JP3020563B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、固体撮像素子チップ上に光導電膜を積層し
て構成される積層型の固体撮像装置に係わり、特に光導
電膜の改良をはかった固体撮像装置に関する。

（従来の技術） 固体撮像素子チップ上に光導電膜を積層した２階建て
構造の固体撮像装置は、感光部の開口面積を広くするこ
とができるため、高感度且つ低スミアという優れた特性
を有する。このため、この固体撮像装置は各種監視用テ
レビジョンやHDTV（High Definition Television）等の
カメラへの応用が期待されている。この種の固体撮像装
置用の光導電膜としては、現在のところアモルファス材
料膜が用いられている。例えば、Se−As−Te膜,ZnSe−Z
nCdTe膜,a−Si:H膜（水素化アモルファスシリコン膜）
等である。これらの材料の中でも、特性や加工性の良
さ，低温形成等の理由で、特にａ−Si:H膜が本命になっ
ている。

第１図はこの種の積層型固体撮像装置の概略構造を示
す断面図である。図中10はｐ型Si基板、11はp⁺素子分離
層、12nは^＋垂直CCDチャネル、13はn⁺⁺蓄積ダイオー
ド、15a,15bは転送ゲート電極、16は第１絶縁層、17は
画素電極配線、18は第２絶縁層、20は画素電極、21は光
導電膜、22は透明電極を示している。光導電膜21は、正
孔注入阻止層21a,光電変換層21b及び電子注入阻止層21c
により構成される。

第２図は撮像時の光導電膜21のエネルギーバンド図で
ある。透明電極22側からの入射光は光電変換層21bで吸
収され、電子−正孔対を生成する。生成した電子と正孔
は画素側と透明電極側にドリフトする。このうち、電子
は信号電荷として画素電極20,画素電極配線17を介して
蓄積ダイオード13に注入・蓄積され、その後に垂直CCD1
2,水平CCDを介して読み出される。

ここで、正孔注入阻止層21aと光電変換層21bは、隣接
する画素電極20を電気的に分離するために高抵抗である
必要があり、通常いずれもｉ型半導体膜を使用する。こ
の場合、画素電極20からの正孔注入を阻止するため、正
孔注入阻止層21aのバンドギャップは、光電変換層21bの
バンドギャップよりも大きい。例えば、光電変換層21b
として水素化アモルファスシリコン（ａ−Si:H）膜を用
いた場合には、正孔注入阻止層21aとして水素化アモル
ファスシリコンカーバイド（ａ−SiC:H）膜、水素化ア
モルファスシリコンナイトライド（ａ−SiN:H）膜、を
用いることを提案している（特願昭58−137594号）。

しかしながら、正孔注入阻止層21aとして上記のよう
なｉ型半導体膜を使用した場合には、固体撮像装置の重
要な特性の一つである残像特性が劣化する。この積層型
固体撮像装置の光導電膜において発生する残像は、光電
変換層21bの局在準位における信号電荷の捕獲と熱的放
出により説明され、光電変換層21bの局在準位密度と膜
厚に比例することが知られている（J.G.Simmons et a
l.,Phys.Rev.B 7,3076（1973））。そこで、残像特性を
向上させるには、光電変換層21bの局算準位密度と膜厚
を最適化することが考えられる。

これに対し、正孔注入阻止層21aは光電変換層21bの僅
か1/100程度の薄膜であるため、正孔注入阻止層21aの局
在準位が上記の残像特性に影響するとは、これまで考え
られていなかった。しかし、正孔注入阻止層21aとして
の上記ワイドギャップ材料の局在準位密度は、光電変換
層21bのａ−Si:H膜の局在準位密度と比べて一般に高密
度であり、その数百倍にも及ぶ。今回、我々の実験の結
果、この正孔注入阻止層21aの局在準位においても、光
電変換層21bと同様の機構により残像が発生することが
明らかとなった。

（発明が解決しようとする課題） このように、従来の積層型固体撮像装置においては、
画素電極からの正孔注入による暗電流・画像欠陥の増加
を抑えるために、正孔注入阻止層としてワイドギャップ
ｉ型半導体膜を使用した場合、固体撮像装置の重要な特
性の一つである残像特性が劣化してしまうという問題が
あった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その
目的とするところは、光電変換層として用いるｉ型水素
化アモルファスシリコン（ａ−Si:H）膜よりワイドギャ
ップのｉ型水素化アモルファスシリコンカーバイド（ａ
−SiC:H）膜を正孔注入阻止層として用いることで、画
素電極からの正孔注入による暗電流・画像欠陥の増加を
抑えることができ、且つ残像特性の向上をはかり得る積
層型固体撮像装置を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、光導電膜の正孔注入阻止層として使
用するｉ型水素化アモルファスシリコンカーバイド（ａ
−SiC:H）膜の膜厚と炭素含有量を最適化することによ
り、価電子帯側では十分な正孔注入阻止層能力を維持
し、画素電極からの正孔注入による暗電流・画像欠陥の
著しい増加を抑えながら、なおかつ残像の原因となる正
孔注入阻止層内の局在準位を十分に低い密度に保ち、残
像値を低い値に抑える光導電膜構造を実現することにあ
る。

即ち本発明は、半導体基板上に信号電荷蓄積ダイオー
ド及び信号電荷読出し部の配列がそれぞれ形成され、最
上部に信号電荷蓄積ダイオードと電気的に接続された画
素電極が形成された固体撮像素子チップと、この固体撮
像素子チップ上に積層された電子注入阻止層，光電変換
層及び正孔注入阻止層からなる光導電膜と、この光導電
膜上に形成された透明電極備えた固体撮像装置におい
て、前記光導電膜中の正孔注入阻止層として水素化アモ
ルファスシリコンカーバイド（ａ−SiC:H）膜を用い、
且つこの水素化アモルファスシリコンカーバイド膜の膜
厚ｄを100Å〜590Åの範囲に設定し、炭素含有量Ｃを９
％〜21％の範囲に設定するようにしたものである。

また、本発明は、より望ましくは膜厚ｄ（Å）と炭素
含有量Ｃ（％）との関係が、Ｃ≦189.2×ｄ^−0.477を満
足するように設定したものである。

（作用） 本発明によれば、正孔注入阻止層であるｉ型アモルフ
ァスシリコンカーバイド（ａ−SiC:H）膜における炭素
含有量Ｃ及び膜厚ｄの規定により、後述するように暗電
流を３×10^-10Acm^-2以下に抑えることができ、さらに３
フィールド残像を１％以下に低減することができる。従
って、画素電極からの正孔注入による暗電流・画像欠陥
の増加を抑えることができ、且つ残像特性の向上をはか
ることが可能となる。

（実施例） 実施例を説明する前に、本発明で規定した正孔注入阻
止層の膜厚ｄ及び炭素含有量Ｃについて説明する。

まず、前記第１図に示す構成において、正孔注入阻止
層であるアモルファスシリコンカーバイド（ｓ−SiC:
H）膜の膜厚と暗電流との関係は、第３図に示すように
なる。この図から、膜厚が厚くなると暗電流は小さくな
り、また膜厚が100Åよりも薄くなると暗電流が急激に
増大することが判る。なお、この特性は炭素含有量を９
％としたもので、膜厚100Å以上では暗電流は十分に小
さく、且つ安定したものであった。なお、炭素含有量を
変えても、膜厚が100Å以下では暗電流が急増し、さら
に100Å以上では安定するという特性は変わらなかっ
た。また、膜厚100ÅはCVD法等で形成可能な最適の厚さ
に近いものである。従って本発明では、膜厚ｄの下限を
100Åに設定した。

暗電流は膜厚ｄのみならず、炭素含有量Ｃにも依存す
る。そこで、炭素含有量Ｃに対する暗電流の変化を測定
した。その結果を第４図に示す。この図から、暗電流と
して一般に許容される３×10¹⁰Acm^-2以下となる炭素含
有量Ｃの範囲は、４％以上で37％以下の範囲である。な
お、この特性は膜厚ｄを200Åとしたときのものである
が、膜厚が100Å以上の範囲では膜厚ｄを変えても基本
的な特性は変わらず、炭素含有量Ｃが４％≦Ｃ≦37％の
範囲であれば暗電流を十分小さく（３×10^-10Acm^-2以
下）することが可能であった。

３フィールド残像値は、膜厚ｄが厚いほど大きく、炭
素含有量Ｃが多いほど大きくなるものである。そこで、
膜厚ｄが最小（100Å）の時の炭素含有量Ｃに対する３
フィールド残像値を測定し、さらに炭素含有量Ｃが最小
（４％）の時の膜厚ｄに対する３フィールド残像値を測
定した。その結果を、第５図及び第６図に示す。第５図
から、３フィールド残像を１％以下に抑えるには、炭素
含有量Ｃを21％以下にすればよいことが判る。同様に第
６図から、３フィールド残像を１％以下に抑えるには、
膜厚ｄを3200Å以下にすればよいことが判る。

一方、炭素含有量Ｃに対する暗電流値の変化は、前記
第４図に示すように炭素含有量10％以下の領域では急峻
なものとなり、この領域では暗電流値に大きなバラツキ
がある。暗電流のバラツキにより一部で暗電流が大きく
なると、いわゆる白キズと称される画像欠陥が発生す
る。この白キズは炭素含有量Ｃが少なくなるほど発生す
る可能性が大きくなり、炭素含有量Ｃが多くなると殆ど
発生しない。本発明者らの実験によれば、炭素含有量Ｃ
を９％以下にすれば白キズの発生を略完全に防止するこ
とができた。この点を考慮し、炭素含有量９％で膜厚ｄ
に対する３フィールド残像値を測定した結果を第７図に
示す。この図から、白傷を確実に無くし３フィート残像
を１％以下に抑えるには、膜厚ｄの上限値が590Åであ
ることが判る。

なお、残像値の正孔注入阻止層の局在準位密度N_SICに
対する依存性は第８図に示す通りであり、N_SIC≧５×10
¹⁶cm^-3の領域で残像値はN_SICに比例して増加する。この
図から、正孔注入阻止層においても光電変換層と同様の
機構による残像が発生していることが判る。また、この
局在準位密度と炭素含有量との関係は第９図に示す通り
であり、炭素含有量を制御することで、正孔注入層の局
在準位密度を制御することが可能である。

以下の実験結果から、暗電流を十分に小さく（３×10
^-10Acm^-2以下）、且つ残像を少なく（１％以下）にする
には、正孔注入阻止層であるアモルファスシリコンカー
バイド（ａ−SiC:H）膜の膜厚ｄ及び炭素濃度Ｃを、 ４％≦Ｃ≦21％ 100Å≦ｄ≦3200Å にすればよい。さらに、これに加えて白キズも確実に防
止するには、 ９％≦Ｃ≦21％ 100Å≦ｄ≦590Å にすればよい。これらの結果をまとめて図示したのが第
10図である。厳密に言えば、暗電流を小さく（３×10
^-10Acm^-2以下）、且つ残像を少なく（１％以下）にする
には第10図のハッチングで示す領域とする必要があり、
白傷も防止するには第10図のクロスハッチングで示す領
域とする必要があり、これらは上記の各条件に加えて、 Ｃ％≦189.2×（ｄÅ）^−0.477 を満足するようにすればよい。

以下、本発明の一実施例について具体的に説明する。
第１図は本発明の一実施例に係わる積層型固体撮像装置
の概略構成を示す断面図であり、読出し部にインターラ
イン転送CCDを用いた例である。

これを製造工程に沿って説明すれば、まずｐ型Si基板
10の表面層にp⁺層（素子分離領域）11,n⁺層（垂直CCDチ
ャネル）12及びn⁺⁺層（蓄積ダイオード）13を形成す
る。さらに、この基板10上にゲート絶縁膜を介して垂直
CCDの転送ゲート電極15a,15bを形成する。次いで、この
上に第１絶縁層16を堆積した後に、該絶縁層16に画素電
極配線17と蓄積ダイオード13との電気的接続のためのコ
ンタクトホールを形成する。そして、画素電極配線17を
形成した後に、表面形状を平坦化する目的でBPSG膜或い
はPSG膜からなる第２絶縁層18を形成し、この絶縁層18
に画素コンタクトホールを形成する。次に、Ti,Al等の
金属或いはTiSi_X,MoSi_X等の金属シリサイドからなる画
素電極20を形成し、最後に光導電膜21と、透明電極22と
して例えばITOを形成することになる。以下、光電変換
層としてｉ型ａ−Si:H膜を使用した例について光導電膜
の構造21を説明する。

まず、正孔注入阻止層21aとしてｉ型ａ−SiC:H膜を20
0Å、次に光電変換層21bとしてｉ型ａ−Si:H膜を２μ
ｍ、最後に電子注入阻止層21cとしてｐ型ａ−siC:H膜を
200Å、各々光CVD法により形成する。

正孔注入阻止層21aの形成条件としては、例えば原料
ガスとしてシラン（SiH₄），アセチレン（C₂H₂）を、キ
ャリアガスとしてヘリウム（He）を各々10sccm,3.6scc
m,100sccmの流量で、水銀蒸気と混合してCVD反応室に導
入し、圧力を0.1Torrに設定する。半導体基板を230℃に
加熱し、励起光として低圧水銀ランプを点灯し波長185n
m,254nmの真空紫外光を半導体基板に照射することで正
孔注入層21aであるｉ型ａ−SiC:H膜が形成される。

光電変換層21bとしてのｉ型ａ−Si:H膜、或いは電子
注入阻止層21cとしてのｐ型ａ−SiC:H膜の形成において
は、基板温度，照射光の条件は全く同一であるが、導入
するガスと圧力が異なる。光電変換層21bの形成におい
ては、SiH₄ガス20sccmを導入し、圧力は0.2Torrに設定
する。また、電子注入阻止層21cの形成においては、SiH
₄ガス10sccm,C₂H₂ガス0.5sccm,ジボラン（B₂H₆）ガス2s
ccm,Heガス100sccmを導入し、圧力は0.1Torrに設定す
る。

本実施例においては、正孔注入阻止層21aのｉ型ａ−S
iC:H膜の炭素含有量は９原子％となり、バンドギャップ
及び活性化エネルギーは各々1.93eV,0.97eVとなる。こ
の炭素含有量は、膜形成時の導入ガスの流量比により制
御でき、同時に上記バンドギャップ及び活性化エネルギ
ーも制御可能である。

本実施例において、信号電流＝2.6×10^-7Acm^-2,光導
電膜中電界＝0.03MVcm^-1なる条件下での光導電膜に起因
する３フィールド残像値は0.66％という非常に低い値を
得ることができた。また、画素電極からの正孔注入に起
因する画像欠陥は発生せず、暗電流値も３×10^-11Acm^-2
という非常に低い値を示した。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものでは
ない。実施例では、CCD撮像素子を用いたが、MOS型やBB
D型撮像素子チップを用いて、これに光導電膜を積層す
る場合にも、本発明を適用することができる。さらに、
光導電膜の製造方法も実施例に限らず、例えばプラズマ
CVD法等により形成してもよい。その他、本発明の要旨
を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができ
る。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、光導電膜の正孔
注入素子層として使用するｉ型水素化アモルファスシリ
コンカーバイド（ａ−SiC:H）膜の膜厚と炭素含有量を
最適化することにより、正孔注入阻止層による価電子帯
側での十分な正孔注入阻止能力を維持し、画素電極から
正孔注入の著しい増加を抑えた上で、正孔注入阻止層に
起因する残像を大幅に低減することが可能である。従っ
て、固体撮像装置の暗電流，画像欠陥を増すことなく、
残像を大幅に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる固体撮像装置の概略
構成を示す断面図、第２図は上記装置における光導電膜
の撮像時のエネルギーバンドを示す模式図、第３図乃至
第10図は本発明で規定する正孔注入阻止層の膜厚ｄ及び
炭素含有量Ｃを説明するためのもので、第３図は膜厚と
暗電流との関係を示す特性図、第４図は炭素含有量と暗
電流との関係を示す特性図、第５図は炭素含有量と残像
との関係を示す特性図、第６図は炭素含有量４％のとき
の膜厚と残像との関係を示す特性図、第７図は炭素含有
量９％のときの膜厚と残像との関係を示す特性図、第８
図は局在準位密度と残像との関係を示す特性図、第９図
は炭素含有量と局在準位密度との関係を示す特性図、第
10図は膜厚及び炭素含有量の最適範囲を示す模式図であ
る。 11……ｐ型Si基板、 12……n⁺垂直CCDチャネル、 13……n⁺⁺蓄積ダイオード、 15a,15b……転送ゲート電極、 16,18……絶縁層、 17……画素電極配線、 20……画素電極、 21……光導電膜、 21a……正孔注入阻止層、 21b……光電変換層、 21c……電子注入阻止層、 22……透明電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−144565（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−127080（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 27/146

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板上に信号電荷蓄積ダイオード及
   び信号電荷読出し部の配列がそれぞれ形成され、最上部
   に信号電荷蓄積ダイオードと電気的に接続された画素電
   極が形成された固体撮像素子チップと、この固体撮像素
   子チップ上に積層された電子注入阻止層，光電変換層及
   び正孔注入阻止層からなる光導電膜と、この光導電膜上
   に形成された透明電極とを備えた固体撮像装置におい
   て、 前記光導電膜中の正孔注入阻止層として水素化アモルフ
   ァスシリコンカーバイド（ａ−SiC:H）膜を用い、且つ
   この水素化アモルファスシリコンカーバイド膜の膜厚ｄ
   と炭素含有量Ｃを、 100Å≦ｄ≦590Å ９％≦Ｃ≦21％ に設定してなることを特徴とする固体撮影装置。
2. 【請求項２】前記正孔注入阻止層としての水素化アモル
   ファスシリコンカーバイド膜の膜厚ｄ（Å）と炭素含有
   量Ｃ（％）との関係を、 Ｃ≦189.2×ｄ^−0.477 に設定してなることを特徴とする請求項１記載の固体撮
   像装置。