JPS5822899B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体単結晶基板上に製作した受光装置あるい
は固体撮像装置の改良に関する。

撮像装置として従来用いられて来たのは蓄積モードで動
作する光導電ターゲットを電子ビームで走査する形式の
撮像管である。

この場合電子ビームを用いているため、高電圧を必要と
すること、小型化が困難であること等の難点がある。

これらの難点を克服するために考案されたのが固体撮像
装置あるいは撮像板である。

第１図は固体撮像装置の原理を示したものである。

各絵素４は基盤目状に配置され一点づつＸＹアドレス方
式により読み出される。

絵素子の選択は水平走査信号発生器１と垂直走査信号発
生器２により行なわれる。

３は各絵素に接続されたスイッチ部、５は出力端である
。

各絵素の光電変換部の具体的構成はＳＬ基板に直接拡散
領域を形成する例、光導電性薄膜を利用する例等がある
。

しかし、８１基板に拡散領域を形成し光電変換部を構成
する例は実用的に次の様な重大な欠点を持つ。

固体撮像装置が撮像管に匹敵する解像度を有するために
は５００Ｘ４００個ないしそれ以上の絵素数が要求され
る。

絵素の寸法は最も小さくしても２０μｍ×２０μｍ以下
にすることは難しいのでＳｉ基板の大きさとしては１ｃ
ｒｒｔ×ｌＣｒｌ１程度あるいはそれ以上の超大型ＩＣ
となる。

チップサイズが大きくなると走留りが低くなる。

コスト而の不利は子犬なものである。

また、各絵素は一般にＭＯＳスイッチをそのソース領域
を利用した光電変換部（前記Ｓｉ基板への拡散領域にあ
たる）より構成されるが、この二次元的に配列されるＭ
ＯＳスイッチが相当面積を占め受光面の構成としては得
策でない。

また縦横に走る配線は当然ダイオード面上も走るため光
の入射面積が減少する。

これらは光感度の低下を招き、信号の出力が小さくなる
ため信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を落とす原因となってい
る。

一方、光導電性薄膜を利用する例は、前記ＭＯＳスイッ
チ等のＸＹアドレスを行なう走査回路をＳｉ基板上に形
成し、この上層部に光導電性薄膜を三次元的に配置し受
光部を構成するものである。

この様な固体撮像装置の例は特開昭５１−９５７２０号
公報等に開示されるものである。

第２図にその原理を説明するための断面図を示す。

８１基板６中に拡散領域７，８を設けＭＯＳスイッチの
ソースおよびドレインとなす。

１０はＭＯＳスイッチのゲート電極、５は信号の取り出
しのためのドレイン電極、１６はソース電極である。

このように構成されたスイッチ回路の上部に光導電薄膜
１７および透明電極１８が形成される。

なお、１３は絶縁物層である。

電極１６はたとえばＳｂ２Ｓ３ Ｊ ＣｄＳ ＋Ａｓ２
Ｓｅ３＋多結晶Ｓｉ等光伝導性を示す物質からなる光導
電性薄膜１γを介して透明導伝性薄膜１８との間に電極
の面積Ｓに応じた容量Ｃを形成する。

電極パターンはマトリックス状に分離して置かれている
ため、容量がマトリックス状に配置されたことになる。

この容量は間に光導電性薄膜を介しているため感光素子
として働くことになり絵素を形成する。

感光素子を等価回路で表わせば、光の強度によって電気
抵抗の変わる可変抵抗Ｒの容量Ｃの並列接続で表わすこ
とができる。

容量Ｃの大きさは電極面積Ｓと光導電性薄膜１１の膜厚
ｔと誘電率εで決まりＣ＝５°８で表わされる。

また抵抗の大きさはその位置の電極面に入射する光の強
度に反比例し、光が全く当たらない場合は光導電性薄膜
の種類にもよるが一般にＲ−■となる。

透明電極１８にはターゲット電圧（ＶＴ）が印加されて
いるので１フイールドの間に光の当たらない部分の容量
はそのままの電圧ＶＴを保持する。

光の当たる部分はその強度に応じて抵抗Ｒが小さくなる
ので、容量Ｃに貯えられた電荷は放電し、容量に保持さ
れた電圧は光量に比例して減少する。

■フィールド期間に放電して残った電圧をＵＴとすれば
、電圧ＶＵ−ＵＴに相当した充電電流が流れ、充電が完
了すると再びターゲット電圧まで持ち上げられる。

この時の充電電流がこのフィールドに対応したビデオ信
号となる。

この様な固体撮像装置においては分光感度特性、解像度
、ＳＮ比、残像特性といった撮像特性が当然重要である
が、このため光導電性薄膜の耐熱性、機械的強度等が極
めて重要となる。

すなわちＳｉ基体上に光導電薄膜をつけたあと透明電極
をつけることが必要であるが、透明電極として５ｎ０２
（スズネサ）を用いるときには４００〜５００℃透明電
極として■。

ネサを用いるときでも２５０℃前後の基板加熱を必要と
した。

これが光導電膜の耐熱性が要求される理由である。

半透明の金属薄膜を透明電極の代りに使うこともでき、
この場合は基板加熱を行なう必要がない。

しかし金属薄膜による反射と吸収のため、撮像上重要な
特性である光感度が著しく低下し好ましくない。

このことは第３図に示した構造の撮像デバイスにおいて
；特に問題となるものである。

即ち通常の撮像管の撮像ターゲットにおいてはガラス面
板上にまずネサ電極をつけそのあと光導電薄膜をつける
ので耐熱性の有無は少なくとも製造過程においては問題
とならない。

機械的強度もまた重要である。

光導電薄膜をつけたあとネサ電極づけ、さらにカラー撮
像板の場合はフィルタつけ等の操作が必要であり、取扱
かい容易性の観点から機械的強度が要求される。

また光導電性薄膜はその比抵抗が１０１０Ω、Ｃｒｎ。

以上であることが要求される。

これは特定の絵素が走査される時間間隔すなわち蓄積時
間内に電荷パターンが拡散して消滅しないことが必要だ
からである。

多結晶Ｓｉを光導電性薄膜に用いたときには特に比抵抗
が低く膜をモザイク状に分割する必要がありプロセスが
複雑になると同時に歩留りが低下する。

またＳｂ２Ｓ３やＡ８□Ｓｅ蒔の光導電性薄膜では機械
的強度、耐熱性に問題があり、第２図に示した構造の撮
像デバイスに用いるには実用上適当ではなかった。

本発明は上記従来技術の難点を解決するものである。

基本的構造は第２図に例示したものと同様で、４走査回
路等をＳｉ基板上に形成しこの上部に光導電性薄膜を配
置するものである。

特に本発明の特徴は、この光導電性薄膜として、水素を
含有するシリコンを主体とする非晶質材料を用いること
にある。

特に５０原子％以上のシリ。コンと、１０原子％ないし
５０原子％の水素を含有する非晶質材料が好ましい。

この場合、非晶質材料中のシリコンの一部は同族元素で
あるゲルマニウムもしくはカーボンの少なくとも一部で
置換することが出来る。

置換量はシリコンの６０％迄が限度である。

膜厚は０．０５μｍ以上で用いる。

実用上０．２μｍ〜４μｍの範囲より選定することが一
般的である。

また、薄膜は多層としても、或は組成を連続的に変化せ
しめても良い。

このようにシリコンと水素を同時に含有する非晶質膜は
１０１０Ω、ｃｒｒＬ以上の高い比抵抗にすることが容
易にでき、かつキャリアの走行をさまたげる捕獲準位が
非常に少ない優れた材料である。

本発明の光導電材料は種々の方法で製造することが出来
る。

以下、代表的な例を説明する。第１の方法は反応性スパ
ッタリング法である。

第３図に反応性スパッタリング法に用いる装置の模式図
を示す。

装置そのものは一般的なスパッタリング装置である。

１０１は真空に排気し得る容器、１０２はスパック・タ
ーゲット、１０３は試料基板、１０４はシャッタ、１０
５はスパッタ用高周波発振器よりの入力、１０６は基板
加熱用ヒータ、１０γは基板冷却用水冷管、１０８は高
純度水素導入口、１０９はアルゴン等のガス導入口、１
１０はガス溜、１１１は圧力計、１１２は真空計、１１
３は排気系への接続口である。

スパッタ用のターゲットは溶融シリコンを切り）出した
ものを用いれば良い。

またシリコンとゲルマニウムやカーボンを含有する非晶
質材料の場合はこれら３種の■族元素を組み合せたター
ゲットを用いる。

この場合、たとえば、シリコンの基板上（こグラファイ
トやゲルマニウム等の薄片をとう載しターゲットとする
のが好都合である。

シリコンとゲルマニウムや炭素の面積比を適当に選ぶこ
とによって非晶質材料の組成を制御することが出来る。

勿論、逆に例とえは炭素基板上にシリコン薄片を設けて
も良い。

更に両材料を並置してター１ゲツトを構成しても良いし
、或いは組成の溶融物を用いても良い。

又、スパッタ用のター１ゲツトとして、たとえば予め、
リン（Ｐ）ヒ素（Ａｓ）、はう素（Ｂ）等を含んだＳｉ
を用いることにより、これらの元素を不純物として導入
することが可能である。

この方法によってｎ型、ｐ型等任意の伝導型の非晶質材
料を得ることができる。

また、この様な不純物のドーピングによって、材料の抵
抗値を変化させることが出来る。

〜１０１３Ω一工程度の高抵抗も実現で；きる。

なお、この様な不純物のドーピングは、希ガス中にジボ
ランやホスフィンを混合する方法も取り得る。

上述の如き装置を用いて、水素（Ｈ，２）を３０モル％
以下の種々の混合比で含むＡｒ雰囲気中で、高１周波放
電を発生せしめＳｉ及びグラファイトをスパック−し、
これを基板上に堆積させることにより薄層を得ることが
できる。

この場合水素を含むＡｒ雰囲気の圧力は、グロー放電が
維持できる範囲であればいずれでもよく、一般に０．０
０１〜）１．０Ｔｏｒｒ程度を用いる。

０．０〜１． ＯＴｏｒｒの場合特に安定である。

試料基板の温度は室温より３００℃の間で選択するのが
良い。

１５０〜２５０℃が最も実用的である。

余り低温では好都合に水素を非晶質材料中に導入しずら
く、又余り高温でも水素は逆に非晶質材料より放出され
る傾向を持つからである。

Ａｒ雰囲気中の水素分圧を制御することによって、含有
水素量を制御する。

雰囲気中の水素量を５〜７モル％とした場合、非晶質材
料中に約３０原子数％の含有量を実現できる。

他の組成についても大略この割合を目安に水素分圧を設
定すれば良い。

材料中の水素成分は加熱により発生する水素ガスを質量
分析法で定量した。

なお、雰囲気のＡｒはＫｒ等他の希ガスにおき替えるこ
とができる。

また、高抵抗の膜を得るに、マグネトロン型の低温高速
スパッタ装置が好ましい。

本発明の非晶質材料を製造する第２の方法はグロー放電
を用いる方法である。

ＳｉＨ４のグロー放電を行って有機物を分解させて基板
上に堆積させることによって形成される。

また、ＳｉとＣを含有する非晶質材料の場合は５ＩＨ４
とＣＨ４の混合ガスを用いれば良い。

この場合５ｉＩ（４とＣＨ４の混合気体の圧力は０．１
〜５Ｔｏｒｒの間に保つ。

グロー放電は、直流バイアス法でも、高周波放電法でも
よい。

また、５ｔＨ４とＣＨ４の混合気体の比率を変えること
により、ＳｉとＣの割合を制御できる。

良質の非晶質材料を得るためには、基板温度は２００℃
〜４００℃に保つ必要がある。

ｐ塑成いはｎ型の非晶質材料を作成するには５ＩＨ４と
ＣＨ４の混合気体に更にそれぞえＢ２Ｈ６゜ＰＨ３等を
０．１〜１％（体積比）を混合させることにより行うこ
とができる。

また、Ｈ２を含有する雰囲気中での電子ビーム蒸着法に
依っても本発明の非晶質膜を作製することが出来る。

実施例 １ 第４図から第１０図までは本発明の固体撮像装置の製造
方法を示す装置断面図である。

半導体基板に形成されるスイッチ回路等走査回路部は通
常の半導体装置の工程を用いて製造される。

第４図に示す如く、ｐ型シリコン基板２０上に８００λ
程度の薄いＳｉＯ２膜２１全２１し、このＳ ｉ ０２
膜上の所定の位置に１４００人程度のＳｉ３Ｎ４膜２２
を形成する。

ＳｉＯ２膜は通常のＣＶＤ法、Ｓｉ３Ｎ４膜はＳ ｉ３
Ｎ、、ＮＨ４，’Ｎ２を流したＣＶＤ法によった。

シリコン基板上部よりイオン・インプランテーションに
よってｐ拡散領域２３を形成する。

第５図がこの状態である。この拡散領域２３は各素子の
分離をよりよくなすために設けた。

次いでＨ２：０２二１：８雰囲気中でシリコンを局所酸
化し、Ｓ ｒ ０２層２４を形成する（第６図）。

この方法は一般にＬＯＧＯ８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。

−担、５１３Ｎ４膜２２およびＳ ｉｏ ２膜２１を除
去し、ＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜２５をＳｉＯ
２膜で形成する。

次いでポリシリコンによるゲート部２６、および拡散領
域２７．２８を形成しく第１図）、更にこの上部ＯこＳ
ｉｏ ２膜２９を形成する。

そしてこの膜中にソース２１およびドレイン２８の電極
取り出しロエッチングで開孔する（第８図）ドレイン電
極３１としてＡｌを８０００人蒸着する。

更にＳｉＯ２膜３２全３２００人に形成し、続いてソー
ス電極３３としてＡｌを１μｍ蒸着する。

第９図がこの状態を示す断面図である。

なお、電極３３は領域２７，２８、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２３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。

また、周辺に配置されるシフトレジスタ一部はたとえば
第１１図に例示する如き一般的構成で良い○ この例は一対のインパーク回路と一対の遅延回路で構成
される２相ダイナミツクシフトレジスタで走査パルスの
シフトを行なうクロックパルスの位相に関係なく安定し
た動作が得られる。

スタートパルスＶＩＮ を入力すると、各ビット端子か
らはクロックパルスＣＰ２に同期した順次シフトパルス
■ｏ１．ｖｏ２・・・・・・が出力される。

第１２図はこの動作のタイミングを示すものである。

勿論シフトレジスタの具体的回路構成はこれに限られる
ものでないことはいうまでもない。

この様にして走査回路ＭＯＳトランジスタ部が完成する
。

このＭＯＳトランジスタ部の上部に受光部を形成する。

第１３図８１基体部の平面図を示す。４１は電極用コン
タクト穴である。

次いでこれまでの工程により準備された半導体基体りを
マグネトロン型のスパッター装置に装着する。

装置は第３図に示した通りである。雰囲気はＡｒと水素
の混合ガスで０．２Ｔｏｒｒとなした。

水素含有量は６モル係である。

スパッター・ターゲットはシリコンを用いる。

周波数１３．５６ ＭＨｚ。入力３００Ｗで反応性スパ
ッターを行ない、前記半導体基体４０上に水素を含有す
る非晶質シリコン薄膜３５を５００ｕｍの厚さに堆積す
る（第１０図）。

この非晶質薄膜中の水素含有量は２０原子％で、比抵抗
は５×１０１３Ω・ぼであった。

非晶質シリコン薄膜３５の上部にバイアス電圧用の第１
の電極をつける必要がある。

全光を上部から入射させる必要があるためこの電極は透
明電極となす。

非晶質シリコンの耐熱性は３００℃なのでＩｎ２Ｏ３に
よるネサ電極を用いた。

ネサ電極上ノ一部で受光部でないところにＣｒ −Ａｕ
をマスク蒸着し、ここにワイヤボンディングしてバイア
ス用電極とした。

通常の半導体装置と同様に半導く体基体４０の裏面にＡ
ｕ膜等で第２の電極を形成する。

この様にして固体撮像装置が完成する。なお、第１０図
の３１は入射光を示す。

以上の如き方法で作製した固体撮像装置はブルーミング
のない良好な画面を得ることを可能とする。

実施例 ２ 光導電性薄膜として第１表に示す如き材料を用いて固体
撮像装置を製造した。

製造手順は実施例１に説明したものと同様である。

また、光導電薄膜として次の様な構成を取ることにより
分光感度特性改善をはかることが出来る。

まず、水素を２５原子特含有する非晶質シリコン膜を１
μ、次いで水素を２０原子％、ゲルマニウム２０原子％
、シリコン６０原子％なる非晶質材料、および水素を２
０原子％、カーボン３０原子％、シリコン５０原子％な
る非晶質材料の層を各各０．５μの積層となす。

形成方法は前述の反応性スパック−法に依った。

更に真空蒸着装置に入れＣｅ ０２を抵抗加熱法により
１０ｎｍの厚さに蒸着する。

最後に金を２５ｎｍの厚さに蒸着した。金もこの程度の
厚さであれば光の透過率も６０％以上となすことが出来
十分な光強度が得られる。

上記実施例のＣｅＯ２の代りに５ｉｎ２．ＴｉＯ□等を
堆積しても良好な結果が得られた。

膜厚としては１００人−３００人を用いた。

実施例 ３ ｎ型シリコン基板上に実施例１と同様にＭＯＳトランジ
スタを用いたシフトレジスタとスイッチング用ＭＯ８Ｆ
ＥＴを製造する。

基本的な構造は実施例１と同様である。

ただし、基板はｎ型であるのでｐ型チャネルの構成とな
る。

これは周知の半導体ＩＣ作製方法に従かえば良い。

このようにして走査回路が準備されたＳｉ基体上にグロ
ー放電による方法で水素を含有する非晶質シリコンを堆
積した。

放電雰囲気はＳ ＋ Ｈ４，１，５Ｔｏｒｒである。

基体を５００℃に加熱し、高周波入力を周波数０．５
ＭＨｚ、圧力１．０Ｔｏｒｒ、基板温度３００℃とし非
晶質材料を堆積した。

非晶質材料の膜厚は２１ｔｍ、比抵抗Ｉ Ｘ １０’ｉ
Ω・濃であった。

この非晶質材料上にＩｎ２Ｏ３によりネサ電極を形成し
、固体撮像装置を製造した。

実施例 ４ 本例は走査回路としてＣＣＤ （Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕ
ｐｌ−ｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ ）転送層域を用いるもので
ある。

第１４図に各要素の配置の平面説明図を示す。

５０は水平クロック端子、５１は垂直クロック端子、・
５２は出力水平転送レジスタ、５３は垂直転送ゲート、
５４は垂直アナログ転送レジスタ、５５は拡散領域とこ
れを′ノースとするＭＯ８形スイッチが組み合わされ絵
素の部分である。

第１５図はＣＣＤ転送領域の断面図、第１６図は絵素の
部分の断面図である。

第１５図ではＳｉ基板６１上に絶縁層を介して電極６２
．６３が形成され、２相のクロック電圧を６４．６５を
通して印加される。

これによりＳｉ基板内のポテンシャルウェルが移動し、
電荷の転送が行われる。

第１６図は受光領域即ち絵素の部分の断面図で、１１は
拡散層、１２は絶縁層、１３は金属電極、γ４はゲート
、γ５は光導電膜、γ６は透明電極である。

この受光領域に第１５図に示したＣＣＤ転送領域が続け
て形成されている。

透明電極γ６、光導電膜γ５、金属電極γ３は受光部を
形成し、ここに誘起されたキャリアを転送領域に移動さ
せるスイッチ領域がゲー！へ１４を有する部分で、実質
的なＭＯＳスイッチを形成している。

ＣＣＤ転送領域およびＭＯＳスイッチ部を形成したＳｉ
基板を準備し、マグネトロン型スパッター装置にこれを
装着する。

雰囲気をＡｒと水素の混合ガスで０．２Ｔ（＋ｒｒとし
た。

水素含有量は６モル％である。

スパック−・ターゲットはシリコンとした。

なお、Ｓｉ基板に構成する各要素、即ちＣＣＤ転送領域
、ＭＯＳスイッチ部等はこれまで知られている方法で製
造すれば良い。

周波数１３．５６ ＭＨｚ、入力３００Ｗで反応性スパ
ッターを行ない、前記Ｓｉ基板の受光部上部に水素を含
有する非晶質材料薄膜γ５を５００ ｎｍの厚さに堆積
する。

この非晶質材料中の水素含有量は２０原子数％で、比抵
抗は５Ｘ１０１３Ω、ｃｒＩＬであった。

Ｉｎ２Ｏ３ネサ電極をこの非晶質材料上に形成する。

ネサ電極の一部よりＣｒ−Ａｕをマスク蒸着し、ここに
ワイヤボンティングしてバイアス用電極とした。

第１４図を用いて動作を簡単に説明する。

受光部に透明電極を介して光が尚たると、この光信号に
より誘起されたキャリアは、受光部５５中の拡散領域と
垂直アナログ転送レジスタ５４の間のゲート電極に電圧
を印加することによって垂直転送レジスタ５４へ移され
る。

垂直転送レジスタは２相垂直クロツク端子５１を通して
駆動されるＣＣＤで一列ずつ垂直転送ゲート５３を通し
て出力水平転送レジスタ５２へ送られる。

この水平転送レジスタは同じく２相水平クロツク端子５
０を通して駆動されるＣＣＤであり、信号Ｃく対応する
電荷が出力へと送られ信号出力として外部へ取り出され
る。

水平転送レジスタの転送は垂直転送ゲートへの印加電圧
パルス周期内（こ完了するように２相１駆動の周波数を
選んでおけばよい。

以上の実施例を用いて説明した本発明の撮像デバイスは
分光感度が視感度とマツチングがよい、感度、雑音特性
がよい。

高分解能、ブルーミングがない等の特徴を有する他、低
消費電力、小型、軽量、信頼性が高い等の特徴も有して
おり、工業的効果が極めて大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は固体撮像装置の原理を示す図、第２図は光導電
性薄膜を用いた固体撮像装置の絵素部分の断面図、第３
図は反応性スパッタ装置の説明図、第４図から第１０図
までは本発明の固体撮像装置の製造工程を示す要部断面
図、第１１図はシフトレジスタの例を示す図、第１２図
はシフトレジスタの動作タイミングを示す図、第１３図
は実施例の固体撮像装置の平面図、第１４図は走査回路
としてＣＣＤを用いた実施例の説明図、第１５図はＣＣ
Ｄ転送領域の断面図、第１６図は受光部断面図である。 図において、１・・・・・・水平走査信号発生器、２・
・・・・・垂直走査信号発生器、３・・・・・・スイッ
チ部、４・・・・・・絵素、５・・・・・・出力端、６
，２０・・・・・・半導体基板、？、８，２γ、２８・
・・・・・拡散領域、１０，２６・・・・・・ゲート電
極、１３，２９．３２・・・・・・絶縁層、１６．３３
・・・・・・第１の導電層、１７，３５・・・・・・光
導電薄膜、１８．３６・・・・・・透明電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数個の光電変換部を順次選択する走査手段を少な
   くとも有する半導体基板と、この半導体基板上部に少な
   くとも光電変換材料層、およびこの光電変換材料層の上
   部に透光性電極が配されて成る光電変換部とを有する固
   体撮像装置において、前記光電変換材料がシリコンを主
   体とし、水素を含有する非晶質材料なることを特徴とす
   る固体撮像装置。 ２ 前記光電変換材料層が少なくとも水素を含有する雰
   囲気中での反応性スパッタリング法により形成されたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装
   置。 ３ 前記光電変換材料層が少なくともシランを含有する
   雰囲気中でのグロー放電法により形成されたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置において
   、前記走査手段は少なくとも電界効果型トランジスタに
   よって構成されることを特徴とする固体撮像装置。 ５ 特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置において
   、前記走査手段は少なくとも電荷転送素子によって構成
   されることを特徴とする固体撮像装置。