JP3233401B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置

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JP3233401B2 JP34037290A JP34037290A JP3233401B2 JP 3233401 B2 JP3233401 B2 JP 3233401B2 JP 34037290 A JP34037290 A JP 34037290A JP 34037290 A JP34037290 A JP 34037290A JP 3233401 B2 JP3233401 B2 JP 3233401B2
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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電変換膜を積層
して構成される積層型の固体撮像装置に係わり、特に正
孔バリア層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電変換膜を積層した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。この種の積層型固
体撮像装置における1画素の断面構造を第7図に示す。
第7図において、p型のシリコン基板1には、p+型の
素子分離領域2で囲まれた領域内にn-型の不純物領域か
らなる蓄積ダイオード3が形成されており、この蓄積ダ
イオード3の近傍には、n-型の垂直CCDのチャネル領域
4が形成されている。チャネル領域4の上部には、第1
の絶縁膜5で周囲と絶縁された転送ゲート電極6,7が積
層形成されており、蓄積ダイオード3の上部から絶縁膜
5の周縁に沿って転送ゲート電極6,7の上部には、引出
し電極8が形成されている。引出し電極8及び絶縁膜5
の上には、表面平坦化用の第2の絶縁膜9が形成されて
いる。そして、この第2の絶縁膜9上に、1画素毎に対
応して引出し電極8に接続された画素電極10が形成され
て、固体撮像素子チップが構成されている。
固体撮像素子チップの上には、例えばi型a−Si:H
(非晶質水素化シリコン)からなる光電変換膜11が形成
されており、この光電変換膜11上にはITO等の透明電極1
2が形成されている。
光電変換膜11で受光された入射光は、電子−正孔対に
変換され、透明電極12と画素電極10間に印加された所定
のバイアス電位により、電子は引出し電極8を通じて蓄
積ダイオード3に与えられ、信号電荷として蓄積ダイオ
ード3に蓄積される。蓄積された信号電荷は、転送ゲー
ト電極6に印加される電圧により、垂直CCDのチャネル
領域4に移送された後、このチャネル領域4を順次移動
して転送される。
しかし、このような固体撮像装置においては、第8図
のエネルギーバンド図内で太い矢印で示すように、画素
電極10から正孔が光電変換膜11中に注入されて、画像欠
陥が発生してしまうという問題があった。
このような問題を防止するためには、正孔に対してバ
リア(障壁)となる正孔バリア層を画素電極10側に形成
する必要がある。このバリア層としては従来、バンドギ
ャップの広いi型a−SiC:H膜(非晶質水素化シリコン
カーバイト膜)、或いは燐をドープしたn型a−Si:H膜
が用いられてきた。
i型a−SiC:H膜13を正孔バリア層として用いた従来
例を第9図に示す。i型a−SiC:H膜13は、正孔に対す
るバリア層として有効に作用し、さらに抵抗が大きいの
で横方向の信号電荷の拡散が小さく、画素分離が不要で
あるといった長所を有している。しかし、第10図のエネ
ルギーバンド図内で太い矢印で示すように、i型a−Si
C:H膜13は電子(信号電荷)に対してもバリア層となる
ことから、信号電荷の移動に遅延が生じて残像特性が劣
化してしまうという欠点がある。
一方、燐をドープしたn型a−Si:H膜14を正孔として
用いた従来例を第11図に示す。燐をドープしたn型a−
Si:H膜14は、正孔に対してバリア層となるが、電子(信
号電荷)に対してはバリア層とはならないという長所を
有している。しかし、抵抗が低いために信号電荷が横方
向に拡散し易くなるので、画素分離を必要とするという
欠点がある。
画素分離を行うためには、光電変換膜11としてi型の
a−Si:H膜を形成する前に、n型a−Si:H膜14に対し大
気中にて画素分離のための工程が必要となる。このた
め、光電変換膜11と燐をドープしたn型a−Si:H膜14と
の間に、自然酸化膜或いは多数の界面準位が形成され
る。従って、この界面準位に信号電荷が捕獲されて、雑
音や画像欠陥の原因を招く。また、画素電極10や引出し
電極8は、一般的にシリサイドが用いられているが、こ
のシリサイド表面には自然酸化膜が形成され易いので、
酸化膜抵抗が不均一となり、特性を劣化させる原因とな
っていた。
(発明が解決しようとする課題) このように、従来の積層型の固体撮像装置において
は、正孔バリア層としてi型a−SiC:H膜を用いると残
像特性が劣化してしまい、また燐をドープしたn型a−
Si:H膜を用いると雑音や画像欠陥の原因を招くという問
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、正孔バリア層の付加に起因する残
像特性の劣化,雑音や画像欠陥の発生を防止することが
でき、良好な再生画像を得ることができる積層型の固体
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、正孔バリア層として、電子に対して
はバリアとはならず、また画素分離の必要のない材料を
選択したことにある。
即ち本発明は、p型の半導体基板にn型の信号電荷蓄
積部,信号電荷読出し部及び信号電荷転送部を形成し、
且つ最上層に信号電荷蓄積部に電気的に接続された画素
電極を形成してなる固体撮像素子チップと、この固体撮
像素子チップ上であって前記画素電極に接して形成され
たシリコンに対する窒素の濃度が均一でかつ0.1%〜6
%の非晶質水素化シリコン窒化膜と、この非晶質水素化
シリコン窒化膜上に接して形成された光電変換膜と、こ
の光電変換膜上に形成された透明電極とを備えることを
特徴としたものである。
(作用) 本発明で用いたa−SiN:H膜において、シリコンに対
する窒素濃度の比を0.1%から50%まで変えたときの、
暗導電率の活性化エネルギー及び光学的禁止帯幅の変化
を第4図に示す。0.1%から30%までの範囲において
は、光学的禁止帯幅は僅かに上昇し、また活性化エネル
ギーは0.84eVから0.6eVまで単調に減少する。この範囲
ではa−SiN:Hは、電子(信号電荷)に対しては障壁と
ならず、画素電極からの正孔の光電変換膜中への注入を
妨げ、固体撮像装置の画像欠陥を防ぐという有効な作用
を生む。シリコンに対する窒素濃度の比が20%を越える
と、活性化エネルギーは急峻に上昇する。
ところが、50%以上のa−SiN:H膜においては、活性
化エネルギーがi型a−Si:H膜の活性化エネルギーより
大きくなり、正孔のみならず、電子(信号電荷)に対し
てもバリア層となる。
また、シリコンに対する窒素濃度の比が0.1%から50
%まで変えられたa−siN:H膜の暗導電率を第5図に示
す。0.1%から30%までの濃度範囲においては、暗導電
率は10-10S/cm程度から穏やかに上昇し最大で10-8S/cm
程度の値を示す。この導電率の値は、幸いにも横方向に
信号電荷が拡散することを無視できる値である。このこ
とから、従来例として掲げたn型a−Si:H膜を正孔のバ
リア層として用いた場合とは異なり、本発明の固体撮像
装置は、画素分離が不必要であるという有効な作用をも
得ることができる。
第6図は、シリコンに対する燐の濃度比を10-6から10
-5まで変えたときのn型a−Si:H膜の暗導電率を示す。
燐ドープのn型a−Si:H膜の場合、画素分離を必要とし
ない10-10S/cmから10-8S/cmの暗導電率を得るために
は、非常に困難な10-6オーダでのドーピング制御が必要
とされる。これに対して、a−SiN:H膜の場合、0.1%か
ら20%の範囲であれば、容易に且つ再現性良く、正孔バ
リア層として良好なa−SiN:H膜が得られる。
(実施例) 以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
第1図は本発明の一実施例に係わる積層型の固体撮像
装置の1画素構成を示す断面図である。なお、第7図と
同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略
する。
本装置が第7図に示した従来構造と異なる点は、固体
撮像素子チップと光電変換膜との間に、正孔バリア層と
してa−SiN:H膜を設け、光電変換膜と透明電極との間
にa−SiC:H膜を設け、さらにa−SiN:H膜のシリコンに
対する窒素の濃度を0.1%から20%の範囲に設定したこ
とにある。
このような構造を得るためには、まず、例えばp型の
半導体基板1の表面領域に、n-型の不純物領域からなる
蓄積ダイオード3及び垂直CCDチャネル領域4を形成す
る。また、基板1中における信号電荷の横方向の移動を
防止して、それぞれの画素を分離するp+型の素子分離領
域2を形成する。その後、チャネル領域4の上に、第1
の絶縁膜5で周囲と絶縁された例えば多結晶シリコンか
らなる転送ゲート電極6,7を積層形成する。
次いで、蓄積ダイオード3上の第1の絶縁膜5を除去
して開口し、蓄積ダイオード3の上面から開口部の側面
に沿って第1の絶縁膜5上に、例えばシリサイドからな
る引出し電極8を形成する。引出し電極8及び絶縁膜5
の上に、表面平坦化用の第2の絶縁膜9を形成し、この
第2の絶縁膜9上に1画素毎に対応した画素電極10を形
成する。ここまでは従来と同様であり、固体撮像素子チ
ップが構成される。
次いで、固体撮像素子チップ上に画素電極10に接合さ
れるように正孔バリア層となるa−siN:H膜21を形成す
る。さらに、このa−SiN:H膜21上に光電変換膜として
のi型a−Si:H膜22とp型a−SiC:H膜23を積層する。
ここで、a−SiN:H膜21のシリコンに対する窒素の濃度
は10%とする。最後に、p型a−SiC:H膜23上に、例え
ばITO膜からなる透明電極12を積層して、第1図に示す
ような構造が得られる。
第2図は、a−SiN:H膜作成に用いた成膜装置の概略
構成を示している。反応室30の内部には上下に対向する
平行平板電極31,32が設けられ、また反応室30の側壁に
は反応ガス導入口33及び排気口34が設けられている。下
部電極32に被処理基板35がセットされ、基板35は下部電
極32の内部に設けられたヒータ36により加熱できるよう
になっている。
a−SiN:H膜の堆積には、ガス導入口33から原料ガス
としてSiH4とNH3とH2の混合ガスを導入し、基板35(固
定撮像素子チップ)を所定の温度に加熱した状態で高周
波電力(例えば、13.56MHz)を平行平板電極31,32間に
加える。そして、電極31,32間に発生したプラズマ37に
より、SiH4とNH3とH2の混合ガスを分解する。ここで、S
iH4とNH3の比を適当に調整することにより、シリコンに
対する窒素の濃度が0.1%〜20%(本実施例では10%)
のa−SiN:H膜を得る。以上のようにして基板35上にa
−SiN:H膜21を堆積する。
第3図に、従来の固体撮像装置と本実施例の固体撮像
装置の残像特性を比較して示す。この図で示した固体撮
像装置は、それぞれ、残像特性に対して最適化された正
孔に対するバリア層が用いられている。本実施例のシリ
コンに対する窒素の濃度比が10%のa−SiN:H膜を用い
た固体撮像装置において、最も優れた残像特性を示すの
が分かる。
このように本実施例によれば、積層型固体撮造装置の
固体撮像素子チップと光電変換膜22との間に設ける正孔
バリア層21として、シリコンに対する窒素の濃度比が0.
1%から20%までのa−SiN:H膜を用いている。このa−
SiN:H膜は、電子(信号電荷)に対しては障壁となら
ず、画素電極10からの正孔の光電変換膜22中への注入を
妨げ、固体撮像装置の画像欠陥を防ぐという有効な作用
を果たす。また、a−SiN:H膜からなる正孔バリア層21
の導電率の値は、横方向に信号電荷が拡散することを無
視できる値であるため、画素分離も不要である。さら
に、a−SiN:H膜ではシリコンに対する窒素の濃度が0.1
%から20%の広い範囲にわたって、画素分離を必要とし
ない10-10S/cmから10-8S/cmの暗導電率を得ることがで
きる。従って、残像特性の劣化,雑音や画像欠陥の発生
を防止することができ、良好な再生画像を得ることがで
きる。
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものでは
なく、そ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、正孔に対するバ
リア層としてシリコンに対する窒素の濃度が0.1%から2
0%のa−SiN:H膜を用いることにより、正孔バリア層の
付加に起因する残像特性の劣化,雑音や画像欠陥の発生
を防止することができ、良好な再生画像を得ることがで
きる積層型の固体撮像装置を実現することが可能とな
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積層型の固体撮像装
置の1画素構成を示す断面図、第2図はa−SiN:H膜の
成膜装置を示す概略構成図、第3図は実施例装置におけ
る残像特性を従来装置と比較して示す図、第4図乃至第
6図は本発明の作用を説明するためのもので、第4図は
a−SiN:H膜の活性化エネルギーと光学的禁止帯幅の特
性を示す図、第5図はa−SiN:H膜の暗導電率特性を示
す図、第6図は燐ドープn型a−Si:H膜の暗導電率特性
を示す図、第7図乃至第11図は従来の問題点を説明する
ためのもので、第7図,第9図及び第11図は積層型の固
体撮像装置の1画素構成を示す断面図、第8図及び第10
図はバンドエネルギー状態を示す図である。 1……p型半導体基板、 2……p+型素子分離層、 3……蓄積ダイオード、 4……チャネル領域、 5,9……絶縁膜、 6,7……転送ゲート電極、 8……引出し電極、 10……画素電極、 12……透明電極、 21……a−SiN:H膜(正孔バリア層)、 22……i型a−Si:H膜(光電変換膜)、 23……p型a−SiC:H膜。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】p型の半導体基板にn型の信号電荷蓄積
    部,信号電荷読出し部及び信号電荷転送部を形成し、且
    つ最上層に信号電荷蓄積部に電気的に接続された画素電
    極を形成してなる固体撮像素子チップと、この固体撮像
    素子チップ上であって前記画素電極に接して形成された
    シリコンに対する窒素の濃度が均一でかつ0.1%〜6%
    の非晶質水素化シリコン窒化膜と、この非晶質水素化シ
    リコン窒化膜上に接して形成された光電変換膜と、この
    光電変換膜上に形成された透明電極とを具備してなるこ
    とを特徴とする固体撮像装置。
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