TWI478330B - 光電變換元件及其製造方法 - Google Patents

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Description

光電變換元件及其製造方法
本揭示內容係關於一種光電變換元件(諸如用於(例如)輻射成像裝置及光學觸控感測器之PIN光電二極體)及一種製造該光電變換元件之方法。
PIN光電二極體係在輻射成像裝置、光學觸控面板等中用作光電變換元件。此PIN(正-本質-負)光電二極體具有一結構，其中一所謂i型半導體層係插置在一p型半導體層與一n型半導體層之間，且可提取具有取決於入射光量之電荷量之一信號電荷。
期望此一光電二極體具有進一步提高之光學敏感度且已針對此期望提出各種建議(參考(例如)日本專利公開案第2000-156522號)。此專利文件揭示一種光電變換裝置，其中光電變換器中之一半導體層延伸至電晶體部分且此延伸部分係用作一擋光層以藉此確保一高孔徑比及提高圖案精度以達到經提高之敏感度。
但是，在上述PIN光電二極體中，i型半導體層係如此提供以從層間絕緣膜中製作之一孔之內部延伸至層間絕緣膜之頂部表面。因此，因孔之形狀而施加應力至i型半導體層(側壁部分之階層)並產生一裂紋。特定言之，若增大i型半導體層之膜厚度以提高光學敏感度，則此應力變得更大。此一裂紋具有充當一洩漏路徑及增大暗電流之問題。
需要一種技術以提供一種能夠抑制歸因於一裂紋之暗電流之增大之光電變換元件及一種製造該光電變換元件之方法。
根據本揭示內容之一實施例，提供一光電變換元件，其包含：一第一半導體層，其係經組態以展現一第一導電率類型且提供在一基板上方之一選擇區域中；一第二半導體層，其係經組態以展現不同於第一導電率類型之一第二導電率類型且係設置為與第一半導體層相對；及一第三半導體層，其係經組態以提供在第一半導體層與第二半導體層之間且展現實質本質導電率類型。第三半導體層具有不接觸第一半導體層之至少一角隅部分。
根據本揭示內容之另一實施例，提供一種製造一光電變換元件之方法。該方法包含在一基板上方之一選擇區域中形成展現一第一導電率類型之一第一半導體層及在第一半導體層上形成一第三半導體層。第三半導體層具有不接觸第一半導體層之至少一角隅部分且展現一實質本質導電率類型，該方法進一步包含在第三半導體層上形成展現一第二導電率類型之一第二半導體層。
根據根據本揭示內容之實施例之光電變換元件及製造光電變換元件之方法，若在第三半導體層中因歸因於(例如)第三半導體層之形狀之應力之影響而產生一裂紋，則由於第三半導體層具有角隅部分，故裂紋趨於如此產生使得其起始點(或終止點)為第三半導體層之角隅部分。由於此一角隅部分不接觸第一半導體層，故抑制所產生之裂紋充當一洩漏路徑。或者，抑制裂紋本身的產生。
根據根據本揭示內容之實施例之光電變換元件及製造光電變換元件之方法，提供在第一半導體層與第二半導體層之間之第三半導體層具有不接觸第一半導體層之角隅部分。因此，舉例而言，當在第三半導體層中產生一裂紋時，可抑制裂紋充當一洩漏路徑。或者，可抑制裂紋本身的發生。此可抑制歸因於裂紋之暗電流之增大。
下文將參考圖式描述執行本揭示內容之模式。描述順序如下。
1.實施例(其中i型半導體層係如此形成以使其範圍為從接觸孔之內部至第一層間絕緣膜之頂部表面之實例)
2.修飾實例1及2(其中接觸孔係藉由兩步驟蝕刻形成之實例)
3.修飾實例3及4(其中i型半導體層係在接觸孔中圖案化之實例)
4.應用實例(使用光電變換元件之光電變換裝置及輻射成像裝置之實例)
<實施例>
圖1展示根據本揭示內容之一實施例之一光電變換元件10之示意組態。光電變換元件10係藉由將一未摻雜i型半導體層(本質半導體層)插置在一p型半導體層與一n型半導體層之間而獲得之一PIN(正-本質-負)光電二極體。
[光電變換元件10之完整組態]
光電變換元件10在由(例如)玻璃構成之一基板11上方之一選擇區域中具有一p型半導體層14(第一半導體層)，(中間物為一絕緣膜13)。在基板11上方(具體言之在絕緣膜13上)提供具有與p型半導體層14相對之一接觸孔150A(通孔)之一第一層間絕緣膜15A。在第一層間絕緣膜15A之接觸孔150A中之p型半導體層14上提供一i型半導體層16(第三半導體層)且在此i型半導體層16上形成一n型半導體層17(第二半導體層)。經由一第二層間絕緣膜15B之一接觸孔150B將一上電極18連接至n型半導體層17。圖2係展示p型半導體層14、接觸孔150A及i型半導體層16(n型半導體層17)之形成區域之一示意平面圖。圖1等效於沿著圖2中之A-A'線之一截面圖。圖3係沿著圖2中之B-B'線之一箭頭截面圖。
針對本實施例，下文將描述在基板側(下側)提供p型半導體層14及在上側提供n型半導體層17之情況。但是，可採用相反結構，即在下側(基板側)提供n型半導體層及在上側提供p型半導體層之情況。
藉由堆疊絕緣膜(諸如SiNx層13a及SiO2 層13b)獲得絕緣膜13。舉例而言，若在(例如)一成像裝置中之各像素中使用光電變換元件10，則此絕緣膜13可形成為與各種類型之電晶體中之閘極絕緣膜相同之層。SiNx層13a之厚度為(例如)50 nm且SiO2 層13b之厚度為(例如)10 nm至120 nm。
p型半導體層14為藉由用(例如)硼(B)摻雜(例如)多晶矽(polycrystalline silicon/polysilicon)或微晶矽而製作之一p+區且具有例如40 nm至50 nm之厚度。此p型半導體層14亦用作(例如)用於讀出一信號電荷之一下電極(陽極)且係連接至一下提取互連件16h。
藉由堆疊絕緣膜(即，舉例而言，SiO2 層15A1、SiNx層15A2及SiO2 層15A3)獲得第一層間絕緣膜15A。舉例而言，若在(例如)一成像裝置中之各像素中使用光電變換元件10，則此第一層間絕緣膜15A可形成為與各種類型之電晶體中之一層間絕緣膜相同之層。SiO2 層15A1之厚度為(例如)150 nm。SiNx層15A2之厚度為(例如)300 nm。SiO2 層15A3之厚度為(例如)200 nm。
在此一第一層間絕緣膜15A中，藉由蝕刻製作接觸孔150A。在本實施例中，藉由一步驟蝕刻程序形成接觸孔150A。即接觸孔150A之一壁表面15S1之形狀在沿著垂直於基板表面之方向之一截面上為一直線形狀。換言之，壁表面15S1為無角隅(凸部)之一平坦表面。此壁表面15S1可為如圖1所示之一傾斜表面或可為垂直於基板表面之一表面。
i型半導體層為展現實質本質導電率類型之一半導體層，例如，一未摻雜本質半導體層，且係由(例如)非晶矽(non-crystalline silicon/amorphous silicon)構成。i型半導體層16之厚度為(例如)400 nm至1000 nm。當此厚度變大時，光學敏感度可提高至一更大程度。隨後將描述此i型半導體層16之組態之細節。
n型半導體層17係由(例如)非晶矽(non-crystalline silicon/amorphous silicon)構成並形成一n+區。此n型半導體層17之厚度為(例如)10 nm至50 nm。
上電極18係用於供應光電變換之參考電位之一電極且係由(例如)銦錫氧化物(ITO)之一透明導電膜形成。此上電極18係連接至一電源供應線(未展示)。第二層間絕緣膜15B係由(例如)SiO2 構成且具有(例如)400 nm之厚度。
(i型半導體層16之組態之細節)
在本實施例中，i型半導體層16係如此提供以從第一層間絕緣膜15A之接觸孔150A之內部延伸至第一層間絕緣膜15A之頂部表面(具體言之至位置p1)。換言之，i型半導體層16之部分與第一層間絕緣膜15A之頂部表面重疊(疊加)。此外，i型半導體層16具有取決於第一層間絕緣膜15A之階層(接觸孔150A之壁表面之高度差)之一階狀結構(16S1)。如下文更詳細所述，由於此階狀結構16S1，應力出現在(應力施加至)i型半導體層16且促進裂紋之產生。
此一i型半導體層16係沿著第一層間絕緣膜15A之接觸孔150A之壁表面15S1之形狀提供。即，第一層間絕緣膜15A之側上之i型半導體層16之表面(側表面)具有取決於壁表面15S1之上述形狀之表面形狀且在本實施例中為一平坦表面。
此外，i型半導體層16具有不接觸基板11之側上之表面(n型半導體層17之相對側上之表面)中之p型半導體層14之一角隅部分16e。此角隅部分16e等同於對應於本實施例中之基板11之側上之末端邊緣之部分，其中i型半導體層16之側表面為一平坦表面。此一結構等效於接觸孔150A之下側開口係如此製作以在沿著基板表面之方向上圍繞p型半導體層14之形成區域之外部之結構。即，p型半導體層14之寬度Da小於接觸孔150A之下側開口之寬度Db。
[製造光電變換元件10之方法]
舉例而言，可以下列方式製造光電變換元件10。圖4A至圖8B係用於說明一種按階層順序製造光電變換元件10之方法之截面圖。
首先，如圖4A所示，藉由用(例如)化學氣相沈積(CVD)將SiNx層13a及SiO2 層13b按該順序沈積而在基板11上形成絕緣膜13。在所形成之絕緣膜13上藉由(例如)CVD沈積一非晶矽(α-Si)層14A。
接下來，如圖4B所示，在(例如)400℃至450℃之溫度下執行脫氫退火處理。隨後，如圖4C所示，藉由用(例如)準分子雷射退火(ELA)用(例如)具有308 nm之波長之雷射光L輻射α-Si層14A而使其轉化為多晶矽。藉此，在絕緣膜13上形成一層多晶矽(p-Si)層14B。
接下來，如圖5A所示，藉由(例如)離子植入用(例如)硼(B)離子摻雜所形成之p-Si層14B。藉此，在絕緣膜13上形成p型半導體層14以用作一p+區。隨後，如圖5B所示，藉由(例如)光微影將p型半導體層14圖案化。
接下來，如圖5C所示，藉由(例如)CVD將SiO2 層15A1、SiNx層15A2,及SiO2 層15A3按該順序沈積在基板11之整個表面上方，p型半導體層14係形成在基板11上方。此形成第一層間絕緣膜15A。
接下來，如圖6A所示，藉由(例如)光微影在與p型半導體層14相對之第一層間絕緣膜15A之區域中形成接觸孔150A。在此步驟中，在本實施例中，藉由一次性(一步驟)蝕刻程序(諸如乾蝕刻)移除第一層間絕緣膜15A中之三層，即SiO2 層15A1、SiNx層15A2及SiO2 層15A3。藉此，形成具有平坦壁表面15S1之接觸孔150A。此時，蝕刻係如此執行使得接觸孔150A之下側開口變得大於p型半導體層14(圍繞p型半導體層14之外部)。此使得將在i型半導體層16中製作之上述角隅部分16e可在下一步驟中形成。
接下來，如圖6B所示，藉由(例如)CVD以填充接觸孔150A之方式將i型半導體層16及n型半導體層17按該順序沈積在第一層間絕緣膜15A上方。藉此，在i型半導體層16中形成取決於接觸孔150A之高度差之階狀結構16S1。根據具有此一階狀結構16S1之i型半導體層16之表面形狀形成n型半導體層17。
接下來，如圖7A所示，所形成之i型半導體層16及n型半導體層17係藉由例如光微影圖案化為一預定形狀。此時，i型半導體層16及n型半導體層17係如此圖案化以在至第一層間絕緣膜15A上之預定位置p1之範圍中與第一層間絕緣膜15A重疊。在此圖案化中，第一層間絕緣膜15A之SiO2 層15A3用作一蝕刻停止層。
接下來，如圖7B所示，藉由(例如)CVD將第二層間絕緣膜15B沈積在基板11之整個表面上方。
接下來，如圖8A所示，藉由(例如)光微影在與n型半導體層17相對之第二層間絕緣膜15B之區域中形成接觸孔150B。隨後，如圖8B所示，藉由(例如)濺鍍沈積上電極18且藉此完成圖1所示之光電變換元件10。
[光電變換元件10之操作及效果]
在光電變換元件10中，當經由上電極18從電源供應線(未展示)施加一預定電位時，(例如)從上電極18之側入射之光被變換為具有取決於所接收之光量之電荷量之信號電荷(光電變換)。藉由此光電變換而產生之信號電荷被提取作為來自p型半導體層14之側之光電流。
如上所述，在此光電變換元件10中，i型半導體層16係如此提供以從接觸孔150A之內部延伸至第一層間絕緣膜15A之頂部表面。因此i型半導體層16具有取決於接觸孔150A之壁表面15S1之高度差之階狀結構16S1。若i型半導體層16具有此一階狀結構16S1，則應力施加至i型半導體層16且在(例如)階狀結構16S1之邊緣部分上易產生一裂紋(縫隙)。如上所述，為了提高光學敏感度，較佳增加i型半導體層16之膜厚度。但是，隨著膜厚度增加，壁表面15S1之高度差變大(階狀結構16S1之高度差變大)且因此更易於產生一裂紋。
下文將描述根據一比較實例之一光電變換元件(光電變換元件100)中之上述裂紋之影響。圖9係展示光電變換元件100中之一p型半導體層104、一接觸孔109A及一i型半導體層106(n型半導體層107)之形成區域之一示意平面圖。圖10A係沿著圖9中之A-A'線之一截面圖。圖10B係沿著B-B'線之一箭頭截面圖。光電變換元件100在基板101上方之一選擇區域中具有p型半導體層104(中間物為一絕緣膜103)，且在p型半導體層104上提供具有與p型半導體層104相對之接觸孔109A之一第一層間絕緣膜105A。在對應於接觸孔109A之區域中提供i型半導體層106及n型半導體層107，且i型半導體層106在其頂部表面上具有一階層106S。
在上述比較實例之光電變換元件100中，由於歸因於階層106S之應力產生如圖11A所示之一裂紋X。所產生之裂紋X到達p型半導體層104。因此，裂紋X充當一洩漏路徑且產生暗電流。
相比之下，在本實施例中，如圖11B所示，i型半導體層16具有角隅部分16e。因此，裂紋X係如此產生使得其起始點(終止點)為角隅部分16e。因此，由於角隅部分16e不接觸p型半導體層14，故即使當歸因於階狀結構16S1之裂紋X產生時裂紋X仍被引至與p型半導體層14分開之角隅部分16e，使得抑制裂紋X充當一洩漏路徑。圖12係藉由拍攝實際產生之裂紋X而獲得之圖像。
如上所述，在本實施例中，在p型半導體層14與n型半導體層17之間具有i型半導體層16之PIN光電二極體結構中，i型半導體層16具有不接觸p型半導體層14之角隅部分16e。由於此特徵，舉例而言，在i型半導體層16具有取決於接觸孔150A之形狀之階狀結構16S1之情況中，即使當由於此階狀結構16S1而產生裂紋時，仍可抑制裂紋充當一洩漏路徑。此可抑制歸因於裂紋之暗電流增大。
下文將詳細描述上述實施例之光電變換元件之修飾實例(修飾實例1至4)。在下列描述中，與根據上述實施例之光電變換元件10中之組成元件相同之組成元件被賦予相同元件符號且相應地省略其描述。
<修飾實例1及2>
圖13展示根據修飾實例1之一光電變換元件之截面組態。圖14展示根據修飾實例2之一光電變換元件之截面組態。修飾實例1及2之此等光電變換元件類似於上述實施例之光電變換元件10在基板11上方具有p型導電層14(中間物為絕緣層13)且在一第一層間絕緣膜15C之一接觸孔150C中提供i型半導體層16。在i型半導體層16上，根據i型半導體層16之表面形狀提供n型半導體層17。在此一組態中，i型半導體層16具有不接觸p型半導體層14之一角隅部分。為簡化起見，省略第二層間絕緣膜15B及上電極18之圖示表示。
在修飾實例1及2中，藉由兩步驟蝕刻程序形成第一層間絕緣膜15C之接觸孔150C。具體言之，接觸孔150C之一壁表面15S2之形狀為在沿著垂直於基板表面之方向之一截面上具有複數個(在此等實例中為兩個)階層之一階梯形狀。換言之，壁表面15S2為具有一角隅(凸部)之一凹凸表面。類似於上述實施例中之第一層間絕緣膜15A藉由堆疊絕緣膜(諸如SiO2 層及一SiNx層)而獲得此一第一層間絕緣膜15C。
類似於上述實施例，i型半導體層16係如此提供以從第一層間絕緣膜15C之接觸孔150C之內部延伸至第一層間絕緣膜15C之頂部表面。此外，i型半導體層16係沿著接觸孔150C之壁表面15S2之形狀提供且因此具有取決於壁表面15S2之形狀之階狀結構(16S2)。
即，在此等修飾實例1及2中，i型半導體層16具有與上述接觸孔150C之壁表面形狀(階梯形狀)相關聯之複數個角隅部分16e1及16e2。角隅部分16e1等同於對應於基板11之側上之末端邊緣之部分且角隅部分16e2係朝向i型半導體層16之側表面中之第一層間絕緣膜15C突出之凸部部分。此外，較佳的是，此階梯形狀中之各自階狀部分之至少一階狀部分大於最靠近基板之階狀部分。在此等實例中，階梯形狀具有從基板側之按階狀部分s1及s2之順序排列之兩個階狀部分s1及s2且階狀部分s2大於階狀部分s1。由於此特徵，裂紋X更易於引至更與p型半導體層14分開之角隅部分16e2。
如修飾實例1(圖13)，上述角隅部分16e1及16e2可如此製作使得僅角隅部分16e2不接觸p型半導體層14且角隅部分16e1接觸p型半導體層14。即p型半導體層14之形成區域大於接觸孔150C之下側開口。
或者，如修飾實例2(圖14)，角隅部分16e1與16e2皆不接觸p型半導體層14亦可行。即，p型半導體層14之形成區域可小於接觸孔150C之下側開口。
舉例而言，可以下列方式製造上述光電變換元件。在下文描述中，以修飾實例1之結構作為實例。圖15A至圖15C係用於說明製造根據修飾實例1之光電變換元件之方法之截面圖。
首先，類似於上述實施例之光電變換元件在基板11上方之一選擇區域中形成p型半導體層14(中間物為絕緣膜13)。隨後，如圖15A所示，藉由(例如)用CVD將(例如)SiO2 層15C1、SiNx層15C2、及SiO2 層15C3按該順序沈積而在絕緣膜13上形成第一層間絕緣膜15C。舉例而言，此膜沈積係如此執行使得SiNx層15C2與SiO2 層15C3之總膜厚度設定為大於SiO2 層15C1之膜厚度使得階狀部分s2可在隨後步驟中變得大於基板側上之階狀部分s1。在此等層中，SiO2 層15C3在隨後將i型半導體層16及n型半導體層17圖案化之步驟中用作一蝕刻停止層。
接下來，如圖15B所示，所形成之第一層間絕緣膜15C中之上兩個絕緣膜(SiO2 層15C3及SiNx層15C2)經歷乾蝕刻。接下來，如圖15C所示，所形成之第一層間絕緣膜15C(SiO2 層15C1)中之最下層絕緣膜經歷乾蝕刻。藉此，形成接觸孔150C。即，在本修飾實例中，藉由如上所述之兩步驟蝕刻程序形成具有帶上述階梯形狀之壁表面15S2之接觸孔150C。
隨後，類似於上述實施例，形成i型半導體層16及n型半導體層17(具體言之亦即第二層間絕緣膜15B及上電極18)以藉此完成圖13所示之光電變換元件。
i型半導體層16可具有如上述修飾實例1及2之複數個角隅部分16e1及16e2。類似於上述實施例，若其等之至少一角隅部分不接觸p型半導體層14，則即使當在i型半導體層16中產生一裂紋時，此裂紋仍可能被引至與p型半導體層14分開之角隅部分且可抑制洩漏路徑之發生。因此，可達成等效於上述實施例之有利效果。此外，裂紋可引至更與複數個角隅部分中與p型半導體層14分開之角隅部分。此可有效抑制裂紋之影響。
<修飾實例3及4>
圖16展示根據修飾實例3之一光電變換元件之截面組態。圖17展示根據修飾實例4之一光電變換元件之截面組態。類似於上述實施例之光電變換元件10，修飾實例3及4之此等光電變換元件在基板11上方具有p型半導體層14，且在一第一層間絕緣膜15A之接觸孔150A中具有一i型半導體層24且在i型半導體層24上具有一n型半導體層25。此外，接觸孔150A之壁表面15S1為一平坦表面。
但是不同於上述實施例(及修飾實例1及2)，在修飾實例3及4中，i型半導體層24係如此設置在接觸孔150A中以與其壁表面15S1分開。即，i型半導體層24具有不取決於接觸孔150A之壁表面15S1之形狀之一形狀，即無階狀結構之形狀。根據i型半導體層24之表面形狀在此一i型半導體層24上提供n型半導體層25。此外，由(例如)SiO2 構成之一保護膜26係如此形成以覆蓋此等i型半導體層24及n型半導體層25之側表面。i型半導體層24及n型半導體層25之功能及組成材料與上述i型半導體層16及n型半導體層17之功能及組成材料相同。
在此等修飾實例3及4中，未特別限制p型半導體層14之形成區域。舉例而言，如修飾實例3，p型半導體層14可小於基板表面中之i型半導體24之形成區域(圖16)。在此情況中，i型半導體層24具有不接觸p型半導體層14之一角隅部分24e。
或者，如修飾實例4，p型半導體層14可大於基板表面中之i型半導體24之形成區域(圖17)。在此情況中，i型半導體層24無不接觸p型半導體層14之角隅部分24e。但是，由於未產生裂紋，故不存在問題。
舉例而言，可以下列方式製造上述光電變換元件。在下文描述中，以修飾實例3之結構為實例。圖18A至18C係用於說明製造根據修飾實例3之光電變換元件之方法之截面圖。
首先，類似於上述實施例之光電變換元件，在基板11上方之一選擇區域中形成p型半導體層14(中間物為絕緣膜13)，且隨後沈積第一層間絕緣膜15A並形成接觸孔150A。隨後，如圖18A所示，藉由(例如)DVD以填充接觸孔150A之此一方式將i型半導體層24及n型半導體層25按照該順序沈積在第一層間絕緣膜15A上方。接下來，如圖18B所示，藉由(例如)光微影以i型半導體層24係與接觸孔150A之壁表面15S1分開之此一方式將所形成之i型半導體層24及n型半導體層25圖案化。接下來，如圖18C所示，在基板11之整個表面上方形成保護膜26。此保護膜26係如此形成以填充壁表面15S1與i型半導體層24之間之間隙。
隨後，在與n型半導體層25相對之保護膜26之區域中形成一接觸孔。最後，類似於上述實施例形成上電極18且藉此完成圖16所示之光電變換元件。
如上述修飾實例3及4，i型半導體層24可如此提供在接觸孔150A中以與壁表面15S1分開。由於此特徵，i型半導體層24不具有如上所述之一階狀結構且因此可抑制本身發生一裂紋。因此，可抑制一洩漏路徑並可達成幾乎等效於上述實施例之有利效果。
下文將描述一光電變換裝置2(輻射成像裝置1)作為上述實施例及修飾實例1至4中所描述之光電變換元件之一應用實例。但是，上述光電變換元件之應用實例並不限於此一輻射成像裝置且光電變換元件亦可應用於(例如)一光學觸控感測器(觸控面板)。作為實例，以上述實施例中所描述之光電變換元件10作為上述數個光電變換元件之代表進行下列描述。
[光電變換裝置2之組態]
圖19展示根據應用實例之輻射成像裝置1中之光電變換裝置2之系統組態。藉由在此光電變換裝置2上提供一波長變換器40獲得輻射成像裝置1(圖20)。其執行以α射線、β射線、γ射線及X射線為代表之輻射之波長變換並基於輻射讀取資訊。
波長變換器40執行上述輻射之波長變換至光電變換裝置2之敏感度區。波長變換器40係將輻射(諸如X射線)變換為(舉例而言)可見光之一螢光本體(例如閃爍體)。具體而言，其係藉由在一有機平坦化膜或由(例如)旋塗玻璃材料構成之一平坦化膜之一頂部表面上形成(例如)CsI、NaI或CaF2之一螢光膜而獲得之一組件。
光電變換裝置2具有一基板11上之一像素單元112。圍繞此像素單元112提供由(例如)一列掃描單元(垂直驅動器)113、一水平選擇器114、一行掃描單元(水平驅動器)115及一系統控制器116組成之一周邊電路部分(驅動部分)。
在像素單元112中，各具有產生具有取決於入射光量之電荷量之光電荷且在內部積累光電荷之一光電變換器之單位像素20(下文通常簡稱作「像素」)係二維地配置為一矩陣。此單位像素20中所包含之光電變換器等效於上述實施例之光電變換元件10等等。在單位像素20中，針對各像素列提供(例如)兩個互連件(具體而言，列選擇線及重設控制線)作為下文將描述之一像素驅動線117。
在像素單元112中，針對矩陣像素配置，沿著列方向(像素在像素列上的配置方向)為各像素列提供像素驅動線117且沿著行方向(像素在像素行上的配置方向)為各像素行提供一垂直信號線118。像素驅動線117傳輸一驅動信號用於從像素中讀出信號。在圖19中，像素驅動線117係展示為每一列之一互連件。但是，每一列之像素驅動線117之數量並不限於1。像素驅動線117之各者之一末端係連接至對應於列之各自一者之列掃描單元113之輸出終端。
列掃描單元113係組態為具有一移位暫存器、一位址解碼器等等且係(例如)以逐列為基礎驅動像素單元112之各自像素之一像素驅動器。經由各自信垂直信號線118將自藉由列掃描單元113選擇性地掃描之像素列上之各自單位像素輸出之信號供應至水平選擇器114。水平選擇器114係組態為具有針對各垂直信號線118而提供之一放大器、一水平選擇開關等等。
行掃描單元115係組態為具有一移位暫存器、一位址解碼器等等且掃描並循序驅動水平選擇器114之各自水平選擇開關。藉由行掃描單元115之此選擇性掃描，經由各自垂直信號線118傳輸之各自像素之信號循序輸出至一水平信號線119並經由此水平信號線119傳輸至基板11之外部。
藉由使用形成在基板11上之一電路與一外部控制IC之一者或兩者組態由列掃描單元113、水平選擇器114、行掃描單元115及水平信號線119組成之電路部分。或者，此電路部分可形成在藉由一電纜或類似物而連接至基板11之另一基板上。
系統控制器116接收從基板11之外部賦予之一時脈、命令操作模式之資料等等並輸出光電變換裝置2之外部資訊之資料等等。此外，系統控制器116具有一時序產生器，該時序產生器產生各種類型之時序信號並基於藉由此時序產生器所產生之各種類型之時序信號控制包含列掃描單元113、水平選擇器114、行掃描單元115等等之周邊電路部分之驅動。
(單位像素20之組態)
在單位像素20中，連同光電變換元件10提供像素電晶體(諸如重設電晶體、讀出電晶體及列選擇電晶體)。此等像素電晶體各為(例如)N通道場效電晶體且使用基於矽之半導體(諸如微晶矽或多晶矽)。或者，可使用氧化物半導體(諸如銦鎵鋅氧化物(InGaZnO)或氧化鋅(ZnO))。
圖21展示此單位像素20之截面結構。如圖21所示，在單位像素20中，在相同基板11上方形成作為光電變換元件10之一光電變換器20A及由一讀出電晶體等等組成之一電晶體部分20B。此外，絕緣膜13、第一層間絕緣膜15A及第二層間絕緣膜15B亦各用作由光電變換器20A與電晶體部分20B共用之一共同層。
電晶體部分20B具有介於基板11與絕緣膜13(閘極絕緣膜)之間之由(例如)鈦(Ti)、鋁(Al)、鉬(Mo)、鎢(W)或鉻(Cr)構成之一閘極電極12。在絕緣膜13上，形成包含(例如)一p+區、一i區及一n+區之一半導體層19。此外，在半導體層19中提供輕微摻雜汲極(LDD)19a及19b以減小洩漏電流。半導體層19係由(例如)微晶矽或多晶矽構成。此半導體層19係連接至包含用於讀出之一信號線及各種類型之互連件之一互連層21。在與互連層21相同之層中，提供連接至光電變換器20A之上電極18之一提取電極18a。此等互連層21及提取電極18a係由(例如)Ti、Al、Mo、W或Cr構成。
上文已基於實施例及修飾實例描述本揭示內容。但是，本揭示內容並不限於上述實施例等等且可進行各種修飾。舉例而言，在上述實施例等等中，p型半導體層、i型半導體層及n型半導體層係依該順序從基板側堆疊。但是，半導體層可從基板側按n型半導體層、i型半導體層及p型半導體層之順序堆疊。
此外，在上述修飾實例1及2中，以其中接觸孔之壁表面具有兩個階狀部分之一結構作為實例。但是，階狀部分之數量可為三個或三個以上。即，可藉由在形成接觸孔時執行三步驟或更多步驟蝕刻形成具有三個或三個以上階層之一階梯形狀。此外，在此情況中，接觸孔係如此形成使得形成大於最靠近基板之階狀部分之至少一階狀部分。
此外，無須包含針對上述實施例等等所述之各自層之所有且相反地可包含另一層。舉例而言，由(例如)SiN構成之一保護膜可進一步形成在上電極18上。
本揭示內容含有與在2010年8月10日向日本專利局申請的日本優先權專利申請案JP 2010-179555中所揭示之標的相關之標的，該案之全文以引用的方式併入本文中。
1．．．輻射成像裝置
2．．．光電變換裝置
10．．．光電變換元件
11．．．基板
12．．．閘極電極
13．．．絕緣膜
13a．．．SiNx層
13b．．．SiO2 層
14．．．p型半導體層
14A．．．非晶矽(α-Si)層
14B．．．多晶矽(p-Si)層
15A．．．第一層間絕緣膜
15A1．．．SiO2 層
15A2．．．SiNx層
15A3．．．SiO2 層
15B．．．第二層間絕緣膜
15C．．．第一層間絕緣膜
15C1．．．SiO2 層
15C2．．．SiNx層
15C3．．．SiO2 層
15S1．．．壁表面
15S2．．．壁表面
16．．．i型半導體層
16e．．．角隅部分
16e1．．．角隅部分
16e2．．．角隅部分
16h．．．下提取互連件
16S1．．．階狀結構
16S2．．．階狀結構
17．．．n型半導體層
18．．．上電極
18a．．．提取電極
19．．．半導體層
19a．．．輕微摻雜汲極(LDD)
19b．．．輕微摻雜汲極(LDD)
20．．．單位像素
20A．．．光電變換器
20B．．．電晶體部分
21．．．互連層
24．．．i型半導體層
24e．．．角隅部分
25．．．n型半導體層
26．．．保護膜
40．．．波長變換器
100．．．光電變換元件
101．．．基板
103．．．絕緣膜
104．．．p型半導體層
105A．．．第一層間絕緣膜
106．．．i型半導體層
106S．．．階層
107．．．n型半導體層
109A．．．接觸孔
112．．．像素單元
113．．．列掃描單元
114．．．水平選擇器
115．．．行掃描單元(水平驅動器)
116．．．系統控制器
117．．．像素驅動線
118．．．垂直信號線
119．．．水平信號線
150A．．．接觸孔
150B．．．接觸孔
150C．．．接觸孔
A-A'．．．線
B-B'．．．線
Da．．．寬度
Db．．．寬度
L．．．雷射光
P1．．．預定位置
S1．．．階狀部分
S2．．．階狀部分
X．．．裂紋
圖1係展示根據本揭示內容之一實施例之一光電變換元件之組態之一截面圖；
圖2係展示圖1所示之光電變換元件之一p型半導體層、一i型半導體層(n型半導體層)及一孔部分之平面組態之一示意圖；
圖3係展示沿著圖2所示之B-B'線之光電變換元件之組態之一截面圖；
圖4A至圖4C係用於說明製造圖1所示之光電變換元件之方法之截面圖；
圖5A至圖5C係展示圖4A至圖4C之後續步驟之截面圖；
圖6A至圖6B係展示圖5A至圖5C之後續步驟之截面圖；
圖7A至圖7B係展示圖6A及圖6B之後續步驟之截面圖；
圖8A至圖8B係展示圖7A及圖7B之後續步驟之截面圖；
圖9係展示根據一比較實例之一p型半導體層、一i型半導體層(n型半導體層)及一孔部分之平面組態之一示意圖；
圖10A及圖10B展示圖9所示之光電變換元件之截面組態：圖10A係沿著A-A'線之一截面圖且圖10B係沿著B-B'線之一截面圖；
圖11A及圖11B係用於說明i型半導體層中所產生之一裂紋之示意圖：圖11A展示比較實例且圖11B展示實施例；
圖12係i型半導體層中所產生之一裂紋之一照片；
圖13係展示根據修飾實例1之一光電變換元件之組態之一截面圖；
圖14係展示根據修飾實例2之一光電變換元件之組態之一截面圖；
圖15A至圖15C係用於說明製造圖13所示之光電變換元件之方法之截面圖；
圖16係展示根據修飾實例3之一光電變換元件之組態之一截面圖；
圖17係展示根據修飾實例4之一光電變換元件之組態之一截面圖；
圖18A至圖18C係用於說明製造圖16所示之光電變換元件之方法之截面圖；
圖19係根據一應用實例之一光電變換裝置之一系統組態圖；
圖20係展示藉由組合光電變換裝置與一波長變換器而製作之一輻射成像裝置之一示意圖；及
圖21係展示連同一電晶體之一單位像素之一組態之一截面圖。
10．．．光電變換元件
11．．．基板
13．．．絕緣膜
13a．．．SiNx層
13b．．．SiO2 層
14．．．p型半導體層
15A．．．第一層間絕緣膜
15A1．．．SiO2 層
15A2．．．SiNx層
15A3．．．SiO2 層
15B．．．第二層間絕緣膜
15S1．．．壁表面
16．．．i型半導體層
16e．．．角隅部分
16S1．．．階狀結構
17．．．n型半導體層
18．．．上電極
150A．．．接觸孔
Da．．．寬度
Db．．．寬度
P1．．．預定位置

Claims (15)

  1. 一種光電變換元件，其包括：一第一半導體層，其係(i)經組態以展現一第一導電率類型、(ii)設置在一基板上方、及(iii)經組態以作為一電極，而可操作以讀取一信號電荷；一第二半導體層，其係(i)經組態以展現一第二導電率類型、且(ii)係設置為與該第一半導體層相對；及一第三半導體層，其係(i)設置在該第一半導體層與該第二半導體層之間、(ii)經組態以展現一實質上本質導電率類型、及(iii)具有不接觸該第一半導體層之至少一角隅部分，其中該第一半導體層係內嵌於該第三半導體層中，使得背向(facing away from)該第二半導體層之該第一半導體層之一最低表面與亦背向該第二半導體層之該第三半導體層之一最低表面為共平面。
  2. 如請求項1之光電變換元件，其進一步包括：一層間絕緣膜，其係經組態以具有與該第一半導體層相對之一通孔且係提供在該基板上方，其中：該第三半導體層係從該通孔之一內部延伸至該層間絕緣膜之一頂部表面且具有取決於該通孔之一壁表面之形狀之一階狀結構。
  3. 如請求項2之光電變換元件，其中：該層間絕緣膜之一側上之該第三半導體層之一表面係 平坦，且該角隅部分為該基板之一側上之該第三半導體層之一末端邊緣部分。
  4. 如請求項2之光電變換元件，其中：該基板之一側上之該通孔之一開口係提供以在沿著一基板表面之一方向上圍繞該第一半導體層之一形成區域。
  5. 如請求項2之光電變換元件，其中：該層間絕緣膜之一側上之該第三半導體層之一表面形狀在沿著垂直於一基板表面之一方向之一截面上為一階梯形狀，且該角隅部分為該基板之一側上之該第三半導體層之一末端邊緣部分或朝向該層間絕緣膜之側突出之一突出部分。
  6. 如請求項5之光電變換元件，其中：該階梯形狀中之複數個階狀部分之至少一階狀部分係大於最靠近該基板之一階狀部分。
  7. 如請求項1之光電變換元件，其進一步包括：一層間絕緣膜，其係經組態以具有與該第一半導體層相對之一通孔且係提供在該基板上方，其中：該第三半導體層係提供在該通孔中以與該通孔之一壁表面分開。
  8. 如請求項1之光電變換元件，其中： 該光電變換元件係一正-本質-負光電二極體。
  9. 一種用於製造一光電變換元件之方法，該方法包括：在一基板上方之一選擇區域中形成展現一第一導電率類型之一第一半導體層；在該第一半導體層上形成一第三半導體層，該第三半導體層具有不接觸該第一半導體層之至少一角隅部分且展現一實質上本質導電率類型；及在該第三半導體層上形成展現一第二導電率類型之一第二半導體層，其中該第一半導體層係內嵌於該第三半導體層中，使得背向該第二半導體層之該第一半導體層之一最低表面與亦背向該第二半導體層之該第三半導體層之一最低表面為共平面。
  10. 如請求項9之用於製造一光電變換元件之方法，該方法進一步包括：在該第一半導體層形成之後及在該第三半導體層形成之前，在該基板上方形成具有與該第一半導體層相對之一通孔之一層間絕緣膜，其中：在形成一第三半導體層時，該第三半導體層係如此形成以從該通孔之一內部延伸至該層間絕緣膜之一頂部表面。
  11. 如請求項10之用於製造一光電變換元件之方法，其中：在形成一層間絕緣膜時，該通孔係藉由一個步驟蝕刻 程序形成使得該通孔之一壁表面為一平坦表面。
  12. 如請求項10之用於製造一光電變換元件之方法，其中：該通孔係如此形成使得該基板之一側上之該通孔之一開口在沿著一基板表面之一方向上圍繞該第一半導體層之一形成區域之一外部。
  13. 如請求項10之用於製造一光電變換元件之方法，其中：在形成一層間絕緣膜時，該通孔係藉由一個兩步驟或多步驟蝕刻程序形成使得該通孔之一壁表面之形狀為一階梯形狀。
  14. 如請求項13之用於製造一光電變換元件之方法，其中：該通孔係如此形成使得該階梯形狀中之複數個階狀部分之至少一階狀部分大於最靠近該基板之一階狀部分。
  15. 如請求項9之用於製造一光電變換元件之方法，該方法進一步包括：在該第一半導體層形成之後及在該第三半導體層形成之前，在該基板上方形成具有與該第一半導體層相對之一通孔之一層間絕緣膜，其中：在形成一第三半導體層時，該第三半導體層係如此形成在該層間絕緣膜之該通孔中以與該通孔之一壁表面分開。
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