JPH0214790B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は基板上に形成された下部電極とシリコ
ンを主体とし水素を含有する非晶質材料よりなる
光導電膜とスパツタリングにより形成した透明電
極とよりなる受光素子の製造方法に関するもので
ある。たとえば、走査用Si−IC基板上にシリコン
を主体とし水素を含有する非晶質材料（以後非晶
質水素化シリコンと呼ぶ）よりなる光導電体層お
よび透明電極を積層した固体撮像素子の製造方法
に適用して有用である。勿論、他の受光素子にも
適用出来る。

本発明の方法は非晶質水素化シリコンよりなる
光導電体層および透明電極を形成した後に用いて
有用なものである。

前述の固体撮像装置の例は光電変換機能及び信
号蓄積機能を有する固体要素を複数個配置し、各
固体要素を一絵素に対応させて撮像面を形成し、
この撮像面を順次走査することにより外部映像情
報を電気信号に変換する固体撮像装置であり、特
に撮像面を形成する光導電体層がスイツチ、走査
回路等が形成された走査用IC基板を覆うように
形成されて成る。

この様な撮像面を形成する光導電体層がスイツ
チ、走査回路などが形成された半導体基板を覆う
ように形成された固体撮像装置はたとえば、特開
昭51−10715号公報などに報告されている。以下、
この技術を簡単に説明する。第１図に示すように
Si基板１上に走査回路とスイツチ回路等を集積化
し、光電変換の役割を果す光導電膜８を該Si−IC
基板上に堆積したものである。第１図に即して動
作原理を説明すると、入射光１０が透明電極９を
通して光導電膜８に達する。ここで光は吸収され
て電子正孔対を生じ、これらのキヤリヤはバイア
ス電圧V_Tにより金属電極７に蓄積される。蓄積
されたキヤリアは半導体基板１上に形成されたソ
ース２、ドレイン３、ゲート４からなる絶縁ゲー
ト型電界効果トランジスタ（MOSFET）により
スイツチされ信号線５を通して外部にとり出され
る。６は絶縁膜である。本構造では走査回路と光
電変換部が分離されているため、解像度や光感度
の低下をもたらさないばかりでなく、光がSi基板
に達しないためブルーミングも起こりにくいとい
う特徴を有する。

また、光導電膜として光導電特性の優れた非晶
質水素化シリコンを用いた第１図に示す固体撮像
素子も提案されている。

しかし、走査用Si−IC基板上に非晶質水素化シ
リコンよりなる光導電膜を形成した後、その上部
に酸化インジウム−酸化錫系の透明電極または白
金などの半透明電極をスパツタリング法により形
成すると光導電膜の光応答特性が劣化するという
欠点が生じた。

光導電膜上にたとえば酸化インジウム−酸化錫
系金属酸化物の透明電極または金および白金など
の半透明金属電極をスパツタリング法により形成
するのは、非晶質水素化シリコンよりなる光導電
膜との接着性を高めるためである。この問題は特
にカラー用固体撮像装置において特に要求される
点である。真空蒸着法で酸化物の透明電極または
金属の半透明電極を形成することも可能である
が、一般に蒸着法で形成した膜はスパツタリング
法で形成した膜よりも下地膜との接着性が劣つて
いる。第１図にその絵素部の断面図を示した固体
撮像素子はカラー用の固体撮像素子として用いる
場合、透明電極の上部に所定の波長範囲の光のみ
を透過する色フイルター層を形成する必要があ
る。この色フイルター層を形成する工程を行う
際、上記の光導電膜８と透明電極９との接着性が
弱いと透明電極９が剥離するという問題がしばし
ば発生する。この点で真空蒸着法で透明電極９を
形成するよりはスパツタリング法で透明電極９を
形成することが望ましい。また、酸化インジウム
−酸化錫系の透明電極をインジウム−錫系のハロ
ゲン化物あるいは有機金属塩を用いたCVD
（Chemical Vapor Deposition）法により作成す
る方法も知られている。しかし、この方法では比
抵抗が低く、抵抗の経時変化などもなく、かつ、
下地膜との接着性の良い膜を得るためには基板温
度を300℃以上にしなければならない。一方、非
晶質水素化シリコンよりなる光導電膜は300℃以
上に加熱すると可視光領域での光感度が著しく低
下する。従つて、非晶質水素化シリコンを光導電
膜として用いた固体撮像素子用の透明電極は
CVD法により作成することはできない。

第１図に示した固体撮像素子では光信号電荷を
一定の著積時間（例えば、1/30sec）蓄積した後、
極めて短い時間内に内蔵されたMOSFETスイツ
チにより信号線５を通して読み出す方式（蓄積動
作方式と呼ぶ）をとつている。第２図の受光素子
は光応答特性を測定するためのテスト用受光素子
である。基板１１上に設けられた下部電極１２と
非晶質水素化シリコンよりなる光導電膜１３と透
明電極１４で構成されており、光導電膜には常に
一定の電圧V_Tが印加されていて、光パルス１５
により光導電層１３に発生した光電荷を電流計１
６で直接読みとることができる。スパツタリング
法で透明電極を形成した受光素子の光応答特性は
一例を示すと第３図のようになる。この受光素子
は、通常の製法によつて形成されたものであり、
80〜220℃程度の基板温度条件下にてスパツタリ
ング法により透明電極を構成後、加熱を中止して
放置したものである。第３図において、特性ａは
入射の光パルス、曲線ｂ，ｃは各々透明電極側を
正にバイアス（一般にV_T＝０〜21V程度を使用
する）した場合の光応答特性、透明電極側を負に
バイアス（一般にV_T＝０〜−21V程度を使用す
る。）した場合の光応答特性を示す。第３図の特
性曲線より特に透明電極側に負のバイアスを印加
した時の光応答特性が著しく劣つている。すなわ
ち、第３図では透明電極側を負にして光パルスを
照射すると透明電極から負電荷が注入される現象
（二次光電流とも呼ぶ）が起つて、光をOFFにし
た後も、減衰電流が長い時間にわたつて多く流
れ、なかなか暗電流のレベルまでもどらないこと
を示している。この現象は固体撮像素子におい
て、一旦映した画像が光を遮断しても残像として
残つたり、さらには焼付いたままとれなくなる現
象としてあらわれる。固体撮像素子におけるこの
ような現象は実用上極めて大きな欠点である。

上述の欠点を除去した非晶質水素化シリコン薄
膜固体撮像素子を得るために本発明は極めて有効
である。

本発明は上記目的を達成するために、走査用Si
−IC基板上に水素を含有するシリコンを主体と
した非晶質光導電膜を反応性スパツタリング法ま
たはグロー放電CVD法により形成した後、上記
光導電膜上に透明電極をスパツタリング法にて形
成する。しかる後に、本固体撮像素子を170℃か
ら250℃の温度範囲で熱処理し、透明電極をスパ
ツタリング法にて光導電膜上に形成したために生
じた本固体撮像素子の光応答特性の劣化を改良す
るものである。本発明によつて本固体撮像素子の
長所である解像度や可視光領域の分光感度が優
れ、ブルーミング現象の起りにくい素子を得るこ
とが出来る。前記光導電膜の反応性スパツタリン
グ法としては、一般のスパツタ装置を用いてもよ
いし、マグネトロン型の高速スパツタ装置も用い
ることができる。スパツタ装置内の対向電極の一
方の陰極（ターゲツト側電極）に多結晶シリコン
をスパツタ用ターゲツトとして設置し、他方の陽
極（基板側電極）には走査用Si−IC基板を設置す
る。スパツタ室内を１×10^-5Torr以下の高真空
に保ちながら250〜300℃に加熱して、スパツタ室
内の脱ガスを行つた後、放電ガスとして水素とア
ルゴンの如き希ガスとの混合ガスをスパツタ室内
に導入し、13.56MHzの高周波スパツタリングを
行つて、走査用Si−IC基板上に水素を含有したシ
リコンを主体とする非晶質光導電膜を堆積せしめ
る。膜形成中の基板温度は100〜350℃、放電ガス
の圧力は２×10^-3Torr〜５×10^-2Torr、放電ガ
ス中の水素ガスの組成は10〜60mol％の範囲内で
ある。

また、前記のグロー放電CVD（Chemical
Vapor Deposition）法としては、rfコイル法と
二極放電法の二種類がある。いずれも、放電ガス
としてSiH₄などのシラン系ガスとアルゴンの如
き希ガスとの混合ガスを用い、グロー放電を行つ
てシラン系ガスの分解反応により走査用IC基板
上に水素を含有したシリコンを主体とする非晶質
光導電膜を堆積せしめる方法であり、シリコンに
水素を添加する反応を利用する反応性スパツタリ
ング法と区別される。rfコイル法は反応室をrfコ
イル中におき、rfコイルに13.56MHzの高周波を
印加して、反応室内に導入したSiH₄およびアル
ゴンの混合ガスのグロー放電を起こさせ、反応室
内に設置した走査用IC基板上に水素を含有した
シリコンを主体とする非晶質光導電膜を堆積せし
める方法である。また、二極放電法は通常のスパ
ツタリング装置を用い、対向電極間に13.56MHz
の高周波を印加して反応室内に導入したSiH₄お
よびアルゴンの混合ガスのグロー放電を起こさ
せ、反応室内に設置した走査用IC基板上に水素
を含有したシリコンを主体とする非晶質光導電膜
を堆積せしめる方法である。膜形成中の基板温度
は100〜300℃、放電ガスの圧力は反応性スパツタ
リング法より高く５×10^-2Torrから2Torr、放電
ガス中のSiH₄ガスの組成は５〜40mol％の範囲内
である。

上記の方法で走査用Si−IC上に非晶質水素化シ
リコンよりなる光導電膜を形成した後、その上部
に透明電極をスパツタリング法により形成する。
この透明電極としては(1)酸化インジウム、酸化錫
およびそれらの混合物から選ばれた一つを主成分
とする透明電極が用いられる。また、(2)金、白
金、タンタル、モリブデン、アルミニウム、クロ
ム、ニツケルおよびそれらの混合物からなる群か
ら選ばれた一つを主成分とする半透明状の金属電
極を用いることもできる。

(1)の透明電極を形成するには、インジウム−錫
系の金属をターゲツトとして、酸素ガスを含有し
たアルゴンガス中で反応性RFスパツタリングを
行なう方法もあるが、通常は、酸化インジウム−
酸化錫系の焼結体ターゲツトを用いて、アルゴン
ガスなどの希ガス中で、RFスパツタリングを行
なう方法がとられる。この場合、スパツタ装置内
の対向電極の一方の陰極（ターゲツト側電極）に
酸化インジウム−酸化錫系の焼結体をスパツタ用
ターゲツトとして設置し、他方の陽極（基板側電
極）には非晶質水素化シリコンよりなる光導電膜
を堆積した走査用Si−IC基板を設置する。スパツ
タ室内を５×10^-6Torr以下の高真空にまで排気
した後、放電ガスとしてアルゴンの如き希ガスを
スパツタ室内に導入し、13.56MHzの高周波スパ
ツタリングを行つて、上記光導電膜上に所定のパ
ターンの酸化インジウム−酸化錫系の透明電極を
堆積せしめる。膜形成中の基板温度は80℃〜220
℃、放電ガスの圧力は３×10^-3Torrから５×
10^-2Torrである。このようにして、第４図にそ
の絵素部の断面を示すような固体撮像素子が得ら
れる。

図において、２０は半導体基板、２６，２７は
この中に形成された拡散領域でソースもしくはド
レインを形成する。２５はゲート電極、２９，３
１０は各々ドレイン電極およびソース電極、２
１，２２，２８，３０は絶縁層である。なお、ソ
ース電極はソース領域２６上に設けられた金属層
３１と更にこの上部に設けた金属層３１の二層に
よつて形成されている。層３２は前述のスパツタ
ー法もしくはグロー放電法等によつて形成された
光導電膜である。３３は前述のスパツタ法により
形成された透明電極である。また、(2)の透明電極
に関しても、スパツタ装置内の陰極（ターゲツト
側電極）に、金、白金、タンタル、モリブデン、
アルミニウム、クロム、ニツケルおよびそれらの
混合物からなる群から選ばれた一つを主成分とす
る金属をスパツタ用ターゲツトとして設置すれば
上記の(1)の透明電極と同様のスパツタリング法に
より半透明状の金属電極を堆積することができ
る。この場合、半透明金属電極は光透過性を良く
するために固体撮像素子の各絵素間の断線がない
範囲内でできるだけ膜厚を薄くする必要がある。
通常、その膜厚は400Å以下である。このように
して80〜220℃の基板温度条件下にてスパツタリ
ング法により透明電極を形成した後、加熱を中止
して放置する。従来技術に係る受光素子を製造方
法は以上で完結する。

以上述べた方法で得られた固体撮像素子は第３
図で説明した如く、光応答特性の劣化した素子で
ある。特に、第４図において透明電極３３に負の
バイアス電圧V_Tを印加した場合、残像および焼
付が大きくなつている。しかし、この素子を170
℃〜250℃の間で約15分程度から数時間熱処理す
ると、残像および焼付特性は全く問題とならない
程度にまで改善される。このように本発明は、従
来の通常の製造方法、すなわち加熱条件下で透明
電極を形成した後に放置する製法にて製造された
受光素子においては解決されなかつた問題点を解
決するものである。透明電極形成後放置する従来
方法と、形成後に加熱処理を施す本発明の方法と
を比べると、その効果に顕しい差がある。この改
善のされ方は第２図に示した受光素子の光応答特
性で表わすと、第５図にその一例を示す如くとな
る。第５図において、特性ａは入射の光パルス、
曲線ｄ，ｅは各各透明電極側を正にバイアス（一
般にV_T＝０〜21V程度を用いる）した場合の光
応答特性、透明電極側を負にバイアス（一般に
V_T＝０〜−21V）した場合の光応答特性を示す。
第５図から明らかなように、透明電極側を負にバ
イアスした時の光応答特性が著しく改善されてい
ることがわかる。すなわち透明電極側から負電荷
が注入される二次光電流が抑制され、光OFF後
の減衰電流は短時間に暗電流と同レベルまで下が
る。また、透明電極側に印加するバイアスが正で
も負でも、熱処理前の特性と比較して、比較的低
電圧のV_T値で光感度が出せるようになるのも大
きな改善の一つである。この現象は第４図に示し
た固体撮像素子でも全く同様に観測される。

第４図に示した固体撮像素子において、熱処理
温度と、光OFF後50ｍｓ経過した時の残像との
関係は第６図に示す如くとなつた。但し、熱処理
時間は20分間とした。第６図から明らかなよう
に、熱処理温度を室温から次第に上げていくと、
残像は次第に大きくなり、100〜120℃の間で最大
値を示した後、150℃前後から急速に小さくなり
170℃〜250℃で最小値を示して、また反対に増加
する傾向を持つ。熱処理時間は各温度20〜40分で
ほぼその温度における残像の飽和値に達する。従
つて必要以上長時間熱処理をしても具体的に余り
意味はない。熱処理は通常大気中で行うがアルゴ
ンガスなどの希ガスあるいは窒素などの不活性ガ
ス中で行つても同様の効果が確認できた。一般の
撮像デバイスでは50ｍｓ後の残像が１％以下であ
れば十分に使用可能である。第６図から少なくと
も140℃以上でその効果を奏しはじめるが170℃〜
250℃の範囲で熱処理を行えば、第４図に示した
固体撮像素子は50ｍｓ後の残像が１％以下とな
り、撮像デバイスとして極めて好都合に使用でき
る。

第５図および第６図で示した本発明の効果はあ
くまで、非晶質水素化シリコンよりなる光導電膜
上にスパツタリング法により透明電極を堆積する
ことによつて発生した光導電膜と透明電極間の電
気的接触の問題点を改善するものである。非晶質
水素化シリコンを前述の反応性スパツタリング法
もしくはグロー放電法に堆積直後に光感度を大巾
に向上する目的で光導電膜堆積装置内に入れたま
ま真空中で220〜270℃に保持して熱処理する技術
とは別異の技術である。

また、本発明は第４図に一例として示した固体
撮像装置のみならず。原理的に第２図に示した如
くの構成を持つ受光素子全般に対しても有効であ
る。例えば、一次元の密着形のラインセンサある
いは、太陽電池などにも適用できる。また、固体
撮像装置の走査回路としてCCD（Charge
Coupled Device）転送領域を用いるものでも本
発明を適用できることは勿論である。

以下本発明を実施例により詳しく説明する。

実施例 １ 第７図は固体撮像装置の原理を示したものであ
る。各絵素４４はマトリクス状に配置され一点ず
つXYアドレス方式により読み出される。各絵素
の選択は水平走査信号発生器４１と垂直走査信号
発生器４２により行なわれる。４３は各絵素に接
続されたスイツチ部、４５は出力端である。

第８図から第１２図までは本発明の固体撮像装
置の製造方法を示す絵素部の断面図である。半導
体基板に形成されるスイツチ回路をはじめ走査回
路部等は通常の半導体装置の工程を用いて製造さ
れる。ｐ型シリコン基板２０上に800Å程度の薄
いSiO₂膜を形成し、このSiO₂膜上の所定の位置
に1400Å程度のSi₃N₄膜を形成する。SiO₂膜は通
常のCVD法、およびSi₃N₄膜はSiH₄、NH₄、N₂
を流したCVD法によつた。シリコン基板上部よ
りイオン・インプランテーシヨンによつてｐ拡散
領域を形成する。この拡散領域２１は各素子の分
離をよりよくするために設けた。次いで、H₂：
O₂＝１：８雰囲気中でシリコンを局所酸化し、
SiO₂層２２を形成する（第８図）。この方法は一
般にLOCOSと呼ばれている素子分離のためのシ
リコンの局所酸化法である。一旦、前述のSi₃N₄
膜を除去し、MOSトランジスタのゲート絶縁膜
をSiO₂膜で形成する。次いでポリシリコンによ
るゲート部２５、およびｎ型の拡散領域２６，２
７を形成し、更にこの上部にはSiO₂膜２８を形
成する。そしてこの膜中にソース２６およびドレ
イン２７の電極取り出し口をエツチングで開孔す
る（第９図）。ドレイン電極２９およびソース電
極３１０としてAlを6000Å蒸着する。更にSiO₂
膜３０を7500Åに形成し、続いてソース電極３１
としてAlを2500Å蒸着する。第１０図がこの状
態を示す断面図である。なお、電極３１は領域２
６，２７およびゲート部を覆う如く広く形成し
た。これは素子間分離用拡散層２１の間の信号処
理領域に光が入射するとブルーミングの原因とな
り望ましくないためである。

この様に準備された半導体IC基板上に水素を
含有するシリコンを主体とした非晶質光導電膜３
２を反応性スパツタリング法により3μｍの膜厚
に堆積する。この時、スパツタ用ターゲツトとし
ては、多結晶シリコンを陰極（カソード）に設置
して用いる。放電ガスとして水素とアルゴン混合
ガス（H₂：Ar＝20：80）を用い、３×10^-3Torr
の放電ガス圧で13.56MHzの高周波スパツタリン
グを行つた。光導電膜形成後の状態は第１１図に
示すようになる。この光導電膜の上部にIn₂O₃−
SnO₂系の透明電極をスパツタリング法で1000Å
の膜厚に堆積する。この時、スパツタ用ターゲツ
トとしては、SnO₂を5mol％含有したIn₂O₃焼結
体を陰極（カソード）に設置して用いる。放電ガ
スとしてArガスを８×10^-3Torrのガス圧で
13.56MHzの高周波スパツタリングを用いた。透
明電極形成後、第１２図に示すよう非晶質固体撮
像素子が得られる。上記の素子の光応答特性は残
像が10％以上になり、画像の焼付も大きい。次
に、この素子を空気中で、240℃、20分間熱処理
すると残像が１％以下と小さく、焼付現象のない
非晶質固体撮像素子が得られる。なお、通常半導
体基板２０の裏面に第２電極が設けられて一般に
接地される。この素子上の各絵素電極と対応する
ように、所定の分光透過特性を持つ色フイルタ層
を形成して、単板カラー非晶質固体撮像素子とし
ても、光導電膜と透明電極の接合界面で剥離現象
は起らなかつた。

実施例 ２ 実施例１と同様に、所定の半導体基板にスイツ
チ回路をはじめ走査回路等が形成される。第１０
図がこの状態を示す基板断面図である。但し、金
属電極３１はスパツタリング法により3000Åの膜
厚に形成したTa電極である。

この様に準備された半導体IC基板上に水素を
含有するシリコンを主体とした非晶質光導電膜３
２をグロー放電CVD法により3μｍの膜厚に堆積
する。この時、放電ガスとして（SiH₄10mol％＋
Ar90mol％）混合ガスを用い、６×10^-2Torrの
放電ガス圧で、対向電極間に13.56MHzの高周波
放電を発生させ、SiH₄ガスの分解反応により、
カソード側に設置し250℃に加熱したIC基上に水
素を含有する非晶質シリコンを堆積せしめた。光
導電膜形成後の状態は前記実施例と同様に、第１
１図に示す如くになる。この光導電膜の上部にpt
の半透明電極をスパツタリング法により200Åの
膜厚に堆積する。この時、ptの板を陰極に設置
し、Arガスを５×10^-3Torrのガス圧で13.56MHz
の高周波スパツタリングを行い、第１２図に示す
ような非晶質固体撮像素子を得た。上記の素子の
光応答特性は残像が15％以上になり、画像も大き
い。次にこの素子をArガス雰囲気中で、225℃、
30分間熱処理すると残像が0.5％程度で、焼付現
象のない素子が得られた。

以上の実施例を用いて説明した如く本発明の固
体撮像装置の製造方法を用いれば、光導電膜の上
部にスパツタリング法で透明電極を堆積したこと
により発生した非晶質固体撮像素子の光応答特性
の劣化を改善することができ、残像、焼付がとも
に極めて小さく、光導電特性は良好である。

また、透明電極として前述した各種金属を用い
ても同様の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は固体撮像装置の原理的な構造を示した
断面図、第２図は一般的な受光素子の断面図、第
３図はスパツタリング法で透明電極を形成した時
の受光素子の光応答特性の一例を示した図、第４
図は本発明で製造した非晶質固体撮像素子の一絵
素の断面図、第５図は第４図に示した光応答特性
を持つ受光素子を本発明の熱処理方法で改善した
効果を光応答特性の一例で示した図、第６図は本
発明の効果を熱処理温度と50ｍｓ後の残像との関
係で示した図、第７図は固体撮像素子の原理を示
す図、第８図より第１２図は各々本発明の固体撮
像装置の製造工程を示す主要部断面図である。 １０……入射光、１，２０……半導体基板、
２，３，２６，２７……拡散領域、４，２５……
ゲート電極、６，２２，２８，３０……絶縁層、
７，３１，３１０……ソース電極、５，２９……
ドレイン電極、８，３２……光導電薄膜、９，３
３……透明電極、３７……陽極酸化膜、２１……
拡散領域、１１……基板、１２……下部電極、１
３……光導電膜、１４……透明電極、１５……光
パルス、１６……電流計、４１……水平走査信号
発生器、４２……垂直走査信号発生器、４３……
スイツチ部、４４……絵素、４５……出力端。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 所望の基板上にシリコンを主体とし水素を含
   有する非晶質材料より成る光導電膜を形成する工
   程と、該光導電膜上にスパツタリング法によつて
   透明導電性膜を形成する工程を有する受光素子の
   製造方法において、前記透明導電性膜を形成した
   後、該受光素子を170℃から250℃の温度範囲で15
   分以上加熱する工程を有することを特徴とする受
   光素子の製造方法。 ２ 上記基板が二次元状に配列したスイツチと該
   スイツチを介して取り出した光学像に相当する光
   電荷を転送する走査素子を少なくとも有する半導
   体基板であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の受光素子の製造方法。 ３ 上記の透明導電性膜がスパツタリング法によ
   り形成した酸化インジウム、酸化錫およびそれら
   の混合物から選ばれた一つを主成分とする透明導
   電性膜であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の受光素子の製造方法。 ４ 上記の透明導電性膜がスパツタリング法によ
   り形成した金、白金、タンタル、モリブデン、ア
   ルミニウム、クロム、ニツケルおよびそれらの混
   合物からなる群から選ばれた一つを主成分とする
   半透明状の金属膜であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の受光素子の製造方法。