JPS61285756A - 光電変換装置 - 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］ 本発明は光電変換装置に係り、特に高開口率および高集
積化を企図した゛光電変換装置に関する。

〔従来技術〕

第９図（Ａ）は、特開昭８０−１２７５９号公報〜特開
昭８０−１２７８５号公報に記載されている光電変換装
置の平面図、第９図ＣＢ）は、そのＩｊＩ線断面図であ
る。

両図において、ｎシリコン基板１０１上に光センサセル
が形成され配列されており、各光センサセルは５ｆ０２
　、　Ｓｉ３　Ｎ４　、又はポリシリコン等より成る素
子分離領域１０２によって隣接する光センサセルから電
気的に絶縁されている。

各光センサセルは次のような構成を有する。

エピタキシャル技術等で形成される不純物濃度の低いｎ
−領域１０３上にはｐタイプの不純物をドーピングする
ことでｐ領域１０４カ形成され、ｐ領域１０４には不純
物拡散技術又はイオン注入技術等によってｎ十領域１０
５が形成されている。ｐ領域１０４およびｎ十領域１０
５は、各々バイポーラトランジスタのベースおよびエミ
ッタである。

このように各領域が形成されたｎ−領域１０３上には酸
化膜１０８が形成され、酸化膜１０Ｂ上に所定の面積を
有するキャパシタ電極１０？が形成されている。キャパ
シタ電極１０７は酸化ｆｆ！１０Ｂを挟んでｐ領域１０
４と対向し、キャパシタ電極１０７にパルス電圧を印加
することで浮遊状態にされたｐ領域１０４、の電位を制
御する。

その他に、ｎ十領域１０５に接続されたエミッタ電極１
０８、エミッタ電極１０８から信号を外部へ読出す配線
１０８、キャパシタ電極１０７に接続された配線１１０
　、基板１０１の裏面に不純物濃度の高いｎ十領域１１
１、およびバイポーラトランジスタのコレクタに電位を
与えるための電極１１２がそれぞれ形成されている。

次に、基本的な動作を説明する。まず、バイポーラトラ
ンジスタのベースであるｐ領域１０４は負電位の初期状
態であるとする。このｐ領域１０４に光１１３が入射し
、光量に対応した電荷がｐ領域１０４に蓄積される（蓄
積動作）。蓄積された電荷によってベース電位は変化し
、その電位変化によってエミッタ・コレクタ間電流が制
御され、浮遊状態にしたエミッタ電極１０８から入射光
量に対応した電気信号を読出すことができる（読出し動
作）、また、ｐ領域１０４に蓄積された電荷を除去する
には、エミッタ電極１０８を接地し、キャパシタ電極１
０７にリフレッシュ用の正電圧パルスを印加する。この
正電圧を印加することでｐ領域１０４はｎ十領域１０５
に対して順方向にバイアスされ、蓄積された電荷が除去
される。そして、リフレッシュ用正電圧パルスが立下が
った時点で、ｐ領域１０４のベース電位は負電位の初期
状態に復帰する。以後、上記の蓄積、読出し、リフレッ
シュという各動作が繰り返される。

要するに、ここで提案されている方式は、光入射により
発生した電荷を、ベースであるｐ領域１０４に蓄積し、
その蓄積電荷量によってエミッタ電極１０８とコレクタ
電極１１２との間に流れる電流をコントロールするもの
である。したがって、蓄積された電荷を、各セルの増幅
機能により電荷増幅してから読出すわけであり、高出力
、高感度、さらに低雑音を達成できる。

また、光励起によってベースに蓄積されたホールにより
ベースに発生する電位Ｖｐは、Ｑ／Ｃで与えられる。こ
こでＱはベースに蓄積されたホールの電荷量、Ｃはベー
スに接続されている容量である。この式により明白な様
に、高集積化された場合、セル・サイズの縮小と共にＱ
もＣも小さくなることになり、光励起により発生する電
位Ｖｐは、はぼ一定に保たれることがわかる。したがっ
て、ここで提案されている方式は、将来の高解像度化に
対しても有利なものであると言える。

［発明が解決しようとする問題点］ 一般に光電変換装器では感度の向上および高解像度化の
要請に伴って、セル表面を右動に利用することが望まし
い。しかしながら、この点で従来の光電変換装置は十分
ではなかった。

たとえば、上記従来の光電変換装置では、各セルを電気
的に分離する素子分離領域１０２が誘電体（たとえばＳ
ｉ０２等）であり、また配線１０９および１１０が形成
された領域は遮光されるために、光電変換動作に何ら寄
与せず、実質的に開口率および光電変換効率が低下する
という問題点を有していた。

また、素子分離領域を不純物拡散による高濃度半導体で
形成すると、拡散が横方向に進行して高集積化の支障と
なる上に、光によって発生したキャリアが即座に消滅す
るために、光電変換動作には寄与しない。

勿論、このような問題点は上記従来例の光電変換装置だ
けではなく、ｃａｎ型やＭＯＳ型の光電変換装置にも存
在していることは明白である。

［問題点を解決するための手段］ 上記従来の問題点を解決するために、本発明による光電
変換装置は、受光面に入射した光の光電変換を行う第一
領域と、光電変換動作に寄与しない第二領域とから成る
光電変換装置゛において、前記第二領域上に入射する光
を前記受光面に導く集光手段を設けたことを特徴とする
特［作用］ このように構成することで、たとえば素子分離領域およ
び配線領域等の光電変換に寄与しない領域に入射した光
を受光面に導くことができ、光電変換セルの実質的な開
口率を向上させることができる。特に、第９図に示され
る方式の光センサセルに適用されると、高感度化および
高解像度化を更に押進めることができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図（Ａ）は、本発明による光電変換装置の一実施例
の概略的断面図、第１図ＣＢ）は、その光路説明図であ
る。

両図において、光電変換領域１は、たとえば第９図に示
す光センサセルであり、隣接する光電変換領域１は素子
分離領域２によって電気的に分離されている。また、各
光電変換領域１上にはカラーフィルタ３が形成され、そ
の上に集光機能を有するＳｉ０２等の透明膜４が形成さ
れている。すなわち、透明膜４は素子分離領域２上の部
分に傾斜面５を有し、素子分離領域２上の入射光６を光
電変換領域１側へ集光させる。したがって、光電変換領
域１の受光面の開口率は実質的に向上する。ただし、第
１図は概略図であり、その傾斜面の形状は、後述するよ
うに種々の変形例を含むものである。

なお、以下の実施例および実施態様においても、素子分
離領域２上に集光手段が設けられた場合を示すが、勿論
これに限定されるものではなく、配線領域等の光電変換
に寄与しない領域であればよい、また、同様に光電変換
領域１上にカラーフィルタ３が設けられているが、これ
に限定されるものではなく、透明保：ＪＨ等であっても
よいことは明白である。

第２図（Ａ）は、本発明による光電変換装置の他の実施
例の概略的断面図、第２図（Ｂ）は、その光路説明図で
ある。

両図において、　ＳｉＯ２等から成る表面が平坦な透明
膜８内に傾斜を有する反射膜８が設けられ、この反射膜
８は素子分離領域２の上に配置されている。素子分離領
域２上の入射光θは反射膜８によって反射され、その反
射光は透明膜８の表面で全反射して光電変換領域１の受
光面に入射する。

したがって、素子分離領域２上に入射する光のほとんど
が光電変換領域１に導かれ、実質的開口率は１００％近
くまで向上する。

次に、上記各実施例の種々の製造方法を示す。

第３図（Ａ）〜（Ｄ）は、第１図に示す実施例の第一の
製造方法を示す製造工程図である。

まず、光電変換領域ｌおよび素子分離領域２上にカラー
フィルタ３等が形成された後、ＣＶＤ法によって５ｉ０
２の透明膜４を３５０〜５００℃で厚さ０．５〜２　Ｊ
Ｌｍｔｉ！積する。なお、ＰＨ３を導入して、０〜１５
ｗｔ％のＰを合力するＰＳＧの透明膜４であってもよい
［第３図（Ａ）　１　。

次に、透明膜４上にレジスト１０を塗布し、パターニン
グによって素子分離領域２の上方に開口部１１を形成す
る［同区（Ｂ）　］　。

′ｊＩＰｒ　−１／リスト１０′に一マス〃＞１７で５
ｉＯｙの博明膜４のエツチングを行い、開口部１１の下
の透＃Ｉ膜４の全てを除去する。続いて、さらに開口部
１１のレジスト１０がオーバーハングとなるまでエツチ
ングを行い、開口部１１下の透明膜４のエツチング面に
傾斜をもたせる。この時、ウェットエツチング等の等方
性エツチングと反応性イオンエツチング（以下ＲＩＥと
する。）等の異方性エツチングとを組合せることによっ
て、傾斜面５の断面形状を制御することができる。［同
図（Ｃ）　］　。

次に、レジスト１０を除去することで、傾斜面５を有す
る透明膜４が形成される［同図（Ｅｌ）　］　。

たとえば、傾斜面５が入射光に対して４５°の傾斜を有
し、カラーフィルタ３の厚さが１　ｇｍ、Ｓｉ０２の透
明膜４の厚さがＩ　ＩＬｍの場合、素子分離領域２の両
端から内側に０．４４ＪＬｍまで入った入射光６が光電
変換領域ｌの受光面まで導かれる。

このことは、光電変換領域の大きさが２７ＪＬｍＸ４４
ＪＬｍ、素子分離領域の幅が４ルｍの時、光電変換領域
１の実質的開口率が３％以上向上したこと意味する。

第４図（Ａ）および（Ｂ）は、第１図に示す実施例の第
二の製造方法を示す製造工程図である。

カラーフィルタ３上にＰを５ｗｔ％以上含んだＰＳＧの
透明膜４を形成し、その上にレジスト１２を塗布する。

続いて、レジスト１２をパターニングして開口部１３を
形成し、　ＲＩＥ等の異方性エツチングによって開口部
１３下の透明膜４をエツチング除去するＩ第４＠（Ａ）
　］　。

次、に、レジスト１２を除去した後、８５０−９００℃
のＮ２雰囲気中で５〜３０分間熱処理を行うことによっ
て、透明膜４をリフローさせる。これによって、透明＄
４の断面形状が変化し、第４図（Ｂ）に示すような傾斜
面５が形成される。

第５図（Ａ）および（Ｂ）は、第１ｒ１４に示す実施例
の第三の製造方法を示す製造工程図、第５図（Ｃ）は、
ＰＳＧ　ＩＩ中に含まれるＰの濃度とＨＦ水溶液による
エツチングレートとの関係を示すグラフ、第５図（ｎ）
は、ＰＳＧ膜中のｐの濃度分布図である。

ここでは、第５図（Ｃ）゛に示すように、ｐ濃度による
エツチングレートの差を利用して透明膜４の傾斜面５を
形成しようとするものである。まず、カラーフィルタ３
上にＰＳＧの透明Ｉ１４を堆積させるが、その際、第５
図（［１）に示すように、導入するＰＨ３の流量を制御
して、透明膜４に含まれるＰ濃度を透明膜４の表面に近
いほど高くする。このような透明膜４を形成した後、レ
ジス）１４を塗布し、バターニングによって開口部１５
を形成する。

続いて、レジスト１４をマスクとしてＲＩＥにより異方
性エツチングを行い、開口部１５下の透明膜４を全て除
去する【第５図（Ａ）　］　。

次に、ウェットエツチング等の等方性エツチングによっ
て透明ｌＩ４を横方向にエツチングする。

この時、透明膜４は表面に近いほどＰ濃度が高くなって
いるために、第５図（Ｃ）に示すグラフに従って、透明
膜４の表面に近いほど横方向のエツチング量が大きくな
る。その結果、レジスト−１４を除去すれば、第５図（
Ｂ）に示すような透明膜４の傾斜面５が形成される。勿
論、透明ｌ！Ｉ４のＰ濃度分布を適当に変化させること
で、所望の形状の傾斜面５を容易に形成することができ
る。

第６図（Ａ）〜（Ｅ）は、第１図に示す実施例の第四の
製造方法を示す製造工程図である。

まず、カラーフィルタ３上に５ｉ０２又はＰを０〜１５
ｗｔ％含有したＰＳＧの透明膜４をＧＶＤ法により厚さ
０．５〜２７ｚｍ堆積させる。さらに、その上にＡＩ等
の金属膜１８を蒸着法又はスパッタリング法により厚さ
０．５〜２４ｍ堆積させ、フォトリングラフィによって
開口部１７を形成する。続いて、開口部１７の対角線上
の金属膜ＩＢをマスクとして、反応性イオンビームエツ
チング（以下、ＲＩＢＥとする。）により透明膜４を斜
めに異方的にエツチングし、開口部１８を形成する。こ
こでは、ＲＩＢＥのイオンビームを受光平面の法線に対
して０〜７０°の角度で入射させて開口部１８を形成し
た【第６図（Ａ）　１　。

この時のＲＩＢＨの条件を次表に示す。

次に、金属膜１Ｂを除去し、ＩＲだにマスクとして使用
するＡＩ等の金属膜１９を堆積され、フォトリングラフ
ィによって開口部２０を形成する。続いて、ＲＩＢＨの
イオンビームの入射角を、開口部１８を形成した時の入
射角と受光表面の法線に関して対称となるように設定し
、開口部２０の対角線上の金属膜１９をマスクとしてエ
ツチングを行い開口部２１を形成する（同図ＣＢ）　１
　。

次に、金属膜１９を除去することで、素子分離領域２上
に集光手段として傾斜面を有する凹部２２が形成される
【同図（Ｃ）　］　。

次に、更に集光効果を高めるために、レジスト２３を透
明膜４．上に塗布し、凹部２２の中央部のレジスト２３
を除去する【同図（Ｄ）　］　。

次に、ウェットエツチングによって、レジスト２３が除
去された部分の透明膜４を除去し、透明膜４の傾斜面５
を形成する【同図（Ｅ）］。

このようにして、透明膜４に集光機能を持たせることが
できるが、傾斜面５の形状は、ＲＩＢＥ時のイオンビー
ムの入射角によって任意に決定することができる。

第７図（Ａ）および（Ｂ）は、第１図に示す実施例の第
五の製造方法を示す製造工程図である。

まず、ＣＶＤ法によって、カラーフィルタ３上にＳｉ０
２の透明膜２４を形成し、その上にＰを２〜１５ｗｔ％
含むＰＳＧの透明膜２５を形成する［第７図（Ａ）　］
　。

次に、このようを二重構造を有する透明膜４を第一の製
造方法と同様に【第３図ＣＢ）〜（Ｄ）を参照Ｊエツチ
ングすれば、ＰＳＧの透明Ｉｌ！２５のエツチング量の
方が大きいために、第一の製造方法よりなめらかな傾斜
面５を形成することができる【第７図（Ｂ）　１　。

第８図（Ａ）〜（Ｄ）は、第２図に示す他の実施例の製
ご方法を示す製造工程図である。

まず、カラーフィルタ３上にＡＩ等の金属膜を厚さ０．
３〜１．０ｇｍ堆積させ、フォトリソグラフィによって
素子分離領域２の上に“金属膜７を形成するＩ第８図（
Ａ）　］　。

次に、スパッタ法によりＳｉ０２の透明膜２Ｂを堆積さ
せる。このスパッタ法は、光電変換領域ｌが形成された
基板側にも負バイアスをかけたバイアススパッタ法であ
り、基板側には−８０〜−２００ｖのバイアスがかけら
れる。これによって、金属膜７上には両側に傾斜を有す
る凸部２７が形成される。

後述するように、凸部２７の傾斜角θは２２″より大き
く形成する【同図（Ｂ）　］　。

次に、透明１ｔ１２１３上にＡ１等の金属膜を厚さ５０
０〜３０００人堆積させ、続いて、フォトリソグラフィ
によって凸部２７上だけに金属膜を残存させ、この金属
膜を反射膜８とする【同図（Ｃ）　］　。

次に、ＣＶＤ法によって、ＳｉＯ２又はｐを１５％以下
含有するＰＳＧの透明膜２８を厚さ５０００〜１５００
０人堆積させる。この時の堆積温度は、反射膜８の反射
率が低下しない程度に低い温度であることが望ましい０
例えば、ＥＣＲプラズマを利用したＣＶＤ法では１００
℃以下で５ｉ０２を堆積させることができる。続いて１
表面を平坦化するために、透明！Ｉ２８上に回転塗布法
によりレジストを塗布し、このレジストと透明膜２８と
をエッチバックすることにより、表面の平坦な透明膜２
８を得ることができる。

なお、第２図における透明膜３は、透明膜２８および２
８で構成されている［同図（Ｄ）　］　。

例えば、透明膜９がＳｉＯ２である場合、５ｉ０２と大
気との境界で全反射が起こる臨界角は４４°であるため
に、反射膜８の傾斜角を２２″以上に設定すれば１反射
膜８で反射した入射光は透明膜９の表面で全反射し、光
電変換領域１へ入射する。したがって、素子分離領域２
上に入射する光のほとんど全てを光電変換装置ｌへ導く
ことができ、実質的開口率を１００％近くまで向上させ
ることができる。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように１本発明による光電変換装置
は、素子分離領域や配線領域等の光電変換に寄与しない
領域に入射する光を光電変換領域の受光面に導く集光手
段を設けたことにより、光電変換領域の実質的開口率を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は、本発明による光電変換装置の一実施例
の概略的断面図、第１図（Ｂ）は、その光路説明図、 第２図（Ａ）は、本発明による光電変換装置の他の実施
例の概略的断面図、第２図ＣＢ）は、その光路説明図、 第３図（Ａ）〜（Ｄ）は、第１図に示す実施例の第一の
製造方法を示す製造工程図、　第４図（Ａ）および（Ｂ
）は、第１図に示す実施例の第二の製造方法を示す製造
工程図、 第５図（Ａ）および（Ｂ）は、第１図に示す実施例の第
三の製造方法を示す製造工程図、第５図（Ｃ）は、ＰＳ
Ｇ膜中に含まれるＰの濃度と）ＩＦ水溶液によるエツチ
ングレートとの関係を示すグラフ、第５図（Ｄ）は、Ｐ
ＳＧ膜中のＰの濃度分布図、第６図（Ａ）〜（Ｅ）は、
第１図に示す実施例の第四の製造方法を示す製造工程図
、　第７図（Ａ）および（Ｂ）は、第１図に示す実施例
の第五の製造方法を示す製造工程図、 第８図（Ａ）〜（Ｄ）は、第２図に示す他の実施例の製
造方法を示す製造工程図、 第９図（Ａ）は、特開昭８０−１２７５９号公報〜特開
昭８０−１２７８５号公報に記載されている光電変換装
置の平面図、第９図（Ｂ）は、そのＩ−Ｉ線断面図であ
る。 ｌ−−・光電変換領域　２・・φ素子分離領域４．９　
・・・透明膜　　５・・・傾斜面８・・・反射膜 代理人　　弁理士　山　下　穣　子 弟１図（Ａ） 第１艮＜Ｂ） （Ａ） （Ｃ） 第４図 （Ａ） （Ｂ） （Ｂ） 第５　図 （Ｃ） （Ｄ） 幕板　　　　　　　濠■ 第６図 （Ｃ）　　　　　　　（Ｄ） （Ｅ） 第７図 （Ａ） 第８図 （Ａ） （Ｃ） （Ｄ） ｊｉ９図（Ａ） 第９図（Ｂ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）受光面に入射した光の光電変換を行う第一領域と
   、光電変換動作に寄与しない第二領域とから成る光電変
   換装置において、 前記第二領域上に入射する光を前記受光 面に導く集光手段を設けたことを特徴とする光電変換装
   置。
2. （２）上記集光手段は、入射光を上記受光面へ屈折させ
   る傾斜面を有する透明膜であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の光電変換装置。
3. （３）上記集光手段は、入射光を上記受光面側へ反射さ
   せる反射手段と、該反射光を全反射させる透明膜とから
   成ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光電
   変換装置。