JP2012533168A - 光検出デバイスおよび光検出デバイスの製造方法 - Google Patents

光検出デバイスおよび光検出デバイスの製造方法 Download PDF

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Abstract

複数のピクセル（１０１ａ〜１０１ｂ）を備え、各ピクセルが、複数のフォトダイオードと導電性の複数の電極（１１２、１１８ａ〜１１８ｃ）との交互積層を備える、光検出デバイス（１００）であって、各フォトダイオードが、他のフォトダイオードの非晶質半導体層とは別個のドープ非晶質半導体層（１１６ａ〜１１６ｃ）と接触している真性非晶質半導体層（１１４ａ〜１１４ｃ）を備え、各フォトダイオードが２つの電極の間に配置され、フォトダイオードの各対がこれらフォトダイオードの間に配置された電極の１つを備え、各ピクセルにおいて、各電極が、ピクセルの他の電極上に重なり合わず、導電材料で充填された相互接続穴（１２４ａ〜１２４ｄ）に電気的に連結された導電部分を備え、各ピクセルにおいて、導電材料の部分（１２８ａ〜１２８ｄ）が、前記重なり合わない電極部分それぞれの上にほぼ重なり合う、デバイス（１００）。

Description

本発明は、超小型光検出デバイスまたはイメージセンサの分野に関し、より具体的には「ａｂｏｖｅ ＩＣ」タイプの、換言すれば、光検出部によって発生した電荷を処理する集積回路の上方に位置する光検出器部を備える、色光検出デバイス（ｃｏｌｏｕｒｅｄ ｐｈｏｔｏ−ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ）の分野に関する。
本発明はまた、かかる光検出デバイス、特に「ａｂｏｖｅ ＩＣ」タイプの製造方法に関する。
超小型イメージセンサには、
‐結晶質半導体基板における光電効果によってセンサが受け取った光子から電子正孔対を発生させ、次に電位井戸に電子を収集する、いわゆるＣＣＤ（電荷結合素子）センサ、
‐結晶質半導体内で発生する電荷の収集領域がそれぞれ増幅器を伴う、いわゆるＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）センサまたはＡＰＳ（能動ピクセルセンサ）、
‐ＣＭＯＳセンサの部類の一部であって、主に増幅器として作用する集積回路の上方に位置する１つまたは複数の光検出材料内で電荷が発生する、いわゆる「ａｂｏｖｅ ＩＣ」センサ、といったいくつかのタイプがある。
超小型イメージセンサは、通常、例えばＣＩＥ ＸＹＺ、ＲＧＢ、またはＬａｂ表色系に準拠して、受光の色座標を判定するため、センサの別々の光検出器上に並べて置かれた３つまたは４つの色フィルタが取り付けられる。‘非特許文献１は、かかるイメージセンサについて記載しており、これは図１にも示され、参照番号１が付されている。
このイメージセンサ１は、集積回路と、集積回路の上方に位置するレティナ（ａｂｏｖｅ ＩＣ）との２つの部分から成る。集積回路は基板２を備え、その上にＣＭＯＳトランジスタ４が作られる。誘電体層６はＣＭＯＳトランジスタ４を覆う。誘電体層６内には、相互にかつＣＭＯＳトランジスタ４に電気的に接続される複数の電気的相互接続層が作られる。図１に示される例では、センサ１は、第１の相互接続層８および第２の相互接続層１０を備える。誘電体層６の上方に位置する素子によって形成されるレティナは、例えばクロムから成る、複数の下部電極１２を備える。センサ１内の各ピクセルは下部電極１２の１つを備える。これらの下部電極１２は、第２の相互接続層１０に電気的に接続され、真性非晶質シリコンの厚い層１４に覆われ、それ自体はドープ非晶質シリコンの薄い層１６に覆われる。ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）から成りセンサ１内の全てのピクセルに共通の透明上部電極１８は、ドープ非晶質シリコンの薄い層１６上に配置される。パッシベーション層２０は、色フィルタ２２（ピクセル当たり１つのフィルタであり、例えばＢａｙｅｒフィルタとして配置される）を上部電極１８から分離する。色フィルタ２２は平坦化層２４で覆われ、その上にマイクロレンズ２６（ピクセル当たり１つ）が位置する。
非晶質シリコン層１４および１６が異なるドーピングを有する（一方は真性であり、他方はドープ性である）ことを考慮すると、冶金的接合（ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を、したがってフォトダイオードを形成している。非晶質シリコンのこれらの層１４および１６に吸収された光は電荷を発生し、それら電荷は次に、フォトダイオード内に存在する電界によって分離される。収集された電荷は電気信号を形成し、その信号は次に、センサ１の集積回路によって増幅される。
かかるイメージセンサでは、色フィルタは、センサが受け取った光の３分の２超過を吸収する。したがって、実際の光検出に利用できるのは受光の３分の１のみである。
色フィルタを全く有さずに色イメージセンサを作ることができることも知られている。例えば、特許文献１は、色フィルタを全く有さず、ただし様々な光検出層が中に積層されたイメージセンサを開示している。
このセンサはまた、誘電体層によって互いに分離され、光検出層の間に挿入された導電層の形態の多数の電極を備える。この種の積層では、電極と集積回路増幅器との間に電気的接続を作成するのは複雑で限定的である。さらに、これら接続によって、色フィルタを備えるセンサの製造方法に比べてデバイスの製造方法に多くのステップが追加されるため、接続の電気的絶縁が問題であり、それにより、かかるセンサの生産コストが色フィルタを備えるセンサよりも大幅に高価になる。
米国特許出願公開第２００５／０２０５９５８号明細書
Ｎ． Ｍｏｕｓｓｙ ｅｔ ａｌ．、「Ａ ｈｉｇｈｌｙ ｒｅｌｉａｂｌｅ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ ａｂｏｖｅ ＩＣ ＣＭＯＳ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ」Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｍｅｅｔｉｎｇ ２００６、ＩＥＤＭ’０６、２００６年１２月１１〜１３日、１〜３頁
本発明の１つの目的は、その構造によって、特に光検出を行うデバイスの部分との電気的接続の作成が容易になり、つまり比較的安価で製造することができる、例えば「ａｂｏｖｅ ＩＣ」タイプの、光検出デバイスまたはイメージセンサを開示することである。
これを実現するため、複数のピクセルを備え、各ピクセルが、複数のフォトダイオードと導電材料から成る複数の電極との少なくとも１つの交互積層を備え、各フォトダイオードが、他のフォトダイオードの非晶質半導体層とは別個の少なくとも１つのドープ非晶質半導体層と接触して配置された少なくとも１つの真性非晶質半導体層を備え、各フォトダイオードが少なくとも２つの電極の間に配置され、フォトダイオードの各対がこれらフォトダイオードの間に配置された電極の少なくとも１つを備える、光検出デバイスが開示される。
真性非晶質半導体は、非ドープ非晶質半導体に、換言すればドープ剤が意図的に添加されていないものに相当する。
したがって、この光検出デバイスは、場合によっては連続的である複数の非晶質半導体層を、例えば非晶質シリコン層を、検出すべき波長において透明である導電材料から成り得る、例えばＩＴＯから成る電極の間に備える、光検出構造を備える。したがって、この積層には、電極−フォトダイオード−電極−フォトダイオードなどの交互配列がある。そのため、積層内で互いに隣接した２つのフォトダイオードは、導電材料から成る電極の１つによって互いに分離される。
したがって、色フィルタを全く有さず、かつ例えば、光検出デバイスから受け取った光の、例えばＣＩＥ ＸＹＺ、ＲＧＢ、もしくはＬａｂ表色系に準拠したものなどの色座標を、または場面のサーマルイメージを得ることができる、例えば「ａｂｏｖｅ ＩＣ」タイプの光検出デバイスが開示される。
特に、透明電極のサイズは、デバイスの光検出部におけるピクセルの範囲を定めてもよく、換言すれば、それらの寸法はピクセルのサイズよりもわずかに小さくてもよい。
非晶質半導体は、真性であって照明されていないときは不良な導電体であることを考慮すると、遮光領域または非照明領域の電極を、換言すれば電極の周りを電気的に絶縁する。そのため、電極を電気的に絶縁する誘電体層による絶縁の役割は、電極の周りの照明されていない非晶質半導体部分によって果たされるため、この光検出デバイスにはかかる誘電体層が一切不要である。
また、かかる光検出デバイスは、非晶質半導体層を通して作られることがある電気的接続を電気的に絶縁して、これら接続に対する特別な絶縁ステップを伴わずに電極との電気的接続を作る、追加の誘電体層または部分も必要としない。さらに、このように光検出構造に誘電体層を含まないことにより、光の収集に用いられる有効表面積が、従来技術によるデバイスにおいて光の収集に用いられる表面積よりも大きくなる。
この光検出デバイスにより、色フィルタを備える光検出デバイスによって可能であるよりもピクセルを大きくすることができ、換言すれば、センサが受け取る光線にほぼ垂直なピクセルの寸法が、色フィルタを有する光検出デバイスのピクセルの対応する寸法よりも大きいが、それは、このデバイスでは、受光の色座標を見つけるために、各ピクセルが複数の信号（フォトダイオード当たり１つの信号）を、例えば少なくとも２つの信号を出力するのに対して、Ｂａｙｅｒフィルタとして配置された色フィルタを備える光検出デバイスでは、同じ情報を得るのに４つのピクセルが必要であるためである。
検出材料は、光検出デバイスによって検出しようとする光スペクトルに対してのみ感度を有するように選択することができる。光検出デバイスが可視光波長（約３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）の範囲の色を検出するためのものである場合、非晶質半導体はシリコンであってもよいが、それは、この半導体が赤外線に対して透明であり、光学系、例えば光検出デバイスに結合され得るマイクロレンズは、通常、紫外線に対して不透明であるためである。そのため、従来技術によるＢａｙｅｒフィルタと従来的に関連付けられている追加のフィルタ手段を全く付加することなく、可視スペクトルのみが光検出デバイスによって検出されることになる。
複数のピクセルを備え、各ピクセルが、複数のフォトダイオードと導電材料から成る複数の電極との少なくとも１つの交互積層を備える光検出デバイスであって、
‐各フォトダイオードが、他のフォトダイオードの半導体層とは別個の少なくとも１つのドープ非晶質半導体層と接触して配置された少なくとも１つの真性非晶質半導体層を備え、各フォトダイオードが前記電極の少なくとも２つの間に配置され、フォトダイオードの各対がこれらフォトダイオードの間に配置された電極の少なくとも１つを備え、
‐各ピクセルにおいて、各電極が、他のピクセル電極上に重ならないとともに、非晶質半導体層を貫通する少なくとも１つの相互接続穴に電気的に接続された、導電材料の少なくとも１つの部分を備え、前記部分が他の電極上に重ならず、相互接続穴が少なくとも１つの導電材料で充填され、
‐各ピクセルにおいて、導電材料の部分が、ピクセルの他の電極上に重ならない電極の前記部分それぞれの上にほぼ重なるとともに、非晶質半導体層の上方に配置される、光検出デバイスも開示される。
したがって、電極に接続されない電極の電気的接続は電気的に絶縁される。遮光または非照明領域の電極、換言すれば電極の側面の周りも、電気的に絶縁される。
デバイスの各ピクセルは、少なくとも２つのフォトダイオードの積層を備えてもよい。
各ピクセルにおいて、各電極は、他のピクセル電極上に重ならないとともに、非晶質半導体層を貫通する少なくとも１つの相互接続穴、すなわちビアに電気的に接続された、導電材料の少なくとも１つの部分を備えてもよく、前記部分は他の電極上に重ならず、相互接続穴は、場合によっては少なくとも１つの導電材料で充填される。したがって、電気的接続はビアの形態で作ることができ、これらの接続は光検出デバイスの電極に接続され、非晶質半導体層以外の電気的絶縁素子を全く必要としない。
デバイスはまた、集積回路とフォトダイオードの積層との間に配置された少なくとも１つの電気的相互接続層に電気的に接続された、少なくとも１つの集積回路を備えてもよく、相互接続穴の導電材料は、少なくとも電気的相互接続層に電気的に接続される。
各ピクセルにおいて、電極の１つは電気的相互接続層とフォトダイオードの積層との間に位置してもよく、ピクセルの他の電極は、場合によっては、フォトダイオードによって検出すべき波長において透明である少なくとも１つの材料から成る。
相互接続穴の導電材料は、電気的相互接続層とフォトダイオードの積層との間に位置する前記電極の１つに配置された導電材料の少なくとも１つの部分を通して、電気的相互接続層に電気的に接続されてもよい。
各ピクセルにおいて、導電材料の部分は、ピクセルの他の電極上に重ならない電極の前記部分上にほぼ重なってもよく、非晶質半導体層は、場合によっては、導電材料の前記部分と電気的相互接続層との間に配置される。
各ピクセルにおいて、電極は、非晶質半導体層の部分および／または２つの隣接したピクセルのフォトダイオードの積層の間に配置された少なくとも１つの誘電材料の部分によって、隣接したピクセルの電極から電気的に絶縁されてもよい。
真性非晶質半導体層および／またはドープ非晶質半導体層は、デバイスの複数のピクセルに共通であってもよい。
電極の少なくとも１つは、デバイスの複数のピクセルに共通であってもよい。
デバイスはまた、フォトダイオードの積層を覆う少なくとも１つのパッシベーション層を備えてもよい。
各ピクセルは、パッシベーション層上に配置された少なくとも１つのマイクロレンズを備えてもよい。
非晶質半導体層は、Ｓｉ：Ｈ（水素化シリコン）および／またはＧｅおよび／またはＳｉＧｅおよび／またはＣｄＴｅ：Ｏ（酸化テルル化カドミウム）および／またはＡｓＧａから成ってもよい。
真性非晶質半導体層は、導電材料またはドープ非晶質半導体から成る少なくとも１つの層を通して電極と接触してもよい。
各フォトダイオードが、他のフォトダイオードの非晶質半導体層とは別個の少なくとも１つのドープ非晶質半導体層と接触して配置された少なくとも１つの真性非晶質半導体層を備え、各フォトダイオードが少なくとも２つの電極の間に配置され、フォトダイオードの各対がこれらフォトダイオードの間に配置された電極の少なくとも１つを備えるようにして、各ピクセルに対して複数のフォトダイオードと導電材料から成る複数の電極との少なくとも１つの交互積層を作成するステップを含む、複数のピクセルを備える光検出デバイスの製造方法も開示される。
複数のピクセルを備える光検出デバイスの製造方法であって、各ピクセルに対して、
‐各フォトダイオードが、少なくとも１つのドープ非晶質半導体層と接触して配置された少なくとも１つの真性非晶質半導体層を備え、これら２つの層が他のフォトダイオードの非晶質半導体層とは別個であり、各フォトダイオードが少なくとも２つの前記電極の間に配置され、フォトダイオードの各対がこれらフォトダイオードの間に配置された電極の少なくとも１つを備えるようにして、複数のフォトダイオードと導電材料から成る複数の電極との少なくとも１つの交互積層を作成するステップと、
‐他のピクセル電極および非晶質半導体層上に重ならない電極の部分を通して相互接続穴を作成し、次に少なくとも１つの導電材料を相互接続穴の中に堆積させるステップと、
‐ピクセルの他の電極上に重ならないとともに非晶質半導体層の上方に配置された電極の前記部分の各々の上に前記部分が実質的に重なるようにして、導電材料の部分を作成するステップとを含む、方法も開示される。
電極および／または非晶質半導体層の少なくとも一部は、電極または非晶質半導体の材料を堆積させるステップと、次に、堆積した材料のフォトリソグラフィおよびエッチングステップとを実施することによって作成することができる。
方法はまた、各ピクセルに対して、ピクセルの他の電極および非晶質半導体層上に重ならない電極の部分を通る相互接続穴を作成し、次に少なくとも１つの導電材料を相互接続穴の中に堆積させるステップを含んでもよい。
本発明は、単に情報として与えられ、いかなる意味でも限定的でない例示的実施形態の説明を、添付図面を参照して読むことでより十分に理解されるであろう。
従来技術による、色フィルタを有する「ａｂｏｖｅ ＩＣ」タイプのＣＭＯＳイメージセンサを示す図である。 本発明の第１の実施形態による、色フィルタを有さない「ａｂｏｖｅ ＩＣ」タイプの光検出デバイスを示す図である。 本発明の第２の実施形態による、色フィルタを有さない「ａｂｏｖｅ ＩＣ」タイプの光検出デバイスを示す図である。 本発明の第２の実施形態による、色フィルタを有さない「ａｂｏｖｅ ＩＣ」タイプの光検出デバイスを示す図である。 本発明の第３の実施形態による、色フィルタを有さない「ａｂｏｖｅ ＩＣ」タイプの光検出デバイスを示す図である。 本発明の実施形態による、１つの「ａｂｏｖｅ ＩＣ」タイプの光検出デバイスにおける４つのピクセルを示す平面図である。 本発明の実施形態による、１つの「ａｂｏｖｅ ＩＣ」タイプの光検出デバイスにおける４つのピクセルを示す平面図である。 本発明の実施形態による、１つの「ａｂｏｖｅ ＩＣ」タイプの光検出デバイスにおける４つのピクセルを示す平面図である。
図面同士の比較を容易にするため、以下に記載する様々な図面における同一の、類似の、または等価の部分は、同じ参照番号を用いて特定される。
図面をより判読しやすくするため、図面に示される様々な部分は必ずしも均一の縮尺で示されていない。
様々な可能性（変形および実施形態）は、互いに排他的なものではなく、互いに組み合わされてもよいものとして理解すべきである。
最初に、色フィルタを全く有さない、第１の実施形態による「ａｂｏｖｅ ＩＣ」タイプの光検出デバイス１００またはイメージセンサを示す図２を参照する。
上述した従来技術によるセンサ１と同様に、光検出デバイス１００は、レティナによって形成された光検出部と、特に集積回路によって形成されたレティナによって発生する電荷を処理する部分との２つの部分から成り、レティナは集積回路の上方に配置される（ａｂｏｖｅ ＩＣ）。集積回路は、例えばシリコンから成る基板１０２を備え、その上にＣＭＯＳトランジスタ１０４が作られる。例えばＳｉＯ２から成る誘電体層１０６はＣＭＯＳトランジスタ１０４を覆う。誘電体層１０６内には、相互にかつＣＭＯＳトランジスタ１０４に電気的に接続される電気的相互接続の複数の層またはレベルが作られる。図２の実施例では、センサ１００は、第１の相互接続層１０８および第２の相互接続層１１０を備える。
誘電体層１０６の上方に形成されたレティナは、誘電体層１０６上に配置される下部電極１１２を備える。この第１の実施形態では、センサ１００の各ピクセルは下部電極１１２を備える。これらの下部電極１１２は、グラファイトおよび／またはグラフェンなどの光を吸収することができる導電材料、あるいは金属（例えば、アルミニウムおよび／またはクロムおよび／または銅および／またはタングステンおよび／またはチタン）などの光を反射することができる導電材料、あるいはＩＴＯおよび／またはＳｎＯ２：Ｆおよび／またはＣｄ２ＳｎＯ４および／またはＺｎ２ＳｎＯ４および／またはＺｎＯなどの光に対して透明な材料から成ってもよい。下部電極１１２の材料の選択は、特に、これらの電極上に位置する半導体の性質によって与えられる光学条件に応じてなされる。第１の電極の材料は、半導体の吸収能力に応じて、デバイスからの信号を増加させるように反射性であるか、または、信号が十分に強い場合は吸収性であるように選択される。
デバイス１００の各ピクセル（２つのピクセル１０１ａおよび１０１ｂが図２に示される）における下部電極１１２はそれぞれ、複数の、例えば図２の実施例では３つのフォトダイオードを形成する層の積層によって覆われる。各フォトダイオードは、ｎまたはｐ型ドープ非晶質半導体層１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃと接触して配置される、真性非晶質半導体層１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃを備える。透明電極１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃも、ドープ非晶質半導体層１１６ａ〜１１６ｃのそれぞれと接触して配置される。
非晶質半導体は、Ｓｉ：Ｈ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＣｄＴｅ：Ｏ、またはＡｓＧａから成ってもよい。さらに、図２の実施例では、非晶質半導体層１１４および１１６はセンサ１００のピクセル間で連続的であり、換言すれば、センサ１００の全てのピクセルに対して共通である。
例えば、電極１１８ａ〜１１８ｃは、これらの電極がＩＴＯなどの透明導電材料から成るとき、約３０ｎｍ〜３００ｎｍの厚さ（図２に示されるｙ軸に沿った寸法）を有する。
一変形例では、電極１１８ａ〜１１８ｃは、例えばアルミニウムから成り、１ｎｍ〜２０ｎｍの厚さを有する、金属層の形態で作ることができる。
別の変形例では、各電極１１８ａ〜１１８ｃが、光検出デバイス１００が受け取る光に対して透明である導電材料の複数層の積層によって形成されることも可能である。全てのフォトダイオードおよび全てのピクセルに対してほぼ同じである電極１１８ａ〜１１８ｃのサイズによって、センサ１００の感光性領域のサイズの範囲が定められる。
電極１１８ａ〜１１８ｃと電極１１８ａ〜１１８ｃが上に配置されるドープ非晶質半導体層１１６ａ〜１１６ｃとの間の電気的接触を改善するため、図２には示されない導電層を電極１１８ａ〜１１８ｃとドープ非晶質半導体層１１６ａ〜１１６ｃとの間に位置させることが可能である。この場合、この導電性インターフェース層の厚さは、光学的に透明であるように十分に小さく、換言すれば約１ｎｍ〜２０ｎｍであるように選択される。
真性非晶質半導体層１１４ａ〜１１４ｃと、非常に薄く、したがって非常にわずかだけ導電性であるドープ層１１６ａ〜１１６ｃとによって、デバイスの２つの隣接したピクセル間で同じレベルに位置する、換言すれば互いに隣接した電極間が電気的に絶縁される。そのため、第１の真性非晶質半導体層１１４ａは下部電極１１２間を電気的に絶縁する。第２および第３の真性非晶質半導体層１１４ｂおよび１１４ｃは、電極１１８ａおよび電極１１８ｂの間の電気的絶縁を作り出す。電極１１８ｃは、これらの電極１１８ｃを覆うとともに平坦化層を形成する誘電体層１２０によって互いに電気的に絶縁され、平坦化層上にはマイクロレンズ１２２が配置され（ピクセル当たり１つ）、これらのマイクロレンズ１２２はそれぞれ、各ピクセルが受け取る光をフォトダイオード上に集光させることができる。
各ピクセルの各電極１１８ａ〜１１８ｃは、例えばほぼ長方形の形状を有する主要部と、ピクセルの他の電極上に重ならない導電材料の部分とを備える。ピクセルの他の電極からずれたこれらの部分により、例えば金属から成り、非晶質半導体層１１４ａ〜１１４ｃ、１１６ａ〜１１６ｃの積層を貫通して相互接続層１０８、１１０に達するとともにそれらに電気的に接続される、ビアとも呼ばれる相互接続穴を通して、電極１１８ａ〜１１８ｃを、ピクセルの他の電極からは電気的に絶縁されたまま、センサ１００の集積回路に電気的に接続することができる。
図２に示されるデバイス１００のピクセル１０１ａの場合、第１の電極１１８ａは、ピクセル１０１ａの電極１１８ｂ、１１８ｃ上に重ならず、金属の相互接続穴１２４ａが貫通する部分１２６ａを備える。そのため、相互接続穴１２４ａは、非晶質半導体層１１４ａ〜１１４ｃ、１１６ａ〜１１６ｃの積層を貫通し、第１の電極１１８ａを、ピクセル１０１ａの他の電極１１８ｂおよび１１８ｃからは電気的に絶縁されたまま、部分１２６ａを通して第２の相互接続層１１０に電気的に接続する。ピクセル１０１ａの他の電極１０８ｂ、１０８ｃは図２には示されないが、それぞれやはり、ピクセル１０１ａの他の電極上に重ならず、ピクセル１０１ａの他の電極からは電気的に絶縁されたまま、非晶質半導体層１１４ａ〜１１４ｃ、１１６ａ〜１１６ｃを貫通する相互接続穴を介して相互接続層１０８または１１０に電気的に接続される、導電材料の部分を備える。
デバイス１００のピクセル１０１ｂの場合、第３の電極１１８ｃは、ピクセル１０１ｂの他の電極１１８ａ、１１８ｂ上に重ならず、相互接続穴１２４ｂがそこを貫通する部分１２６ｃを備える。相互接続穴１２４ｂは、非晶質半導体層１１４ａ〜１１４ｃおよび１１６ａ〜１１６ｃを貫通し、その部分１２６ｃを通して第３の電極１１８ｃを第２の相互接続レベル１１０に電気的に接続する。同様に、ピクセル１０１ｂの他の電極１１８ａ、１１８ｂもそれぞれ、ピクセル１０１ｂの他の電極上には重ならず、ピクセル１０１ｂの他の電極と電気的に接触することなく、非晶質半導体層１１４ａ〜１１４ｃ、１１６ａ〜１１６ｃを貫通する相互接続穴を通して相互接続層１０８または１１０に電気的に接続される、図２には示されない導電材料の部分を備える。
各相互接続穴１２４ａ、１２４ｃは、電極１１８ａ、１１８ｃの部分１２６ａ、１２６ｃをデバイス１００が受け取る光から遮蔽する上側部分１２８ａ、１２８ｃを備える。一変形例では、相互接続穴１２４ａ、１２４ｂは必ずしもこれらの上側部分１２８ａ、１２８ｃを備えていなくてもよい。
センサ１００がマイクロレンズ１２２を備えていない場合、受光の光電変換を行うのに使用されないピクセルの部分を遮蔽して、非晶質半導体が発生する電荷によって導電性になるのを回避するため、相互接続穴は、好ましくはかかる上側部分を有して作られる。
そのため、複数のフォトダイオード（図２に示される実施例では３つ）が、デバイス１００の各ピクセルにおいて互いの上に積層されて形成され、フォトダイオードはそれぞれ、真性非晶質半導体層１１４ａ〜１１４ｃの１つとドープ非晶質半導体層１１６ａ〜１１６ｃの１つとの間の接合によって形成される。これらの非晶質シリコン層１１４ａ〜１１４ｃ、１１６ａ〜１１６ｃを通過する光は電荷を作り出し、それらは次に、フォトダイオード内に存在する電界によって分離される。
収集された電荷は電気信号を形成し、それがトランジスタ１０４に、換言すればデバイス１００の集積回路に相互接続穴を通して転送され、次に、光検出デバイス１００の集積回路によって増幅される。各ピクセルについて得られる結果は、各フォトダイオードについて１つの電気信号である。図２のデバイス１００において、各フォトダイオードが２つの電極の間に配置されることを考慮すると、作り出された電荷が再結合する前の寿命が短く、非晶質半導体の導電率が低いにもかかわらず、それら電荷を収集することができる。
一般に、光検出デバイス１００の各ピクセルは、ｎ個のフォトダイオードとｎ＋１個の電極とを備えてもよい（ｎは２以上の整数）。図２の実施例は、デバイス１００の各ピクセルが互いに独立した電極を備えることを示しているが、同じレベルに位置する各ピクセルの電極は、複数のまたは全てのピクセルに共通の電極によって形成することができる。
異なる非晶質半導体層の厚さは、それらの光学指数と、受光の波長に応じて可変である様々な材料の光吸収の法則とに応じて選択される。これらの厚さの合計は、例えば約０．７μｍ未満であってもよく、各層の厚さは、例えば約０．０１μｍ〜０．４μｍであってもよい。ピクセルの長さおよび幅（図２に示される（Ｘ、Ｚ）面における寸法に対応）は、例えば約０．７μｍ超過であってもよく、通常は約２μｍに等しい。ピクセルの幅／高さ比および長さ／高さ比が大きいことを考慮すると、光検出デバイスは色およびピクセルのより良好な精細度を有する。
このことは、ピクセルの高さがその幅（または長さ）よりも大きい従来技術による光検出デバイスとは異なり、ピクセルの上面に斜めに到達する光子がすぐに吸収され、したがってその軌道が隣接したピクセルで終わることも防ぐ。したがって、光検出デバイス１００は、イメージが不鮮明になること、または色限界（ｃｏｌｏｕｒ ｌｉｍｉｔｓ）において真珠光沢が生じることを防ぐ。
単一のピクセルにおける異なるフォトダイオードの非晶質半導体層の厚さは互いに異なる。例えば、これらの厚さは、デバイス１００の集積回路からパッシベーション層１２０に向かう方向で減少するように選択されてもよい。したがって、集積回路または相互接続レベルに最も近い真性非晶質半導体層（図２の実施例における層１１４ａ）が最も厚い。したがって、光がセンサ１００に入る面またはパッシベーション層１２０に最も近い真性非晶質半導体層（図２の実施例における層１１４ｃ）が最も薄い。図２の実施例では、第１層１１４ａは厚さ約３００ｎｍ、第２の層１１４ｂは厚さ約１００ｎｍ、第３の層１１４ｃは厚さ約１５ｎｍである。
各ピクセルの３つのフォトダイオードからの信号出力から始まって、集積回路は、例えばＣＩＥ １９３１の規格に従って、エラーおよびノイズを最小限に抑えて受光の色座標を得るため、３つの未知数を用いて３つの一次方程式を計算する。
図３Ａおよび３Ｂは、光検出デバイス２００の第２の実施形態を示す。上述の第１の実施形態によるデバイス１００と比べると、ドープ非晶質半導体層１１６ａ〜１１６ｃは、デバイス２００の１つのピクセルから次のピクセルへと連続していない。これらの層１１６ａ〜１１６ｃはそれぞれ、１つのピクセルから次のピクセルへ互いに電気的に接続されていない別個の部分によって形成される。さらに、このデバイス２００では、下部電極１１２が、光検出デバイス２００の全てのピクセルに共通であり、光に対して透明でない材料から成る単一の電極２０２に置き換えられている。この下部共通電極２０２は、下部共通電極２０２と同じレベルに位置し、光検出デバイス２００の相互接続穴１２４ａ〜１２４ｃと相互接続層１０８、１１０とを電気的に接続する、導体パッド２０４に電気的に接続された相互接続穴１２４ａ〜１２４ｃにおいて中断される。相互接続穴の中に堆積されるのと同じ材料から成る上側部分１２８ａ〜１２８ｃは、相互接続穴１２４ａ〜１２４ｃの上方に位置する。
この第２の実施形態は、特に、他の電極１１８ａ〜１１８ｃを作るのに使用される透明導電材料以外の導電材料から成る下部電極２０２を作ることができる。
この第２の実施形態では、相互接続穴１２４ａ〜１２４ｃは、非晶質半導体層１１４ａ〜１１４ｃ、１１６ａ〜１１６ｃをエッチングし、相互接続穴１２４ａ〜１２４ｃに電気的に接続されることになる部分１２６ａ〜１２６ｃをエッチングすることによって作られる。
これらの穴は、有利には、導体パッド２０４で止まる単一のマスクを用いてエッチングされる。最後に、ドープ非晶質半導体層１１６ａ〜１１６ｃは、デバイス２００の１つのピクセルから次のピクセルまで連続せず、１つのピクセルから次のピクセルへと互いに電気的に接続されない別個の部分によって形成されるので、したがって、１つのピクセルから次のピクセルへの電極と相互接続穴との間の電気的絶縁は、第１の実施形態によるデバイス１００よりも良好である。
図３Ｂは、光検出デバイス２００の２つのピクセル２０１ａ、２０１ｂの透視図を示す。マイクロレンズ１２２はこの図には示されない。しかし、ピクセル間の段差が図３Ａには示されないが、図３Ｂには示される。この第２の実施形態では、電極１１８ａ〜１１８ｃがそれぞれ、ほぼ長方形の形状の主要部を備え、これら電極の部分１２６ａ〜１２６ｃに電気的に接続される相互接続穴１２４ａ〜１２４ｃを通して第２の相互接続層１１０に電気的に接続されていることが分かる。しかし、例えば電極間の段差により、好ましくは可能な限り大きな表面積を維持しながら、電極の面積および／または形状を異ならせることが可能である。特に電極のエッチングされた縁部によって形成される段差における、真性非晶質半導体層１１４ａ〜１１４ｃの部分２１２は、隣接したピクセルの電極１１８ａ〜１１８ｃの間、および単一のピクセルの相互接続穴１２４ａ〜１２４ｃの間を電気的に絶縁する。
デバイス２００の各ピクセルに作られた相互接続穴を通して、共通の電極２０２を相互接続層１１０に電気的に接続することが可能である。
一変形例では、共通の電極２０２が、デバイス２００の各ピクセルにおいて相互接続層１１０に電気的に接続されるのではなく、デバイス２００のピクセルの一部のみにおいて、またはさらには、共通の電極２０２を作る材料が高導電性の、例えばアルミニウムであるとき、単一の相互接続穴を通してセンサ２００の単一のピクセルのみにおいて電気的に接続されることも可能である。
図４は、光検出デバイス３００の第３の実施形態を示す。
上述の２つの実施形態との違いは、センサ３００のピクセル（図４には２つのピクセル３０１ａ、３０１ｂが示される）の間に位置する非晶質シリコン部分がエッチングされ、次に誘電材料で充填されて、絶縁部分３０４を形成している点である。図４の実施例では、ピクセル３０１ａ、３０１ｂを電気的に絶縁する絶縁部分３０４は、非晶質半導体層の積層を覆う平坦化層１２０を形成する材料から得られる。
この第３の実施形態では、光検出デバイス３００はまた、電極を、この場合は第１の２つのフォトダイオードの電極１１８ａ、１１８ｂを覆う、例えば導電材料から成るコンタクト層３０６ａ、３０６ｂを備える。これらのコンタクト層３０６ａ、３０６ｂは、ＩＴＯよりも導電率の低い材料から透明電極１１８ａ、１１８ｂを作る場合に特に有用である。そのため、これらの電極１１８ａ、１１８ｂは、例えば、ＳｎドープＩｎ２Ｏ３、ＡｌドープＺｎＯ、ＦドープＳｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＩｎＭｏＯ、ＩｎＴｉＯ、またはＴａ２Ｏ５から作られてもよい。これらのコンタクト層３０６ａ、３０６ｂの厚さは、これらの層３０６ａ、３０６ｂが光に対して透明であるか、または光吸収が無視できる程度であるように、また、電極１１８ａ、１１８ｂの材料と同時にエッチングされ得るように、十分な薄さであるように（例えば、厚さ約１ｎｍ〜２０ｎｍ）選択される。例えばコンタクト層３０６ａ、３０６ｂは、透明導電材料（ＩＴＯなど）から、あるいは金属（例えば、Ａｌおよび／またはＴｉおよび／またはＷおよび／またはＴａおよび／またはＣｒ）から、あるいは例えばドープ半導体層１１６ａ、１１６ｂのドーピングとは逆のドーピングタイプのドープ非晶質半導体から成ってもよい。
この実施形態では、絶縁部分３０４は誘電体層１０６と接触し、ピクセルの素子間の電気的絶縁が可能になっている。一変形例では、また特に、下部電極３０２がデバイス３００の異なるピクセルに共通の単一の電極から形成されるとき、絶縁部分３０４が下部電極３０２を貫通せず、その代わりにこれら下部電極３０２の上方で止まることが可能である。
図５Ａ、５Ｂ、および５Ｃは、例えば上述のデバイス１００、２００、および３００に類似した、様々な光検出デバイスの４つのピクセルの平面図を示す。これらの図では、フォトダイオードの積層の頂部に位置する電極１１８ｃのみが示される。電極１１８ｃは相互接続穴１２４ｃに電気的に接続される。相互接続穴１２４ａおよび１２４ｂは、電極１１８ａおよび１１８ｂ（図示なし）に電気的に接続される。図５Ａの実施例では、光検出デバイスの各ピクセルに対する相互接続穴１２４ａ〜１２４ｃは電極１１８ｃの片側に配置されており、この配置は、場合によっては光検出デバイスの全てのピクセルについて類似している。図５Ｂの実施例では、光検出デバイスの４つのピクセルの相互接続穴１２４ａ〜１２４ｃは、図５Ｂに示されるＸ軸に平行な軸線に沿って互いに一列になっている。
この配置は、デバイスの４つのピクセルの各群に対して繰り返されてもよい。図５Ｃに示される実施例では、各ピクセルの相互接続穴１２４ａ〜１２４ｃは互いに一列になっておらず、相互接続穴１２４ａ〜１２４ｃが可能な限り互いから遠くなるように配置されており、これは、単一のピクセルの相互接続穴および隣接したピクセルの相互接続穴に等しく当てはまる。
上述の光検出デバイス１００、２００、および３００は、集積回路上で、より正確には誘電体層１０６上で、堆積ステップ、フォトリソグラフィステップ、およびエッチングステップを連続して使用して、フォトダイオードの積層を作ることによって製造されてもよい。フォトダイオードの積層を作った後、非晶質半導体層と、ピクセルの他の電極上に重ならない電極の部分とを通して、相互接続穴が形成される。次に、導電材料が相互接続穴の中に堆積される。次に、イメージセンサを製造するための従来のステップ（平坦化層の堆積、マイクロレンズの作成など）を使用することにより、光検出デバイスが完成されてもよい。
１００、２００、３００ 光検出デバイス
１０１ａ、１０１ｂ、２０１ａ、２０１ｂ、３０１ａ、３０１ｂ ピクセル
１０２ 基板
１０４ ＣＭＯＳトランジスタ
１０８、１１０ 相互接続層
１１２、２０２、３０２ 下部電極
１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ 真性非晶質半導体層
１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ ドープ非晶質半導体層
１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ 電極
１２０ 誘電体層、パッシベーション層
１２２ マイクロレンズ
１２４ａ〜１２４ｃ 相互接続穴
１２８ａ〜１２８ｃ 上側部分
３０４ 絶縁部分
３０６ａ、３０６ｂ コンタクト層

Claims (14)

  1. 複数のピクセル（１０１ａ〜１０１ｂ、２０１ａ〜２０１ｂ、３０１ａ〜３０１ｂ）を備え、各ピクセルが、複数のフォトダイオードと導電材料から成る複数の電極（１１２、１１８ａ〜１１８ｃ、２０２、３０２）との少なくとも１つの交互積層を備える、光検出デバイス（１００、２００、３００）であって、
    各フォトダイオードが、他のフォトダイオードの非晶質半導体層とは別個の少なくとも１つのドープ非晶質半導体層（１１６ａ〜１１６ｃ）と接触して配置された少なくとも１つの真性非晶質半導体層（１１４ａ〜１１４ｃ）を備え、各フォトダイオードが前記電極の少なくとも２つの間に配置され、フォトダイオードの各対が前記フォトダイオードの間に配置された前記電極（１１８ｂ〜１１８ｃ）の少なくとも１つを備え、
    各ピクセルにおいて、各電極が、他のピクセル電極上に重ならないとともに、前記非晶質半導体層を貫通する少なくとも１つの相互接続穴（１２４ａ〜１２４ｄ）に電気的に接続された、導電材料の少なくとも１つの部分（１２６ａ〜１２６ｄ）を備え、前記部分が前記他の電極上に重ならず、前記相互接続穴が少なくとも１つの導電材料で充填され、
    各ピクセルにおいて、導電材料の部分（１２８ａ〜１２８ｄ）が、前記ピクセルの他の電極上に重ならない電極の前記部分それぞれの上にほぼ重なるとともに、前記非晶質半導体層の上方に配置されている、デバイス（１００、２００、３００）。
  2. 各ピクセル（１０１ａ〜１０１ｂ、２０１ａ〜２０１ｂ、３０１ａ〜３０１ｂ）が少なくとも２つのフォトダイオードの積層を備える、請求項１に記載のデバイス（１００、２００、３００）。
  3. 集積回路（１０２、１０４）と前記フォトダイオードの積層との間に配置された少なくとも１つの電気的相互接続層（１０８、１１０）に電気的に接続された、少なくとも１つの集積回路（１０２、１０４）をさらに備え、前記相互接続穴（１２４ａ〜１２４ｄ）の前記導電材料が、少なくとも前記電気的相互接続層（１０８、１１０）に電気的に接続されている、請求項１または２に記載のデバイス（１００、２００、３００）。
  4. 各ピクセル（１０１ａ〜１０１ｂ、２０１ａ〜２０１ｂ、３０１ａ〜３０１ｂ）において、前記電極の１つ（１１２、２０２、３０２）が前記電気的相互接続層（１０８、１１０）と前記フォトダイオードの積層との間に位置し、前記ピクセルの前記他の電極（１１８ａ〜１１８ｃ）が、前記フォトダイオードによって検出すべき波長において透明である少なくとも１つの材料から成る、請求項３に記載のデバイス（１００、２００、３００）。
  5. 前記相互接続穴（１２４ａ〜１２４ｄ）の前記導電材料が、前記電気的相互接続層（１０８、１１０）と前記フォトダイオードの積層との間に位置する前記電極（２０２、３０２）の１つに配置された導電材料の少なくとも１つの部分（２０４）を通して、前記電気的相互接続層（１０８、１１０）に電気的に接続されている、請求項４に記載のデバイス（２００、３００）。
  6. 各ピクセル（１０１ａ〜１０１ｂ、２０１ａ〜２０１ｂ、３０１ａ〜３０１ｂ）において、前記電極（１１２、１１８ａ〜１１８ｃ、２０２、３０２）が、非晶質半導体層（１１４ａ〜１１４ｃ、１１６ａ〜１１６ｃ）の部分（２１２）および／または２つの隣接したピクセル（１０１ａ〜１０１ｂ、２０１ａ〜２０１ｂ、３０１ａ〜３０１ｂ）の前記フォトダイオードの積層の間に配置された少なくとも１つの誘電材料の部分（３０４）によって、隣接したピクセル（１０１ａ〜１０１ｂ、２０１ａ〜２０１ｂ、３０１ａ〜３０１ｂ）の前記電極（１１２、１１８ａ〜１１８ｃ、２０２、３０２）から電気的に絶縁されている、請求項１から５のいずれか一項に記載のデバイス（１００、２００、３００）。
  7. 前記真性非晶質半導体層（１１４ａ〜１１４ｃ）および／または前記ドープ非晶質半導体層（１１６ａ〜１１６ｃ）が、前記デバイス（１００、２００）の複数のピクセル（１０１ａ〜１０１ｂ、２０１ａ〜２０１ｂ）に共通である、請求項１から６のいずれか一項に記載のデバイス（１００、２００）。
  8. 前記電極の少なくとも１つ（２０２）が前記デバイス（２００）の複数のピクセル（２０１ａ〜２０１ｂ）に共通である、請求項１から７のいずれか一項に記載のデバイス（２００）。
  9. 前記フォトダイオードの積層を覆う少なくとも１つのパッシベーション層（１２０）を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載のデバイス（１００、２００、３００）。
  10. 各ピクセル（１０１ａ〜１０１ｂ、２０１ａ〜２０１ｂ）が、前記パッシベーション層（１２０）上に配置された少なくとも１つのマイクロレンズ（１２２）を備える、請求項９に記載のデバイス（１００、２００）。
  11. 前記非晶質半導体層（１１４ａ〜１１４ｃ、１１６ａ〜１１６ｃ）が、Ｓｉ：Ｈおよび／またはＧｅおよび／またはＳｉＧｅおよび／またはＣｄＴｅ：Ｏおよび／またはＡｓＧａから成る、請求項１から１０のいずれか一項に記載のデバイス（１００、２００、３００）。
  12. 真性非晶質半導体層（１１４ｂ〜１１４ｃ）が、導電材料またはドープ非晶質半導体から成る少なくとも１つの層（３０６ａ、３０６ｂ）を通して電極（１１８ａ〜１１８ｂ）と接触している、請求項１から１１のいずれか一項に記載のデバイス（３００）。
  13. 複数のピクセル（１０１ａ〜１０１ｂ、２０１ａ〜２０１ｂ、３０１ａ〜３０１ｂ）を備える光検出デバイス（１００、２００、３００）の製造方法であって、各ピクセルに対して、
    各フォトダイオードが、他のフォトダイオードの非晶質半導体層とは別個の少なくとも１つのドープ非晶質半導体層（１１６ａ〜１１６ｃ）と接触して配置された少なくとも１つの真性非晶質半導体層（１１４ａ〜１１４ｃ）を備え、各フォトダイオードが電極の少なくとも２つの間に配置され、フォトダイオードの各対が前記フォトダイオードの間に配置された前記電極（１１８ｂ〜１１８ｃ）の少なくとも１つを備えるようにして、複数のフォトダイオードと導電材料から成る複数の電極（１１２、１１８ａ〜１１８ｃ、２０２、３０２）との少なくとも１つの交互積層を作成するステップと、
    他のピクセル電極および非晶質半導体層の上に重ならない電極の部分（１２６ａ〜１２６ｄ）を通して相互接続穴（１２４ａ〜１２４ｄ）を作成し、次に少なくとも１つの導電材料を前記相互接続穴の中に堆積させるステップと、
    前記ピクセルの前記他の電極上に重ならないとともに前記非晶質半導体層の上方に配置された電極の前記部分の各々の上に、前記部分が実質的に重なるようにして、導電材料の部分（１２８ａ〜１２８ｄ）を作成するステップとを含む、方法。
  14. 前記電極（１１２、１１８ａ〜１１８ｃ、２０２、３０２）および／または非晶質半導体層（１１４ａ〜１１４ｃ、１１６ａ〜１１６ｃ）の少なくとも一部を、前記電極（１１２、１１８ａ〜１１８ｃ、２０２、３０２）または前記非晶質半導体の材料を堆積させるステップと、次に、前記堆積した材料のフォトリソグラフィおよびエッチングステップとを実施することによって作成する、請求項１３に記載の方法。
JP2012518930A 2009-07-07 2010-07-05 光検出デバイスおよび光検出デバイスの製造方法 Pending JP2012533168A (ja)

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