JPH03203272A - フォトダイオード及び受光部にこれを用いた積層型撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （概要〕 アモルファスシリコンを用いたフォトダイオードに関し
、 暗電流及び残像現象の発生を最小限に抑えることのでき
るａ−３ｔフオトダＡオードを提供することを目的とし
、 下部電極上にて形成された、アモルファスシリコンより
なる光電変換層と、該光電変換層上にて形成された、ア
モルファス炭化シリコンよりなる電子注入阻止層と、該
電子注入阻止層上にて形成された、透明電極とを有し、
前記電子注入阻止層にはＰ型不純物として、硼素が暗電
流及び残像発全率を最小とするような量で添加されてい
るように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明はアモルファスシリコン（以下ａ−３ｉと表記）
を用いたフォトダイオードに関する。

近年の各種半導体装置の高性能化に伴い、フォトダイオ
ードにも性能の向上が要求されている。

このためＳ／Ｎ比の低下原因となる暗電流と、入力光が
途切れても信号電流がしばらく流れる残像現象の発生を
抑制する必要がある。

〔従来の技術〕

第１図はａ−８ｉフオトダイオードの原理説明図であり
、ｌは支持体、２は下部電極、３は光電変換層、４は電
子注入阻止層、５は透明電極である。

同図に示すａ−３ｔフオＩ・ダイオードにおいて、まず
下部電極２及び透明電極５間に、このａ−３ｔフオトダ
イオードを駆動するための逆電圧を印加する。この状態
にて透明電極５に光が入射すると、入射光は光電変換層
３にて電子・正孔対を生威し、信号電流が発生する。こ
れがこのａ−３ｔフオトダイオードの動作原理である。

しかしながらａ−３ｔフォトダイオードにおいては、入
力光が存在しない時でも画電極２．５間に電圧が印加さ
れているために、透明電極５から常に電子が注入されて
いる。この電子の流れが、人力光が存在しないにも係わ
らず流れる暗電流の発生原因となる。

このため通常ａ−３ｉフォトダイオードでは、Ｐ型不純
物を導入してポテンシャルバリアを高くした電子注入阻
止層４を、透明電極５と光電変換Ｗｉ３との間に設け、
透明電極５から注入された電子が電流として流れること
を防止している。

この時仮に電子注入阻止層４中にＰ型不純物を導入しな
い場合、電子注入阻止層４のポテンシャルバリアが低く
なるばかりでなく、光電変換層３に対して電子注入阻止
Ｎ４が非常に高抵抗となってしまうのである。

３ ４− このことは透明電極５、下部電極２間に電圧を印加して
も、光電変換層３に充分な電界がかからないということ
を意味する。このため光電変換層３にて発生したキャリ
アにも充分な電界がかからないことから、発生したキャ
リアがトラップに捕まりやすくなってしまうのである。

キャリアがトラップに捕まると、入射光が途切れた後に
そのキャリアがトラップより抜は出して信号電流となり
、残像現象を発生させることになる。

従って電子注入阻止層４への不純物の添加は不可欠のも
のであり、例えば特開昭６１−１８１１５８号公報上に
おいても、電子注入阻止層４に相当する硼素を添加した
Ｐ型アモルファスシリコン層の存在が開示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら不純物の添加は、電子注入阻止層４のポテ
ンシャルバリアを高くする代わりに、電子注入阻止層４
の暎質を劣化させて欠陥を増加させてしまうという問題
があった。

欠陥が増大すると、透明電極５から注入された電子がこ
の欠陥を介してポテンシャルバリアを通過し、暗電流と
して流れる原因となる。

また電子注入阻止層４に添加された不純物は光電変換層
３にも拡散していくため、光電変換層３においても欠陥
を増加させる。しかも欠陥の増大はトラップの増加を伴
うため、このことは光電変換層３にて発生したキャリア
のトラップに捕まる可能性を高くすることになり、結果
的に残像現象の発生を招いたのである。

従ってこの不純物添加量の設定は非常に困難なものであ
った。

本発明は、暗電流及び残像現象の発生を最小限に抑える
ことのできるａ−３ｉフオトダイオ・−ドを提供するこ
とを目的とする。

〔課題を解決すべき手段〕 上記課題を解決するために、 １、下部電極上にて形成された、アモルファス＝５ シリコンよりなる光電変換層と、該光電変換層上にて形
成された、アモルファス炭化シリコンよりなる電子注入
阻止層と、該電子注入阻止層上にて形成された、透明電
極とを有し、前記電子注入阻止層にはＰ型不純物として
、硼素が暗電流及び残像発生率を最小とするような量で
添加されているようにフォＩ・ダイオードを構成する。

２、電子注入阻止層には、Ｐ型不純物として硼素が濃度
２　Ｘ　１０２０ｃｍ−３程度で添加されているように
、１項記載のフォトダイオードを構成する。

３．１項記載のフォトダイオードにおいて、電子注入阻
止層に添加されているＰ型不純物の濃度は、１〜３　Ｘ
　１０　ｔｏｃｍ−’であるようにフォトダイオードを
構成する。

４、　また、受光部に１項或いは３項記載のフォトダイ
オードを用いた積層型撮像素子を構成する。

〔作用〕

発明者等の実験によれば、アモルファス炭化シリコンよ
りなる電子注入阻止層の形成工程において、異なる流量
でＰ型不純物ガスを流し、数種類のａ−８ｉフオトダイ
オードを製造したところ、暗電流、残像発生率、導入不
純物量はそれぞれ第３〜５図に示すものとなった。

ここで第３図は不純物ガス流量に対する発生暗電流を示
す説明図、第４図は不純物ガス流量に対する残像発生率
を示す説明図、第５図は不純物ガス流量に対する導入不
純物量を示す説明図であり、不純物ガスは１１□ガス中
１％のＢ、Ｈ６を含むものであって、同ガスにより電子
注入阻止層に導入されるＰ型不純物は硼素である。また
第３図における暗電流は逆印加電圧５■のときのもので
あり、第４図における残像発生率は、入力光中断後１／
２０秒後のものである。第５図に示す電子注入阻止層中
の導入不純物量は、「二次イオン質量分析法」という公
知の手段にて測定した。

発明者等の実験によれば、電子注入阻止層への不純物添
加によって発生する、電子注入阻止層と光電変換層の膜
質劣化による悪影響は、不純物を７ ある程度多量に添加しなければ発生しないということが
判明した。すなわち第３図、第４図に示す如く、不純物
ガスの流量を増量することにより、膜質劣化の影響をそ
れほど受けることなく暗電流及び残像発生率を一定値ま
で減少させることができるのである。しかし不純物ガス
の流量を更に増量すると、不純物添加による膜質劣化が
大きくなり、最小値に達した暗電流及び残像発生率は再
び増加に転じるのである。暗電流及び残像発生率が最小
値に達した時の不純物量は、第５図によれば２　Ｘ　１
０　”ｃｍ−３程度であった。

本発明のフォトダイオードは上記知見に基づき、暗電流
及び残像発生率が最小となるような不純物濃度、すなわ
ち２　Ｘ　１０　”ｃｍ−３程度で、電子注入阻止層中
にＰ型不純物である硼素を添加している。

このため電子注入阻止層のポテンシャルバリアの高さ、
改質、抵抗率等は適度にバランスされており、暗電流及
び残像発生率は最大限抑制されるのである。

またその一方で本発明のフォトダイオードを実際に使用
することを考慮した時、暗電流をＩＱ−ＩＩＡ　／　ｉ
ｎ　”以下、１／２０秒後の残像発生率を１％以下に抑
えれば、現在のところ性能面において実質的に支障はな
い。

第３図、第４図によれば、上記条件は不純物ガスの流量
を１０〜２５ＳＣＣＭとした時に満たされており、この
流量によって電子注入阻止層中に導入されるＰ型不純物
濃度は、第５図の如く１〜３　Ｘ　１０　”ｃｍ−３程
度であった。

従って電子注入阻止層中にＰ型不純物として、濃度１〜
３　Ｘ　１０　”ｃｍ−’程度で硼素を導入しても、上
述と同様の効果を得ることができる。

（実施例） 第２図は本発明の実施例を示す断面図であり、ＣＣＤ　
（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ　　：
電荷転送素子）を用いた積層型撮像素子であって、その
受光部には本発明のａ−８ｉフオトダイオードを適用し
ている。

図中第１図と同一のものは同一の符号で示して９ １０ おり、１ａはシリコン基板、１ｂは電荷転送用ＣＣＤ　
％　　１　ｃは蓄積ダイオード、１ｄは絶縁層、１ｅは
配線、Ｉｆは平坦化層、Ｉｇはゲート絶縁膜、１ｈ、１
ｉはそれぞれ上部転送用電極、下部転送用電極である。

これら１ａ〜１１によって、本実施例の積層型撮像素子
の電荷転送部が構成される。

本実施例においては電荷転送部は従来の積層型撮像素子
と同一の構成でよく、例えば次のような既存の製造工程
にて形成される。

シリコン基板１ａ表面において蓄積ダイオードＩＣ及び
転送用ＣＣＤを形成した後に、酸化膜等のゲート絶縁膜
１ｇを全面に形成する。

転送用電極１ｈ、１ｉを形成した後に、酸化膜等の絶縁
１ｉｉｌｄを全面に形成する。

蓄積ダイオード１ｃ上のゲート絶縁膜１ｇ、絶ｍ１Ｈａ
を除去した後、アルミニウム等からなる配線１ｅを全面
に形成する。

配線１ｅをバターニングした後、絶縁物による平坦化層
を全面に形成し、平坦化を行う。このとき平坦化層１ｆ
は、例えばＰ　Ｓ　Ｇ　（Ｐｈｏｓｐｈｏ　５ｉｌｉｃ
ａｔｅ　Ｇｌａｓｓ　）　−３ＯＧ　（Ｓｐｉｎ　Ｏｎ
　Ｇｌａｓｓ　）　−ＰＳＧの３層構造等が用いられる
。

以上の工程において、本実施例の電荷転送部が形成され
る。

また本実施例における受光部は本発明のａ−３ｔフオト
ダイオードよりなるが、その製造工程を以下に説明する
。

平坦化１ｉ１ｆにおいて配線１ｅに達する開口部を形成
した後、下部電極２を全面に形成する。この時下部電極
２は、例えば下層がアルミシリコン、上層がチタンナイ
Ｉ・ライドよりなる２層構造であり、それぞれ２０００
人程度形成する。

下部電極２をパターニングした後に、ａ−３ｔよりなる
光電変換層３を例えば１μｍ程度、次いでアモルファス
炭化シリコンよりなる電子注入防止層を例えば１５０人
程変形戒する。この際電子注入阻止層にはＰ型不純物と
して、濃度２×１０２０ＯＩ＋−３で硼素を添加する。

次いで例えばＩＴ○（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　０ｘｉｄ
ｅ）よりなる透明電極５を１５００Å程度形威する。

１− １２− 以上の工程において、本実施例の受光部が形成され、以
て本実施例の積層型撮像素子が形成される。

本実施例の積層型撮像素子において透明電極５及び下部
電極２間に逆電圧を印力道し、この状態にて透明電極５
に光が入射すると、入射光は光電変換Ｎ３にて電子・正
札対を生成する。ここで生成したキャリアは、下部電極
５及び配線１ｅを介して蓄積ダイオード１ｃに蓄積され
る。

ところで転送用電極１ｈ、１ｉはＣＣＤにおける電荷転
送用であるが、下部転送用電極１１は本実施例において
、蓄積ダイオード１Ｃ５転送用ＣＣＤ１ｂ間の転送用ゲ
ート電極も兼ねている。

従って下部転送用電極１１に定期的な電圧を印加するこ
とにより、蓄積ダイオードｌｃ、転送用ＣＣＤ１ｂ間に
は定期的にチャネルが形成され、蓄積ダイオードＩＣに
蓄積された電荷は定期的に転送用ＣＣＤ１ｂへと送られ
るのである。

この後、転送用ＣＣＤＩＩ）へと送られたキャリアは定
期的にシフトされていき、信号処理されることになる。

本実施例の積層型撮像素子では、入力信号に暗電流及び
残像が非常に少なくなるため、その出力信号もＳ／Ｎ比
が高く、残像の少ないものとなる。

また本発明のａ−３ｉフォトダイオードは、上述のよう
な積層型撮像素子の受光部だけでなく、他の素子に適用
することも可能であり、例えばセンサ等に適用すること
もできる。

以上本発明を実施例により説明したが、本発明は本発明
の趣旨に従い種々の変形が可能であり、本発明からこれ
らを排除するものではない。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、電子注入阻止層に
添加する不純物を適量に設定できるという効果を奏する
。

従って暗電流及び残像の発生を最大限に抑制することが
できることから、アモルファスシリコン・フォトダイオ
ード及びこれに関わる半導体装置の性能向上に寄与する
ところが大きい。

３ ４

【図面の簡単な説明】

第１図はアモルファスシリコン・フォトダイオードの原
理説明図、 第２図は本発明の実施例を示す断面図、第３図は不純物
ガス流量に対する発生暗電流を示す説明図、 第４図は不純物ガス流量に対する残像発生率を示す説明
図、 第５図は不純物ガス流量に対する注入不純物量を示す説
明図である。 図中、１．。 ａ ｌｂ。 ｌｃ。 ｌｄ。 ｌｅ。 １　ｆ。 Ｉｇ。 ｌｈ。 支持体１ 、シリコン基板１ 、転送用Ｃ０Ｄ１ 、蓄積ダイオード５ 、絶縁層２ 、配線１ 、平坦化層１ 、ゲート絶縁膜１ 、上部転送用電極、 １５− １１゜ ２、。 ３、。 ４、。 ５、。 、下部転送用電極、 下部電極、 光電変換層、 電子注入阻止層、 透明電極。 ６ 特開平３ ２０３２７２　（７）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、下部電極（２）上にて形成された、アモルファスシ
   リコンよりなる光電変換層（３）と、該光電変換層（３
   ）上にて形成された、アモルファス炭化シリコンよりな
   る電子注入阻止層（４）と、 該電子注入阻止層（４）上にて形成された、透明電極（
   ５）とを有し、 前記電子注入阻止層（４）にはＰ型不純物として、硼素
   が暗電流及び残像発生率を最小とするような量で添加さ
   れていることを特徴とするフォトダイオード。 ２、電子注入阻止層（４）には、Ｐ型不純物として硼素
   が濃度２×１０＾２＾０ｃｍ＾−＾３程度で添加されて
   いることを特徴とする請求項１記載のフォトダイオード
   。 ３、請求項１記載のフォトダイオードにおいて、電子注
   入阻止層（４）に添加されているＰ型不純物の濃度は、
   １〜３×１０＾２＾０ｃｍ＾−＾３であることを特徴と
   するフォトダイオード。 ４、受光部に請求項１記載のフォトダイオードを用いる
   ことを特徴とする積層型撮像素子。