 영역에 대한 단면도이다. 120은 P형 실리콘기판, 21은 불순물 영역으로 각 소자를 용이하게 분리해 주기위해 설치한 것이다. 22는 산화실리콘층 등의 절연막,23 및 24는 불순불 확산영역으로서 각각 소오스나드레인 영역이다. 25는 산화실리콘막 등의 절연막, 26은 드레인 전극, 27은 층간절연막, 28은 소오스 전극이다. 29,30은 각각 게이트 전극과 게이트 절연막이다.

준비된 반도체기판(40)을 스퍼터 장치의 기판 홀더에 장치하여 시료 홀더에 바이어스 전위를 인가하면서 스퍼터법에 의하여 광도전성박막층(31)을 형성한다. 광도전 성박막층(31)의 두께는 일반적으로 0.5∼4μm이며, 보다 바람직하게는 1.5∼3.0μm정도이다. 또한 이 광도전성 박막층(31)상에 투명도전성 전극(32) 및 반도체 기판의 다른면의 제2의 전극을 형성하여 광전변환 장치가 형성된다. 또 투명도전성 전극으로서는 산화인듐과 산화주석으로 이루어진 막을 150μm정도의 두께를 설치한다. 또 금과 같은 매우 얇은 막이나 가느다란 금속막등을 사용하여도 좋다. 투명도전성 전극상의 일부에서 수광부가 아닌 곳에 CrAu-를 마스크 증착한 후 와이어 본딩을 하여 바이어스용 전극으로 하였다. 이와같이 하여 고체촬상장치가 완성된다. 제3도가 이 상태를 나타낸 장치의 단면도를 나타낸다. 다음에 본 발명이 관계되는 바이어스인가의 스퍼터법에 관하여 설명한다.

이 수소화 비정질 실리콘으로서는 하기와 같은 조성이 대부분 사용되고 있다. 50원자% 이상의 실리콘과 5원자% 이상에서 50원자%이하의 수소화 비정질 실리콘이 사용된다. 수소량으로서는 5∼30원자%가 더욱 바람직하다.또 실리콘을 게르마늄 또는 탄소와 치환하여도 좋으며 일반적으로는 30%정도 치환하여도 좋다. 광도전성 박막층의 두께는 일반적으로 0.5μm∼4μm이다. 물론 필요에 따라 불순물이 첨가된다.

수소화 비정질 실리콘박막을 리액티브 스퍼터법에서 형성하는 것은 다음과 같은 공정에 의하고 있다. 용융 실리콘이나 결정 실리콘을 타게트로 하여 불활성 가스, 주로 알곤가스에 필요한 량의 수가소스를 혼입하여 직류내지 고주파 방전으로 글로우를 형성하여 글로우중의 Ar+를 타게트에 충돌시켜 줌으로써 타게트와 대향시킨 기판상에 형성시키는 것이다. 타게트에서 튀어나온 실리콘은 도중내지 기판상에서 수소와 반응하여 소망하는 수소화 비정질 실리콘막이 형성된다. 불활성 가스로서는 Ar외에 Ne. Kr.Xn등을 사용하여도 좋고, 또 수소 가스 외에 PH₃. B₂H₅가스를 사용할 수도 있다. 방전가스압력으로서는 8×10^-5∼5×10^-2Torr을 사용한다. 안정하게 방전하기 위해서는 1×10''⁴∼1×10^-2Torr가 바람직하다. 박막형성시의 기판온도는 일반적인 스퍼터법에 의해도 좋다. 수소화 실리콘의 경우 50

∼300℃의 사이에서 선택하지만, 150

∼250℃의 사이가 바람직하다. 너무나 저온인 경우에는 수소화 실리콘박막중의 실리콘과 수소의 결합이 불안정하여 광도전특성이 저하한다.

본 발명에서도 역시 기판 홀더에 부의 전위를 인가한다. 제10도가 바이어스 스퍼터 장치의 개략 설명도이다. 스퍼터 실온 배기구(202)로 부터 배기된다. 최소한 1×10^-6Torr이하까지 배기한다. 진공 배기후가스유입구(205),(206)로 부터 알곤 및 수소를 가스조절기(207),(208)를 통하여 스퍼터실이 공급한다. 209는 스퍼터용 타게트이며 타게트에 대향하는 201은 기판홀더이다. 203은 히터등의 기판가열수단이다. 200은 시료로 이루어지는 반도체 기판이다. 스퍼터를 하는 경우에는 기판 홀더(201) 및 타게트(209)에 고주파 전력을 공급한다. 통상 고주파전원(210)(일반적으로 18,56MHz)으로 부터 콘덴서(211),(212)를 통하여 고주파 전력을 분할하여 양자에 공급한다.

공급전력은 0.1∼10Watt/cm²정도를 사용한다. 공급 전력의 배분은 시료와 타게트에 대하여 1대 1에서 1대 10으로 함으로써 광도전성박막층의 두께가 더욱 일정해진다.

제9도가 이 상태를 나타낸 도면이다. 반도체 기판(110)상에는 막두께가 동일한 광도전성 박막응(113)이 형성된다. 이 경우 고체촬상장치의 동작시에 인가되는 전장이 광도전성 박막층에서 균일해지므로 바람직하다. 상술한 공급전압의 배분비율은 통상 1대 6내지 1대 8정도를 대부분 사용하고 있다.

한편 공급전압의 배분비율이 1대 1에 가까워지면, 광도전상 박막층 자체는 평탄하다. 제11도가 이 상태를 나타낸 도면이다. 반도체 기판(110)상에 표면이 평탄화된 광도전성박막층(114)이 형성된다. 따라서 광도전성 박막 상에 투명 도전성 전극을 용이하게 설치할 수 있다. 반면 광도전성 박막층(114)에 전압을 인가한 경우 막두께가 다르면 각 부위의 전계강도에 차이가 발생하게 된다. 213 및 214는 각각 기판 홀더 및 타게트에 대한 전압계이다. 기판홀더에는 통상-5△∼-300△의 범위에서 전위가 인가된다.

예를들면 방전 파워 2W/cm², 주위 대기중의 수소분압 5 ×10^-4Torr, 알곤분압 2 × 10^-3Torr, 시료홀더에의 바이어스 전압-50V의 조건에서 3시간당 3μm 정도의 수소화 비정질 실리콘층이 형성된다. 제12도에 본 발명의 광전변환장치의 종래의 광도전성 박막층을 사용한 것과의 암전류값의 비교를 나타낸다. 곡선(A)이 종래의 것이며, 곡선(B)은 본 발명의 방법에 의한 것이다. 관도전성 박막은 모두 수소화 비정질실리콘(15at%) 이며 막두께 는 2.0μm이다.

암전류 특성에 있어서의 본 발명의 방법에 의한 광전변환장치는 대단히 우수하다. 이와같은 최대의 요인은 상술한 광도전성박막층이 끊어지지 않게된 점에 있다. 리액티브 스퍼터법으로써는 상술한 고주파 스퍼터법이외에 직류 스퍼터법에 의하여도 좋다. 이 경우 타게트에는 -2∼-7KV 정도의 전압을 인가한다.그 밖의 사항에 관해서는 전술한 바와 같다고 생각하여도 좋다.

제13도는 직류 바이어스인때의 인가방법을 나타낸 설명도이다. 200은 반도체 기판, 201은 반도체 기판홀더, 209는 타게트, 210은 스퍼터용 고주파전원, 214가 바이어스용 직류 전원이다. 광전 변환 장치나 고체촬상장치의 광도전성 박막층에 필요한 막두께는 모두 본 발명의 방법에 의한 것은 아니다. 예컨대 광도전성박막층의 두께방향의 일부분에 본 발명의 방법에 의하여 스퍼터 박막층을 형성하고 원래의 요철면의 측면에 박막층을 형성 한후 광도전특성등을 고려하여 다시 박막층을 형성한 다중막 구조로 하여도 좋다. 이 경우 본 방법에 의한 막은 그 두께가 0.5∼2.μm가 되어야 한다. 또 반대로 반도체 기판상에 통상의 방법으로 광도전성 박막을 형성한후 본 발명의 방법으로 광도전성 박막층을 형성하여도 좋다. 물론 3층이상의 다층막으로 하여도 좋다. 이와같은 경우에 있어서도 본 발명의 방법에 의한 광도전성 박막층의 막두께는 0.5∼2.μm가 되어야 한다. 또 막을 형성하키는 기판에 바이어스를 인가시키는 방법은 SiH₄등의 글로우 방전을 사용한 분해에 의해 수소와 실리콘막을 형성하는 경우에도 적용할 수 있다.

제14도는 급로우 방전을 사용하는 경우의 예를 나타낸다. 300은 시료, 301은 진공으로 배기할 수 있는용기, 302는 고주파용코일, 303은 시료홀더, 304는 온도측정용 열 전기쌍(thermo couple). 305는 히터. 306은 SiH₄등의 주위대기 가스도입구, 307은 가스를 혼입시키기 위한 탱크, 308은 배기계에 접속하는 접속구이다. 글로우 방전에 의한 분해를 사용하는 방법 그 자체는 통상의 방법으로 좋다. 309는 기판에 바이어스를 인가시키기 위한 전원이다. 이 바이어스에 의해 스퍼터법의 혼합에서와 같은 효과를 가져올 수있다. 진공용기내에 알곤 가스 및 SiH₄가스를 도입한다. 이 경우 알곤은 반드시 필요한 것은 아니다. 알곤과 SiH₄를 화합하는 경우. SiH₄가스는 알곤 가스에 대하여 10 VoL%(이상)로 하였다.

원료가스 압력은 10^-2∼3 Torr로 하였다. 기판온도를 200℃로 하여 통상 0.2∼30MHz의 고주파를 인가하여 글로우 방전을 발생시켜 기판에 수소화 실리콘막을 2.0μm의 막두께로 형성하였다. 그 후의 공정은 상술한 예와 마찬가지이다. 이 경우로 기판측에 바이어스(-50V)를 인가해 줌으로써 양호한 수소화 비정질실리콘층을 형성할 수 있었으며 따라서 암전류가 적은 광전변환창치를 실현할 수 있었다.

Claims (1)

1. 주위대기중에 적어도 플라즈마를 가진 상태에서 소정 기판상에 광도전성 박막층을 형성하는 방법에 의하여 도광전성 박막층을 형성하는 공정을 가진 광전변환 장치의 제조방법이 있어서, 요철면을 가진 상기 소정기판을 제1의 전극 상부에 배치한후 제1의 전극에 대향 전극을 설치함과 동시에 제1의 전극에 부(負)의 전위를 인가하면서 광도전성박막층을 형성하는 공정을 가진 것을 특징흐로 하는 광전변환장치의 제조방법.

Images