JPS59148363A - 固体撮像装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は固体撮像装置に関し、特に光導電膜を積層した
型の固体撮像装置に関する。

慰 従来の構成と問題点 家庭用ビデオチーブレコーダの普及に伴ない、ビデオカ
メラの需要も急激に増加しているが、固体撮像装置は、
小型、軽量、低消費電力等の多くの％徴を有するため、
家庭用ビデオチープレコータのカメラとして本命視さノ
ｔている。

信号走査機能を有する半導体基板上に光導電膜を端層し
た構成の固体撮像装置、（以下積層型固体撮像装置と呼
ぶ）は、通常の８１　　半導体のみよりなる固体撮像装
置に比べて、光利用率が大であることから高感度でろり
、また入射光は、はとんど光導電膜で吸収きｎることが
ら、画像劣化の原因となるスメアリング現象が生じＶこ
ぐいという特徴を有する。し力・しながら、通常の撮像
管ターゲット用の光導電膜が平担なフェースプレート上
に形成さ扛るのに対し、積層型固体撮像装置の場合には
、段差金有する半導体回路基板上に形成する必要がβす
、光導電膜には、多くの制約が生ずる。

以下図面を用いて、積層型固体撮像装置の基本構成につ
いて説明し、従来の欠点について述べる。

第１図は、信号走査回路にｃａｎ（電荷結合素子）を用
いた場合の積層型固体撮像装置の一絵素の断面図であシ
、第２図は第１図に示した固体撮像装置の一絵素を複数
個配列した場合の平面図である。また、第３図は第１図
に示す構成の固体撮像装置の一絵素の等価回路図である
。

これらの図において、ｐ型Ｓ１基板１０にｙ１＋型領域
１１を形成しダイオード領域とする０１２は、ダイオー
ド領域１１より移された信号電荷を垂直方向に読み出す
ため２の電荷転送段であり、絶縁層１４を介したゲート
電極１５により駆動される。このゲート電極１５は膜厚
約６０００人の多結晶Ｓｉ　で構成されている。ゲート
電極１５は、信号電荷を垂直方向に転送する転送電極と
して働くとともに、ダイオード領域１１に蓄積された信
号電荷を電荷転送段１２に読み込むだめのゲート電極の
役割も兼ねている。１７は、入射光２１により光導電膜
１９で発生した信号電荷を集めるだめの第一電極であり
、ダイオード領域１１と電気的に接続されている。第一
電極１７とゲート電極１５とは、ＰＳ（、等の低融点ガ
ラス層１６によシ絶縁されている。２０瞑、光導電体１
９の表面に形成された透明電極であり、入射光２１は透
明電極２０側より入射する。

上記構成の固体撮像装置において、ＣＣＤＩ′ｉ二相駆
動により駆動される。この場合、光導電膜１９にとって
の最大の段差は、第２図のＡ−Ｂ線に沿った断面図であ
り、１．０〜１．２μｍの段差が存在する。また、第一
電極１７の材料としては、Ｍｏ。

Ｔａ、Ｗ％の金属を用いるが、入射光がＳｉ　基板に達
し、スメアリング現象を生じさせないためには、十分な
遮光性を持たせる必要があり、少なくとも１０００Å以
上の厚みで形成する。絵素を各々独立なものとするため
には、第一電極１７を、モザイク状に分離する必要があ
り、第１図の分離部２２においても段差が生ずる。これ
らの二種類の段差は、通常の蒸着による光導電膜１９の
暗電流を増加させ、耐圧を著るしく低下させる。

このような段差のある基板上でも暗電流が小さく、光感
度の高い光導電膜として非晶質水素化シリコンを用いる
ことが提案されている。非晶質水系化シリコンは、プラ
ズマＣｖＤ法、反応性スパッタ法、イオンブレーティン
グ法等を用いて形成するため、段差のある基板上でも等
方向に膜が形成され、段差カバレージが優れている。こ
れは、プラズマ中で膜形成が行われ、構成分子が様々な
方向から飛来するためではないかと推測される。

非晶質水素化シリコンを用いた場合の欠点として、光導
電膜１９で生成する最大信号電荷量と電荷転送段１２の
最大取扱い電荷量のバランスの問題がある。

第３図の一絵素の等価回路図を用いてこの問題を説明す
る。第３図において、３１は、第一電極１７と透明電極
２０（第３図中に２０＆で示す。

またゲート電極を１６＆で示す）ではさまれた光導電膜
１９と緩衝層１８の容量であり、その大きさをＯＮで表
わす。３２は、ｐ型Ｓ１基板１ｏとｎ＋型領領域１１形
成されたダイオードの容量であり、その大きさをＣｓで
表わす。３３は第一電極１７とゲート電極１６との間で
寄生的に発生する容量であり、その大きさをＯｐで表わ
す。また３４をノードと称し、その電位をノード電位と
以下称する。ここでノード電位は、第一電極１７の　　
□電位に等しい。この時、−絵素あたり蓄積可能な電荷
Ｑｍａｘ　は、信号読み込み後のノード電位と透明電極
２０ａの電位差をΔＶとすると、Ｑｍａｘ　　：＝（Ｃ
Ｎ＋ＣＰ＋Ｏ３）　、Δｖ＝ＣＴ　ΔＶで表わすことが
できる。ここで０７　＝：　ＣＭ−１−ＣＰ−１−Ｃ８
であり、これは全容量を表わす。これに対し、電荷転送
段１２の１バケ７）あたりの最大取扱い電荷量をＱｍａ
ｘとすると、Ｑｍａｘ　ｌ　Ｑｍａｘである限り問題は
ないが、Ｑｍａｘ　）　Ｑｍａｘとなる場合には、残像
現象や転送段でのオーバーフロー現象を引き起こす。後
者のオーバーフロー現象はいわゆるブルーミング現象と
なる。

この現象を防止するためには、全容量０丁（＝ＯＮ十〇
ｓ　−１−Ｏｐ　）の減少、あるいは、光導電膜１９の
動作電圧の低下をはかる必要かある。特に後者の動作電
圧の低下をはかることは、走査回路側の負担を軽減する
ために重要である。

この低電圧動作の非晶質水素化シリコン光導電膜は、プ
ラズマＣＶＤ法によるｎｉｐ構造で容易に実現できるが
、解像度の点で問題がある。反応性スパッタ法によると
解像度では問題ないが、低電圧動作の非晶質水素化シリ
コンの実現は困難であった。

発明の目的 本発明の目的は上述のすぐれた特長のある非晶質水素化
シリコンを反応性スパッタ法により形成し、高電圧動作
の欠点を解消した光導電膜を用いて優れた特性をもつ積
層形振像装置を提供することにある。

この光導電膜を積層すると上述したような、積層型固体
撮像装置の実用化をはばんでいた、光導電膜の耐圧不良
や、残像およびブルーミング現象を大巾に改善し、さら
に焼きっけや解像度劣化の非常に少ない固体撮像装置が
実現できる。

本発明の構成 本発明者は反応性スパッタ法による。解像度のすぐれた
非晶質水素化シリコンの動作電圧低下のためのドーピン
グ元素として、Ｓ　、　Ｓｓ　、　Ｔｅのカルコゲン元
素が有効であることを見いだした。この光導電膜は解像
度も低下せず、動作電圧の低下することができ、しかも
段差カバレージの優れた光導電膜を提供でき、積層型固
体撮像装置用として適している。

本発明では、きらに暗電流の低下、動作電圧の低下のた
め、カルコゲン元素ドープの非晶質シリコンヲプロノキ
ング構成にするとさらに効果が太きい。このブロッキン
グ層が、水素量大とすることによシ実現でき、反応性ス
パッタ法によって他の元素を導入することなしに作製で
きる利点がある。

Ｓ１結晶とＳｅターゲットをＡｒ、Ｈ２雰囲気中で反応
性スパッタ法によ膜形成した実験例を示す。

Ｓ１単結晶上のＭＯ基板上に全圧力６　Ｘ　１０　’Ｔ
ｏｒｒ。

水素分圧０．２で１０ｏＷ、６０分、および２００Ｗ、
９０分で膜形成を行ない、１１１Ｍ平方の透明電極を形
成した。

第４図に透明電極に一１０Ｖ印加したときの暗電流値４
１及び４３６ｎｍの波長で０．５μＷ／ｃ４の光を照射
したときの光電流飽和電圧４２の８１とＳｅ　ターゲッ
トの面積比依存性を示す。光電流飽和電圧は、動作電圧
と対応するので低電圧の方が望ましい。

実施例の説明 以下、本発明の実施例について具体的に説明する。

実施例１ ＣＣＤの上に、ｎ＋層１１を開口部として、低融点ガラ
ス１６を１．０μｍ以上の厚さで形成する。

第１電極はＭＯを厚さ２００ＯＡ　形成して構成する。

この上に、Ｓ１多結晶上にＳｅをイオン注入したＳ１単
結晶を配置し、ターゲットとし、Ａｒ、＝４．６　Ｘ　
１０　’Ｔｏｒｒ　　Ｈ２＝５Ｘ１０　　’Ｔｏｒｒ導
入して、反応性スパッタ法により、非晶質水素化シリコ
ンを形成する。基板瀝度２６０℃、放電パワー３００Ｗ
で７０分間形成すると、２μｍの厚さの非晶質水素化シ
リコンとなる。この上に又応性スパッタ法により透明電
極工ｎ２ｏ３を１００ＯＡ形成すると、第１図に示す断
面構造の本発明の固体撮像装置となる。

従来のようにＳｉ多結晶のみをターゲットとし、Ｓｅを
ドープしていない例も同時に示す。信号電流が飽和する
電圧以上に印加電圧を設定しないと焼付けが発生する。

したがって、１０Ｗ以上の電圧が必要であったのに対し
、本実施例では３ｖで十分である。ただ、光が当らない
とき発生する暗電流が若干増加する。

以下の実姉例は上記実施例１のＣＣＤ上の第１電極１７
までの形成方法及び透明電極２０の形成方法は同一であ
り、それについての具体的な説明は省略する。

実姉例２ 第６図に示すように非晶質水素化シリコンを２層にし、
第１層１８は放電バ’７−１００Ｗで０．２μｍ、第２
層目１９は、放電パフ−２００Ｗで１．６μｍの厚さ形
成する。ターゲットは、実姉例１と同じく多結晶Ｓ１と
、ＳｓをドープしたＳ１単結晶を配置したものを用いた
。第６図にこのときの４３５　ｎｍ、　０．５　、ｃｚ
Ｗの光照射時の光電流６１と暗電流５２の印加電圧依存
性を示す。比較のため、初めから２００Ｗで１．５μｍ
非晶質水素化シリコンを形成した場合の光電流６３と暗
電流６４も示す。１００Ｗで形成した層があると耐圧（
白傷発生電圧）が良くなっているのがわかる。同一条件
下で放電パワーだけを変化させた場合、低いパワーの方
が水素の結合状態が変化し、バンドギャップの増加がみ
られる。したかつて１ｏＯＷで形成した非晶質水素化シ
リコンは、正孔注入阻止の働きもしているものと推測さ
れる。

この１００Ｗで形成する非晶質水素化シリコンａ−８ｉ
：Ｈの代りに、ａ　　Ｓ　１ｘＣ１ｘ　：　Ｈ。

ａ−Ｓｉ　：Ｈ：　Ｏ、ａ−３ｉ　：Ｈ：Ｎでも有効で
アラた。

まだ、ＺｎＳ、Ｚｎ５ｅでも有効であった。

実施例３ 第７図に示すように実施例２の２層の光導電膜の上［Ｓ
ｉ多結晶のみをターゲットとしＡｒとＮ２の混合ガス圧
力６　ｘ’　１Ｏ−３Ｔｏｒｒ、　Ｎ２分圧０．２　Ｋ
し、放電電力３ＫＶＶ基板温度２００　’Ｃで３層目の
Ｓｉ　Ｈｚ　２３を３０ＯＡ形成し、後に透明電極２０
を形成する。第６図にこのときの光電流５５．暗電流５
６を示す。これから低暗電流化が実現でき、しかも、動
作電圧の低い光導電膜となっているの′がわかる。この
ような光導電膜をＣＣＤ上に形成した固体撮像装置は、
解像度が十分で、ブル−ミング特性も良く、高−感度で
ある。

実施例２．３の正孔注入阻止層として放電電力の小さい
、したがって水素量の多いしかもドナー性のドーピング
としてＳｓが導入きれている例を示しだが、注入阻止層
としてはＰ等の他の元素でも可能である。

また、光導電層としてＳｅをドープしているが、Ｓ　、
Ｔｅでも量の違いはめるものの同様の効果があった。

発明の効果 本発明の光導電膜積層型固体撮像装置は、低電圧動作で
高解像度の非晶質水素化シリコンを光導電膜を反応性ヌ
バッタ法により、カルコゲン元素をドープして形成して
いる。また、ブロッキング層を設けることによシ、さ−
らに低暗電流化がはかられている。このような非晶質水
素化シリコンを固体撮像装置に適用するにあたっての問
題点を解決し、高耐圧、高感度の特長を残した光導電膜
が得られ、ブルーミング特性のすぐれた固体撮像装置が
実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、それぞれ積層型固体撮像板の断
面図″、平面図、第３図は１絵素の等価回路図、第４図
は暗電流、充電流飽和電圧のＳｓ　　ドーグ量依存性を
示Ｔ図、第５図および第７図はそれぞれの本発明実施例
の断面図、第６図は第６図および第７図にそれぞれ示し
た実施例に用いた光導電膜の光電流、暗電流特性　　　
″−−蜘舛み断褥図である。 １８・・・・・・ＣＣ：Ｄ、１９・・・・・・光導電膜
、２８・・・・・水素量の多い非晶質水素化シリコン、
２３・・・・・・５ｉＮｚ。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第２
図 第４図 ｓｅ／ｓｉ　（補対面積比） 第５図 第６図 印加電圧ＬＶノ 第７図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ダイオード領域と、上記ダイオード領域に蓄積σ
   ｎた信号電荷を走査する回路素子全面する、″１′導体
   基板と、上記ダイオード領域の一部で開孔するように上
   記半導体基板上に形成された絶縁膜と、−■二記開化部
   を介して一部が上記ダイオード領域に接するように単位
   絵素ごとに上記絶縁膜上に形成された第１電極と、上記
   第１重（）賃および一ヒ記絶縁膜上に形成さ几たカルコ
   ゲン元素を含む非晶質水素化シリコンを主成分とする光
   導電膜と、光導電膜上に形成てれた透明電極とを有する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. （２）光導電膜と、第１電極及び絶縁層の中間にドジー
   ー性の不純物を含む水素化シリコンを主成分（３）光導
   電膜と透明電極の中間にアクセプター性の不純物を含む
   水素化シリコンを主成分とする（４）光導電膜よりバン
   ドギャップの大の半導体音、光導電膜と第１電極及び絶
   縁層の中間、または、光導電膜と透明電極の中間の少な
   くとも一方に（６）光導電膜がシリコンを主成分とする
   ターゲットとした、反応性スパッタ法による非晶質水素
   化シリコンであることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の固体撮像装置。