JPS6286756A

JPS6286756A - 光電変換装置

Info

Publication number: JPS6286756A
Application number: JP60225995A
Authority: JP
Inventors: Akimasa Tanaka; 章雅田中; Junichi Nishizawa; 潤一西澤
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1985-10-12
Filing date: 1985-10-12
Publication date: 1987-04-21
Anticipated expiration: 2009-11-24
Also published as: JPH0695571B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の技術分野］本発明は、固体撮像装置などで用いられる光電変換装置
に関する。

［先行技術の説明］従来、ＰＮ接合を有する光電変換装置においては、接合
の臨む半導体表面に５ｉＯｚ等の絶縁膜を形成してプレ
ナー構造とすることにより、接合表面を安定化させ、逆
方向特性の向上を図っている。また、光感度を向上させ
たい時には、少数キャリアとしてライフタイムの長い電
子により光電流を得ようということから、Ｐ型基板にＮ
型不純物拡散層を形成する素子が用いられている。

第３図（ａ）にそのような素子の断面図を示す。この素
子を得るための製造方法をここで簡単に述べておく。第
１の導電性基板であるＰ型シリコン基板１の主表面に５
ｉＯｚ膜２を形成し、主表面の反対側に電極取り出し用
Ｐ十拡散層３を形成する０次に、主表面に形成された５
ｉＯｚ膜２に部分的に窓孔を設け。

ＰＮ接合形成のためのＮ型不純物拡散層４を公知の技術
（フォトエツチング、拡散法等）により形成する。

この場合、光電特性の向上のためには、Ｎ型不純物拡散
層は、高濃度でかつ表面から接合部に向かって不純物量
を急激に低下させ、かつ、接合を浅く形成させる必要が
ある。

更に、上に述べた構造の素子では、通常低濃度のＰ型シ
リコン基板を用いるため、５ｉＯｚ等の絶縁ｌｌＩ２の
直下、すなわちＰ型のシリコン基板１の主表面に電気的
にＮ型不純物拡散層４と同じ負極性を示す反転層、いわ
ゆるチャネル５が生ずる。この反転層が形成されると１
反転層を介してリーク電流が流れて耐圧が低下する。尚
１図中、６は裏面電極を示す。

このリーク電流を低減させるために第３図（ｂ）に示す
様に、Ｐ型基板１と同じ導電型のＰ型窩濃度不純物層を
チャネルストッパ７としてＰＮ接合をとり囲み、かつＰ
Ｎ接合よりも深く形成することで解決することができる
が、このための製造プロセスに酸化膜形成フォトエツチ
ング、高濃度拡散の処理等を新たに必要とし、特に高温
での熱処理が必要となるため結晶欠陥が発生しやすく、
キャリアの再結合が増え、ＰＮ接合を通してリーク電流
が増大する。

また、画素分離を行なうために、Ｎ型の高濃度不純物層
を形成したりすると、チップ全体に占める受光面積が著
しく減少し、感度が低下する。更に、１画素当りの面積
が減少すると増々その受光面積減少の割合が大きくなる
。なぜなら、チャネルストップ、画素分離用領域は画素
の周辺にほぼ一定に設けられるからである。

また、受光部の面積が減少してくると、別の問題が生じ
てくる。これは、受光部の面積すなわちＰＮ接合の面積
が減少することでＰＮ接合の容量が小さくなることであ
る。ＰＮ接合の容量が小さくなることは、固体撮像装置
などにおける光蓄積を利用している装置において、蓄積
光量の減少という問題が生ずる。従って１画素面積が減
少しても受光部容量を増加させる受光構造を考えなけれ
ばならなくなる。

更にまた、第３図（ａ）、（ｂ）に示された構造を有す
る装置が紫外線周波数を含むスペクトル範囲の光電変換
装置として用いられた時、ＰＮ接合フォトダイオードの
リーク電流増大をもたらす。この種のリーク電流は、Ｐ
Ｎ接合フォトダイオードが紫外線の照射を受けるときに
増大する。この増大は空乏領域がシリコン表面と交差す
る拡散領域の端部で主に起ることが知られている。

従って、光電変換装置の構造を工夫することにより、こ
のリーク電流を減少させなければ、例えば分析装置の検
出器として使用し、連続して紫外線露光を照射された時
など、リーク電流の増加によって検出器の寿命が短くな
る。また、分析装置の感度が低下する紫外線強度が低い
動作条件において検出器の使用が制限される等の欠点が
生じる。

［発明の目的］本発明は、リーク電流を低減し、特性改善を図った光電
変換装置の構造を提供することを目的とする。

［発明の概要］このため本発明は、半導体基板と前記半導体基板中に形
成され、前記半導体基板との間で複数個のＰＮ接合ダイ
オードを形成する複数個の拡散領域と、前記拡散領域の
それぞれの領域の周囲をＰＮ接合よりも深い溝でとり囲
み、基板表面上及び前記溝表面上に絶縁層を形成し、前
記絶縁層上に透明導電膜を形成した構造をもつ光電変換
装置又は前記透明導電膜上に更に不透明導電膜を形成し
た構造をもつ光電変換装置、又、前記透明導電膜の代わ
りに、不透明導電膜を形成した構造をもつ光電変換装置
により画素分離特性を改善し、受光部容量を増大し、紫
外線照射によるＰＮ接合リーク電流増大を阻止するよう
にしたことを特徴としている。

［発明の実施例］以下、本発明を半導体として最も一般的に使用されてい
るシリコンを基板に用いた場合を例にとり、その実施例
を説明する。

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明の一実施例を示す装置の
平面図と、その断面図である。

第１図ににおいて、裏面電極１０上の第１の導電体を有
する半導体基板、たとえば不純物濃度が１０１＠〜１０
１９Ｃａ１１−”のＰ＋型シリコン基板１１の上に、不
純物濃度が１０”ａｌｌ−″３程度のＰ型シリコン層１
２をエピタキシャル成長により形成させる。その主表面
にＳｉＯ２膜１３膜形３し、受光ＰＮ接合フォトダイオ
ードを取り囲む溝を形成する部分の５ｉＯｚｌｌｌｉ１
３をエツチング除去する。その後、ＲＩＥ（リアクティ
ブ・イオン・エツチング）、プラズマエツチングなどの
ドライエツチングによりシリコンエピタキシャル層１２
に溝を形成する。このとき、ドライエツチングによるシ
リコン基板へのダメージを小さくするためにウェットエ
ツチングとの併用を行なうとよい。

また、溝の深さは、最低でもＰＮ接合深さよりも深くし
、Ｐ＋型シリコン基板１１にまで達してもさしつかえな
い。通常、ＰＮ接合拡散深さの２倍以上とするとよい。

次にＰ型シリコン層１２の表面及び溝堀り表面上に５ｉ
Ｏｚ膜１３を形成する。この時、Ｐ型シリコン層２０表
面に形成する５ｉＯｚ膜１３は、反射防止膜をかねるた
め、その膜厚を溝堀り表面上に形成した５ｉＯｚ膜１３
と厚さを変えることが望ましい。次に５ｉＯｚ膜１３に
フォトエツチングにより窓孔を設け、受光部となるＰＮ
接合形成のためにＮ本型不純物拡散Ｍ１４をイオン注入
技術、又は熱拡散技術などにより形成する６Ｎ十型拡散
層１４は光電特性から、シリコン基板の表面近傍に厚さ
０．１〜１．５μｍ程度で高濃度に拡散させる必要があ
る。

次に、溝堀り部分のすき間を埋める様に、低抵抗なポリ
シリコン層１５をＣＶＤ技術などにより形成する。この
とき、エピタキシャル層１２上にも５ｉＯｚ膜１３を介
在させてポリシリコン層１５が形成され、前記ＰＮ接合
のＮ中領域１４にこのポリシリコン層１５が十分オーバ
ラップして、Ｎ中領域１４とポリシリコン層１５が、絶
縁膜として用いた５ｉＯｚ膜１３をはさんで所望の容量
を形成する。次に、層間絶縁膜として、ＰＳＧ膜１６な
どをＣＶＤ技術により形成し、その後、ポリシリコン層
１５上とＮ十拡散領域１４の電極取り出し部分の窓孔を
形成するために前記ＰＳＧ膜１６を除去して配線用Ａｌ
ｌ膜１７及び光シールド用ＡＱ膜１８を形成する。

尚、この光シールド用ＡＱ［１８はＰＮ接合の境界１９
よりもＮ＋拡散［１４内に少なくとも１００人（オング
ストローム）はオーバーラツプしていることが必要であ
る。これは一般に紫外線は１００人程度の深さまで透過
し、一方拡散領域は０．１〜１．５μｍ程度の深さを有
するから、フォトダイオードアレイの表面の１００人以
内に広がっている空乏領域のみシールドする必要がある
からである。

また、上記実施例においてシールド層としてアルミニウ
ム（Ａｌｌ）を使用するのは、Ａｌｌが紫外線を通さず
、また半導体製造技術において幅広く使用されているか
らである。

この様にして作成した構造をもつ光電変換装置は、ＰＮ
接合の回りで完全に機械的に反転層を切断するので表面
降伏を防止し、また、長波長により発生したＰＮ接合か
らみて遠い所すなわち主表面から深い所のキャリアが隣
接するフォトダイオード部に流れ込むことがなく画素間
分離が著しく改善される。

また、光シールド用ＡＱ膜１８がＰＮ接合フォトダイオ
ードの境界１９を覆っているので、紫外線によるリーク
電流増大が防止される。更に、この光シールド用Ａｌｌ
膜１８を接地することにより、Ｎ＋拡散層１４とポリシ
リコン層１５の間に容量が形成され、この容量が接合容
量に対して並列に入るので受光部容量の増加となる。更
に、光シールド用ＡＱ膜１８が接地されるとそれぞれの
受光部が接地電位に囲まれるので雑音に対して極めて強
くなる。

第２図は本発明の他の実施例を示したもので、同図（ａ
）はその平面図、同図（ｂ）はその断面図である。図中
、第１図と同一符号は同一または相当部分を示し、第１
図に示した構造と異なる点は、溝堀り部分の埋め込みに
ポリシリコン層１５を使用する代りに、光シールド用Ａ
ｌｌ膜１８そのもので溝堀り部分の埋め込みを兼用した
点である。その他の点は第１図とほぼ同じで、特性的に
も大きな違いはない。ただ、使用形態が若干具なる。即
ち、第１図に示した装置は、周辺回路を同一チップ上に
作成し、例えばフォトダイオードアレイの走査回路とし
てポリシリコンゲートＭＯ３ＦＥＴを採用した時など同
一プロセスで出来ることを示している。従って、第１図
（ａ）の配線用ＡＱ膜１７はこの時走査回路へ接続され
る。これに対し、第２図に示した装置では、ＡＱ膜１７
の２層配線、走査回路などが同一チップ上にない様な単
なるフォトダイオードアレイとして使用される。

尚、紫外線を含まない光照射を受けるときなど、紫外線
による劣化などを考える必要がない時には光シールド用
ＡＱ膜１８を使用する必要がなく、第１図に示した実施
例の光シールド用ＡＱ膜１８を省略して、光の利用効率
をより一層高めることもできる。

また、ポリシリコン層１５の代わりに、他の透明導電膜
（例えば、　ＩＴＯ膜、５ｎＯｚ膜など）を使用しても
良いし１通常の固体撮像装置に本構造を適応すること、
また、各部分の導電型が全く逆のものでもよいことは当
業技術者にとって明らかである。

［発明の効果］以上のように本発明によれば、ＰＮ接合のリーク電流低
減、耐圧向上１画素間分離の改善、紫外線にょろり−ク
電流増大の防止、画素面積の縮小による受光部容量の低
下防止、特に受光部が長細いような受光部レイアウトに
おいては著しく性能が改善される。また、製造上も溝堀
り工程を除けば、従来の光電変換装置特に固体撮像装置
の製造方法がそのまま適応できるので、容易に製造でき
る極めて優れた光電変換装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る光電変換装置の構成図
で、同図（ａ）はその平面図、同図（ｂ）はその断面図
、第２図は本発明の他の一実施例に係る光電変換装置の
構成図で、同図（ａ）はその平面図、同図（ｂ）はその
断面図、第３図（ａ）は従来の光電変換装置の断面図、
第３図（ｂ）はその光電変換装置の特性改善を図った断
面図である。 ■、１２・・・Ｐ基板またエピタキシャル成長したＰ層
、２．１３・・・５ｉＯｚ膜、３・・・Ｐ十拡散領域、
４，１４・・・ｎ÷拡散領域、５・・・チャネル層（反
転層）、６．１０・・・裏面電極、７・・・チャネルス
トッパ、１１・・・Ｐ十基板、１５・・・ポリシリコン
膜、１６・・・層間絶縁膜、１７・・・配線用ＡＱ膜、
工８・・・光シールド用ＡＱ膜、１９・・・ＰＮ接合の
境界。第１図（ａ）（ｂ）（ｂ）第３図（ａ）（ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板に形成されてその基板との間でＰＮ接合を形
成する複数個の拡散領域と、その拡散領域のそれぞれの
領域の周囲をとり囲んで形成された前記ＰＮ接合よりも
深い溝と、前記基板表面及び前記溝に形成された絶縁層
と、その絶縁層上に前記拡散領域と重ね合わさるように
形成された透明導電膜とを備え、その透明導電膜を基準
電位に接続したことを特徴とする光電変換装置。
（２）特許請求の範囲第１項記載において、前記絶縁層
上に形成された透明導電膜上に、更に、前記拡散領域と
重ね合わさるように不透明導電膜を形成し、かつ、その
不透明導電膜を基準電位に接続したことを特徴とする光
電変換装置。
（３）特許請求の範囲第１項記載において、前記絶縁層
上に前記拡散領域と重ね合わさるように不透明導電膜を
形成し、かつ、その不透明導電膜を基準電位に接続した
ことを特徴とする光電変換装置。