JPH0883895A

JPH0883895A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JPH0883895A
Application number: JP6220555A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Ishizuka; 芳樹石塚; Michio Sasaki; 道夫佐々木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-09-14
Filing date: 1994-09-14
Publication date: 1996-03-26

Abstract

(57)【要約】【目的】積層型固体撮像素子において、素子特性の劣化
を伴うことなく残像特性の改善及びスミア・レベルの低
減を図る。【構成】固体撮像素子は、シリコン基板４４の表面に配
設された電荷転送部４２と、その上にＢＰＳＧ絶縁膜６
６を介して配設された光電変換部４１とを有する。画素
に対応して絶縁膜６６上には複数の画素電極６８が形成
され、これらは配線電極６２を介して電荷転送部４２に
接続される。画素電極６８上には、ａ−ＳｉＣ：Ｈ
（ｉ）膜７４、ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｉ）膜７６、ａ−Ｓｉ
Ｃ：Ｈ（ｐ）膜７８、ＩＴＯ電極８２が順次積層され
る。絶縁膜６６は画素毎に凸形状を有するように形成さ
れ、ＩＴＯ電極８２、半導体膜７８、７６、７４、及び
画素電極６８が、画素毎に、絶縁膜６６の凸形状に倣っ
た凸形状をなす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は固体撮像素子に関し、よ
り具体的には、積層型固体撮像素子の光電変換部の改良
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体技術の進展に伴い、半導体
を用いた電子デバイスの開発が盛んに行われている。こ
れら半導体電子デバイスの一潮流として、従来の撮像管
に代わる撮像素子としてＣＣＤ（電荷結合素子）技術を
基礎にした固体撮像素子の開発が挙げられる。

【０００３】その技術の中で主に開発されてきた素子は
結晶シリコン技術を基盤としたものである。その素子の
断面概要を図３に示す。この素子の特徴は、図３に示さ
れているように、電荷転送部１２と光電変換部（信号電
荷生成部）１１とが横並びの配列になっていることであ
る。光電変換部１１は結晶シリコンのｐｎ結合で形成さ
れており、このｐｎ接合に逆バイアスを印加した状態で
光が照射されると空乏層領域で光電変換により生成され
たフリー・キャリア（電子）が信号電荷となって電荷転
送部１２へと送られていく。

【０００４】従って、この構造の素子は、残像が発生し
ないという長所がある。しかし、反面、電荷転送部１２
と光電変換部１１とが横並び構造になっていることに起
因して開口率が低下するという短所がある。開口率の低
下に伴う素子特性としての問題には、例えばダイナミッ
ク・レンジや感度の低下が挙げられる。つまり、信号電
荷生成部１１の面積が限定されてしまい、信号電荷の絶
対量に限界が生じてしまうため、ダイナミック・レンジ
や感度が低下してしまう。

【０００５】この問題は、素子サイズの微小化に伴って
更に顕著に現れてくる。この問題を克服するため、素子
の上部にマイクロレンズ１３を設け、光の屈折を利用
し、素子表面に入射してきた光を効率良く光電変換部１
１に導き、実効的な受光面積を大きくする方法が提案さ
れている。この解決策の欠点は、コスト・アップにつな
がることである。更に、素子サイズの微小化に伴ってマ
イクロレンズを作製すること自体の技術的困難さも生じ
てくる。

【０００６】上述の問題への対応策として、素子の構造
自体の改良をベースとした新たな素子が提案されてい
る。その素子の断面概要を図４に示す。同素子の特徴
は、光電変換部２１を電荷転送部２２の上に配置したこ
とにある。光電変換部２１は、従来の結晶シリコンでな
く、水素化非晶質（アモルファス）シリコンを用いたｐ
ｉ接合を有する。図４において、電荷転送部２２上に配
設された画素電極２４上に、ｉ型アモルファスシリコン
・カーバイド（ａ−ＳｉＣ：Ｈ（ｉ））膜２６、ｉ型ア
モルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｉ））膜２８、ｐ
型アモルファスシリコン・カーバイド（ａ−ＳｉＣ：Ｈ
（ｐ））膜３２が順に積層される。ｐ型膜３２上に更に
ＩＴＯの透明電極３４が配設される。

【０００７】この様な材料を選択して積み重ね構造を可
能とすることにより、図３図示の構造の問題点である開
口率の低下を抑止し、素子表面に入射した光をほぼ１０
０％の効率で信号電荷の生成に活用することができるよ
うになる。従って、素子サイズの微小化に伴ったダイナ
ミック・レンジ及び感度の低下といった問題点を克服す
ることが可能となる。

【０００８】反面、図４図示の素子における問題点とし
て、光電変換部２１に用いているアモルファスシリコン
内で生じる残像（光導電性残像）と、蓄積ダイオード２
３から電荷転送部２２（垂直ＣＣＤ）への信号電荷読み
だし時に生じる残像（容量性残像）との２つのメカニズ
ムによって残像が生じてしまうことが挙げられる。この
うち容量性残像については、電荷注入ダイオードを付設
し、蓄積ダイオードの蓄積電荷量をリセットすることに
より除去することが可能となる。一方、光導電性残像は
アモルファス材料固有のギャップ内準位にその起源を発
するため完全に除去することは困難である。但し、膜に
印加する電圧（電界）を調節することにより減少可能で
あることが分かってきている。

【０００９】図５は画素電極間に存在するギャップと残
像特性との関係を示すグラフである。図５中、実線は全
面電極（実際の素子構造で存在する画素電極間ギャップ
が存在しないベタ電極）を使用した素子の残像特性を示
し、破線は画素電極間ギャップが存在する実際の素子の
残像特性を示す。両素子共、画素電極上には、ａ−Ｓｉ
Ｃ：Ｈ（ｉ）／ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｉ）／ａ−ＳｉＣ：Ｈ
（ｐ）の積層構造のダイオードを形成し、各膜の膜厚を
２００オングストローム／１．８μｍ／２００オングス
トロームとした。印加電圧を変化させ、３フィールド後
（２／６０−３／６秒後間）の残像を計測した。

【００１０】図示の如く、全面電極を使用した場合、実
線で示すように、印加電圧１０Ｖ程度で光導電性残像は
０．２％程度まで低減可能であり、これはシステム残像
やモニター残像を考慮すると実用上問題ない値である。
しかし、実際の素子では、破線で示すように、印加電圧
が高くなると残像値が大きくなる。この原因としては画
素電極間ギャップに対応する領域で電界強度が小さくな
り、その領域に入射する光による残像成分が全体の残像
値増加の主要因になっていると考えられる。

【００１１】この残像特性の欠点を補う手段としては、
画素電極ギャップ領域の膜形状を工夫する方法が考案さ
れている。この方法は、残像特性改善に有効に作用させ
るためには電極をある程度の厚さ以上にする必要があ
り、その場合、画素電極の上側エッジから、ａ−Ｓｉ
Ｃ：Ｈ（ｉ）膜内に面状欠陥が発生し、その欠陥面がリ
ーク電流のパスになるという問題がある。更に、画素電
極の上側エッヂで電界集中が生じ、その高電界部を通し
てのリーク電流の増大も認められるようになる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、水素化ア
モルファスシリコンを光電変換部に用いた積層型固体撮
像素子の素子特性は、従来構造の素子と比較して数多く
の点で優れた特性を有しているが、唯一残像特性で欠点
をもっている。また、その残像特性を改善するための方
策もないわけではないが、これらの方策は、他の特性
（例えばリーク電流等）を犠牲にするか、或いは製造上
の問題を発生させている。

【００１３】また、積層型固体撮像素子はその構造上の
特徴から入射光は下地ＣＣＤまでは到達しにくく、基本
的にスミア・レベルが低いという特徴が存在するが、高
精細テレビ用カメラとしてとらえた場合、まだ十分なレ
ベルには至っていない。

【００１４】本発明は以上の問題点に鑑みてなされたも
のであり、水素化アモルファスシリコンを光電変換部に
用いた積層型固体撮像素子の優れた素子特性を維持し、
且つ他の特性及び製造工程の簡便さを犠牲にすることな
く、残像特性の改善及びスミア・レベルの低減を可能と
した固体撮像素子を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る固体撮像装
置は、半導体基板の表面に配設された電荷転送部と、前
記電荷転送部上に絶縁膜を介して配設された光電変換部
と、を具備する。前記光電変換部は、前記光電変換部の
画素に対応して前記絶縁膜上に形成された複数の画素電
極と、前記画素電極は配線を介して電荷転送部に電気的
に接続されることと、前記画素電極上に形成されたｉ型
半導体膜と、前記ｉ型半導体膜上に形成されたｐ型半導
体膜と、前記ｐ型半導体膜上に形成された透明電極と、
を具備する。前記絶縁膜は前記画素毎に凸形状を有する
ように形成され、前記透明電極、ｐ型半導体膜、ｉ型半
導体膜、及び画素電極は、前記画素毎に、前記絶縁膜の
前記凸形状に倣った凸形状をなす。

【００１６】望ましい態様において、前記透明電極の前
記凸形状の表面の傾斜角の最大値が１５°〜２５°の範
囲にあり、ここで、前記傾斜角は、前記透明電極の前記
凸形状の表面に対する接線と前記基板の前記表面とのな
す角度である。

【００１７】

【作用】本発明によれば、各画素に対応する前記凸形状
により、前記透明電極から入射した光は、各画素電極上
に形成される電界強度の高い領域のみに向かって屈折
し、進行する。そして、主としてｉ型半導体膜により光
電変換されて信号電荷となり、また、各電界に導かれ
て、各画素電極に送られる。従って、前記画素電極間の
ギャップに対応する位置での光電変換は実質的になくな
り、残像特性の改善及びスミア・レベルの低減が達成さ
れる。

【００１８】また、各画素電極の上面は前記絶縁膜の凸
形状に対応して湾曲し、且つその側面はパターニングの
際に基板の表面に対して概ね直角となる。このため、各
画素電極のエッジは鈍角をなすようになり、画素電極上
に形成される膜内における面状欠陥の発生とエッヂでの
電界集中を抑制することができる。

【００１９】

【実施例】以下、添付の図面に示す実施例を参照して本
発明を詳述する。図１は本発明の実施例に係る積層型固
体撮像素子の断面を示す図であり、ここで、光電変換部
４１が電荷転送部（垂直ＣＣＤ）４２の上に配置され
る。

【００２０】電荷転送部４２はｐ型シリコン基板４４の
表面内に形成されたｎ^- 型チャネル層４６を有する。チ
ャネル層４６は、基板４４表面内で、図１の紙面に対し
て直交する方向に延在する。チャネル層４６上に隣接し
て、基板４４の表面内には、ｎ⁺ 型拡散層５２と、更に
その表面にｎ⁺⁺型コンタクト層５４が形成され、これら
は、蓄積ダイオード４８の一部を構成する。チャネル層
４６から拡散層５２近傍に亘って、基板４４上には、Ｓ
ｉＯ₂ からなるゲート絶縁膜５６を介して、ポリシリコ
ンシリコンからなるフローティングゲート電極５８ａ及
びコントロールゲート電極５８ｂが配設される。

【００２１】蓄積ダイオード４８のコンタクト層５４に
は、モリブデンシリサイドからなる画素配線電極６２が
接続される。配線電極６２は、ＳｉＯ₂ 絶縁膜６４を介
して、ゲート電極５８ａ、５８ｂ上に位置する。配線電
極６２上には、ＢＰＳＧ絶縁膜６６が配設され、更に、
その上にチタンからなる多数の画素電極６８が形成され
る。画素電極６８は画素毎に独立し、それらの間に電極
間ギャップ７２が形成される。画素電極６８は、対応の
配線電極６２の一端に接触し、対応の蓄積ダイオード４
８に接続される。

【００２２】画素電極６８上には、ｉ型アモルファスシ
リコン・カーバイド（ａ−ＳｉＣ：Ｈ（ｉ））膜７４、
ｉ型アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｉ））膜７
６、ｐ型アモルファスシリコン・カーバイド（ａ−Ｓｉ
Ｃ：Ｈ（ｐ））膜７８が順に積層される。ｐ型アモルフ
ァスシリコン・カーバイド膜７８上に更にＩＴＯの透明
電極８２が配設される。

【００２３】次に、図１図示の撮像素子の製造工程の概
要を図２を用いて説明する。ここでは、ＢＰＳＧ膜６６
から上の部分だけの形成工程を示す。先ず、ＢＰＳＧ膜
６６上の、画素電極６８を配置する位置に、画素電極サ
イズより小さいサイズのフォトレジストのマスク８６を
形成する（図２（ａ））。次に、マスク８６に覆われて
いない領域のＢＰＳＧ膜６６をエッチングする。この
際、弗化アンモニウム（ＮＨ₄ Ｆ）をエッチャントとし
て用いてウェットエッチングを行うと、エッチング後の
ＢＰＳＧ膜６６の形状は図２（ｂ）に示す様な、滑らか
な凹凸形状となる。

【００２４】この凹凸形状は、ＢＰＳＧ膜６６のメルト
工程の温度等を調整し、ボロン、リンの濃度分布を制御
することにより制御可能となる。また、四弗化炭素（Ｃ
Ｆ₄）と酸素とを用いたＣＤＥによるドライエッチング
も可能であるが、上述のウェットエッチングのような滑
らかな凹凸形状を得るのは困難である。

【００２５】次に、マスク８６を剥離し、ＢＰＳＧ膜６
６上にチタン等からなる金属膜を形成する。そして、金
属膜をパターニングし、ＢＰＳＧ膜６６の各凸部を覆う
ように画素電極６８を形成する（図２（ｃ））。次に、
ａ−ＳｉＣ：Ｈ（ｉ）膜７４、ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｉ）膜７
６、ａ−ＳｉＣ：Ｈ（ｐ）膜７８、ＩＴＯ電極８２を順
次積層し（図２（ｄ））、図１図示の構造を完成させ
る。

【００２６】このように製造した積層型固体撮像素子の
光電変換部１は、図１図示の如く、各画素毎に凸形状に
膨らんだ凹凸形状をなす。この凹凸形状は製造工程にお
いて得られたＢＰＳＧ膜６６の凹凸形状に由来する。

【００２７】画素電極６８及びＩＴＯ電極８２は、概ね
平行を維持した状態で湾曲して対向するため、電極間に
形成される電界の電気力線は、図１中に矢印で示される
様になり、電極間ギャップ７２に対応する位置では、電
界強度は小さくなる。しかし、ＩＴＯ電極８２から入射
した光は、ＩＴＯ電極８２の各画素に対応する凸形状に
より、各画素電極６４上に向かうように屈折する。即
ち、ＩＴＯ電極８２から入射した光は、各画素電極６８
上に形成される電界強度の高い領域のみに向かって進行
する。そして、主にａ−Ｓｉ：Ｈ（ｉ）膜７６により光
電変換されて信号電荷となり、また、各電界に導かれ
て、各画素電極６８に送られる。電界の電気力線は、各
画素電極６８に向けて形成されるため、光電変換された
信号電荷は確実に各画素電極６８に向けて送られる。従
って、電極間ギャップ７２に対応する位置での光電変換
は実質的になくなり、残像特性の改善及びスミア・レベ
ルの低減が達成される。

【００２８】更に、各画素電極６８の上面はＢＰＳＧ膜
６６の凸形状に対応して湾曲し、且つその側面はパター
ニングの際に基板４４の表面に対して概ね直角となる。
このため、各画素電極６８のエッジ６８ｅは鈍角をなす
ようになり、ａ−ＳｉＣ：Ｈ（ｉ）膜７４内における面
状欠陥の発生とエッヂ６８ｅでの電界集中を抑制するこ
とができる。従来の構造において、これらの効果を得る
ためには、画素電極の形状（例えば厚さやエッヂの形
状）に関して特異性を与えたり、埋め込み電極を用いて
局所的な段差をなくす等の特別な調整が必要となる。本
発明では、この様な特別な調整が必要でなく、従って、
他の特性に影響を及ぼすことなく残像特性の改善とスミ
ア・レベルの低減とを図ることができる。

【００２９】各画素に対応する凸形状は、その表面の傾
斜角が小さすぎると、入射光の屈折や画素電極６８のエ
ッジ６８ｅの鈍角化の効果が十分に発揮されない。逆
に、傾斜角が大きすぎると、電極間ギャップ７２に対応
して溝が形成され、画素電極６８より上の部分における
均質な成膜が困難となる。また、高精細テレビ用カメラ
或いは小型撮像素子等における画素サイズの微小化を考
慮すると、電極間ギャップは１．２μｍ程度以下とする
必要がある。これらを総合的に判断すると、各画素の凸
形状は、その表面の傾斜角、即ち、その表面に対する接
線と下地基板の表面とのなす角度θ（図１参照）の最大
値が、１５°〜２５°の範囲にあることが望ましい。［実験１］図４及び図１図示の従来の固体撮像素子と本
発明の固体撮像素子の性能の比較実験を行った。比較実
験は１インチ２００万画素の素子を用いて行った。画素
サイズは７．３μｍ×７．６μｍ、画素電極間ギャップ
は１．２μｍとした。表１に実験１の結果を示す。この
表から、本発明の固体撮像素子では、従来の固体撮像素
子と比べて、残像特性及びスミア・レベルの点で改善さ
れていることが分かる。

【００３０】

【表１】［実験２］各画素の凸形状の程度と固体撮像素子の特性
との関係について実験を行った。凸形状の程度は、その
表面に対する接線と下地基板面とのなす角度θ（図１参
照）の最大値θmax を指標とした。θmax は、５°から
４０°までの範囲で変化させた。実験に用いた固体撮像
素子の他の条件は、実験１に用いたものと同一とした。
表２に実験２の結果を示す。この表から、θmax が１５
°〜２５°の範囲で良好な素子特性が得られることが分
かる。

【００３１】

【表２】

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、水素化アモルファスシ
リコンを光電変換部に用いた積層型固体撮像素子におい
て、他の素子特性を損なうことなく、残像特性の改善及
びスミア・レベルの低減を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る積層型固体撮像素子を示
す断面図。

【図２】図１図示の固体撮像素子の製造工程を順に示す
図。

【図３】従来の固体撮像素子を示す断面図。

【図４】従来の他の固体撮像素子を示す断面図。

【図５】画素電極間に存在するギャップと残像特性との
関係を示すグラフ。

【符号の説明】

４１…光電変換部、４２…電荷転送部、４４…シリコン
基板、４６…チャネル層、４８…蓄積ダイオード、５２
…拡散層、５４…コンタクト層、５６…ゲート絶縁膜、
５８ａ、５８ｂ…ゲート電極、６２…配線電極、６４…
絶縁膜、６６…絶縁膜、６８…画素電極、７２…電極間
ギャップ、７４…ｉ型アモルファスシリコン・カーバイ
ド膜、７６…ｉ型アモルファスシリコン膜、７８…ｐ型
アモルファスシリコン・カーバイド膜、８２…透明電
極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板の表面に配設された電荷転送部
と、前記電荷転送部上に絶縁膜を介して配設された光電
変換部と、を具備する固体撮像素子であって、前記光電変換部が、前記光電変換部の画素に対応して前記絶縁膜上に形成さ
れた複数の画素電極と、前記画素電極は配線を介して電
荷転送部に電気的に接続されることと、前記画素電極上に形成されたｉ型半導体膜と、前記ｉ型半導体膜上に形成されたｐ型半導体膜と、前記ｐ型半導体膜上に形成された透明電極と、を具備
し、前記絶縁膜が前記画素毎に凸形状を有するように形成さ
れ、前記透明電極、ｐ型半導体膜、ｉ型半導体膜、及び
画素電極が、前記画素毎に、前記絶縁膜の前記凸形状に
倣った凸形状をなすことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】前記透明電極の前記凸形状の表面の傾斜角
の最大値が１５°〜２５°の範囲にあり、ここで、前記
傾斜角は、前記透明電極の前記凸形状の表面に対する接
線と前記基板の前記表面とのなす角度であることを特徴
とする請求項１記載の固体撮像素子。