KR850000901B1 - 광전변환장치(光電變換裝置) - Google Patents
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Abstract
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Description
제1도는 본원 발명의 일실시예인 광전변환장치의 회소부(繪素部) 단면도.
제2a도~제2f도는 광전변환장치의 제조공정을 나타낸 장치 회소부 단면도.
제3도는 스패터장치를 설명하는 도면.
제4도는 유도전막(電膜)의 막의 두께와 막의 박리상태 및 면적 저항비와의 관계를 나타낸 도면.
제5도는 본원 발명의 다른 실시예인 광전변환장치의 단면도.
본와 발명은 광전변환장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게 설명하면 비정질(非晶質) 실리콘층을 갖는 광전변환장치에 관한 것이다. 특히, 소정의 전자회로를 구비한 반도체 기판상에 형성된 광도전체층을 갖는 고체촬상장치(固體撮像藏置) 등에 유용한 것이다.
고체촬상장치는 광전변환기능 및 신호축적기능을 갖는 고체요소를 복수개 비치하고, 각 고체요소를 일화소(一畵素)에 대응시켜서 촬상면을 형성하여, 이 촬상면을 순차 주사(走査) 함으로써 외부의 영상정보를 전기신호로 교환한다. 촬상면을 형성하는 광도전체층은 스위치 또는 주사회로 등이 형성된 반도체 기판을 덮도록 형성되어 있다.
상기 광도전체로서 수소함유 비정질실리콘(hydrogenated amorphous silicon)을 사용한 것이 있다. 대표적인 예는 일본국 특개소 55(서기 1980)-39404호 공보(HITACHI) 등이다.
본원 발명은 광도전체층(photoconductive material layer)을 사용한 고체촬상장치(solid state image pick-up device)에 있어서의 광도전체층상에 막이 벗겨지지 않으며, 또한 충분히 투명도전막으로서 실용에 견딜수 있는 도전도(導電度)를 갖는 투명도전막을 제공한다.
소정의 기판상에 광전변환부로서 제1의 전극과, 이 제 1의 전극상에 설치된 수소함유 비정질 실리콘층과 이 수소함유 비정질 실리콘층상에 투명도전체층으로 이루어진 제2의 전극을 최소한 갖는 광전변환장치에 있어서, 상기 투명도전체층이 In2O3또는 In2O3와 SnO2와의 고체용액의 두께 300Å~2000Å인 층이라는 것을 특징으로하는 것이다.
상술한 광도전체층으로 수소함유 비정질 실리콘을 사용했을 경우, 이 수소함유 비정질실리콘층상에 투명도전막을 형상할 때, 막이 박리(剝離)되는 일이 많이 발생하는 것을 볼 수 있었다. 투명도전막의 막 박리가 많이 발생한다고 하는 현상은 투명도전막을 수소함유 비정질실리콘층상에 형성할 경우에 현저하게 볼 수 있으며, 다른 광도전체층(예를들면 Se계 재료 광도전효과층 등)에서는 문제가 되지 않는다. 그 원인에 대해서는 현시점에서 해명되어 있지 않다.
일반적으로 촬상광 타게트 등의 광입사측에 설치되는 신호취출전극에 사용되는 투명도전체막으로서 In2O3와 SnO2와의 고용체(이하 ITO라 약칭함)를 사용하고 있지만, 촬상관의 경우는 기판상에 먼저 투명도전막(transparent conductive film)을 형성하며, 이 상부에 광도전체층을 형성하고 있다.
따라서, 본원 발명에 관한 문제점인 광도전체층상의 투명도전체층의 막이 박리하는 문제는 발생하지 않는다(그리고 촬상관에 있어서의 막에 관해서는 일본국 특개소 48(서기 1973)-26025호 공보(TOSHIBA) 등이 있다.
이 수소함유 비정질실리콘층상의 투명도전체층막의 박리에 대한 대책때문에 본원 발명자들은 여러가지 투명도전막을 실험 검토한 결과, In2O3와 SnO2와의 고용체를 사용하여 막의 두께를 300Å~2000Å로 설치함으로써, 실용에 제공할 수 있는 고체촬상장치를 실현할 수 있다는 것을 발견했다. ITO의 조성으로서는 In2O3가 80몰% 이상의 것을 사용한다. In2O3단독으로 사용하는 것보다도, In2O3와 SnO2의 고용체쪽이 비(比)저항치에 의해 낮아지며, 투명전극으로서보다 바람직하다. 통상은 In2O3가 89몰%~95몰%정도의 ITO를 많이 사용한다.
수소함유 비정질실리콘층상에 형성되는 ITO막은 막두께 2000Å 이하이면 수소함유 비정질실리콘막을 박리시킬 수 있는 응력에 도달하지 않으며, 박리의 발생을 볼 수 없다. 한편 ITO막두께가 적어도 300Å 있으면 본 바탕의 표면상태의 영향을 받지않고 일정한 저항치를 취한다. 즉, 통상 고체촬상장치용 반도체 기판상의 배선 및 이것에 절연코우팅되는 막의 단차(段差)는 약 1㎛이다. 수소함유 비정질실리콘층을 형성하면 a-Si층에 있어서의 단차는 약 1000Å 정도로 된다. 따라서, 이 a-Si층상에 형성되는 ITO층은 300Å 피착하면 단차가 더욱 작아지며, 저항치도 단차가 없는 경우와 같은 값을 가타나게 된다. 따라서, ITO 막두께가 300~2000Å인 투명도전막은 수소함유 비정질실리콘막에 박리를 발생시키지 않는 매우 안정된 저항치의 투명전극이 얻어진다. 다음에 실시예에 의거하여 상세히 설명한다.
제1도는 본원 발명의 일실시예로서의 고체촬상장치의 개략 단면도이다. P형 실리콘기판(20)상에 MOS트랜지스터가 형성되며, P+형 확산영역(21) 및 산화막(22)은 아이솔레이션용, 그리고 산화막(28), (30)은 절연용의 산화막이다. 소오스영역(26), 드레인영역(27)상에 알루미늄전극(31), (29)이 형성되어 있다. (25)는 다결정 Si로 형성된 게이트전극이다. 이 상온 보통 IC 또는 LSI라고 불리우고 있는 반도체 기판이다(도면에서는 단일의 소자를 나타냈지만 실제는 많은 소자가 2차원적으로 배열(일반적으로는 매트릭스형상)된다. 상기 반도체 기판상에 수소함유 비정질실리콘으로 이루어진 광도전체층(32)이 형성된다.
이 수소함유 비정질실리콘층은 수소와 아르곤과 같은 불활성가스와의 혼합분위기 중에서의 반응성 스퍼터링(reactive sputter)에 의해 형성된다. 스퍼터장치로서는 마그네트론형의 저온고속 스퍼터장치가 적합하다. 상술한 바와같이 수소와 실리콘을 포함한 비정질막은 통상 350℃ 이상으로 가열되면 수소를 방출해서 변질하므로서, 막 형성중의 기판온도는 100~300℃로 보존하는 것이 바람직하다. 또, 비정질막중에 포함되는 수소농도는 방전중의 분위기의 압력 2×10-3~1×10-1Torr 중, 수소의 분압을 여러가지로 변화시킴으로써 대폭적으로 바꿀 수 있다. 스퍼터용의 타게트는 실리콘의 소결체(燒結體) 등을 사용하지만, 필요에 따라, P도전형 불순물인 붕소를 첨가한 것, 또는 n도전형 불순물인 인을 첨가한 것, 또는 실리콘과 게르마늄의 혼합소결체 등을 사용할 수도 있다. 이와같이 해서 형성되는 비정질막중 축적모우드의 수광장치용으로서 특히 적합한 비저항 1010Ω·cm 이상으로 트랩농도가 적은 막이 얻어지는 것은 막 내의 함유수소가 5~50원자%, 바람직하게는 5~30원자%, 특히 10~25원자%가 바람직하다. 또 함유 실리콘은 50원자% 이상의 경우가 특히 양호하다. 실리콘의 일부는 동족원소인 게르마늄 또는 카아본의 적어도 하나로 치환할 수 있다. 치환량은 실리콘의 30%까지가 유용하다. 함유수소가 너무 적으면 저항치가 지나치게 저하한다. 이 때문에 해상도(解像度)의 저하를 초래한다. 또 함유소소가 지나치게 많으면 광도전성이 저하하여, 광도전 특성이 충분하지 않게 된다.
상기 광도 전체층(32)상에 막두께 300~2000Å의 In2O3와 SnO2와의 고용체로 이루어지는 투명도전체층(38)을 형성한다. 이 투명도전체층은 In2O3, SnO2가 91 : 9몰%의 고용체를 타게트 재료로서 스퍼터링에 의해 피착 형성한다. 이때, 상기 반도체기판은 40~50℃로 수냉각시켜 호올드판에 재치되어서 스퍼터된다. 이처럼 저온에서 피착되므로, 상기 광도전체층(32) 및 기판회로 부분에 열적영향을 주는 일 없이 투명전극이 형성된다.
제2a도~제2f도는 상기 본원 발명의 제조공정의 개략을 나타낸 것이다. 다음에 도면에 의거하여 상세히 설명한다. 도면중의 부호는 제1도와 같다. P형 실리콘기판(20) 중에 주지의 이온 임플랜테이션(ion-impla-ntation)법에 의해 P형확산영역(21)을 형성한다. 이 확산영역(21)은 각 소자의 분리를 더욱 좋게 하기 위해 설치했다. 이어서 H2: O2=1 : 8 분위기중에서 실리콘을 국소산화(局所酸化)하여, SiO2막(22)을 형성한다(제 2a도). 이 방법은 일반적으로 LOCOS라고 불리우고 있는 소자분리를 위한 실리콘의 국소산화법이다. 이어서 MOS 트랜지스터의 게이트절연막을 SiO2막으로 형성한다. 이어서 폴리실리콘에 의한 게이트부(25) 및 확산영역(26), (27)을 형성하고, 다시 이 상부에 SiO2막(28)을 형성한다. 그리고, 이 막중에 소오스(26) 및 드레인(27) 영역의 전극취출구를 에칭으로 개공한다. 즉 제2b도에 나타낸대로이다. 드레인전극(29)으로서 Al을 8000Å 증착한다.
또한, SiO2막(30)을 7500Å로 형성하고, 이어서 제2c도에 나타낸 바와같이 소오스전극(31)으로서 Al을 1㎛ 증착한다. 그리고 전극(31)은 확산영역(26), (27) 및 게이트부를 덮도록 넓게 형성했다. 이것은 소자간 분리용 확산층(21)의 사이의 신호처리영역에 빛이 입사하면 브루우밍 등의 원인으로 되어 바람직하지 못하기 때문이다.
도면에서 볼 수 있듯이 반도체기판(20)에 스위치용 MOS 트랜지스터 등을 형성한 다음에 반도체 기체표면은 요철이 생기게 된다. 수광부 주변에는 시프트레지스터 등, 구동용의 주변회로가 동시에 형성된다. 이와 같이 해서 주사회로 MOS 트랜지스터부가 완성한다. 이 MOS트랜지스터부의 상부에 수광부를 형성한다.
제2d도에 나타낸 바와같이, 상기 기판상에 수소분위기 중에서의 실리콘의 반응성 스퍼터링에 의해 1~5㎛의 고저항의 수소함유 비정질실리콘층(32)이 형성된다. 상기 층(32)을 형성하는 스퍼터조건은 방전파워 300W(기판온도는 실온 250℃), 아르곤(Ar) 분압 3×10-3Torr, 수소(H) 분압 2×10-3Torr 즉, 분압비로 수소 40%이다. 이때의 막중의 수소함유량은 15원자%이다. 이와같은 수소함유 비정질실리콘층의 비저항은1012~1013Ω·cm의 고저항이 얻어진다.
이어서, 제2e도에 나타낸 것처럼, 투명도전체층막(38)을 300~2000Å 형성한다. 이 투명전도막의 작성에는 통상의 고주파스퍼터장치를 사용했다.
제3도는 고주파 스퍼터링장치의 개략 구성도이다.
비정질광도전막을 구비한 반도체기판(7)은 기판호울더(5)에 의해 유지된다. 벨쟈(3)내는 소정의 진공도로형성된 다음, Ar 가스가 주입되어 Ar 가스압 1.0×10-3Torr로 유지된다. 이어서, 상기 기판호울더(5) 중에 형성되어 있는 기판냉각용 파이프(6)에 기판냉각용수주입구(1)로부터 냉각수가 주입되며, 파이프를 냉각한 물은 물출구(2)로부터 방출된다(도면에서는 도중의 경로는 생갹되어 있다). 기판호울더는 60℃ 이하로 설정된다. 타게트에 In2O3: SnO2(91.9몰% 또는 95 : 5중량%)의 고용체를 사용했다. 전극간 간격은 30~60mm, 불황성가스에 100% Ar 가스를 사용하고, Ar 가스압은 5.0×10-3~5.0×10-4Torr, 스퍼터링 파워는 스퍼터링에 의한 이온의 에너지를 피하기 위해서 100~150와트(0.55~0.83와트/㎠)로 했다. 예를 들면 스퍼터시간을 45분이라고 하면 막두께 600±50A이다. 저항치의 재현성을 좋게 하기 위해서 스퍼터전에 프레스피터를 60분간 실시했다. 스퍼터링중의 시료 표면온도는 40~50℃이다. 얻어진 투명도전막(38)의 투과율은 400~700㎛의 가시광으로 90%이상, 기판저항은 150~180Ω/回(비저항 10×10-3Ω·cm)이며, 시간경과변화가 거의 없는 안정된 막이다. 이 막의 표면상태는 기판의 요철에 의해 받는 정도가 다르지만 평활한 표면이다. 또 통상의 유기용제에 의한 세정에도 충분히 견딜 수 있는 막이다.
그리고, 제2f도에 나타낸 것처럼, 일반적으로는 도체기판(20)의 다른 한쪽면에 오옴접촉의 도전체막(36)을 설치한다. 일반적으로는 도전체막(36)은 단자를 통해서 접지된다.
제4도는 본원 발명에 사용한 투명도전막의 막두께와 막의 박리성태 및 면적저항비와의 관계를 나타낸 도면이다.
곡선(31)(파선)은 투명도전막에 대한 수소함유 비정질실리콘막의 박리의 수를 나타낸 것이다. 도면에서 명백한 것처럼, 0.3㎛에서 박리계수가 4×104개를 나타낸 것이 막두께가 감소함에 따라서 급속히 박리개수가 저하하고, 0.2㎛(2000Å)에서 박리개수가 0으로 되는 것이 판명되었다.
한편, 곡선(32)(실선)은 투명도전막 두께에 대한 투명도전막의 기판 저항비율(sheet resistance ratio)을 나타낸 것이다. 이 기판저항 비율은 유리 위의 투명도전막의 기판저항에 대한 수소함유 비정질실리콘상의 투명도전막의 기판저항의 비로서 나타낸 것이다. 투명도전막 두께가 0.01㎛에서 3.6을 나타낸 것이 막두께가 증가함에 따라 저항비가 저하하여, 0.03㎛(300Å)에서 저항비가 1로 되는 것이 판명되었다. 이것은 평탄한 유리판상의 투명도전막의 저항치와, 요철면이 있는 수소함유 비정질실리콘층상의 투명도전막의 저항치에 차이가 생기지 않았다는 것을 나타낸다. 즉, 300Å 이상에서는 본 바탕의 요철형상에 의한 영향이 나타나지 않고 안정된 저항치를 나타낸다는 것이 판명되었다. 따라서 ITO 막의 두께를 300Å 이상 2000Å 이하로 해서 형성한 투명전극을 사용한 고체촬상소자는 모두 단락 또는 이상 저항치를 발생시키는 일없이 양호한 화상이 얻어졌다.
상술한 실시예에서는 투명되전막으로서 산화인듐과 산화주석의 화합물을 사용했지만, 산화인듐만을 형성한 경우도 마찬가지의 효과가 얻어졌다.
또, 기판에 형성되는 전자회로는 상술한 실시예에서는 MOS 트랜지스터를 사용했을 경우에 대해서 설명했지만, 다른 CCD(전하 이송소자) 등을 사용했을 경우 또는 그밖의 능동소자나 수동소자를 사용한 것일지라도 아무런 변함이 없이 마찬가지의 효과가 얻어졌다.
제5도는 본원 발명의 다른 실시예로서의 고체촬상장치의 개략단면도이다. 이것은 상기 제1도의 촬상장치를 컬러촬상용으로 한 것이다. 도면중의 부호 및 구성작용 등의 기본은 제1도와 같으므로 생략한다. 투명도전체층(38)상에 예를들어 폴리글리시딜메타크릴레이트로 이루어진 혼색방지보호막(51)을 형성하고, 이어서 시안컬러필터(52)를 설치한다. 이 필터(52)는 젤라틴을 염색시켜서 설치되며, 적절한 색깔이 선택된다. 상기컬러필터(52)상에 다시 폴리글리시딜메타크릴레이트(53)가 형성된다. 도시되어 있지는 않지만 다른 부위에 컬러필터가 설치되며, 이 상부에 역시 혼색방지 보호막이 형성된다. 도면중(54)는 그 일부를 나타내고 있다. 필요에 따라서 상기 투명도전체층(38)과 혼색방지보호막(51)의 사이 또는 상기 혼색방지 보호막(51)상에 다른 보호막(도시하지 않음)이 설치되어 있어도 좋은 것은 물론이다. 또 일반적으로 컬러필터는 복수층이 적절히 형성되어 컬러촬상장치 등에 사용되지만, 마찬가지로 몇층을 겹쳐서 형성해도 좋다. 또한, 필터 혼색방지 보호막을 모두 상술한 것 이외의 다른 재료를 사용해도 좋은 것은 물론이다.
Claims (1)
- 소정의 기판상에 광전변환부로서의 제1의 전극과, 이 제 1 의 전극상에 설치된 수소함유 비정질실리콘층(水素含有非晶質 silicon)(32)과, 이 수소함유 비정질실리콘층(32)에 투명도전체층(38)으로 이루어진 제2의 전극을 최소한 갖는 광전변환장치에 있어서, 상기 투명전도체층(38)이 In2O3와 SnO2의 고용체(固溶體)이며, 두께 300Å~2000Å의 층인 것을 특징으로 하는 광전변환장치.
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