KR860000160B1 - 수광소자의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
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Description
제1a도 및 제1b도는 본 발명의 1차원 광 센서의 원리적인 구조를 나타낸 단면도 및 평면도.
제2도는 테스트용 수광소자의 단면도.
제3도는 스퍼터링법으로 투명 전극을 형성했을때의 수광소자의 광반응 특성의 일례를 나타낸 도면.
제4도는 본 발명의 열처리 방법에 의해 개선한 효과를 광응답 특성의 일례로 나타낸 도면.
제5도는 열처리 전후에서의 광의 OFF후의 광전류의 감쇠특성을 비교한 도면.
제6도는 본 발명의 효과에 있어서의 열처리 효과를 열처리 온도와 3ms후의 잔상과의 관계를 나타낸 도면.
제7도는 고체촬상장치의 원리적인 구조를 나타낸 단면도.
제8도는 테스트용의 수광소자의 단면도.
제9도는 스퍼터링 법으로 투영 전극을 형성했을때의 수광소자의 광응답 특성의 일례를 나타낸 도면.
제10도는 제9도에 나타낸 광응답 특성을 가진 수광소자를 본 발명의 열처리방법에 의해 개선한 효과를 광응답 특성의 일례로 나타낸 도면.
제11도는 본 발명의 효과를 열처리온도와 50ms후의 잔상과의 관계를 나타낸 도면.
제12도∼제16도는 각각 본 발명의 1차원 광센서의 제조공정을 나타낸 주요부 단면도.
제17도는 본 발명의 제조방법을 태양전지에 적용했던 경우의 개선예를 나타낸 도면.
제18도는 고체촬상소자의 원리를 나타낸 도면.
제19도∼제23도는 각각 고체촬상소자의 제조공정을 나타낸 주요부 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 유리기판 2, (21 및 22) : 전주패턴
3 : 포토다이오드 4 : 분리다이오드
7 : 투명전극 10 : 입사광
11 : 기판 12 : 하부전극
13 : 포토다이오드 14 : 투명전극
15 : 광 펄스 16 : 전류계
31, 41 : n+형 도전층 32, 42 : i형 도전층
33, 43 : p형 도전층 55 : 출력단
56 : 절연막 57 : 금속전극
58 : 광도전막 59 : 투명전극
60 : 실리콘기판 61 : 확산영역
62 : SiO2층 65 : 게이트부
68 : SiO2막 70 : SiO2막
71 : 소스전극 72 : 비정질 광도전막
73 : 투명전극 81, 82 : Al전극 패턴
본 발명은 비정질수소화 실리콘을 사용한 수광소자의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 기판상에 형성된 하부전극과 실리콘을 주체로하여 수소를 함유하는 비정질 재료로 이루어진 광도전막과 스퍼터링에 의해 형성된 투명전극으로 이루어진 수광소자의 제조방법에 관한 것이다.
이러한 예로서는 다음과 같은 장치가 있다. 예를들면, 절연성 기판상에 1차원으로 배열된 비투광성 금속전극을 가진 그 금속 전극상에 실리콘을 주체로하여 수소를 함유하는 비정질 재료를 기판측으로부터 n+형 도전층, i 혹은 n형 도전층, P형 도전층(이후 비정질 수소화 실리콘 포토다이오드라고 칭함)의 순으로 형성시킨 광도전체층 및 그 광도전체층상에 투명전극을 적층한 1차원 광센서가 이러한 예이다.
이와같은 포토센서의 예로서는, 예를들면 U.S.P.NO. 4, 227, 078, U.S.P.KO. 4, 233, 506 등이 대표적인 예이다.
또 고체촬상장치의 예로서는 광도전 변환기능 및 신호축적 기능을 가진 고체요소를 복수개 배치하여 각고체요소를 1회소에 대응시켜 촬상면을 형성하여 이 촬상면을 순차적으로 주사함에 따라 외부영상 정보를 전기신호로 변환시키는 고체촬상장치가 있다. 특히 촬상면을 형성하는 반도체층이 스위치, 주사회로등이 형성된 주사용 IC기판을 덮도록 형성되어 이루어진다.
이와 같은 촬상면을 형성하는 광도전체층이 스위치, 주사회로 등이 형성된 반도체 기판을 덮도록 형성된 고체촬상장치는 예를들면 일본국 특개소 51-10715호 공보등에 보고되어 있다.
이들의 수광소자는 통상 광도전체층상에 투명도전막이 형성되어 있다.
그리고 이 투명전막은 스퍼터법으로 형성되는 것이 바람직하다. 그러나 기판상에 소망의 패턴의 전극 및 비정질수소화 실리콘으로 이루어진 포토 다이오드를 형성시킨후 그 상부에 산화인듐-산회석계의 투명전극 또는 백금등의 반투명 전극을 스퍼터링법에 의해 형성시키면 포토다이오드의 광응답 특성이 열화(劣化)하는 결점이 발생했다.
강도전막상에 예컨데 산화 인듐-산화석계 금속 산화물의 투명전극 또는 금 및 백금 등의 반투명 금속전극을 스퍼터링법에 의해 형성하는 것은 비정수소화 실리콘으로 이루어지는 포토다이오드와의 접착성을 높히기 위함이다. 이 문제는 특히 상기의 1차원광 센서 혹은 고체촬상소자에 있어서 특히 요구되는 점이다.
진공증착법으로 산화물의 투명전극 또는 금속의 반투명전극을 형성하는 것도 가능하지만 일반적인 증착법으로 형성한 막은 스퍼터링법으로 형성한 막보다도 기초막과의 접착성이 열하되고 있다.
본 발명의 소망의 기체상에 실리콘을 주체로하여 수소를 함유하는 비정질 재료로 이루어진 광도전막을 형성하여 이 광도전막상에 스퍼터법에 의하여 투명 도전성막을 형성한후 그 수광소자를 적어도 140℃이상으로 가열하는 공정을 가지는 수광소자의 제조방법이다.
가열온도는 170∼250℃가 특히 바람직하다.
이 열처리에 의하여 광응답 특성이 대폭적으로 개선된다.
제1a도, 제1b도는 각각 리니어 이미지 센서(linear image sensor)의 단면도 및 평면도를 나타내고 있다.
제1a도에 나타낸 바와같이 절연성 기판(1)상에 비투광성 금속전극 2 (21 및 22)가 형성되고 또 전극(2) 상에 비정질수소화 실리콘 포토다이오드(3) 및 비정질수소화 실리콘 분리다이오드(4)가 형성된다.
이때 다이오드(3) 및 (4)은 금속(21)측으로부터 n+형 도전층(31), (41), i 혹은 n형 도전층 (32), (42), P형 도전층(33), (43)의 순으로 형성되어 있다.
포토다이오드(3)는 제1b도에 평면도를 나타낸 바와같이 절연층(5)의 소망의 위치에 뚫려진 접촉구멍(62)을 거쳐 투명전극(7)과 전기적으로 접속하고, 투명전극(7)은 접촉구멍(63)을 거쳐 2층 배선용 금속전극(22)에 접속된다.
금속전극(22)은 다시 접촉구멍(64)을 거쳐 금속배선(81)으로부터 종(縱) 구동용 IC와 접속되어 있다.
한편 분리다이오드(4)의 일방의 단자는 포토다이오드(3)와 공통의 전극(21)에서 접속하고, 타방의 단자는 접촉구멍(61)을 거쳐 금속배선(82)으로부터 횡(橫) 구동용 IC와 접속되어 있다.
다음에 동작예를 간단히 설명한다.
먼저 배선(82)을 거쳐 금속전극(21)에 소정의 프리챠지 바이어스(+전압)를 가하여 포토다이오드(3)에 소정전압 VT를 축적한후 배선(82)을 리세트전압(접지)에 복귀한다. 포토다이오드(3)는 VT에 하전(荷電)된다. 다음에 입사광(10)이 투명전극(7)을 통하여 포토다이오드(3)에 달한다. 포토다이오드 중에서 광(光(을 흡수되어 전자정공대(電子正孔對)를 발생하고 이들의 캐리어는 포토다이오드에 축적된 역 바이어스 전압(VT)을 부정한다. 즉, 축적전하의 변화분이 광 입사에 의한 신호 전하이다. 이때 분리 다이오드는 역방향으로 바이어스되어 있으며 배선(82)과는 OFF상태로 되어 있다.
다음에 배선(82)을 거쳐 분리 다이오드(4)를 순방향(順方向)으로 바이어스하여 ON상태로 하고 포토다이오드를 다시 소정 전압 VT까지 하전(荷電)한다. 신호전하량은 포토다이오드의 하전전류로서 외부에 독출(讀出 : read out)된다.
상기의 축적 및 독출 동작을 횡구동 IC를 사용하여 배선(82)을 선택하고 종구동 IC를 사용하여 배선(81)을 선택하는 매트릭스 구동으로 각 포토 다이오드마다 순차적으로 행함에 따라 1차원의 화상정보를 외부로 취출할 수 있다.
본 구조의 1차원 광 센서는 전화소(全畵素)를 연속한 복수의 군(群)으로 나누어 그 각 군(群)을 통합하여 주사하기 때문에 주사회로를 대폭적으로 간단화 시킬 수 있다. 또 포토다이오드(3)와 분리다이오드(4)를 동일한 프로세스에 의해 형성할 수 있기 때문에 작성되는 프로세스가 간략하다.
제1a도에 그 화소부의 단면도를 나타낸 1차원 광 센서는, 팩시밀리(facsimile)용 1차원 광센서로서의 사용하는 경우, 원고가 상기 센서와 밀착하여 이동하기 때문에 투명전극의 상부 및 기타의 센서 표면에 마모방지용의 투명한 보호층을 형성할 필요가 있다.
혹은 보호층 대신에 해상력(角像力)을 잃지 않을정도로 매우 얇은 유리판을 투명 접착제로 접착시켜 사용할 필요가 있다. 이 보호층을 형성하는 공정을 행할때 상기 포토다이오드(3)와 투명전극(7)과의 접착성이 약하면 투명전극(7)이 박리되는 문제가 자주 발생한다.
이러한 점에서 진공증착법으로 투명전극(7)을 형성하는 것보다는 스퍼터링 법으로 투명전극(7)을 형성할 필요가 있었다.
또 산화 인듐-산화석계의 투명전극을 인듐-석계의 할로겐화물 혹은 유기금속염을 사용한 CVD(Chemical Vapor Deposition)법에 의해 작성하는 방법도 알려져 있다.
그러나 이 방법에서는 비저항이 낮고, 저항의 경시변화등도 없고, 또 기초막과의 접착성이 좋은막을 얻기 위해서는 기판 온도를 300℃이상으로 하지 않으면 안된다.
한편 비정질 수소화 실리콘으로 이루어진 광도전막은 300℃이상으로 가열시키면 가시광 영역에서의 광감도가 현저하게 저하된다.
따라서 비정질 수소화 실리콘 포토다이오드를 광도전막으로서 사용한 1차원 광센서용의 투명전극은 CVD법에 의해 작성하는 것은 곤란하다.
제1도에 나타낸 1차원광 센서에서는 광신호 전하를 일정의 축적시간(예를들면 3ms) 포토다이오드(3)내에 축적한후, 매우 짧은 시간(예를들면 500ns∼10㎲)내에 분리다이오드(4)를 순방향으로 바이어스하여 ON상태로 하여 배선 82)을 통하여 독출방식(축적동작 방식이라고 칭함)을 취하고 있다.
제2도의 수광소자는 광응답 특성을 측정하기 위한 테스트용 수광소자이다.
기판(11)상에 설치된 하부전극(12)과 비정질 수소화 실리콘으로 이루어진 포토 다이오드(13)와의 투명전극(14)으로 구성되어 있다. 광도전막에는 항상 일정의 바이어스 전압(VT)이 인가되어 있어 광 펄스(15)에 의해 포토 다이오드(13)에 발생한 광여기전하(光勵起電荷)를 전류계(16)로 직접 독해(讀解)할 수 있다. 여기서 131은 n+형 도전층, 132는 i 혹은 n형 도전층, 133은 P형 도전층이다.
스퍼터링법으로 투명전극을 형성한 제2도의 수광소자의 광응답 특성의 1예를 나타내면 제3도와 같이 된다.
제3도에 있어서 특성(a)은 입사 광 펄스, 곡선(b)는 포토다이오드(13)에 역바이어스 즉 투명전극측을 부(負)로 바이어스(일반적으로 VT=0∼-10V정도를 사용한다)한 경우의 광응답 특성을 나타낸다.
제3도의 특성 곡선으로써 특히 투명전극측에 부(負)의 바이어스를 인가한 경우 광응답 특성이 현저하게 열하하고 있음을 알 수 있다.
즉, 제3도는 투명전극측을 부로하여 광펄스를 조사하면 투명전극으로부터 부전하(負電荷)가 주입되는 현상(2차 광전류라고도 칭함)이 생겨 광을 OFF한후도 감쇠전류가 장시간에 걸쳐 많이 흘러 암전류의 레벨까지 복귀하지 않음을 나타내고 있다. 이 현상은 1차원 광센서에서는 부주사방향(원고 송출방향)의 재생화상의 패턴폭의 확대 또는 축소 현상으로서 나타내진다.
극단적인 경우는 재생화상을 전혀 얻을 수 없는 경우도 있다. 또 2차 광전류의 지배적인 광 응답 특성은 시정수(時定數)가 수십 ms이상으로 크기 때문에 이와같은 수광소자를 사용하면 고속 팩 시밀리 장치를 실현하는 것이 곤란하다.
이상 설명한 바와같은 현상은 1차원광 센서에 의해 실용상 대단히 큰 결점이다.
본 발명은 소망의 배선이 이루어진 기판상에 수소를 함유하는 실리콘을 주체로한 비정질 광도전막을 형성한후 상기 광도전막상에 투명전극을 스퍼터링법에 의하여 형성한다.
또 이예에서는 비정질 광도전막은 기판측으로부터 n+형 도전층, i 또는 n형 도전층, P형 도전층의 순으로 형성되어 있다. 그후에 본 1차원 광센서를 140℃이상, 바람직하게는 170℃∼250℃의 온도범위에서 열처리하여 투명전극을 스퍼터링법으로 광도전막상에 형성했기 때문에 발생한 본 센서의 광응답 특성의 열하를 방지하기 위해 계량한 것이다.
본 발명에 의하여 본 1차원 광센서의 장점인 광응답 특성이 양호하고 또한 감도가 높은 소자를 얻을 수있으며 고속의 팩시밀리 장치를 실현할 수 있다. 또 n+형 도전층, i형 혹은 n형 도전층, P형 도전층, 투명전극의 순으로 퇴적하여 포토다이오드로서 사용하는 이유는 다음과 같다.
입사광은 그 대부분이 투명전극 근방에서 흡수되어 포토캐리어를 발생하지만 발생한 전자 1 정공대 중 전자의 광도전막중의 주행성이 우수하기 때문에 포토다이오드를 역바이어스하여 사용하는 경우 전자가 투명전극측으로부터 금속전극측으로 이동하도록 구조했던 것이 유리하기 때문이다.
상기 광도전막의 형성을 위한 반응성 스퍼터링법으로서는 일반적인 스퍼터 장치를 사용하여도 좋고, 마그네트론 형의 고속 스퍼터장치도 사용할 수 있다. 스퍼터 장치내의 대향 전극의 일방의 음극(타기트측 전극)에다 결정 실리콘을 스퍼터용 타기트로서 설치하고 타방의 양측(기판측 전극)에는 소망의 배선이 이루어진 1차원 광센서용 기판을 설치한다.
스퍼터 실내를 1×10-6Torr이하의 고진공으로 유지하면서 250∼300℃로 가열하여 스퍼터실내의 가스를 제거한다. 이후 방전 가스로서 수소와 알곤과 같은 희가스 및 미량의 도핑(doping) 가스와의 혼합 가스를 스퍼터실내에 도입하고, 13.56MHz의 고주파 스퍼터링을 행하여 상기의 기판상에 수소를 함유한 실리콘을 주체로 하는 비정질 광 도전막을 퇴적시킨다. 통상 수소는 2∼30at%의 함유량을 사용하고 있다. 막 형성중의 기판온도는 100∼350℃, 방전가스의 압력은 8×10-4Torr∼2×10-2Torr, 방전 가스중의 수소가스의 조성은 10∼60mol%의 범위내이다.
광도전막 퇴적중에 있어서 상기의 알곤과 수소의 혼합 가스중에 도핑 가스로서 미량의 질소가스를 0.01∼1%정도 혼입시키든지 혹은 미량의 수소화인 예컨대 포스핀(PH3)을 0.01∼5%정도 혼입시키면 n+형 도전층이 얻어지고, 또 상기 알곤과 수소의 혼합가스에 미량의 수소화 붕소 예컨데 디보란(B2H6)을 0.01∼5%정도 혼입시키면 P형 도전층이 얻어진다.
이들의 도핑가스의 첨가를 행하지 않는 경우는 일반적으로 i 또는 n형의 도전층이 얻어진다. 이상의 스퍼터 조건을 사용하여 n+형 도전층, i 또는 n형 도전층, P형 도전층의 순으로 광도전막을 퇴적시켜 포토다이오드 및 분리 다이오드용의 도전막으로 한다.
또 글로우 방전 CVD(Chemical Vapor Deposition)법으로서는 rf코일법과 2주 방전법의 2종류가 있다. 모두 방전가스로서 SiH4등의 시란계 가스와 알콜과 같은 희가스 혹은 수소가스와의 혼합가스를 사용하고, 글로우 방전을 행하여 시란계 가스의 분해반응에 의해 상기 1차원 광 센서용 기판상에 수소를 함유한 실리콘을 주체로하는 비정질 광 도전막을 퇴적시키는 방법으로서 실리콘에 수소를 첨가하는 방법을 이용하는 반응성 스퍼터링법과 구별된다.
rf코일법은 반응실을 rf코일중에 놓고, rf코일에 13.56MHz의 고주파를 인가하여 반응실내에 도입된 SiH4및 알곤의 혼합가스의 글로우 방전을 일으키게 하여 반응실내에 설치한 상기 1차원 광센서용 기판상에 수소를 함유한 실리콘을 주체로 하는 비정질 광도전막을 퇴적시키는 방법이다.
또 2극성 방전법은 통상의 스퍼터링장치를 사용하여 대향 전극간에 13.56MHz의 고주파를 인가하여 반응실내에 도입된 SiH4및 알곤 혹은 수소의 혼합가스의 글로우 방전을 일으키게 하여 반응실내에 설치한 상기 1차원 광센서용 기판상에 수소를 함유한 실리콘을 주체로하는 비정질 광도전막을 퇴적시키는 방법이다. 막형성중의 기판온도는 100∼300℃, 방전가스의 압력은 반응성 스퍼터링법보다 높은 5×10-2Torr에서 2Torr, 방전가스중의 SiH4가스의 조성은 5∼40mol%의 범위내이다.
광도전막 퇴적중에 있어서 스퍼터링법의 경우와 같이 상기의 SiH4및 알곤 혹은 수소의 혼합가스중에 도핑가스로서 미량의 수소화인 예를들면 포스핀(PH3)을 0.01∼5%정도 혼입시키면 n+형 도전층이 얻어지고, 또 상기의 SiH4및 알곤 혹은 수소의 혼합가스 중에 도핑 가스, 서 미량의 수소화붕소 예를들면 디보란(B2H6)을 0.01∼5%정도 혼입시키면 P형 도전층이 얻어진다.
이들의 도핑 가스의 첨가를 행하지 않는 경우는 일반적 n 또는 i형의 도전층이 얻어진다. 이상의 글로우 방전 CVD조건을 사용하여 n+형 도전층, i 또는 n형 도전층, P형 도전층의 순으로 광도전막을 퇴적시켜 포토다이오드 및 분리다이오드용의 도전막으로 한다.
또 이 비정질 수소화 실리콘에 목적에 따라 적당량의 탄소 혹은 겔마늄이 함유되어도 본 발명은 유효하다. 탄소나 겔마늄의 치환량은 목적에 따라 다르지만 실리콘의 역할을 상실하여서는 안되며 대략 실리콘에 대하여 10∼30at%정도여야 한다.
상기의 방법에서 소정의 기판상에 비정질 수소화 실리콘으로 이루어진 광 도전막을 형성한후 상기 광도전막을 소망의 패턴으로 가공하면 포토다이오드 및 분리 다이오드의 소자열이 완성된다.
또 절연층을 소망의 패턴으로 형성한후 그 상부에 투명전극을 스퍼터링에 의해 형성한다. 이 투명전극으로서는,
(1) 산화인듐, 산화석 및 그들의 혼합물에서 선택된 1개를 주성분으로 하는 투명전극이 사용된다.
(2) 금, 백금, 탄탈, 몰리브덴 알루미늄, 크롬, 니켈 및 그들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1개를 주성분으로 하는 반투명상의 금속전극을 사용할 수도 있다.
(1)의 투명전극을 형성하는데는 인듐-석계의 금속을 타기트로하여 산소가스를 함유한 알곤가스중에서 반응성 RF스퍼터링을 행하는 방법도 있지만 통상은 산화인듐-산화석계의 소결체타기트를 사용하여 알곤가스 등의 희 가스중에서 RF스퍼터 링을 행하는 벙법이 취해진다.
이경우 스퍼터 장치내의 대향전극의 일방의 음극(타기트측 전극)에 산화인듐-산화석계의 소결체를 스퍼터용 타기트로서 설치하고, 타방의 양극(기판측 전극)에는 비정질 수소화 실리콘으로 이루어진 광도전막을 퇴적한 1차원 광센서용 기판을 설치한다. 스퍼터 실내를 5×10-6Torr이하의 고진공까지 배기한후 방전가스로서 알곤과 같은 희가스를 스퍼터실 내에 도입하고, 13.56MHz의 고주파 스퍼터링을 행하여 상기 광도전막상에 소정의 패턴의 산화인듐-산화석계의 투명전극을 퇴적시킨다. 막형성중의 기판온도는 80∼℃220℃, 방전가스의 압력은 3×10-3Torr에서 5×10-2Torr이다.
이와같이 하여 투명전극을 형성하여 이것을 소망의 패턴으로 가공하여 2층 배선용 금속배선을 소망의 패턴에 설치하면 제1도에 나타낸 바와같은 형상의 1차원 광센서가 얻어진다.
(2)의 투명전극에 관해서도 스퍼터장치 내의 음극(타기트측 전극)에 금, 백금, 탄탈, 몰리브덴, 알루미늄, 크롬, 니켈 및 그들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1개를 주성분으로 하는 금속을 스퍼터용 타기트로서 설치하면 상기의 (1)의 투명전극과 같은 스퍼터링법에 의해 반투명상의 금속전극을 퇴적할 수 있다. 이 경우 반투명 금속전극은 광투과성을 좋게 하기 위하여 가능하면, 막두께를 얇게할 필요가 있다. 통상 그 막두께는 400Å이하이다.
투명도전성막을 형성한후 이 소자를 적어도 140℃이상, 바람직하게는 170℃∼250℃의 사이에서 약 15분 정도로 수시간 열처리하면 광응답의 늦어짐은 전혀 문제가 되지 않는 정도까지 개선된다.
제4도에 광응답 특성의 1예를 나타낸다.
제4도와 제3도를 비교하면 광응답 특성이 개선되는 쪽이 현저함을 알 수 있다.
제5도는 개선예의 1예의 광 OFF후의 감쇠전류로 정량적으로 비교한 도면이다.
곡선(a)은 열처리전의 감쇠전류, 곡선(b)은 열처리후의 감쇠전류를 나타내고 있다.
열처리전은 곡선(a)에 나타낸 바와같이 초기치(광의 OFF직전의 광전류)가 크고(광전이득 Ga=4), 감쇠의 시정수도 τa=30ms정도로 큰 소위 2차 광전류가 지배적인 광응답 특성을 나타내고 있다.
이것에 대하여 열처리후는 곡선(b)에 나타낸 바와같이 초기치의 광전이득(Gb)은 2차 광전류가 억제되기 때문에 1이 되지만 감쇠의 시정수 τb는 10㎲와 1/3000정도로 개선되어 있다.
곡선(b)은 측정회로계의 시정수를 가산하고 있기 때문에 실제의 개선폭은 더욱 클 것이다.
제1도에 나타낸 1차원 광센서에 있어서 열처리 온도와 광 OFF후 3ms경과했을때의 잔상
과의 관계는 제6도에 나타낸 바와같이 되었다.
단 열처리 시간은 60분간으로 했다.
제6도로써 이해될 수 있듯이 열처리 온도를 실온으로부터 점점 올려가면 잔상은 점점 커지고 100∼120℃의 사이에서 최대치를 나타낸 후 140℃ 전후에서 급속하게 작아져 170∼250℃에서 최소치를 나타내고, 또 반대로 증가하는 경향을 갖는다. 열처리 시간은 각 온도 20∼60분간에서 거의 그 온도에 있어서의 잔상의 포화치에 달한다.
따라서 필요 이상으로 장시간에 걸쳐 열처리를 하여도 구체적으로 볼때는 그다지 의미는 없다.
열처리는 통상 대기중에서 행하지만 알곤가스등의 희가스 혹은 질소등의 불활성 가스중에서 행하여도 같은 효과를 확인할 수 있다.
일반의 1차원 광센서에서는 3ms후의 잔상이 4%이하라면 충분하게 사용 가능한 것이다.
제6도로써 이해될 수 있듯이 적어도 140℃이상에서 명확한 그 효과를 갖기 시작하지만 170∼250℃의 범위에서 열처리를 행하면, 제1도에 나타낸 1차원 광센서로서 가장 적합하게 사용할 수 있다.
제5도 및 제6도에서 나타낸 본 발명의 효과는 비정질 수소화 실리콘으로 이루어진 광도전체를 사용한 포토다이오드상에 스퍼터링법에 의해 투명전극을 퇴적함에 따라 발생한 포토다이오드와 투명전극간의 문제점을 개선하는 것이다.
비정질 수소화 실리콘을 상술한 반응성 스퍼터링법 또는 글로우 방전법에 의해 퇴적 직후에 광감도를 대폭적으로 향상시킬 목적으로 광도전막 퇴적장치내에 넣은 채 진공중에서 220∼20℃로 유지하여 열처리하는 기술과는 다른 기술이다.
또 본 발명은 제1도에 1예로써 나타낸 1차원 광센서뿐만이 아니라 원리적으로 비정질 수소와 실리콘 막상에 스퍼터법으로 투명 전극을 형성한 구성을 갖는 수광소자 전반에 대해서도 유효하다.
예를들면 태양전지 또는 광도전막을 사용한 고체촬상소자에 대해서도 유효하다.
이 고체촬상소자에 관하여 설명한다.
제7도에 나타낸 바와같이 Si 기판(51)상에 주사회로와 스위치 회로등을 집적화하고, 광전변환의 역할을 하는 광도전막(58)을 ISi-IC기판상에 퇴적한 것이다.
동작원리를 설명하면 입사광(10)이 투명전극(59)을 통하여 광도전막(58)에 달한다. 여기서 광은 흡수되어 전자정공대를 발생하고, 이들의 캐리어는 바이어스전압(VT)에 의해 금속전극(57)에 축적된다.
축적된 캐리어는 반도체기판(51)에 형성된 소스(52), 드레인(53), 게이트(54)로 이루어진 절연게이트형 전계효과 트랜지스터(MOSFET)에 의해 스위칭되어 신호선(55)을 통하여 외부로 취출된다. 56은 절연막이다.
본 구조에서는 주사회로와 광전변환부가 분리되어 있기 때문에 해상도나 광감도의 저하를 초래하지 않을뿐만 아니라 광이 Si기판에 달하지 않기 때문에 불루밍도 잘 발생하지 않는 특징을 갖는다.
그러나 주사용 Si-IC기판상에 비정질수소화 실리콘으로 이루어진 광도전막을 형성한 후 그 상부에 산화인듐-산화석계의 투명전극 또는 백금등의 반투명 전극을 스퍼터링법에 의해 형성하면 광도전막의 광응답 특성이 열하되는 결점이 역시 있었다.
제7도에 그 회소부의 단면도를 나타낸 고체촬상소자는 칼러용의 고체촬상소자로서 사용하는 경우, 투명전극의 상부에 소정의 파장범위의 광만을 투과하는 색 필터층을 형성할 필요가 있다. 이 색 필터층을 형성하는 공정을 행할때 상기의 광도전막(58)과 투명전극(59)과의 접착성이 약하면 투명전극(59)이 박리하는 문제가 자주 발생한다.
이점에서 진공증착법으로 투명전극(59)을 형성하는 것보다는 스퍼링터법으로 형성할 필요가 있다.
제7도에 나타낸 고체촬상소자에서는 광신호 전하를 일정의 축적시간(예컨데 1/30초) 축적한후 매우 짧은 시간내에 내장된 MOSFET스위치에 의해 신호선(55)을 통하여 독출방식(축적동작방식이라 칭함)을 취하고 있다.
제8도의 수광소자는 광응답 특성을 측정하기 위한테스트용 수광소자이다.
기판(11)상에 설치된 하부전극(12)과 비정질수소화 실리콘으로 이루어진 광도전막(13)과 투명전극(14)으로 구성되어 있으며 광도전막에는 항상 일정한 전압(VT)이 인가되어 있어 광펄스(15)에 의해 광도전층(13)에 발생한 광전하를 전류계(16)로 직접 독해할 수 있다.
비정질수소화 실리콘층 상에 스퍼터링 법으로 투명전극을 형성한 수광소자의 광응답 특성은 일예로 나타내면 제9도와 같이 된다.
제9도에 있어서 특성(a)은 입사광 펄스, 곡선(b), (c)는 각각 투명전극측을 정(正)으로 바이어스(일반적으로 VT=0∼-21V 정도를 사용한다)한 경우의 광응답 특성, 투명 전극측을 부(負)로 바이어스(일반적으로 VT=0∼-21V 정도를 사용한다)한 경우의 광응답 특성을 나타낸다.
제9도의 특성곡선으로써 특히 투명전극측에 부(負)의 바이어스를 인가했을때의 광응답 특성이 현저하게 열하하여 있다. 즉 제9도에서는 투명전극측을 부로하여 광펄스를 조사시키면 투명전극으로부터 부전하가 주입되는 현상(2차원 전류라고도 칭함)이 생겨 광을 OFF한 후도 감쇠전류가 장시간에 걸쳐 많이 흘러 암전류의 레벨까지 복귀되지 않음을 나타내고 있다. 이 현상은 고체촬상소자에 있어서 일단 비추어진 화상이 광을 차단하여도 잔상으로서 남거나 또는 잔상 그대로 없어지지 않게되는 현상으로서 나타내진다.
고체촬상소자에 있어서의 이와같은 현상은 실용상 대단히 큰 결점이다.
그러나 본 발명에 의하여 즉, 상기 광도전막상에 투명전극을 스퍼터링법으로 형성한후에 고체촬상소자를 170∼250℃의 온도범위에서 열처리함에 따라 광응답 특성이 개선된다.
본 발명에 의하여 본 고체촬상소자의 장점인 해상도나 가시광영역의 분광감도도 우수하고 불루밍 현상도 잘 발생되지 않은 소자를 얻을 수 있다.
제10도에 광응답 특성의 1예를 나타낸다.
제10도에 있어서 특성(a)은 입사광펄스, 곡선(b), (e)은 각각 투명전극측을 정으로 바이어스(일반적으로 VT=0∼21V 정도를 사용한다)했을 경우 광응답특성, 투명전극측을 부로 바이어스(일반적으로 VT=0∼21V)했을 경우의 광응답특성을 나타낸다.
제10도로써 명백한 바와같이 투명전극을 부(負)로 바이어스 했을때의 광응답 특성이 현저하게 개선되어 있음을 알 수 있다. 즉 투명전극측으로부터 부전하가 주입되는 2차원 광전극가 억제되어 광 OFF후의 감쇠전극는 단시간에 암전류와 같은 레벨까지 내려간다.
또 투명전극측에 인가하는 바이어스가 정이나 부일 경우라도 열처리 전의 특성과 비교하여 비교적 저진압의 VT값에서 광감도가 나올수 있도록 되는 것도 큰 개선점의 하나이다.
고체촬상소자에 있어서 열처리온도와 광 OFF후 5ms경과했을 때의 잔상과의 관계는 제11도에 나타낸 바와같다. 단, 열처리 시간은 20분으로 했다.
제11도로써 명백한 것처럼 열처리 온도를 실온(室溫)으로부터 점점 올려가면 잔상은 점점 커져 100∼120℃의 사이에서 최대치를 나타낸후 140℃전후에서 급속히 작아져 170∼250℃에서 최소치를 나타내고 또 반대로 증가하는 경향을 갖는다. 열처리 시간은 각 온도 20∼40분에서 거의 그 온도에 있어서의 잔상의 포화치에 달한다.
따라서 필요 이상으로 장시간에 걸쳐 열처리를 하여도 구체적으로 볼때는 그다지 의미는 없다.
열처리는 통상 대기중에서 행하지만 알곤가스등의 회가스 혹은 질소등의 불활성 가스중에서 행하여도 같은 효과를 확인할 수 있다. 일반적으로 촬상 디바이스에서는 50ms후의 잔상이 1%이하라면 충분히 사용 가능하다.
제11도에서 적어도 140℃이상에서 그 효과를 갖기 시작하지만 170∼250℃의 범위에서 열처리를 행하면 고체촬상소자는 50ms후의 잔상이 1%이하가 된다.
[실시예 1]
제12도에서 제16도까지는 1차원 광센서의 제조방법을 나타낸 화소부의 단면도이다.
절연성의 유리기판(Ⅰ)상에 금속크롬을 스퍼터링법에 의해 막두께 200Å정도로 튀적시켜 이것을 초산 제2세늄, 암모늄계의 에칭액을 사용한 포토 에칭공정에 의해 소망의 전극 패턴 2(21 및 22)로 한다(제12도).
여기서 21은 포토 다이오드 및 분리다이오드용 전극, 22는 2층 배선용 하부전극이다. 다음에 이 기판을 2극식 글로우방전 CVD장치내에 설치하여 반응실내에 방전가스로서 10%SiH4가스를 함유한 H2가스를 1Torr 도입한후 도핑 가스로서 PH3가스를 체적비(PH3/SiH4)로 1%가 되도록 도입하여 13.65MHz의 고주파 방전을 행함에 따라 비정질 수소화 실리콘을 주체로하는 n+형 도전층을 상기 기판상에 250Å의 막두께로 튀적시킨다.
또 PH3가스의 반응실내에의 공급을 정지하여 10% SiH4+ 90%H2혼합 가스만으로 고주파방전을 계속하여 비정질 수소화 실리콘을 주체로하는 i형 도전층을 5500Å의 막두께로 튀적시킨다.
또 상기 방전가스에 가하여 도핑가스로서 B2H6가스를 체적비(B2H6/SiH4)로 1%가 되도록 도입한후 고주파 방전을 계속하여 비정질 실리콘을 주체로 하는 P형 도전층을 400Å의 막두께로 튀적시킨다.
이와같이 형성한 n+-i-P구조의 비정질 수소화 실리콘막을 CH4가스를 사용한 프라즈마 에칭법에 의해 소정의 형상으로 패턴화하면 포토다이오드(3) 및 분리다이오드(4)가 된다(제13도).
여기서 31, 41은 n+형 도전층 32, 42는 i형 도전층, 33, 43은 P형 도전층이다.
다음에 상기 기판상에 SiO2계 유리(상품명 코-닝 7059)를 스퍼터링 법에 의해 막두께 2㎛의 두께로 튀적시켜 HF-HNO3-H20계의 애칭액을 사용한 포토에칭법에 의해 소정의 장소에 접속구멍(61), (62), (63), (64)을 뚫으면 2층 배선용의 절연막(5)이 된다(제14도). 다음에 이 상부에 In2O3-SnO2인듐-틴-옥시드 : 이하 ITO라고 칭함)의 투명전극을 스퍼터링법으로 5000Å의 막두께로 튀적시킨다.
이때 스퍼터용 타기트로서는 SnO2를 5mol% 함유한 In2O3소결체를 음극(캐소드)에 설치하여 사용한다.
방전가스로서 Ar가스를 사용하여 1×10-2Torr가스압으로 13.56MHz의 고주파 스퍼터링을 행하였다.
투명전극을 형성한후 Hcl-HNO3-H2O계의 에칭액을 사용한 포로에칭법에 의해 투명전극을 소정의 형상(7)으로 패턴화시키면 제5도에 나타낸 바와같은 구조의 소자가 얻어진다.
다음에 이 소자를 공기중에서 225℃에서 60분간의 열처리를 행하면 광응답 속도가 제4도에 나타낸 바와같이 매우 빨라져 특성개선을 할 수 있다.
다음에 이 패턴화된 ITO막을 포토레지스트로 이루어진 보호막으로 완전히 피복한후, 상기 기판상에 진공증착법에 의해 Al막을 2㎛의 막두께로 튀적시킨다. 또 H3PO4-H2O계의 에칭액을 사용한 포토 에칭법에 의해 2층 배선용의 Al전극패턴(81), (82)을 형성한다. 이때 ITO막은 포토레지스트에 의해 피복되어 있으며 Al의 에칭액에 접촉시킴에 따라 발생하는 전기 화학적인 ITO막의 용출을 방지하고 있다.
Al전극패턴을 형성한후 ITO의 보호막을 산소플라즈마에서 (plasma-asher)법에 의해 제거하면 제16도에 나타낸 바와같은 독해 속도가 빠른 1차원 광 센서가 얻어진다. 이 1차원 광센서를 사용하면 고속의 팩시밀터를 실현할 수 있다.
[실시예 2]
또 본 발명은 태양전지의 제조방법에 사용하여도 유효하다. 이경우 광응답 특성의 향상과 더불어 광조사시의 비정질 수소화 실리콘 포토다이오드의 전압-전류 특성이 개선된다.
소망의 스테인레스 스틸 기판상에 실시예 1과 같은 방법으로 n+형 및 i형 도전층을 형성한다.
또 10%SiH4+90%H2혼합가스에 도핑가스로서 CH4가스를 체적비(CH4/SiH4)로 3%, B2H6가스를 체적비(B2H6/SiH4)로 1%가 되도록 첨가하여 고주파방전을 계속하여 수소를 함유한 비정질 탄화규소(a-SiC : H)를 주체로 하는 P형 도전층을 350Å의 막두께로 퇴적시킨다.
다음에 이 상부에 In2O3-SnO2계의 투명 전극을 스퍼터링법에 의해 1000Å의 막두께로 퇴적시킨다. 스퍼터링 조건은 실시예 1과 같은 조건으로 행하였다.
이와같이 하여 제2도에 나타낸 바와같은 단면구조의 태양전지가 얻어진다.
그러나 이 태양전지는 특성이 열하되어 있으며 거의 포토다이오드 특성을 나타내지 않는다.
예컨데 제17도의 곡선(a)에 나타낸 바와같이 광조사시의 개방단전압(Open circuit, Voc) 및 단락전류(Short circuit current I sh)가 작다.
다음에 이 소자를 공기중에서 230℃로 20분간의 열처리를 행하면 전압-전류 특성이 대폭적으로 개선되어 제17도의 곡선(b)에 나타낸 바와같은 양호한 태양전지의 특성을 얻을 수 있다.
[실시예 3]
또 n-i-p다층막 헤테로 접합의 태양전지에 적용하는 것도 가능하였다.
우선 스테인레스 스틸 기판상에 미리 비정질 수소화 실리콘으로 이루어진 n+형 도전층(200Å), 수소를 함유하는 비정질실리콘 겔마늄(a-Si 0.08 Ge 0.20 : H)을 주체로 하는 i형 도전층(4000Å) 및 비정질수소화 실리콘으로 이루어진 P형 도전층(250Å)을 형성하고, 또 그 상부에 실시예 1과 같은 방법으로 비정질 수소화 실리콘으로 이루어진 n+-i-p구조(단 i층의 막두께는 800Å)의 포로다이오드를 형성한후 실시예와 같은 방법으로 투명적극 형성 및 열처리를 행하면 성능이 좋은 태양전지가 얻어졌다.
[실시예 4]
제18도는 고체촬상장치의 원리를 나타낸 것이다.
각 회소(54)는 매트릭스상으로 배치되어 1점씩 XY어드레스방식에 의해 독출된다.
각 회소의 선택은 수평주사 신호발생기(51)와 수직주사신호 발생기(52)에 의해 행해진다.
53은 각 회소에 접속된 스위치부는 55출 력단이다.
또 각 회소(54)는 FET와 그 위에 적층된 광도전막을 함유한다. 구체적인 구조예는 제23도에 나타낸 바와같은 것이다.
제19도∼제23도까지는 고체촬상장치의 제조방법을 나타낸 회소부의 단면도이다.
반도체기판에 형성되는 스위치 회로를 비롯 주사회로부등은 통상의 반도체장치의 공정을 사용하여 제조된다. P형 실리콘기판(60)상에 800Å정도의 얇은 SiO2막을 형성하여 이 SiO2막상의 소정의 위치에 1400Å정도의 Si3N4막을 형성한다.
SiO2막은 통상의 CVD법 및 Si3N4막은 SiH4, NH4, N2를 흐르게한 CVD법에 의하였다.
실리콘기판 상부로부터 이온 임플란 테이션(Ion implantation)에 의하여 P확산 영역을 형성한다. 이확산 영역(61)은 각 소자의 분리를 보다 양호하게 하기 위하여 설치하였다.
다음에 H2: O2= 1 : 8분위기중에서 실리콘을 국소산화하여 SiO2층(62)을 형성한다(제19도).
이 방법은 일반적으로 LOCOS라고 불리우고 있는 소자분리를 위한 실리콘의 국소산화법이다.
일단 상술한 Si3N4막 및 SiO2막을 제거하여 MOS트랜지스터의 게이트 절연막을 SiO2막으로 형성한다.
다음에 폴리실리콘에 의한 게이트부(65)및 n형의 확산영역(66), (67)을 형성하고 또 이상부에 SiO2막(68)을 형성한다.
그리고 이 막중에 소스(66) 및 드레인(67)의 전극 취출구를 에칭으로 제공한다(제20도).
드레인전극(69) 및 소스전극(710)으로서 Al를 6000Å증착시킨다. 또 SiO2막(10)을 7500Å으로 형성하고 계속해서 소스전극(71)으로서 Al을 2500Å증착시킨다.
제21도가 이상태를 나타낸 단면도이다.
또 전극(71)을 영역(66), (67) 및 게이트부를 덮도록 넓게 형성했다. 이것은 소자간분리용 확산층(61)간의 신호처리 영역에 광이 입사하면 불투명의 원인이 되어 바람직하지 못하기 때문이다.
이와같이 준비된 반도체 IC기판상에 수소를 함유하는 실리콘을 주체로한 비정질 광 도전막(72)을 반응성 스퍼터링법에 의해 3㎛의 막두께로 퇴적시킨다.
이때 스퍼터용 타기트로서 결정실 리콘을 음극(캐소드)에 설치하여 사용한다.
방전가스로서 수소와 알곤 혼합가스(H2: Ar=20 : 80)를 사용하고 3×10-3Torr의 방전가스압으로 13.56MHz의 고주파 스퍼터링을 행하였다.
광도전막 형성후의 상태는 제22도에 나타낸 바와같이 된다. 이 광도전막의 상부에 In2C3-SnO2계의 투명전극(73)을 스퍼터링법으로 1000Å의 막두께로 퇴적한다.
이때 스퍼터용 타기트로서는 SnO2를 5mol% 함유한 In2O3소결체를 음극(캐소드)에 설치하여 사용한다.
방전가스로서 Ar가스를 8×10-3Torr의 가스압으로 13.56MHz의 고주파 스퍼터링을 사용했다.
투명전극 형성후 제23도에 나타낸 바와같이 비정질 고체촬상소자가 얻어진다.
상기의 소자의 광응답 특성을 잔상이 10%이상으로 되어 화상의 잔상도 크다.
다음에 이 소자를 공기중에서 240℃로 20분간 열처리하면 잔상이 1%이하가 되어 잔상 현상이 없는 비정질 고체촬상소자가 얻어졌다.
또 통상반도체기판(60)의 이면에 제2전극이 설치되어 일반적으로 접지된다.
이 소자상의 각 회소 전극과 대응하도록 소정의 분광투과 특성을 갖는색 필터층을 형성하여 단판(單板)컬러 비정질 고체촬상 소자로서도 광도전막과 투명전극의 접합계면으로 박리현상은 발생하지 않았다.
[실시예 5]
실시예1과 같이 소정의 반도체 기판에 스위치회로를 비롯 주사회로등이 형성된다.
제21도가 이상태를 나타내는 기판단면도이다.
단 금속전극(71)은 스퍼터링법에 의해 3000Å의 막두께로 형성된 Ta전극이다.
이와같이 준비된 반도체 IC기판상에 수소를 함유하는 실리콘을 주체로 한 비정질 광도전막(72)을 글로우 방전 CVD법에 의해 3㎛의 막두께로 퇴적시킨다.
이때 방전가스로서(SiH410mol% + Ar 90mol%) 혼합가스를 사용하여 6×10-2Torr의 방전가스압으로서 대향전극간에 13.56MHz의 고주파방전을 발생시켜 SiH4가스의 분해 반응에의해 캐소드측에 설치하여 250℃로 가열한 IC기상(基上)에 수소를 함유하는 비정질 실리콘을 퇴적시켰다.
광도전막 형성후의 상태는 상기 실시예와 같이 제22도에 나타낸 바와같이 된다.
이 광도전막상의 상부에 pt의 반투명 전극을 스퍼터링법에200Å의 막두께로 퇴전시킨다.
이때 pt의 판을 음극에 설치하여 Ar가스를 5×10-3Torr의 가스압으로 13.56MHz의 고주파 스퍼터링을 행하여 제23도에 나타낸 바와같은 비정질 고체촬상소자를 얻었다.
상기의 소자의 광응답 특성은 잔상이 15%이상이 되어 화상의 잔상도 크다.
다음에 이 소자를 Ar가스 분위기중에서 225℃로 30분간 열처리하면 잔상이 0.5%정도로 잔상현상이 없는 소자가 얻어진다.
Claims (7)
- 소망의 기체(基體)상에 실리콘을 주체로하여 수소를 함유하는 비정질 재료로 이루어진 광도전막(58)을 형성하는 공정과 그 광도전막(58)상에 스퍼터링 법에 의하여 투명도전성막을 형성하는 공정, 상기 투명도전성막을 형성한후 그(수광소자를 적어도 약 140℃ 이상 또 약 280℃를 초과하지 않는 온도로 가열하는 공정등을 가지는 것을 특징으로하는 수광 소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서 상기 가열온도가 170∼250℃의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 수광소자의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서 상기 광도전막이 n+형 도전층, i 및 n형의 군(群)에서 선택된 하나의 도전형을 가지는 도전층 및 P형 도전층의 순으로 적층시킨 것을 특징으로 하는 수광소자의 제조방법.
- 제3항에 있어서 상기 기판의 1차원으로 배열된 비수광성 금속전극을 가지며 그금속 전극상에1 : 1에 대응하도록 상기 광도전막 및 상기 투명전극을 형성한후 1차원의 화상신호를 취출할 수 있도록 배선이 이루어진 절연성기판인 것을 특징으로 하는 수광소자의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서 상기 기판의 2차원상으로 배열한 스위치와 그스위치를 거쳐 취출한 광학상에 상당하는 광전하를 전승하는 주사소자를 가지는 반도체기판인 것을 특징으로 하는 수광소자의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서 상기의 투명도전성막이 스퍼터링법에 의해 형성한 산화인듐, 산화석 및 그들의 혼합물에서 선택된 하나를 주성분으로 하는 투명도전성막인 것을 특징으로 하는 수광소자의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서 상기의 투명도전성막이 스퍼터링법에 의해 형성한 금, 백금, 탄탈, 몰리브덴, 알루미늄, 크롬, 니켈 및 그들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나를 주성분으로 하는 반투명상의 금속막인 것을 특징으로 하는 수광소자의 제조방법.
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