JPH08213583A

JPH08213583A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPH08213583A
Application number: JP7020153A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Sakuma; 尚志佐久間; Hidetoshi Nozaki; 秀俊野崎; Yoshiki Ishizuka; 芳樹石塚; Hisanori Ihara; 久典井原; Hideo Ichinose; 秀夫市之瀬; Tetsuya Yamaguchi; 鉄也山口; Yoshinori Iida; 義典飯田; Akihiko Furukawa; 章彦古川; Takako Niiyama; 貴子新山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-02-08
Filing date: 1995-02-08
Publication date: 1996-08-20

Abstract

(57)【要約】【目的】良好な光耐性を備え、高品質の撮像画像を安
定的に得ることが可能な、固体撮像装置の提供を目的と
する。【構成】少なくとも信号電荷蓄積部1a，信号電荷転送
部1bおよび信号電荷読み出し部を有し、かつ前記信号電
荷蓄積部1aへ電気的に接続する下部電極６が最上層に設
けられて成る固体撮像素子チップと、前記固体撮像素子
チップ面上に設けられた水素化アモルファスシリコンか
ら成る光電変換層７と、前記光電変換層７上面に設けら
れた電荷注入阻止層8bと、前記電荷注入阻止層8b面上に
設けられた上部電極９とを具備して成る固体撮像装置で
あって、前記光電変換層７と電荷注入阻止層8bとの間に
連続層７′を介挿・配置して成ることを特徴とする。ま
た、前記構成において、固体撮像素子チップ面と光電変
換層７との間に、さらに電荷注入阻止層8aを介挿させた
構成を採ることもでき、この場合はさらに安定性などよ
くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、いわゆる CCD(Charge
Coupled Device) と呼称される固体撮像素子チップ面
に、光電変換膜を積層して構成する固体撮像装置に係
り、特に光電変換層が水素化アモルファスシリコンで構
成された固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】少なくとも信号電荷蓄積部，信号電荷転
送部および信号電荷読み出し部を有し、かつ前記信号電
荷蓄積部へ電気的に接続する下部電極（画素電極）が最
上層に設けられて成る固体撮像素子チップを本体として
成る固体撮像装置は、たとえばビデオカメラ、電子スチ
ルカメラ、もしくは胃カメラなど体腔内監視用として、
各分野で実用されている。そして、この固体撮像装置の
構成において、前記固体撮像素子チップ面上に、光電変
換層を積層した構成を採った場合は、固体撮像装置の感
光部の開口面積を広くすることができるとともに、光電
変換層との電気的な接続のための下部電極（画素電極）
が固体撮像素子チップ面のほとんどを覆うので、高感度
でかつ低スミアというすぐれた特性を呈する。こうした
点から、光電変換層積層型の固体撮像装置は、各種監視
用テレビカメラやHDTA(High Difinition Television)カ
メラなどへの利用が期待されている。

【０００３】図６は前記光電変換層積層型の固体撮像装
置の要部構成例を断面的に示したもので、１は半導体基
板、たとえば P型シリコン基板であり、信号電荷蓄積部
1aを成すｎ+ 型蓄積ダイオード、信号電荷転送部1bを成
すｎ- 型垂直 CCDチャンネル、およびｐ+ 型素子分離領
域1cを有している。２は、たとえば酸化シリコンなどか
ら成る第１の絶縁層（膜）、3a，3bは前記第１の絶縁層
２に埋め込まれた転送ゲート電極、４は前記第１の絶縁
層２のコンタクトホール2aを介し、前記ｎ+ 型蓄積ダイ
オード1aに電気的に接続する引き出し電極（信号電荷読
み出し部を成す）である。また、５は前記引き出し電極
４面を被覆する、たとえばBPSG（B-P-Si系ガラス）から
成る第２の絶縁層、６は前記引き出し電極４に電気的に
接続しながら、前記第２の絶縁層５面上に設けられた下
部電極（画素電極）である。さらに、７は前記下部電極
６形成面上に、第１の電荷注入阻止層8aを成すｉ型水素
化アモルファスシリコンカーバイド層を介して、積層配
置された水素化アモルファスシリコン膜（光電変換
層）、8bは前記光電変換層７面上に設けられた第２の電
荷注入阻止層を成すｐ型水素化アモルファスシリコンカ
ーバイド層、９は前記第２の電荷注入阻止層8b面上に積
層配置された上部電極（透明電極）である。

【０００４】この固体撮像装置においては、上部電極
（透明電極）９に負電圧を、下部電極（画素電極）６に
正電圧を印加し、光の入射によって光電変換層７で発生
した光電流を、下部電極６を通して蓄積ダイオード1aに
導き、蓄積ダイオード1aに蓄積された信号電荷を、信号
電荷転送部1bを介して映像信号として読み出す構成とな
っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記固
体撮像装置にあっては、光電変換層７を成す水素化アモ
ルファスシリコン膜のSteablar-Wornski効果の問題があ
る。すなわち、水素化アモルファスシリコン膜のネット
ワーク中に組み込まれた水素原子が、構造上の不安定さ
を引き起こし、光照射によってトラップ準位が増加する
現象である。このSteablar-Wornski効果において、暗状
態での電流はトラップ準位を介して流れるため、トラッ
プ準位の増加とともに電流も増加することになる。した
がって、非常に強い光、たとえばレーザー光が照射され
た場合、トラップ準位の増加が大きくなって暗電流も増
加し、白傷として画像欠陥を起こすので、実用に供し得
ないことになる。

【０００６】本発明は、上記事情に対処してなされたも
ので、実用に耐え得る高品質の撮像画像を安定的に得る
ことが可能な、固体撮像装置の提供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る第１の固体
撮像装置は、少なくとも信号電荷蓄積部，信号電荷転送
部および信号電荷読み出し部を有し、かつ前記信号電荷
蓄積部へ電気的に接続する下部電極が最上層に設けられ
て成る固体撮像素子チップと、前記固体撮像素子チップ
面上に設けられた水素化アモルファスシリコンから成る
光電変換層と、前記光電変換層面上に設けられた電荷注
入阻止層と、前記電荷注入阻止層面上に設けられた上部
電極とを具備して成る固体撮像装置であって、前記光電
変換層と電荷注入阻止層との間に、光電変換層と電荷注
入阻止層との間の光学的バンドプロファイルをなだらか
にするための連続層を介挿・配置して成ることを特徴と
する。

【０００８】本発明に係る第２の固体撮像装置は、少な
くとも信号電荷蓄積部，信号電荷転送部および信号電荷
読み出し部を有し、かつ前記信号電荷蓄積部へ電気的に
接続する下部電極が最上層に設けられて成る固体撮像素
子チップと、前記固体撮像素子チップ面上に設けられた
第１の電荷注入阻止層と、前記第１の電荷注入阻止層面
上に設けられた水素化アモルファスシリコンから成る光
電変換層と、前記光電変換層面上に設けられた第２の電
荷注入阻止層と、前記第２の電荷注入阻止層面上に設け
られた上部電極とを具備して成る固体撮像装置であっ
て、前記光電変換層と第２の電荷注入阻止層との間に、
光電変換層と電荷注入阻止層との間の光学的バンドプロ
ファイルをなだらかにするための連続層を介挿・配置し
て成ることを特徴とする。

【０００９】本発明に係る第３の固体撮像装置は、少な
くとも信号電荷蓄積部，信号電荷転送部および信号電荷
読み出し部を有し、かつ前記信号電荷蓄積部へ電気的に
接続する下部電極が最上層に設けられて成る固体撮像素
子チップと、前記固体撮像素子チップ面上に設けられた
水素化アモルファスシリコンから成る光電変換膜と、前
記光電変換膜面上に設けられた電荷注入阻止層と、前記
電荷注入阻止層面上に設けられた上部電極とを具備して
成る固体撮像装置であって、前記光電変換膜を成す水素
化アモルファスシリコン中の水素濃度が 5〜10at％であ
ることを特徴とする。

【００１０】本発明に係る第４の固体撮像装置は、少な
くとも信号電荷蓄積部，信号電荷転送部および信号電荷
読み出し部を有し、かつ前記信号電荷蓄積部へ電気的に
接続する下部電極が最上層に設けられて成る固体撮像素
子チップと、前記固体撮像素子チップ面上に設けられた
第１の電荷注入阻止層と、前記第１の電荷注入阻止層面
上に設けられた水素化アモルファスシリコンから成る光
電変換膜と、前記光電変換膜面上に設けられた第２の電
荷注入阻止層と、前記第２の電荷注入阻止層面上に設け
られた上部電極とを具備して成る固体撮像装置であっ
て、前記光電変換膜を成す水素化アモルファスシリコン
中の水素濃度が 5〜10at％であることを特徴とする。

【００１１】第１および第２の発明は、次のよう事情に
基づいて達成されたものである。すなわち、本発明者ら
は、光電変換層を成す水素化アモルファスシリコン層
（膜）にかかる電界を高めることによって、光照射で発
生してトラップされた電荷がより多く掃き出されること
に着目して検討を進めた。そして、前記光電変換層を成
す水素化アモルファスシリコン膜と、この水素化アモル
ファスシリコン膜上に設けられた電荷注入阻止層との間
に、いわゆるバンドプロファイルを連続化（なだらか
に）する連続層を配置した場合、水素化アモルファスシ
リコン膜にかかる電界を高めることが可能となり、トラ
ップされた電荷がより多く掃き出され、光耐性が良好な
固体撮像装置して機能することを確認し、発明を達成す
るに至ったものである。

【００１２】この点さらに説明すると、水素化アモルフ
ァスシリコン膜（光電変換層）と、この水素化アモルフ
ァスシリコン膜上の電荷注入阻止層とは、図１ (a)に模
式的に示すごとく、ヘテロ接合となっており、光電変換
層10である水素化アモルファスシリコン膜と電荷注入阻
止層11との間の界面準位が増加し、界面での電界集中が
起こり、その結果、光電変換層10である水素化アモルフ
ァスシリコン膜中にかかる実効電界が減少する。ここ
で、水素化アモルファスシリコン膜10にかかる実効電界
を高めるためには、前記電荷注入阻止層11との界面準位
を低減させて、界面での電界集中を抑制すればよいこと
になる。つまり、図１ (b)， (c)に模式的に示すごと
く、光電変換層10である水素化アモルファスシリコン膜
と電荷注入阻止層11との間に、連続層12を形成・配置す
ることによって、光電変換層10と電荷注入阻止層11とは
バンドプロファイルが連続して形成し得ることになる。

【００１３】なお、この発明において、連続層12とは、
光電変換層10の光学的なバンドギャップと、電荷注入阻
止層11の光学的なバンドギャップとの間に介在（介挿）
し、これらの光学的なバンドギャップを連続的に（なだ
らかに）変化する形態とす光学的なバンドギャップ層を
意味する。そして、このような連続層12は、次ぎのよう
な手段で形成することができる。第１の手段例は、電荷
注入阻止層11のドーピングガスであるジボランを光電変
換層10形成後徐々に増加させ、その後、電荷注入阻止層
11形成用の素材ガスであるメタンガスを徐々に増加させ
ることにより形成し得る。第２の手段例は、原料ガスで
あるシランガスを一定とし、メタンガスを徐々に増加さ
せて積層的に形成する。ここで、電荷注入阻止層11のド
ーピングガスはジボランに限定されるものでなく、ま
た、電荷注入阻止層11形成用の素材ガスもメタンガスに
限定されるものでなく、たとえばアセチレンガスなども
使用し得る。

【００１４】図２は、前記光電変換層10と電荷注入阻止
層11との間に連続層12を介挿・配置した構成を採った固
体撮像装置（試料Ａ）、および光電変換層10と電荷注入
阻止層11との間に連続層12を介挿・配置しない構成を採
った固体撮像装置（試料Ｂ）について、画像欠陥の原因
となる白傷出力を、それぞれ評価した結果を示すもので
ある。図２において、直線ａは試料Ａの場合を、また直
線ｂは試料Ｂの場合を示し、試料Ａの場合は試料Ｂの場
合に比べて、光耐性が約 1.5倍向上していた。ここで、
光耐性が約 1.5倍向上していることは、白傷出力として
認められる 1mV出力で換算すると、実用に関して問題が
ないレベルであることをを意味し、したがって、固体撮
像装置の利用において、強い光たとえばザー光が入射し
ても、白傷のない画像がえられるという利点をもたらす
ことになる。

【００１５】また、第３および第４の発明は、次のよう
事情に基づいて達成されたものである。すなわち、本発
明者らは、 (a)前記固体撮像装置の性能が、光電変換層
を成す水素化アモルファスシリコン層（膜）に大きく左
右されること、 (b)良好な性能の確保に光電変換層の光
によるトラップ準位の増加抑制が有効であること、さら
に (b)トラップ準位の増加抑制に光電変換層の安定性の
改善・向上が不可欠であることなどに着目して検討を進
めた。そして、前記光電変換層を成す水素化アモルファ
スシリコン膜中の水素量（水素濃度）を適正に選択・制
御した場合、光電変換層としての暗電流増加が抑制さ
れ、かつ光に対する安定性も改善・向上し、光耐性が良
好な固体撮像装置として機能することを確認して、本発
明を達成するに至ったものである。

【００１６】この点さらに説明すると、水素化アモルフ
ァスシリコン膜に光照射した後（光劣化後）の暗電流、
および水素化アモルファスシリコン膜中の水素濃度の関
係について検討したところ、図３に示すごとく、暗電流
は水素濃度（水素量）が10at％までは減少傾向を示し、
10at％を超えると逆に増加消傾向を示す。ここで、水素
量が10at％を超えたときの暗電流の増加は、前記水素量
の増加に伴った光照射によるトラップ準位の増加に起因
しており、10at％以下領域での暗電流の増加傾向は、定
常状態での暗電流に関係している。また、前記定常状態
での暗電流と水素化アモルファスシリコン膜中の水素濃
度との関係は図４に示すごとくである。そして、暗電流
は水素量が増加すると逆に減少し、水素濃度（水素量）
が15at％を超えると、暗電流が逆に増加傾向を示す。つ
まり、光劣化は、水素濃度が低いほど小さいが、10at％
以下では定常状態での暗電流が高いため、光照射後の暗
電流も増加傾向を示す。そして、この場合も、光耐性は
約 1.5倍程度向上していた。ところで、固体撮像装置
においては、暗時の信号電流（暗電流）が 1×10^-10(A
／cm²）以下であれば、画像欠陥として認められないこ
とを考慮すると、図３から分かるように、水素化アモル
ファスシリコン膜中の水素濃度を 5〜15at％に選択・設
定されるが、さらに好ましくは 7〜13at％である。

【００１７】

【作用】第１および第２の発明に係る固体撮像装置にお
いては、上記したように、光電変換層を成す水素化アモ
ルファスシリコン膜上に連続層を介して電荷注入阻止層
を配置・設定することにより、光に対する安定性が大幅
に向上・改善され、信頼性の高い固体撮像装置として常
に機能する。

【００１８】一方、第３および第４の発明に係る固体撮
像装置においては、上記したように、光電変換層を成す
水素化アモルファスシリコン膜中の水素濃度を適正な範
囲に選択・設定することにより、定常状態での暗電流増
加が抑制され、かつ光に対する安定性も大幅に向上され
る。つまり、固体撮像装置の性能を大きく左右する水素
化アモルファスシリコン膜（光電変換層）の安定性が改
善・向上されるため、信頼性の高い固体撮像装置とし
て、常に機能することになる。

【００１９】

【実施例】以下図５を参照して本発明の実施例を説明す
る。

【００２０】実施例１本発明に係る固体撮像装置は、その基本的な構成おいて
は前記図６に図示した従来の積層型固体撮像装置の場合
と変わらない。図５に図示した要部構成において、半導
体基板１は，たとえば P型シリコン基板であり、隣接し
て信号電荷蓄積部1aを成すｎ+ 型蓄積ダイオードおよび
信号電荷転送部1bを成すｎ- 型垂直 CCDチャンネルが設
けられている。また、前記ｎ+ 型蓄積ダイオード1aおよ
びｎ- 型垂直 CCDチャンネル1bは一つの対ごとに、ｐ+
型素子分離領域1cでそれぞれ分離された構成を成してい
る。

【００２１】２は，たとえば酸化シリコンなどで形成さ
れている第１の絶縁層（絶縁膜）、3a，3bは前記第１の
絶縁層２に埋め込まれた転送ゲート電極層、たとえばク
リスタルシリコンから成る電極層、４は前記第１の絶縁
層２に形設されたコンタクトホール2aを介し、前記ｎ+
型蓄積ダイオード1aに電気的に接続する引き出し電極４
である。ここで、前記コンタクトホール2aは、形成した
第１の絶縁層２について、たとえばフォトリソグラフィ
法によって、前記ｎ+ 型蓄積ダイオード1aに接続する形
で選択的に設けられている。

【００２２】また、前記引き出し電極４は、たとえばア
ルミニウム薄膜パターンであって、コンタクト孔2aから
第１の絶縁層２の周縁に亘って転送ゲート電極3a，3b上
部まで設けられている。５は前記引き出し電極４面およ
び第１の絶縁層２面の平坦面化を兼ねて被覆された第２
の絶縁層であり、たとえばBPSG（B-P-Si系ガラス）など
から成る絶縁体である。そして、この第２の絶縁層５の
被覆形成に当たっては、前記引き出し電極４の上端面の
一部を露出させ、前記第２の絶縁層５面上に設けられる
下部電極（画素電極）６と電気的に接続可能となってい
る。ここで、下部電極６は、たとえば厚さ 100nmのチタ
ン層をフォトリソグラフィ法によって、パターニングし
たものである。

【００２３】さらにまた、8aは前記下部電極（画素電
極）６形成面上に形成され、正孔に対してバリア層とし
て機能する第１の電荷注入阻止層、たとえばｉ型水素化
アモルファスシリコンカーバイド層であり、７は前記第
１の電荷注入阻止層8a上面に、積層配置された水素化ア
モルファスシリコン膜（光電変換層）である。

【００２４】さらに、8bは前記水素化アモルファスシリ
コン膜７面上に形成され、電子に対してバリア層として
機能する第２の電荷注入阻止層、たとえばｐ型水素化ア
モルファスシリコンカーバイド層である。そして、前記
光電変換層７と第２の電荷注入阻止層8bとの間には、光
電変換層７−電荷注入阻止層8b間のバンドプロファイル
を連続化（なだらかに）する機能を有する連続層７″が
形成されている。また、前記第２の電荷注入阻止層8b面
上には、上部電極（透明電極）９が積層配置されてい
る。ここで、前記上部電極９は、たとえば ITOなどから
成る厚さ30nmの透明な導電性酸化物膜を、フォトリソグ
ラフィ法によって、パターニングしたものである。

【００２５】なお、上記固体撮像装置では、水素化アモ
ルファスシリコン膜（光電変換層）７を挟む形（積層
に）で、第１の電荷注入阻止層8aおよび第２の電荷注入
阻止層8bを配置した構成例を示したが、これらの電荷注
入阻止層8a，8bのうち、少なくとも水素化アモルファス
シリコン膜７と上部電極９層との間に、前記連続層７″
および電荷注入阻止層8bが積層・配置されていればよ
い。

【００２６】次に、上記構成の固体撮像装置の製造方法
例を説明する。

【００２７】先ず、半導体基板，たとえば P型シリコン
基板１を用意し、常套的な固体撮像素子チップの製造手
段によって、信号電荷蓄積部1aとしてのｎ+ 型蓄積ダイ
オード、および信号電荷転送部1bとしてのｎ- 型垂直 C
CDチャンネル、これらｎ+ 型蓄積ダイオード1aおよびｎ
- 型垂直 CCDチャンネル1bを対ごとに分離するｐ+ 型素
子分離領域1cをそれぞれ形成する。次に、前記信号電荷
蓄積部1aなどの形成面に、たとえば酸化シリコンなどか
ら成る第１の絶縁層（絶縁膜）２、およびクリスタルシ
リコンから成る転送ゲート電極3a，3bをそれぞれ形成す
る。その後、前記第１の絶縁層２について、たとえばフ
ォトリソグラフィ法によって、前記ｎ+型蓄積ダイオー
ド1aに接続するコンタクト孔2aを選択的に設け、さら
に、たとえばアルミニウム薄膜を形成し、このアルミニ
ウム薄膜にフォトリソグラフィ加工を施して、前記ｎ+
型蓄積ダイオード1aに接続するする一方、第１の絶縁層
２の周縁に亘って転送ゲート3a，3b上部まで、引き出し
電極４パターンを設ける。

【００２８】次いで、前記形成した引き出し電極４面お
よび第１の絶縁層２面の平坦面化を兼ねて、たとえばBP
SGなどの絶縁体から成る第２の絶縁層５を被覆形成す
る。このとき、前記引き出し電極４の上端面の一部を露
出させ、次工程で、前記第２の絶縁層５面上に設ける下
部電極（画素電極）６が電気的に接続可能となってい
る。下部電極６は、前記第２の絶縁層５面上に、たとえ
ばスパッタリング法により、厚さがほぼ50〜 100nm程度
のチタン層を形成し、フォトリソグラフィ法によってパ
ターニングし、一画素ごとに対応して引き出し電極４に
接続する形に形成する。その後、前記下部電極（画素
電極）６を形成した面上に、正孔に対してバリア層とし
て機能するｉ型アモルファスシリコン層（第１の電荷注
入阻止層）8a、水素化アモルファスシリコン膜（光電変
換層）７、連続層７″、および電子に対してバリア層と
して機能するｐ型水素化アモルファスシリコンカーバイ
ド層（第１の電荷注入阻止層）8bを順次積層・形成す
る。そして、これら正孔に対するバリア層8a，光電変換
層７，連続層７″および電子に対するバリア層8bは、た
とえばグロー放電分解による気相化学反応成膜法で形成
し得る。すなわち、正孔に対するバリア層8aは、シラン
ガスおよびメタンガスを原料ガスとして膜厚20〜30nm程
度に、光電変換層７はシランガスを原料ガスとして膜厚
1〜 2μm 程度に、電子に対するバリア層8bは、シラン
ガスおよびメタンガスを原料ガスとし、さらにジボラン
ガスをドーピングガスとして膜厚20〜30nm程度に、それ
ぞれ形成する。なお、前記電子に対するバリア層8bの形
成に先立って、ジボランガスを 0から順次増量しながら
シランガスとともに流し、その後メタンガスを 0から順
次増量しながら流して、前記光電変換層７上に連続層
７″を形成する。

【００２９】前記電子に対するバリア層（第２の電荷注
入阻止層）8b形成後、この電子に対するバリア層8b上面
に、たとえばスパッタリング法によって ITOなどから成
る厚さ30nm程度の透明な導電性酸化物膜を形成してか
ら、ボンディングパッドなどに対応する領域を、フォト
リソグラフィ法によってパターニング除去することによ
り、所要の固体撮像装置が得られる。

【００３０】このように構成された固体撮像装置におい
ては、光電変換層７で受光された入射光は、電子−正孔
対に変換され、上部電極（透明電極）９と下部電極（画
素電極）６との間に印加された所定のバイアス電圧によ
り、電子は引き出し電極４を介して蓄積ダイオード（信
号電荷蓄積部）1aに与えられ、信号電荷として蓄積され
る。そして、前記蓄積ダイオード1aに蓄積された信号電
荷は、転送ゲート電極3aに印加される電圧により、垂直
CCDチャンネル領域（信号電荷転送部）1bに転送された
後、この垂直 CCDチャンネル領域1bを順次移動して転送
され、いわゆる固体撮像装置としての機能を成す。

【００３１】実施例２この実施例に係る固体撮像装置は、前記図６に図示した
従来の積層型固体撮像装置の場合とその基本的な構成が
変わらない。したがって、前記図６を参照して本発明に
係る固体撮像装置のこうせいを説明する。図６に図示し
た要部構成において、半導体基板１はたとえば P型シリ
コン基板であり、隣接して信号電荷蓄積部1aを成すｎ+
型蓄積ダイオード、および信号電荷転送部1bを成すｎ-
型垂直 CCDチャンネルが設けられている。また、前記ｎ
+ 型蓄積ダイオード1aおよびｎ-型垂直 CCDチャンネル1
bは一つの対ごとに、ｐ+ 型素子分離領域1cでそれぞれ
分離された構成を成している。

【００３２】第１の絶縁層（絶縁膜）２は、たとえば酸
化シリコンなどで形成されており、この第１の絶縁層２
には、たとえばクリスタルシリコンから成る転送ゲート
電極層3a，3bが埋め込まれている。さらに、前記第１の
絶縁層２には、コンタクトホール2aが形設されており、
このコンタクトホール2aを介して、前記ｎ+ 型蓄積ダイ
オード1aに電気的に接続する引き出し電極４が配置され
ている。ここで、前記コンタクトホール2aは、第１の絶
縁層２について、たとえばフォトリソグラフィ法によっ
て、前記ｎ+ 型蓄積ダイオード1aに接続する形で選択的
に設けられている。また、前記引き出し電極４は、たと
えばアルミニウム薄膜パターンであって、コンタクト孔
2aから第１の絶縁層２の周縁に亘って転送ゲート電極3
a，3b上部まで設けられている。

【００３３】さらに、前記引き出し電極４面および第１
の絶縁層２面の平坦面化を兼ねて、たとえばBPSGなどか
ら成る第２の絶縁層５が被覆されている。そして、この
第２の絶縁層５の被覆形成に当たっては、前記引き出し
電極４の上端面の一部を露出させ、前記第２の絶縁層５
面上に設けられる下部電極（画素電極）６と電気的に接
続可能となっている。ここで、下部電極６は、たとえば
チタン層をフォトリソグラフィ法によって、パターニン
グしたものである。さらにまた、前記下部電極（画素電
極）６形成面上には、正孔に対してバリア層として機能
する第１の電荷注入阻止層8a、たとえばｉ型水素化アモ
ルファスシリコンカーバイド層が被覆形成されており、
この第１の電荷注入阻止層8a上面には、水素化アモルフ
ァスシリコン膜（光電変換層）７′が積層配置されたて
いる。ここで、水素化アモルファスシリコン膜７′は、
水素量 5〜15at％（さらに好ましくは 7〜13at％）に調
整・制御された水素化アモルファスシリコン膜であり、
この点にこそ本発明の特徴がある。

【００３４】またさらに、前記水素化アモルファスシリ
コン膜７′面上には、電子に対してバリア層として機能
する第２の電荷注入阻止層8b、たとえばｐ型水素化アモ
ルファスシリコンカーバイド層が形成されている。そし
て、前記第２の電荷注入阻止層8b上面には、さらに上部
電極（透明電極）９が積層配置されている。ここで、前
記上部電極９は、たとえば ITOなどから成る厚さ15〜30
nmの透明な導電性酸化物膜を、フォトリソグラフィ法に
よって、パターニングしたものである。

【００３５】なお、上記固体撮像装置では、水素化アモ
ルファスシリコン膜（光電変換層）７′を挟む形（積層
に）で、第１の電荷注入阻止層8aおよび第２の電荷注入
阻止層8bを配置した構成例を示したが、これらの電荷注
入阻止層8a，8bのうち、少なくとも水素化アモルファス
シリコン膜７′と上部電極９層との間に、電荷注入阻止
層8bが積層・配置されていればよい。

【００３６】次に、上記構成の固体撮像装置の製造方法
例を説明する。

【００３７】先ず、半導体基板，たとえば P型シリコン
基板１を用意し、常套的な固体撮像素子チップの製造手
段によって、信号電荷蓄積部1aとしてのｎ+ 型蓄積ダイ
オード、および信号電荷転送部1bとしてのｎ- 型垂直 C
CDチャンネル、これらｎ+ 型蓄積ダイオード1aおよびｎ
- 型垂直 CCDチャンネル1bを対ごとに分離するｐ+ 型素
子分離領域1cをそれぞれ形成する。

【００３８】次に、前記信号電荷蓄積部1aなどの形成面
に、たとえば酸化シリコンなどから成る第１の絶縁層
２、およびクリスタルシリコンから成る転送ゲート電極
3a，3bをそれぞれ形成する。その後、前記第１の絶縁膜
２について、たとえばフォトリソグラフィ法によって、
前記ｎ+ 型蓄積ダイオード1aに接続するコンタクト孔2a
を選択的に設け、さらに、たとえばアルミニウム薄膜を
形成し、このアルミニウム薄膜にフォトリソグラフィ加
工を施して、前記ｎ+ 型蓄積ダイオード1aに接続するす
る一方、第１の絶縁層２の周縁に亘って転送ゲート3a，
3b上部まで、引き出し電極４パターンを設ける。

【００３９】次いで、前記形成した引き出し電極４面お
よび第１の絶縁層２面の平坦面化を兼ねて、たとえばBP
SGなどの絶縁体から成る第２の絶縁層５を被覆形成す
る。このとき、前記引き出し電極４の上端面の一部を露
出させ、次工程で、前記第２の絶縁層５面上に設ける下
部電極（画素電極）６が電気的に接続可能と成ってい
る。下部電極６は、前記第２の絶縁層５面上に、たとえ
ばスパッタリング法により、チタン層を形成し、フォト
リソグラフィ法によってパターニングし、一画素ごとに
対応して引き出し電極４に接続する形に形成する。

【００４０】その後、前記下部電極（画素電極）６を形
成した面上に、正孔に対してバリア層として機能するｉ
型アモルファスシリコン層（第１の電荷注入阻止層）8
a、所要の水素量を含む水素化アモルファスシリコン膜
（光電変換層）７′，および電子に対してバリア層とし
て機能するｐ型水素化アモルファスシリコンカーバイド
層（第１の電荷注入阻止層）8bを順次積層・形成する。
そして、これら正孔に対するバリア層8a，光電変換層
７′および電子に対するバリア層8bは、たとえばグロー
放電分解による気相化学反応成膜法で形成し得る。すな
わち、正孔に対するバリア層8aは、シランガスおよびア
セチレンガスを原料ガスとして膜厚20〜30nm程度に、光
電変換層７′はシランガスを原料ガスとして膜厚 1〜 2
μm 程度に、電子に対するバリア層8bは、シランガスお
よびメタンガスを原料ガスとし、さらにジボランガスを
ドーピングガスとして膜厚20〜30nm程度に、それぞれ形
成する。前記電子に対するバリア層（第２の電荷注入
阻止層）8b形成後、この電子に対するバリア層8b上面
に、たとえばスパッタリング法によって ITOなどから成
る厚さ15〜30nm程度の透明な導電性酸化物膜を形成して
から、ボンディングパッドなどに対応する領域を、フォ
トリソグラフィ法によってパターニング除去することに
より、所要の固体撮像装置が得られる。

【００４１】このように構成された固体撮像装置におい
ては、光電変換層７′で受光された入射光は、電子−正
孔対に変換され、上部電極（透明電極）９と下部電極
（画素電極）６の間に印加された所定のバイアス電圧に
より、電子は引き出し電極４を介して蓄積ダイオード
（信号電荷蓄積部）1aに与えられ、信号電荷として蓄積
される。そして、前記蓄積ダイオード1aに蓄積された信
号電荷は、転送ゲート電極3aに印加される電圧により、
垂直 CCDチャンネル領域（信号電荷転送部）1bに転送さ
れた後、この垂直 CCDチャンネル領域1bを順次移動して
転送され、いわゆる固体撮像装置としての機能を成す。

【００４２】上記では、代表的な構成例について説明し
たが、本発明はこれらの例示に限定されるものでなく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で、いろいろ変形して実
施し得る。

【００４３】

【発明の効果】上記説明したように、第１および第２の
発明に係る固体撮像装置によれば、固体撮像素子チップ
面に積層した光電変換層について、光に対する安定性が
向上された構成を採っている。そして、この光に対する
安定性の改善・向上に伴って、撮像画像について従来し
ばしばみられた欠陥など、全面的に解消もしくは回避さ
れるので、信頼性の高い機能を保持・発揮する固体撮像
装置の提供が可能となる。また、第３および第４の発
明に係る固体撮像装置によれば、固体撮像素子チップ面
に積層した光電変換層について、定常状態の暗電流の増
加が容易に抑制されているばかりでなく、光に対する安
定性も向上された構成を採っている。すなわち、前記積
層光電変換層を成す水素化アモルファスシリコン膜の水
素濃度を適正に選択・設定したことにより、定常状態の
暗電流の増加抑制（ 1×10^-10 A／cm²以下に）、安定
性の向上や高品質化が図られる。そして、この光に対す
る安定性の改善・向上に伴って、撮像画像についての欠
陥なども全面的に解消もしくは回避されるので、信頼性
の高い機能を保持・発揮する固体撮像装置の提供が可能
となる。

【００４４】そして、前記光に対する安定性の向上・改
善、たとえばレーザ光への耐光性が従来比で約 1.5倍程
度を示すことは、この種の固体撮像装置がレーザ光など
によって、局部的にライトアップされるような場面の撮
像に使用されるケースが多いことを考慮すると、実用性
の面から多くの利点をもたらすものといえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(a)， (b)は積層型固体撮像装置における光電
変換層−電子に対しバリアとして機能する電荷注入阻止
層間のバンドプロファイルを模式的に比較して示す説明
図。

【図２】本発明に係る積層型固体撮像装置および従来の
積層型固体撮像装置について照射光強度と白傷出力の関
係を比較して示す特性図。

【図３】本発明に係る積層型固体撮像装置が具備する水
素化アモルフアスシリコン膜について水素濃度と暗電流
の関係を示す曲線図。

【図４】本発明に係る積層型固体撮像装置が具備する水
素化アモルフアスシリコン膜について定常状態における
水素濃度と暗電流の関係を示す曲線図。

【図５】本発明に係る積層型固体撮像装置の要部構成例
を示す断面図。

【図６】従来の積層型固体撮像装置の要部構成を示す断
面図。

【符号の説明】

１……ｐ型シリコン基板 1a……信号電荷蓄積部
（蓄積ダイオード） 1b……信号電荷転送部（垂直 CCDのチャンネル）
1c……素子分離領域２……第１の絶縁層 3a，3b……転送ゲート電極
４……引き出し電極５……第２の絶縁層
６……上部電極（画素電極）７，７′，10……
水素化アモルファスシリコン膜（光電変換層）
７″，12……連続層 8a……正孔に対するバリア
（第１の電荷注入阻止層） 8b，11……電子に対す
るバリア（第２の電荷注入阻止層）９……上部電
極（透明電極）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井原久典神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者市之瀬秀夫神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者山口鉄也神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者飯田義典神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者古川章彦神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者新山貴子神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも信号電荷蓄積部，信号電荷転
送部および信号電荷読み出し部を有し、かつ前記信号電
荷蓄積部へ電気的に接続する下部電極が最上層に設けら
れて成る固体撮像素子チップと、前記固体撮像素子チッ
プ面上に設けられた水素化アモルファスシリコンから成
る光電変換層と、前記光電変換層面上に設けられた電荷
注入阻止層と、前記電荷注入阻止層面上に設けられた上
部電極とを具備して成る固体撮像装置であって、前記光電変換層と電荷注入阻止層との間に、光電変換層
と電荷注入阻止層との間の光学的バンドプロファイルを
なだらかにするための連続層を介挿・配置して成ること
を特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】少なくとも信号電荷蓄積部，信号電荷転
送部および信号電荷読み出し部を有し、かつ前記信号電
荷蓄積部へ電気的に接続する下部電極が最上層に設けら
れて成る固体撮像素子チップと、前記固体撮像素子チッ
プ面上に設けられた第１の電荷注入阻止層と、前記第１
の電荷注入阻止層面上に設けられた水素化アモルファス
シリコンから成る光電変換層と、前記光電変換層面上に
設けられた第２の電荷注入阻止層と、前記第２の電荷注
入阻止層面上に設けられた上部電極とを具備して成る固
体撮像装置であって、前記光電変換層と第２の電荷注入阻止層との間に、光電
変換層と電荷注入阻止層との間の光学的バンドプロファ
イルをなだらかにするための連続層を介挿・配置して成
ることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】少なくとも信号電荷蓄積部，信号電荷転
送部および信号電荷読み出し部を有し、かつ前記信号電
荷蓄積部へ電気的に接続する下部電極が最上層に設けら
れて成る固体撮像素子チップと、前記固体撮像素子チッ
プ面上に設けられた水素化アモルファスシリコンから成
る光電変換膜と、前記光電変換膜面上に設けられた電荷
注入阻止層と、前記電荷注入阻止層面上に設けられた上
部電極とを具備して成る固体撮像装置であって、前記光電変換膜を成す水素化アモルファスシリコン中の
水素濃度が 5〜15at％であることを特徴とする固体撮像
装置。
【請求項４】少なくとも信号電荷蓄積部，信号電荷転
送部および信号電荷読み出し部を有し、かつ前記信号電
荷蓄積部へ電気的に接続する下部電極が最上層に設けら
れて成る固体撮像素子チップと、前記固体撮像素子チッ
プ面上に設けられた第１の電荷注入阻止層と、前記第１
の電荷注入阻止層面上に設けられた水素化アモルファス
シリコンから成る光電変換膜と、前記光電変換膜面上に
設けられた第２の電荷注入阻止層と、前記第２の電荷注
入阻止層面上に設けられた上部電極とを具備して成る固
体撮像装置であって、前記光電変換膜を成す水素化アモルファスシリコン中の
水素濃度が 5〜15at％であることを特徴とする固体撮像
装置。