(57)【要約】【課題】  高感度かつ低残像の固体撮像装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】  光電変換膜２１に光が入射すると、電子・正孔対が生成され、正孔は透明電極２２側へ移動し、電子は画素電極２０を経て蓄積ダイオード１３に蓄積される。このとき、結晶性の光電変換膜２１中には再結合中心やトラップ準位が無いため、光電変換により生じた電子が再結合中心やトラップ準位に吸収されることによる光電流の減少や、トラップ準位からのキャリア放出による残像の発生を抑制することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号電荷転送領域を有する半導体基板上に、転送電極、光電変換膜および電極を具備する積層型の固体撮像装置において、
光電変換膜は再結晶化した半導体膜であることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記光電変換膜は、再結晶化した結晶粒の大きさが１の画素より大であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置、特に積層型の固体撮像装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）型や、ＭＯＳ（Metal Oxide
Semiconductor）型などの半導体撮像素子を使用する固体撮像装置が広く用いられている。これらの固体撮像装置用の半導体撮像素子は、半導体基板に信号電荷蓄積領域、信号電荷読出し領域、および信号電荷転送領域を平面的に形成している。
【０００３】
近年、半導体基板に信号電荷蓄積領域、信号電荷読出し領域、および信号電荷転送領域を平面的に形成してなる半導体撮像素子に代わり、電荷転送素子上に光電変換膜を形成してなる構造の半導体撮像素子を使用する固体撮像装置が開発されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
図６は、特許文献１に従来技術として開示されているこの固体撮像装置の構造を示す。半導体基板であるシリコン基板６１の上部には、素子分離層６２、信号電荷蓄積領域である蓄積ダイオード６３、および信号電荷転送領域である垂直ＣＣＤチャネル６４が形成されている。蓄積ダイオード６３と垂直ＣＣＤチャネル６４との間が信号読出し領域に相当する。
【０００５】
また、シリコン基板６１上には、第１の絶縁層６５を介して転送電極６６，６７が形成されている。第１の絶縁層６５に沿って引出し電極６８が形成されており、蓄積ダイオード６３と電気的に接続されている。引出し電極６８上には、第２の絶縁層６９および画素電極７０が形成されており、引出し電極６８と画素電極７０とは電気的に接続されている。さらに、この固体撮像装置となる半導体撮像素子上には複数の層が積層されてなる光電変換膜７１が設けられており、その上には透明電極７２が形成されている。
【０００６】
特許文献１に開示されている発明による固体撮像装置は、基本的には図５の固体撮像装置と同等の構成を有し、画素電極を各画素毎に区画する溝部が形成され、溝部に対応する領域の光電変換膜に空隙部が形成される点で異なっている。したがって、光電変換膜に使用する材料は同等のはずであり、非晶質珪素（ａ−Ｓｉ）を使用することが記載されている。
【０００７】
上記構成を有する固体撮像装置は、感光部の開口面積を広くすることができるので、高感度であり、しかも低スミアである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る。
【０００８】
なお、非晶質半導体膜を加熱処理とレーザ光照射等とによって結晶化させる技術も知られている（たとえば、特許文献２参照）。
【０００９】
【特許文献１】特開平７−８６５４６公報
【特許文献２】特開２００２−５０５７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の固体撮像装置においては、光電変換膜に非晶質珪素（アモルファスシリコン）を用いているので、光電変換膜中に再結合中心やトラップ準位となる欠陥が多く存在する。このため、光電変換により生じたキャリアが再結合中心やトラップ準位に吸収されて光電流が減少したり、トラップ準位からのキャリア放出により残像が発生する等の問題が生じている。
【００１１】
本発明の目的は、高感度かつ低残像の固体撮像装置およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、信号電荷転送領域を有する半導体基板上に、転送電極、光電変換膜および電極を具備する積層型の固体撮像装置において、
光電変換膜は再結晶化した半導体膜であることを特徴とする固体撮像装置である。
【００１３】
本発明に従えば、信号電荷転送領域を有する半導体基板と、信号電荷を信号電荷転送領域に転送するための転送電極と、半導体基板および転送電極の上層に形成される光電変換膜と、半導体基板と光電変換膜とを電気的に接続する電極とを具備して積層型の半導体撮像素子による固体撮像装置が形成される。光電変換膜には、再結晶化させた半導体膜を用いるので、光電変換膜中には再結合中心やトラップ準位がなくなり、光電変換によって生じる電子が再結合中心やトラップ準位に吸収されることによる光電流の減少や、トラップ準位からのキャリア放出による残像の発生を抑えることができる。
【００１４】
また本発明で、前記光電変換膜は、再結晶化した結晶粒の大きさが１の画素より大であることを特徴とする。
【００１５】
本発明に従えば、光電変換膜内の再結晶化した結晶粒の大きさが１個の画素の大きさより大であるので、画素の領域内での結晶粒界密度を下げ、光電流を低損失で取出すことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、光電変換膜には、再結晶化させた半導体膜を用いるので、光電変換膜中には非晶質膜に含まれる再結合中心やトラップ準位がなくなり、光電変換によって生じる電子が再結合中心やトラップ準位に吸収されることによる光電流の減少や、トラップ準位からのキャリア放出による残像の発生を抑えることができる。
【００１７】
また本発明によれば、光電変換膜内の再結晶化した結晶粒の大きさが１個の画素の大きさより大であるので、画素の領域内での結晶粒界密度を下げ、光電流を低損失で取出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の実施の一形態としての固体撮像装置１０の概略的な構成を示す。半導体基板であるｐ型シリコン基板１１の上部には、ｐ＋型の素子分離層１２、信号電荷蓄積領域であるｎ−型の蓄積ダイオード１３、信号電荷転送領域であるｎ−型の垂直ＣＣＤチャネル１４が形成されている。蓄積ダイオード１３と垂直ＣＣＤチャネル１４との間が信号電荷読出し部として機能する。またｐ型のシリコン基板１１上の垂直ＣＣＤチャネル１４および信号電荷読出し領域には、第１の絶縁層１５を介して転送電極１６，１７が形成されている。転送電極１６，１７により、光電変換膜で発生した電荷を蓄積した信号電荷蓄積領域から電荷を信号電荷転送領域に転送する。
【００１９】
この第１の絶縁層１５は、垂直ＣＣＤチャネル１４、信号電荷読出し領域および蓄積ダイオード１３の一部までを覆うように形成されている。第１の絶縁層１５に沿って引出し電極１８が形成されている。引出し電極１８は、略Ｖ字形状であり、蓄積ダイオード１３と電気的に接続されている。引出し電極１８上には、第２の絶縁層１９が形成されている。さらに、引出し電極１８および第２の絶縁層１９上には、画素電極２０が形成されており、引出し電極１８と画素電極２０とは電気的に接続されている。
【００２０】
ｐ型シリコン基板１１、素子分離層１２、蓄積ダイオード１３、垂直ＣＣＤチャネル１４、第１の絶縁層１５、転送電極１６，１７、引出し電極１８、第２の絶縁層１９および画素電極２０を含むここまでの構成で電荷転送素子１１１が構成される。電荷転送素子１１１としての半導体チップ上に、後述する光電変換膜２１が堆積して形成されている。そして、光電変換膜２１上に、反応性スパッタリング法等により、ＩＴＯ（Indium Tin
Oxide）や酸化錫等からなる透明電極２２が形成されている。
【００２１】
光電変換膜２１は結晶性を有する珪素膜からなり、その結晶粒径は１画素の大きさよりも大きく成長させてある。固体撮像装置１０の１画素の大きさは、１／２型で２００万画素のもので約４μｍである。
【００２２】
図２は、図１の固体撮像装置１０の光電変換膜２１を拡大して示す。固体撮像装置１０の１画素分の面積に比して、それよりも大きな結晶粒をもつため、１個の画素１１２内に存在する結晶粒界密度を下げることができる。したがって、光電流を低損失で取出すことができ、高感度な固体撮像装置１０を作成することが可能になる。すなわち、結晶粒径が０．３μｍの場合には、後述するように、４μｍ□の画素中の粒界１１３の総延長は平均で１０７μｍであるが、結晶粒径が４μｍになればその長さは８μｍであり、１／１４に低減される。
【００２３】
図３および図４は、図１の固体撮像装置１０を製造する概略的な工程を示す。
図３（ａ）では、光電変換膜２１を形成するために、まず、電荷転送素子１１１上にプラズマＣＶＤ法によりＮ型の非晶質珪素膜３２を形成した状態を示す。図３（ｂ）は、汚れおよび自然酸化膜を取り除くためにフッ酸処理を行い、その後、酸化膜３３を成膜している状態を示す。汚れが無視できる場合には、酸化膜３３の代わりに自然酸化膜をそのまま用いれば良い。ここでは、酸素雰囲気中での紫外線（ＵＶ）光の照射により酸化膜３３を成膜する。この酸化膜３３の成膜方法としては、熱酸化法を用いるのでもよい。また、過酸化水素による処理によるものでもよい。
【００２４】
この酸化膜３３は、後のニッケルを含んだ酢酸塩溶液を塗布する工程で、非晶質珪素膜３２の表面全体に酢酸塩溶液を行き渡らせるため、即ち、濡れ性の改善の為のものである。たとえば、非晶質珪素膜３２の表面に直接酢酸塩溶液を塗布した場合、非晶質珪素が酢酸塩溶液を弾いてしまうので、非晶質珪素膜３２の表面全体にニッケルを導入することができない。即ち、均一な結晶化を行うことができない。
【００２５】
図３（ｃ）は、酢酸塩溶液中にニッケルを添加した酢酸塩溶液３４を作り、この酢酸塩溶液３４を非晶質珪素膜３２上の酸化膜３３の表面に滴下した状態を示す。そして、図３（ｄ）では、スピナー３５を用いてスピンドライを行っている状態を示す。酢酸塩溶液３４中におけるニッケルの濃度は、１ｐｐｍ以上、好ましくは１０ｐｐｍ以上であれば実用になる。また、溶液として２−エチルヘキサン酸ニッケルのトルエン溶液の如き無極性溶媒を用いる場合、酸化膜３３は不要であり、直接非晶質珪素膜３２上に触媒元素を導入することができる。
【００２６】
図４（ａ）は、ニッケルの酢酸塩溶液３４の塗布を数回行い、スピンドライ後の非晶質珪素膜３２の表面の酸化膜３３上に、に数Å〜数百Åの平均の膜厚を有するニッケルを含む層３４ａを形成している状態を示す。この場合、この層３４ａのニッケルがその後の加熱工程において、非晶質珪素膜３２に拡散し、結晶化を助長する触媒として作用する。
【００２７】
図４（ｂ）は、５５０℃、４時間の加熱処理を窒素雰囲気中で行うことにより、図４（ａ）に示す非晶質珪素膜３２がＮ型の結晶性珪素膜３６に変成している状態を示す。結晶は、図の上下方向、すなわち電荷転送素子１１１としての半導体チップの厚み方向に成長する。そして、図４（ｃ）に示すように、たとえばＫｒＦエキシマレーザ光を照射することにより、この結晶性珪素膜３６の結晶性をさらに助長させる結晶成長のためのレーザ・アニール処理を行う。
【００２８】
図４（ｄ）は、その後、プラズマドーピング法によって、Ｎ型の結晶性珪素膜３６上に不純物（ボロン）を注入し、Ｐ型の結晶性珪素膜３７を形成する状態を示す。続いて、図４（ｅ）に示すように、上面からレーザ光を照射して、レーザ・アニール処理を行い、ドーピングされた不純物を活性化する。そして、画素電極２０となる透明電極２２を形成する。以上の工程によって図１に示す固体撮像装置１０が完成する。
【００２９】
次に、このような構成における図１の固体撮像装置１０の動作を説明する。光電変換膜２１に光が入射すると、電子・正孔対が生成され、正孔は透明電極２２側へ移動し、電子は画素電極２０を経て蓄積ダイオード１３に蓄積される。このとき、光電変換膜２１中には再結合中心やトラップ準位が無いため、光電変換により生じた電子が再結合中心やトラップ準位に吸収されることによる光電流の減少や、トラップ準位からのキャリア放出による残像の発生を抑制することができる。
【００３０】
光電変換膜２１のｐ型表面層は、シリコン基板１１と同一電位に設定されており、ｐｎ接合部分を除いて非空乏状態に保持される。そして、周知のインターライン転送方式に従って、転送電極１６，１７に高電圧パルスが印加されると、信号電荷読み出し部が導通し、蓄積ダイオード１３に蓄積された信号電荷は、垂直ＣＣＤチャネル１４に転送される。      
【００３１】
図５は、図１の固体撮像装置１０で、光電変換膜２１に多結晶珪素膜を使用する場合を拡大して示す。多結晶珪素膜の結晶粒径は、結晶粒径が０．３μｍ程度と比較的小さいため、１個の画素１１２内に存在する結晶粒界密度が大きい。結晶粒界１１３では電子が散乱されてしまうため、結晶粒界１１３を通過する頻度が多くなると光電流のロスが生じ、固体撮像装置の感度低下を生じる。したがって、結晶粒径を大きくすることが好ましい。しかしながら、従来のように、非晶質珪素膜を使用する場合よりは、感度低下を改善することができる。
【００３２】
以上に説明したとおり、本実施形態の固体撮像装置１０は、光電変換膜２１として画素１１２より大きな結晶粒界を有する再結晶半導体を用いているため、アモルファスシリコンに比べて再結合中心やトラップ準位となる欠陥が少ない。このため、光電流の減少による感度低下や、トラップ準位に起因する残像が発生するという問題を解決でき、高感度かつ低残像な固体撮像装置１０を提供することができるという、顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の一形態としての固体撮像装置１０の概略的な構成を示す断面図である。
【図２】図１の固体撮像装置１０の光電変換膜２１を拡大して示す図である。
【図３】図１の固体撮像装置１０を製造する概略的な工程での状態を示す断面図である。
【図４】図１の固体撮像装置１０を製造する概略的な工程での状態を示す断面図である。
【図５】図１の固体撮像装置１０の光電変換膜２１に多結晶膜を使用する場合を拡大して示す図である。
【図６】従来の積層型固体撮像蔵置の概略的な構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  固体撮像装置
１１  ｐ型シリコン基板
１２  素子分離層
１３  蓄積ダイオード
１４  垂直ＣＣＤチャネル
１５  第１の絶縁層
１６，１７  転送電極
１８  引出し電極
１９  第２の絶縁層
２０  画素電極
２１  光電変換膜
２２  透明電極
３２  非晶質珪素膜
３３  酸化膜
３４  酢酸塩溶液
３５  スピナー
３６  Ｎ型結晶性珪素膜
３７  Ｐ型結晶性珪素膜
１１１  電荷転送素子
１１２  画素
１１３  結晶粒界
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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