JP4195556B2 - Photoelectric conversion film manufacturing method, photoelectric conversion film manufacturing apparatus, and imaging device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサ等の固体撮像素子に用いる光電変換膜の作製方法、光電変換膜作製装置及び撮像素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の超高感度テレビジョンカメラの光電変換膜としては、“アバランシェ増倍a-Se光導電膜を用いた高感度HARP撮像管”(テレビ誌、谷岡、山崎、設楽、竹歳、河村、平井、高崎、雲内:Vol.44、No.8、pp.1074-1083(1990).)に記載されているように、主にアモルファスセレン(a−Se)が用いられてきた。アモルファスセレン光電変換膜は、暗電流が小さく、且つ高電界を印加して光生成した信号電荷をアバランシェ増倍させることにより1を超える量子効率が達成されている。この光電変換膜は、HARP(High-gain Avalanche Rushing amorphous Photoconductor)膜と呼ばれ、このHARP膜を利用した高感度HARP撮像管カメラが実現されている。
【0003】
ここで、HARP膜を利用したよりコンパクトで堅牢な高感度カメラの実現のためには、HARP撮像管の固体化が必要となるが、そのためにはアモルファスセレンよりも低電圧で電荷を増倍することができる新たな光電変換膜が必要となる。
【0004】
例えば、特開2001-007381号公報では、シリコン表面がシリコン酸化膜等の絶縁膜で覆われた直径数nmのシリコン結晶粒(シリコンナノ結晶)からなる光電変換膜が作製されている。この膜は、ナノ結晶がアモルファスセレンよりもアバランシェ増倍の起こり易さの指標となる「衝撃イオン化率」が高い単結晶シリコンで構成されていることから、高感度光電変換膜として期待されている。また、Appl. Surf. Sci. 146, 371(1999).(N.Koshida, X.Sheng,and, T.Komoda)によれば、シリコンナノ結晶では、電荷がシリコン酸化膜を繰り返しトンネリングしながらナノ結晶内を格子散乱されることなく弾道的に伝導するため、最終的に電荷は高エネルギー状態となることが知られている。このため、シリコンナノ結晶膜では、シリコン単結晶よりも低電圧で電荷のアバランシェ増倍が起こる可能性がある。
【0005】
ここで、前記特開2001-007381号公報で提案されているシリコンナノ結晶膜の作製方法を用いて作製された光電変換膜を図を用いて説明する。
【0006】
図1は、シリコンナノ結晶を用いた従来の光電変換膜の一例の断面図である。
【0007】
図1では、シリコン基板の上部にシリコン酸化膜が形成し、更にその上部にシリコン酸化膜で覆われたシリコンナノ結晶が堆積されている。
【0008】
図1において、電界によって発生した信号電荷はシリコン酸化膜で覆われたシリコンナノ結晶を、近接したシリコンナノ結晶間をトンネル伝導しながらシリコン基板へ送出されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開2001-007381号公報で提案しているシリコンナノ結晶膜の作製方法では、図1に示すように、膜厚方向のシリコンナノ結晶の配置は無秩序である。したがって、光生成した信号電荷は、無秩序に配置されている近接したシリコンナノ結晶間をトンネリングしながら伝導しなくてはならない。このため信号電荷の外部取り出し効率が悪いという問題がある。また、シリコンナノ結晶の配置が無秩序であるとシリコンナノ結晶間の距離に大きなばらつきが生じる恐れがある。
【0010】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、信号電荷の外部取り出し効率を向上させると共に、信号電荷のアバランシェ増倍開始電圧の低減化を図ることを特徴とする光電変換膜作製方法及び撮像素子を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本件発明は、以下の特徴を有する課題を解決するための手段を採用している。
【0012】
請求項1に記載された発明は、シリコン結晶を有する光電変換膜を作製する光電変換膜作製方法において、シリコン基板上に信号電荷のトンネル伝導が可能な厚さのシリコン酸化膜等の絶縁膜で覆われたシリコン単結晶粒を用いて、シリコン結晶膜を形成する形成段階を有し、前記形成段階は、前記シリコン単結晶粒表面のシリコン酸化膜を Si-OH 結合終端し、これらをシリコン単結晶粒の結晶核発生サイトとして機能させ、次に堆積するシリコン単結晶粒を、すでに堆積された複数のシリコン単結晶粒のうち、ある1つのシリコン単結晶粒上に接触するように形成させることで、シリコン単結晶粒を膜厚方向に整列して並べた膜を作製することを特徴とする。
【0013】
請求項1記載の発明によれば、信号電荷の外部取り出し効率を向上させると共に、信号電荷のアバランシェ増倍開始電圧を低減させることができる。また、シリコン結晶粒を膜厚方向に整列させることができるため、シリコン結晶間の距離にばらつきが生じるのを低減し、電荷を効率的に伝導させることができる。
【0016】
請求項2に記載された発明は、前記形成段階において、前記シリコン基板を高温熱酸化し、又前記シリコン単結晶粒表面を低温熱酸化した後、大気、水蒸気又は水素ラジカル雰囲気中に試料を保持し、シリコン単結晶粒表面の所定のシリコン酸化膜をSi-OH結合終端させることにより、シリコン結晶粒を膜厚方向に整列させることを特徴とする。
【0017】
請求項2記載の発明によれば、シリコン結晶粒を膜厚方向に整列させることができるため、シリコン結晶間の距離にばらつきが生じるのを低減し、電荷を効率的に伝導させることができる。
【0018】
請求項3に記載された発明は、前記形成段階において、シリコン単結晶粒の大きさを制御することにより、信号電荷の走行方向に付加的なバンドオフセットを形成することを特徴とする。
【0019】
請求項3記載の発明によれば、衝撃イオン化がより起こり易くなり、シリコン結晶膜のアバランシェ増倍開始電圧を低減化することができる。
【0020】
請求項4に記載された発明は、シリコン結晶を有する光電変換膜を作製する光電変換膜作製装置において、シリコン基板上に信号電荷のトンネル伝導が可能な厚さのシリコン酸化膜等の絶縁膜で覆われたシリコン単結晶粒を用いて、シリコン結晶膜を形成する形成部を有し、前記形成部は、前記シリコン単結晶粒表面のシリコン酸化膜を Si-OH 結合終端し、これらをシリコン単結晶粒の結晶核発生サイトとして機能させ、次に堆積するシリコン単結晶粒を、すでに堆積された複数のシリコン単結晶粒のうち、ある1つのシリコン単結晶粒上に接触するように形成させることで、シリコン単結晶粒を膜厚方向に整列して並べた膜を作製することを特徴とする。
【0022】
請求項5に記載された発明は、前記形成部において、前記シリコン基板を高温熱酸化し、又前記シリコン単結晶粒表面を低温熱酸化した後、大気、水蒸気又は水素ラジカル雰囲気中に試料を保持し、シリコン単結晶粒表面の所定のシリコン酸化膜をSi-OH結合終端させることにより、シリコン結晶粒を膜厚方向に整列させることを特徴とする。
【0023】
請求項6に記載された発明は、前記形成部において、シリコン単結晶粒の大きさを制御することにより、信号電荷の走行方向に付加的なバンドオフセットを形成することを特徴とする。
【0024】
請求項4から6に記載された発明によれば、請求項1乃至3何れか一項記載の光電変換膜作製方法に適した光電変換膜作製装置を提供することができる。
【0025】
請求項7に記載された発明は、請求項4乃至6何れか一項記載の光電変換膜作製装置により作製された光電変換膜を用いた撮像素子である。
【0026】
【発明の実施の形態】
本発明は、表面がシリコン酸化膜で覆われたシリコン結晶粒(シリコン結晶)を膜厚方向に整列して並べることにより、光生成した信号電荷を外部電界により効率的に伝導・加速できるようにして、信号電荷の外部取り出し効率を向上させると共に、信号電荷のアバランシェ増倍開始電圧の低減化を図ることを主眼とする。
【0027】
次に、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【0028】
図2は、本発明におけるシリコンナノ結晶膜の作製プロセスの一例の図である。
【0029】
図2において、最初に単結晶シリコン基板を洗浄後、1000℃程度の高温熱酸化により、電荷のトンネル伝導が可能な厚さ1nm程度のシリコン酸化膜をシリコン基板表面に作製する(▲1▼)。次に、この上にシリコンナノ結晶を作製する(▲2▼)。シリコンナノ結晶は、低圧化学気相堆積(LP-CVD:Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法を利用して作製することができる。この方法では、シリコン膜堆積の初期に堆積原料であるシランガスの供給を止めることで、シリコン酸化膜上に自己組織的にシリコンナノ結晶を形成する。この後、酸素雰囲気中で、基板表面の酸化温度よりも低温(例えば600℃程度)でシリコンナノ結晶の表面を熱酸化し、1nm程度のシリコン酸化膜を形成する(▲3▼)。
【0030】
次に、大気、水蒸気、又は水素ラジカル雰囲気中に試料を保持すると、低温で形成したシリコンナノ結晶表面のシリコン酸化膜だけが、Si-OH結合終端となる(▲4▼)。Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 452, 234 (1997).(K.Nakagawa, M.Fukuda,S.Miyazaki and M.Hirose)によれば、Si-OH結合終端はシリコンナノ結晶の結晶核発生サイトとして機能することが知られている。したがって、この上に再びLP-CVD法によりシリコンナノ結晶を堆積すると、高温熱酸化したシリコン酸化膜上にはシリコンナノ結晶は形成されず、低温熱酸化したシリコンナノ結晶上だけにナノ結晶が形成されることになる。この結果、シリコンナノ結晶は膜厚方向に整列する(▲5▼)。
【0031】
上記▲3▼〜▲5▼までのプロセスを繰り返し行なうことで、図2の▲6▼に示すような複数個のシリコンナノ結晶が整列したシリコンナノ結晶膜を作製することができる。
【0032】
図3は、本発明における形成された光電変換膜の一例の図である。
【0033】
図3において、前述した図1と比較すると、シリコンナノ結晶が膜厚方向に整列して並べられることにより、信号電荷がトンネル伝導する際に、シリコンナノ結晶間の距離のばらつきが低減され、効率的に伝導・加速することができ、信号電荷の外部取り出し効率を向上させることができる。
【0034】
ここで、図3のシリコンナノ結晶膜を光電変換膜として利用する場合、シリコン酸化膜の厚さが3nm以上では、信号電荷のトンネル伝導が起こりにくくなるため、量子変換効率に悪影響をもたらす。
【0035】
また、1nm以下では、量子閉じ込め効果が弱くなるため、後ほど述べる結晶サイズによるバンドギャップ制御が難しくなる。このため、シリコン酸化膜厚は1〜3nmが望ましい。
【0036】
また、前述した作製方法では、シリコン基板表面とシリコンナノ結晶表面とのシリコン酸化膜形成温度の違いで、シリコンナノ結晶の結晶核発生サイトの位置制御を行っている。シリコン酸化膜は、その熱化温度が低ければ低いほど、シリコン酸化膜表面にSi-OH結合(結晶核発生サイトとして機能する)は形成され易くなるが、600℃以下では酸化速度が極めて遅くなるため、実用的でなくなる。したがって、シリコンナノ結晶を形成したい部分、すなわちシリコンナノ結晶表面については、その熱酸化温度は600℃程度が適当である。
【0037】
一方、シリコン酸化膜は約950℃以上にすると緻密で良質な膜となり、表面にSi-OH結合終端が形成され難くなる。したがって、シリコンナノ結晶を形成したくない部分、即ちシリコン基板表面については、その酸化温度は950℃以上が望ましい。
【0038】
更に、シリコンナノ結晶膜を光電変換膜として利用するためには、光を吸収する十分な厚さが必要である。これまでの実験で、シリコンナノ結晶の積層数が15層以上の試料で光電変換特性が得られているが、十分な光吸収特性を得るためには1ミクロン(μm)以上の厚さが望ましい。
【0039】
次に、本発明を使用した実施例を図を用いて説明する。
【0040】
図4は、本発明を使用した光電変換膜の一例の図である。
【0041】
図4において、光電変換膜は、Al電極40と、高濃度ドープn型c-Si基板(n+層)41と、シリコンカーバイト(a-SiCX:O)(n型)42と、シリコンナノ結晶膜43と、水素化アモルファスシリコンカーバイト(p型)44と、透明電極45より形成されている。なお、正孔阻止層としてn型不純物を添加したワイドバンドギャップのシリコンカーバイト(a-SiCX:O)42はシリコンオライド(SiOXNY)、又はSiO2等でもよい。
【0042】
図4では、高濃度ドープn型c-Si基板(n+層)41の上に、正孔阻止層としてn型不純物を添加したワイドバンドギャップのシリコンカーバイト(a-SiCX:O)(n型)42を形成し、その上に光電変換層として無添加のシリコンナノ結晶膜43を形成している。ここで、シリコンナノ結晶膜43は、可視光領域に感度を持たせるために、そのバンドギャップを水素化アモルフアスシリコンと同じ1.7eV以上(シリコンナノサイズは10nm以下に相当)にすることが望ましい。更に、その上に電子阻止層としてp型不純物を添加した水素化アモルファスシリコンカーバイド層(組成比はバンドギャップが可視光を透過できる値である2.5eV程度になるように調節)44を形成し、最後に透明電極45としてITO膜を形成している。
【0043】
ここで、シリコンナノ結晶はそのサイズによって光学的バンドギヤッフを制御できるという特徴を持つ。例えば、シリコンナノ結晶サイズを10nmから1nmに変化させると、光学的バンドギャップは約1.7eVから約2.6eVまで変化することが知られている。
【0044】
また、本発明におけるシリコンナノ結晶作製方法では、シリコンナノ結晶の堆積時間・堆積温度を適当に調整することで、シリコンナノ結晶サイズの制御を容易におこなうことができる。
【0045】
そこで、前記特開2001-007381号公報にも記載したように、結晶サイズの制御により、シリコンナノ結晶のバンドギャップを傾斜的に大きくした後、パンドギャップを急に小さくすることでバンドオフセットを膜厚(電界)方向に形成することができる。
【0046】
前述の例を図を用いて説明する。
【0047】
図5は、膜厚方向に傾斜したエネルギーバンド構造を有するナノシリコン層の一例の図である。
【0048】
図5の構造では、光入射側よりシリコンナノ結晶のサイズを順次小さくして(約10nm→6nm→3nm→1nm)バンドギャップを傾斜的に大きくした後、再びシリコンナノ結晶のサイズを大きくして順次小さくすることにより、隣接するシリコンナノ結晶間の伝導帯端エネルギーに大きなオフセットを形成する。
【0049】
走行してきた信号電荷(電子)は、バンドギャップが急に小さくなる箇所で伝導帯オフセットに相当する付加的なエネルギーを獲得することができるため、衝撃イオン化がより起こり易くなる。この結果、シリコンナノ結晶膜のアバランシェ増倍開始電圧がさらに低減化する。
【0050】
ここで、前述したエネルギーバンド構造を有するシリコンナノ結晶膜の一例の図を図6に示す。
【0051】
図6のように、膜厚方向に整列したシリコンナノ結晶から成るシリコンナノ結晶膜は、シリコンナノ結晶を無秩序に配置した従来のシリコンナノ結晶膜よりも効率的に信号電荷を伝導・加速できるため、光電変換膜の量子変換効率を改善し、信号電荷のアバランシェ増倍開始電圧を低減化することが可能となる。
【0052】
次に、本発明を使用した第2の実施例を図を用いて説明する。
【0053】
図7は、本発明を使用した冷陰極発光デバイスの一例の図である。
【0054】
図7の冷陰極発光デバイスは、Al電極40と、シリコン基板(n+型)41と、シリコンカーバイト(n型)42と、シリコンナノ結晶膜43と、蛍光膜70と、透明電極45より形成されている。
【0055】
図7において、シリコンナノ結晶粒は、そのサイズが1〜10nm程度であるため、図7に示すように、シリコンナノ結晶膜43に電界を印加すると、電界方向に整列したシリコンナノ結晶の先端に電界が集中し、電子は真空中に容易に放出される。なお、シリコンナノ結晶では電荷は弾道的に伝導することが知られており、放出電子のエネルギーは大きくなる。したがって低圧用の蛍光膜70を使用することが可能である。図7においても、シリコンナノ結晶粒が膜厚方向に整列されていることにより、効率的に信号電荷を伝導・加速できるため、蛍光膜70、ガラス基板71を通じて効率よく発光させることができる。
【0056】
なお、本発明において作製された光電変換膜を使用することにより、より感度の高い撮像素子を提供することができる。
【0057】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、信号電荷の外部取り出し効率を向上させると共に、信号電荷のアバランシェ増倍開始電圧の低減化を図ることを特徴とする光電変換膜作製方法、光電変換膜作製装置及び撮像素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】シリコンナノ結晶を用いた従来の光電変換膜の一例の断面図である。
【図2】本発明におけるシリコンナノ結晶膜の作製プロセスの一例の図である。
【図3】本発明における形成された光電変換膜の一例の図である。
【図4】本発明を使用した光電変換膜の一例の図である。
【図5】膜厚方向に傾斜したエネルギーバンド構造を有するナノシリコン層の一例の図である。
【図6】膜厚方向に傾斜したエネルギーバンド構造を有するシリコンナノ結晶膜の一例の図である。
【図7】本発明を使用した冷陰極発光デバイスの一例の図である。
【符号の説明】
40 Al電極
41 高濃度ドープn型c-Si基板(n+層)
42 シリコンカーバイト(a-SiCX:O)(n型)
43 シリコンナノ結晶膜
44 水素化アモルファスシリコンカーバイト(p型)
45 透明電極
70 蛍光膜
71 ガラス基板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a photoelectric conversion film, a photoelectric conversion film manufacturing apparatus, and an image sensor that are used in a solid-state image sensor such as a charge coupled device (CCD) or a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor.
[0002]
[Prior art]
As a photoelectric conversion film of a conventional ultra-high sensitivity television camera, “High-sensitivity HARP tube using avalanche multiplication a-Se photoconductive film” (TV magazine, Tanioka, Yamazaki, Shitara, Taketoshi, Kawamura, Hirai Takasaki, Kumouchi: Vol. 44, No. 8, pp. 1074-1083 (1990).), Mainly amorphous selenium (a-Se) has been used. The amorphous selenium photoelectric conversion film has a small dark current, and a quantum efficiency exceeding 1 is achieved by avalanche multiplication of a signal charge generated by applying a high electric field. This photoelectric conversion film is called a HARP (High-gain Avalanche Rushing amorphous Photoconductor) film, and a high-sensitivity HARP image pickup tube camera using this HARP film has been realized.
[0003]
Here, in order to realize a more compact and robust high-sensitivity camera using a HARP film, it is necessary to solidify the HARP imaging tube. To that end, the charge is multiplied at a lower voltage than that of amorphous selenium. A new photoelectric conversion film that can be used is required.
[0004]
For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-007381, a photoelectric conversion film made of silicon crystal grains (silicon nanocrystals) having a diameter of several nanometers whose silicon surface is covered with an insulating film such as a silicon oxide film is manufactured. This film is expected to be a high-sensitivity photoelectric conversion film because the nanocrystal is composed of single-crystal silicon with a high “impact ionization rate” that is an index of the probability of avalanche multiplication more easily than amorphous selenium. . In addition, according to Appl. Surf. Sci. 146, 371 (1999). (N. Koshida, X. Sheng, and, T. Komoda), in silicon nanocrystals, charges are nano-wired while tunneling through the silicon oxide film repeatedly. It is known that the electric charge eventually becomes a high energy state because it conducts ballistically without being scattered in the crystal. For this reason, in the silicon nanocrystal film, charge avalanche multiplication may occur at a lower voltage than the silicon single crystal.
[0005]
Here, a photoelectric conversion film manufactured by using the method for manufacturing a silicon nanocrystal film proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-007381 will be described with reference to the drawings.
[0006]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an example of a conventional photoelectric conversion film using silicon nanocrystals.
[0007]
In FIG. 1, a silicon oxide film is formed on a silicon substrate, and silicon nanocrystals covered with the silicon oxide film are further deposited on the silicon oxide film.
[0008]
In FIG. 1, signal charges generated by an electric field are sent to a silicon substrate while tunneling between adjacent silicon nanocrystals through silicon nanocrystals covered with a silicon oxide film.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the method for producing a silicon nanocrystal film proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-007381, the arrangement of silicon nanocrystals in the film thickness direction is disordered as shown in FIG. Therefore, the photogenerated signal charge must be conducted while tunneling between adjacent silicon nanocrystals arranged randomly. For this reason, there is a problem that the external extraction efficiency of the signal charge is poor. In addition, if the arrangement of the silicon nanocrystals is disordered, there may be a large variation in the distance between the silicon nanocrystals.
[0010]
The present invention has been made in view of the above points, and is a method for producing a photoelectric conversion film characterized by improving the external extraction efficiency of signal charges and reducing the avalanche multiplication starting voltage of signal charges An object of the present invention is to provide an imaging device.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention employs means for solving the problems having the following characteristics.
[0012]
According to a first aspect of the present invention, in a photoelectric conversion film manufacturing method for manufacturing a photoelectric conversion film having a silicon crystal, an insulating film such as a silicon oxide film having a thickness capable of tunneling a signal charge on a silicon substrate. A silicon crystal film is formed using the covered silicon single crystal grains, and the silicon oxide film on the surface of the silicon single crystal grains is terminated with Si—OH bonds , and the silicon single crystal grains are formed. To function as a crystal nucleus generation site of a crystal grain, and form a silicon single crystal grain to be deposited next so as to come into contact with one silicon single crystal grain among a plurality of silicon single crystal grains already deposited. Thus, a film in which silicon single crystal grains are aligned and arranged in the film thickness direction is manufactured.
[0013]
According to the first aspect of the present invention, it is possible to improve the external extraction efficiency of signal charges and reduce the avalanche multiplication starting voltage of signal charges. Further, since the silicon crystal grains can be aligned in the film thickness direction, variation in the distance between the silicon crystals can be reduced, and charges can be conducted efficiently.
[0016]
According to a second aspect of the present invention, in the formation step, the silicon substrate is thermally oxidized at a high temperature, and the surface of the silicon single crystal grains is thermally oxidized at a low temperature, and then the sample is held in the atmosphere of air, water vapor or hydrogen radical. The silicon crystal grains are aligned in the film thickness direction by terminating a predetermined silicon oxide film on the surface of the silicon single crystal grains with a Si—OH bond.
[0017]
According to the second aspect of the invention, since the silicon crystal grains can be aligned in the film thickness direction, variation in the distance between the silicon crystals can be reduced, and charges can be conducted efficiently.
[0018]
The invention described in claim 3 is characterized in that, in the forming step, an additional band offset is formed in the signal charge traveling direction by controlling the size of the silicon single crystal grains.
[0019]
According to the third aspect of the invention, impact ionization is more likely to occur, and the avalanche multiplication start voltage of the silicon crystal film can be reduced.
[0020]
According to a fourth aspect of the present invention, in a photoelectric conversion film manufacturing apparatus for manufacturing a photoelectric conversion film having a silicon crystal, an insulating film such as a silicon oxide film having a thickness capable of tunneling a signal charge on a silicon substrate. A silicon crystal film is formed by using the covered silicon single crystal grains, and the formation section terminates the silicon oxide film on the surface of the silicon single crystal grains with Si—OH bonds, and these are formed on the silicon single crystal grains. To function as a crystal nucleus generation site of a crystal grain, and form a silicon single crystal grain to be deposited next so as to come into contact with one silicon single crystal grain among a plurality of silicon single crystal grains already deposited. Thus, a film in which silicon single crystal grains are aligned and arranged in the film thickness direction is manufactured.
[0022]
According to a fifth aspect of the invention, in the formation portion, the silicon substrate is thermally oxidized at a high temperature, and the surface of the silicon single crystal grains is thermally oxidized at a low temperature, and then the sample is held in an atmosphere of air, water vapor, or hydrogen radical. The silicon crystal grains are aligned in the film thickness direction by terminating a predetermined silicon oxide film on the surface of the silicon single crystal grains with a Si—OH bond.
[0023]
The invention described in claim 6 is characterized in that, in the forming portion, an additional band offset is formed in the traveling direction of the signal charge by controlling the size of the silicon single crystal grain.
[0024]
According to the invention described in claims 4 to 6 , it is possible to provide a photoelectric conversion film manufacturing apparatus suitable for the photoelectric conversion film manufacturing method according to any one of claims 1 to 3 .
[0025]
The invention described in claim 7 is an image pickup device using a photoelectric conversion film manufactured by the photoelectric conversion film manufacturing apparatus according to any one of claims 4 to 6 .
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention makes it possible to efficiently conduct and accelerate photogenerated signal charges by an external electric field by arranging silicon crystal grains (silicon crystals) whose surfaces are covered with a silicon oxide film in alignment in the film thickness direction. Thus, the main objective is to improve the external extraction efficiency of the signal charge and to reduce the avalanche multiplication start voltage of the signal charge.
[0027]
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0028]
FIG. 2 is a diagram of an example of a process for producing a silicon nanocrystal film in the present invention.
[0029]
In FIG. 2, after cleaning the single crystal silicon substrate first, a silicon oxide film having a thickness of about 1 nm capable of charge tunneling conduction is formed on the silicon substrate surface by high temperature thermal oxidation at about 1000 ° C. ((1)) . Next, a silicon nanocrystal is produced on this ((2)). Silicon nanocrystals can be produced using a low pressure chemical vapor deposition (LP-CVD) method. In this method, silicon nanocrystals are formed in a self-organized manner on the silicon oxide film by stopping the supply of silane gas as a deposition material at the initial stage of silicon film deposition. Thereafter, the surface of the silicon nanocrystal is thermally oxidized in an oxygen atmosphere at a temperature lower than the oxidation temperature of the substrate surface (for example, about 600 ° C.) to form a silicon oxide film of about 1 nm ((3)).
[0030]
Next, when the sample is held in the atmosphere of air, water vapor, or hydrogen radical, only the silicon oxide film on the surface of the silicon nanocrystal formed at a low temperature becomes the Si—OH bond termination (4). According to Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 452, 234 (1997). (K. Nakagawa, M. Fukuda, S. Miyazaki and M. Hirose) It is known to function as an outbreak site. Therefore, when silicon nanocrystals are deposited again by LP-CVD, silicon nanocrystals are not formed on the silicon oxide film that has been thermally oxidized at high temperature, but nanocrystals are formed only on silicon nanocrystals that have been thermally oxidized at low temperature. Will be. As a result, the silicon nanocrystals are aligned in the film thickness direction ((5)).
[0031]
By repeating the above processes (3) to (5), a silicon nanocrystal film in which a plurality of silicon nanocrystals are aligned as shown in (6) in FIG. 2 can be produced.
[0032]
FIG. 3 is a diagram of an example of the formed photoelectric conversion film in the present invention.
[0033]
In FIG. 3, compared with FIG. 1 described above, the silicon nanocrystals are aligned in the film thickness direction, so that when the signal charges are tunneled, variation in the distance between the silicon nanocrystals is reduced, and the efficiency is improved. Therefore, the external extraction efficiency of the signal charge can be improved.
[0034]
Here, when the silicon nanocrystal film of FIG. 3 is used as a photoelectric conversion film, when the thickness of the silicon oxide film is 3 nm or more, signal charge tunneling hardly occurs, and thus the quantum conversion efficiency is adversely affected.
[0035]
In addition, when the thickness is 1 nm or less, the quantum confinement effect becomes weak, and it becomes difficult to control the band gap by the crystal size described later. For this reason, the silicon oxide film thickness is desirably 1 to 3 nm.
[0036]
In the manufacturing method described above, the position of the crystal nucleation site of the silicon nanocrystal is controlled by the difference in silicon oxide film formation temperature between the silicon substrate surface and the silicon nanocrystal surface. The lower the thermalization temperature of a silicon oxide film, the easier it is to form Si—OH bonds (functioning as crystal nucleation sites) on the surface of the silicon oxide film, but the oxidation rate becomes extremely slow at 600 ° C. or lower. Therefore, it becomes impractical. Accordingly, the thermal oxidation temperature of the portion where the silicon nanocrystal is to be formed, that is, the surface of the silicon nanocrystal, is about 600 ° C.
[0037]
On the other hand, when the silicon oxide film is heated to about 950 ° C. or higher, it becomes a dense and high-quality film, and the Si—OH bond termination is hardly formed on the surface. Therefore, it is desirable that the oxidation temperature of the portion where the silicon nanocrystal is not formed, that is, the silicon substrate surface, is 950 ° C. or higher.
[0038]
Furthermore, in order to use the silicon nanocrystal film as a photoelectric conversion film, it is necessary to have a sufficient thickness to absorb light. In the experiments so far, photoelectric conversion characteristics have been obtained with samples having 15 or more layers of silicon nanocrystals, but a thickness of 1 micron (μm) or more is desirable in order to obtain sufficient light absorption characteristics. .
[0039]
Next, an embodiment using the present invention will be described with reference to the drawings.
[0040]
FIG. 4 is a diagram of an example of a photoelectric conversion film using the present invention.
[0041]
In FIG. 4, the photoelectric conversion film includes an
[0042]
In FIG. 4, a wide band gap silicon carbide (a-SiC X : O) in which an n-type impurity is added as a hole blocking layer on a heavily doped n-type c-Si substrate (n + layer) 41 ( n-type) 42 is formed, and an additive-free
[0043]
Here, the silicon nanocrystal has a feature that an optical bandgap can be controlled by its size. For example, it is known that when the silicon nanocrystal size is changed from 10 nm to 1 nm, the optical band gap changes from about 1.7 eV to about 2.6 eV.
[0044]
In the silicon nanocrystal production method of the present invention, the silicon nanocrystal size can be easily controlled by appropriately adjusting the deposition time and deposition temperature of the silicon nanocrystal.
[0045]
Therefore, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-007381, the band gap of the silicon nanocrystal is increased by a gradient by controlling the crystal size, and then the band gap is reduced by abruptly reducing the band gap. It can be formed in the thickness (electric field) direction.
[0046]
The above example will be described with reference to the drawings.
[0047]
FIG. 5 is an example of a nanosilicon layer having an energy band structure inclined in the film thickness direction.
[0048]
In the structure of FIG. 5, the size of the silicon nanocrystals is sequentially reduced from the light incident side (about 10 nm → 6 nm → 3 nm → 1 nm) and the band gap is increased in a tilted manner, and then the silicon nanocrystal size is increased again. By sequentially reducing the size, a large offset is formed in the conduction band edge energy between adjacent silicon nanocrystals.
[0049]
Since the traveling signal charges (electrons) can acquire additional energy corresponding to the conduction band offset at a point where the band gap suddenly decreases, impact ionization is more likely to occur. As a result, the avalanche multiplication starting voltage of the silicon nanocrystal film is further reduced.
[0050]
Here, FIG. 6 shows an example of the silicon nanocrystal film having the energy band structure described above.
[0051]
As shown in FIG. 6, a silicon nanocrystal film composed of silicon nanocrystals aligned in the film thickness direction can conduct and accelerate signal charges more efficiently than a conventional silicon nanocrystal film in which silicon nanocrystals are randomly arranged. Thus, the quantum conversion efficiency of the photoelectric conversion film can be improved, and the avalanche multiplication starting voltage of the signal charge can be reduced.
[0052]
Next, a second embodiment using the present invention will be described with reference to the drawings.
[0053]
FIG. 7 is a diagram of an example of a cold cathode light emitting device using the present invention.
[0054]
The cold cathode light emitting device of FIG. 7 includes an
[0055]
In FIG. 7, since the silicon nanocrystal grains have a size of about 1 to 10 nm, as shown in FIG. 7, when an electric field is applied to the
[0056]
Note that an image sensor with higher sensitivity can be provided by using the photoelectric conversion film manufactured in the present invention.
[0057]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a photoelectric conversion film manufacturing method, a photoelectric conversion film manufacturing apparatus, and a photoelectric conversion film manufacturing method characterized by improving signal charge external extraction efficiency and reducing the signal charge avalanche multiplication starting voltage, and An imaging device can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an example of a conventional photoelectric conversion film using silicon nanocrystals.
FIG. 2 is a diagram showing an example of a production process of a silicon nanocrystal film in the present invention.
FIG. 3 is a diagram of an example of a formed photoelectric conversion film in the present invention.
FIG. 4 is a diagram of an example of a photoelectric conversion film using the present invention.
FIG. 5 is a diagram of an example of a nanosilicon layer having an energy band structure inclined in the film thickness direction.
FIG. 6 is a diagram of an example of a silicon nanocrystal film having an energy band structure inclined in the film thickness direction.
FIG. 7 is a diagram of an example of a cold cathode light emitting device using the present invention.
[Explanation of symbols]
40
42 Silicon Carbide (a-SiC X : O) (n-type)
43
45 Transparent electrode 70
Claims (7)
シリコン基板上に信号電荷のトンネル伝導が可能な厚さのシリコン酸化膜等の絶縁膜で覆われたシリコン単結晶粒を用いて、シリコン結晶膜を形成する形成段階を有し、
前記形成段階は、前記シリコン単結晶粒表面のシリコン酸化膜を Si-OH 結合終端し、これらをシリコン単結晶粒の結晶核発生サイトとして機能させ、次に堆積するシリコン単結晶粒を、すでに堆積された複数のシリコン単結晶粒のうち、ある1つのシリコン単結晶粒上に接触するように形成させることで、シリコン単結晶粒を膜厚方向に整列して並べた膜を作製することを特徴とする光電変換膜作製方法。In a photoelectric conversion film manufacturing method for manufacturing a photoelectric conversion film having a silicon crystal,
Forming a silicon crystal film using a silicon single crystal grain covered with an insulating film such as a silicon oxide film having a thickness capable of tunneling a signal charge on a silicon substrate;
In the forming step, the silicon oxide film on the surface of the silicon single crystal grains is terminated with Si-OH bonds, and these are made to function as crystal nucleus generation sites of the silicon single crystal grains, and the silicon single crystal grains to be deposited next are already deposited. A film in which silicon single crystal grains are aligned and arranged in the film thickness direction is formed by forming the silicon single crystal grains so as to be in contact with one of the silicon single crystal grains. A method for producing a photoelectric conversion film.
前記シリコン基板を高温熱酸化し、又前記シリコン単結晶粒表面を低温熱酸化した後、大気、水蒸気又は水素ラジカル雰囲気中に試料を保持し、シリコン単結晶粒表面の所定のシリコン酸化膜をSi-OH結合終端させることにより、シリコン結晶粒を膜厚方向に整列させることを特徴とする請求項1記載の光電変換膜作製方法。In the forming step,
After the silicon substrate is thermally oxidized at a high temperature and the surface of the silicon single crystal grain is thermally oxidized at a low temperature, the sample is held in the atmosphere of air, water vapor or hydrogen radical, and a predetermined silicon oxide film on the surface of the silicon single crystal grain is formed on Si. by -OH coupling end, the photoelectric conversion film manufacturing method according to claim 1, wherein aligning the silicon crystal grains in the thickness direction.
シリコン単結晶粒の大きさを制御することにより、信号電荷の走行方向に付加的なバンドオフセットを形成することを特徴とする請求項1又は2記載の光電変換膜作製方法。In the forming step,
3. The method for producing a photoelectric conversion film according to claim 1, wherein an additional band offset is formed in the traveling direction of the signal charge by controlling the size of the silicon single crystal grains.
シリコン基板上に信号電荷のトンネル伝導が可能な厚さのシリコン酸化膜等の絶縁膜で覆われたシリコン単結晶粒を用いて、シリコン結晶膜を形成する形成部を有し、
前記形成部は、前記シリコン単結晶粒表面のシリコン酸化膜を Si-OH 結合終端し、これらをシリコン単結晶粒の結晶核発生サイトとして機能させ、次に堆積するシリコン単結晶粒を、すでに堆積された複数のシリコン単結晶粒のうち、ある1つのシリコン単結晶粒上に接触するように形成させることで、シリコン単結晶粒を膜厚方向に整列して並べた膜を作製することを特徴とする光電変換膜作製装置。In a photoelectric conversion film manufacturing apparatus for manufacturing a photoelectric conversion film having a silicon crystal,
Using a silicon single crystal grain covered with an insulating film such as a silicon oxide film having a thickness capable of tunneling a signal charge on a silicon substrate;
The forming unit terminates the silicon oxide film on the surface of the silicon single crystal grain with a Si-OH bond, functions them as a crystal nucleus generation site of the silicon single crystal grain, and already deposits a silicon single crystal grain to be deposited next. A film in which silicon single crystal grains are aligned and arranged in the film thickness direction is formed by forming the silicon single crystal grains so as to be in contact with one of the silicon single crystal grains. A photoelectric conversion film manufacturing apparatus.
前記シリコン基板を高温熱酸化し、又前記シリコン単結晶粒表面を低温熱酸化した後、大気、水蒸気又は水素ラジカル雰囲気中に試料を保持し、シリコン単結晶粒表面の所定のシリコン酸化膜をSi-OH結合終端させることにより、シリコン結晶粒を膜厚方向に整列させることを特徴とする請求項4記載の光電変換膜作製装置。In the formation part,
After the silicon substrate is thermally oxidized at a high temperature and the surface of the silicon single crystal grain is thermally oxidized at a low temperature, the sample is held in the atmosphere of air, water vapor or hydrogen radical, and a predetermined silicon oxide film on the surface of the silicon single crystal grain is formed on Si. 5. The photoelectric conversion film manufacturing apparatus according to claim 4 , wherein the silicon crystal grains are aligned in the film thickness direction by terminating the —OH bond.
シリコン単結晶粒の大きさを制御することにより、信号電荷の走行方向に付加的なバンドオフセットを形成することを特徴とする請求項4又は5記載の光電変換膜作製装置。In the formation part,
6. The photoelectric conversion film manufacturing apparatus according to claim 4 , wherein an additional band offset is formed in the traveling direction of the signal charge by controlling the size of the silicon single crystal grains.
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