WO1994022173A1 - Solid state imaging device and process for production thereof - Google Patents

Description

明 細 書

固 体撮像装置及 びそ の製造方法

¾ % 分里予

本 発 明 は 固 体 撮 像 装 置 及 び そ の 製 造方 法 に 関 し 、 特 に 、 光応答速度 が速 く 、 かつ 、 同一工程で 、 共通基板上 に 固体撮像素子 と 、 該素子 を 動作 さ せ る た め の ス ィ ッ チ ン グ素子ゃ シ フ ト レ ジ ス タ を構成 す る ト ラ ン ジ ス タ を 構 成 す る こ と が で き 、 かつ面動作の可能 な 固体撮像装置及 び そ の 製造方法 に 関 す る 。

背景技術

近年、 フ ァ ク シ ミ リ の普及 に 合わせ て 、 イ メ ー ジ セ ン サ 一 の よ り 小型 化 、 軽量 化 、 低価格 化 が求 め ら れ て い る 。 フ ァ ク シ ミ リ 等 に 用 レヽ ら れ る イ メ ー ジセ ン サー は 、 大別 し て 、 非密着型、 密着型、 完全密着型の 3 種類が あ る 。

非密着型 は 、 原稿 を縮小 レ ン ズ系 を通 し て単結晶 P N 接合 を 用 い た C C D に 投影す る も の で 、 現在確立 さ れ て レヽ る シ リ コ ン ウ エ ノヽー を 用 い た L S I プ ロ セ ス を 禾 IJ用 で き る の で生産性が高 く 、 低価格化で き る と い う 特徴が あ る 。

—方 、 縮小 レ ン ズ等の光学系が必要 と さ れ る の で 、 小 型化 、 軽量化の 点 で問題が あ る 。

—方'密着型、 完全密着型 は 、 小型化、 軽量化 に お い て 非密着型 に 比べ有利 で あ る 。 し か し 、 そ の作製プ ロ セ ス や 実装 、 組立 に お け る 生産 コ ス ト が高 レ、 と い う 問題 が あ る 。 さ ら に 、 密着型 は セ ル フ オ ッ ク レ ン ズ等の 高価 な 部

□ を 用 い て い る 。 セ ル フ ォ ッ ク レ ン ズ を 必要 と し な い完 全密着型 も 商品化 さ れて い る 。 完全密着型 は 薄板 ガ ラ ス 等 を 用 い て レヽ る が 、 コ ス ト 的 に は 有禾 IJ で あ る 。

フ ァ ク シ ミ リ 用 の 密 着 型 の イ メ ー ジ セ ン サ ー と し て は 、 M O S L S I チ ッ プを 多数実装す る マ ル チ チ ッ プ型 と 、 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン 薄膜 に よ る フ ォ 卜 ダ イ オ ー ド を 光 セ ン サ ー部 に 用 い た 薄膜型 と が主 に 知 ら れ て い る 。 こ れ ら は 、 い ずれ も セ ル フ ォ ッ ク レ ン ズ ア レ イ を 用 レ、 て レ、 る

ル チ チ ッ プ型 は す で に高 い技術が確立 さ れて い る Μ 0 S L S I の作製工程 に よ り 製造 さ れ る た め 、 製造歩留 り 高 く 、 安定供給が可能で あ る と さ れて い る 。 し か し 一方で 、 組立精度 な どが原因 で実装 さ れ た M 0 S L S I チ ッ プ間 で特性の バ ラ ツ キ が発生 し や す い と い う 欠点 を も つ

方薄膜型 は 、 ガ ラ ス や セ ラ ミ ッ ク 等の絶縁基板上 に 薄膜工程 で作製 で き る の で 、 大面積化が可能で あ り 、 原 稿幅 と 同 じ 長 さ の原稿読み取 り チ ッ プ を容易 に 得 る こ と が で き る と い う 利点が あ る 。 し か し な が ら 、 製造工程数 が多 く 、 歩留 り が悪い為、 生産 コ ス ト が高 く な る と い う 欠点が あ る 。

ィ メ ー ジ セ ン サー に 用 い ら れ る 光電変換素子の形式 と し て は 、 フ ォ ト コ ン ダ ク タ ー型 と フ ォ ト ダ イ オ ー ド 型が 知 ら れ て い る 。 フ ォ ト コ ン ダ ク タ 一型 は 、 光が照射 さ れ る こ と に よ り 抵抗 が下が る よ う な 材料 、 例 え ば非晶質 シ リ コ ン 等の材 料 を 用 い 、 光照射 に 従 う そ の 抵抗の変化 を電流値の 変化 と し て 読み取 る 方法で あ る 。 一般 に フ ォ ト コ ン ダ ク タ ー 型 は 、 大電流 を 流 す こ と が 出来 る た め 、 ノ イ ズ に 強 い と レヽ ぅ 特徴 を有 す る が、 光応答性が悪 い の で 、 フ ァ ク シ ミ リ の 高速化の要求 に 対 し て は 不利 で あ る 。

—方 フ ォ ト ダ イ オ ー ド 型 は 、 光が ダ イ オ ー ド に 照射 さ れ た と き に P I N 接合の ダ イ オ ー ド の空乏層内 に 発生 し た キ ャ リ ア を 逆 ノ ィ ァ ス方 向 に 印カ卩 さ れて い る 電圧が掃 引 す る こ と で 、 光 の 強 さ に 比例 し た電流 を信号 と し て 得 る 形式 で あ る 。 こ の フ ォ ト ダ イ オ ー ド 型 は 、 光 に 対 す る 応答 が非常 に 高速 で あ る と い う 特徴 を有す る 。 し か し 、 フ ォ ト ダ イ オ ー ド に 流れ る 電流が小 さ い た め 、 ノ イ ズの 影響 を 受 け や す レヽ と い う 問題が あ る 。

さ ら に 、 フ ォ ト ダイ オ ー ド 型は 、 読み取 り 駆動回路 を 作製 す る た め の製造工程が フ ォ ト ダイ オ ー ド を作製 す る た め の工程 と 異 な る た め 、 非常 に 多数の複雑 な 製造工程 が必要 で あ り 、 一般 に歩留 り が低 く な る 傾向 に な る 。 ま た 、 読 み取 り 駆動 回路 を外付 け I C に し た場合 に は 、 多 数の 読み取 り チ ッ プが必要 と な る た め に 低価格化が非常 に 困難 で ある 。

従来の 別 の 技術 と し て 、 特開平 2 - 2 1 0 8 7 7 は バ ィ ボー ラ ト ラ ン ジ ス タ 技術 を 用 い た 固体撮像装置 を 開示 して い る が 、 こ の技術で は P N 接合のつ く り 方 が む ず か し く 、 実 用 化 は 困 難 で あ る 。

以上 の 考察 か ら 、 将来の 固体撮像素子 と し て は L S I 技術 に よ り 作成 さ れ る 薄膜 M 0 S 構造が有望 で あ る と 考 え ら れ る 。

し 力 し 、 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン を 用 レヽ た 従来 の M 0 S 構造 は 、 光応答速度が数 1 0 0 0 μ s e c の オ ー ダ で遅 い た め 、 フ ァ ク シ ミ リ 用 の イ メ ー ジ セ ン サー と し て は 不適 当 で あ る こ と 、 及 び イ メ ー ジ セ ン サー を 動作 さ せ る た め の ス ィ ツ チ ン グ素子ゃ シ フ ト レ ジ ス 卜 の た め の M O S 卜 ラ ン ジ ス タ を イ メ ー ジ セ ン サー と は別の工程 に よ り 作成 し な け れ ば な ら な いの で 、 製造工程が複雑 で製造 コ ス ト が高 レヽ と レヽ ぅ 欠点が あ る 。

本発明 は従来の技術の上記欠点 を改善す る も の で 、 そ の 目 的 は 、 光応答速度が早 く 、 関連す る ト ラ ン ジ ス タ を 同 時 に 共通基板上 に 作成す る こ と がで き 、 かつ面動作の 可能 な 薄膜 M O S 構造の 固体撮像装置及 びそ の 製造方法 を 提供す る こ と に あ る 。

発 明 の概要

前記 目 的 を 達成す る た め の本発明 の特徴 は 、 絶縁表面 を 有す る 基板 と 、 そ の上 に も う け ら れ る 非単結晶 シ リ コ ン 層 に よ る 、 少 な く 共 ソ ー ス 領域 と ド レ イ ン 領域 を 有 す る 活性層 と 、 該活性層 の ソ ー ス 領域 と ド レ イ ン 領域の 間 の 受光領域の上 に 絶縁層 を 介 し て も う け ら れ る ゲー ト 電 極層 と 、 前記 ソ ー ス領域及 び ド レ イ ン 領域の上 に 各 々 も う け ら れ る ソ ー ス 電極層及 び ド レ イ ン電極層 と を 有 し 、 前 記 活 性 層 の ト ラ ッ プ 密 度 が 5 x 1 0 ¹ ' Z c m ² 以 下 で あ り 、 前 記 ゲ ー ト 電 極 に は 所 定 の ノ ' ィ ァ ス 電 位 が 印 カロ さ れ 、 活性層 の 前記受光領域 に 照射 さ れ る 光 を 入力 と し 、 ソ ー ス 電極 と ド レ イ ン電極の 間 の電流 を 出 力 と し て 光電 変換 を 行 な う 固 体撮像装置 に あ る 。

上記構成 に お い て 、 活性層が非単結晶 シ リ コ ン層 、 又 は 多結晶 シ リ コ ン 層 で構成 さ れ る こ と は 本発明 の特徴 の ひ と つ で あ る 。

非単結晶 シ リ コ ン層 は非晶質 （ ア モ ル フ ァ ス ） シ リ コ ン 層 を ァ ニ ー ル す る こ と に よ り 得 ら れ 、 ァ ニー ル の方法 は レ ーザ ァ ニ ー ル又 は 6 0 0 ^eC以上の髙温 ァ ニー ルが可 能で あ る'。

非単結晶 シ リ コ ン膜は そ の ま ま M 0 S ト ラ ン ジ ス タ を 構成す る の で 、 共通の非単結晶 シ リ コ ン膜 に よ り 撮像素 子 と M O S ト ラ ン ジ ス タ の 両方 を 構成 す る こ と が で き る 。

高速 の光応答 を 実現す る た め に 、 活性層 の ト ラ ッ プ密 度 は S X l O Z c m ² 以下で あ る こ と が好 ま し く 、 又 、 製 造工程 に お い て 活性層 に対 し 水素化 を施す こ と が好 ま し い 。

撮像素子が ソ ー ス · ド レ イ ン 間が導通状態に バ イ ア ス さ れ る こ と も 本発明 の特徴の ひ と つ で あ る 。 従来の フ ォ ト セ ンサ は 非導 通 状態 に ノ、' ィ ァ ス さ れ て 用 い ら れ て い た 。

図面の簡単 な説明 第 1 図 は 本発 明 の一実施例 の 非単結晶 T F T の 断面構 成図 で あ る 。

第 2 図 は 本発 明 の一実施例の非単結晶 T F T の 製造ェ 程説明 図 の 一部で あ る 。

第 3 図 は 本発明 の一実施例の非単結晶 T F T の 製造ェ 程説明 図 の う ち 第 2 図 の 次工程説明 図 で あ る 。

第 4 図 は 本発明 の一実施例の非単結晶 T F T の特性図 で あ る 。

第 5 図 は 本発明 の一実施例 の非単結晶 T F T と 他の T F T の特性比較図 で あ る 。

第 6 図 は 本発 明 の一実施例 の非単結晶 T F T の特性図 で あ る 。

第 7 図 は 本発明 の非単結晶 T F T の動作原理説明 図 で あ る 。

第 8 図 は本発明 の一実施例の非単結晶 T F T を 用 い た 回路図 で あ る 。

第 9 図 は実施例 の作製工程 を示す 。

第 1 0 図 は 実施例の作製工程を示す 。

第 1 1 図 は 実施例 の作製工程 を示す 。

第 1 2 図 は 実施例の作製工程 を 示す 。

実施例

本 発 明 の 一 実 施 例 を 第 1 図 〜 第 7 図 を 用 い て 説 明 す る 。

第 1 図 は 本発明 の一実施例 で あ る T F T の断面構成図 を し 、 第 2 図 ， 第 3 図 は 、 第 1 図 に 示 す T F T の 製造 工程説 明 図 、 第 4 図〜第 6 図 は 本発 明 の一実施例 の T F

T の 特性図 で あ る 。 ま た 第 7 図 は 本発明 の 固 体撮像装置 を 構成 す る 非単結晶 T F T の動作原理説明 図 で あ る 。

第 1 図 に お い て 、 1 は ガ ラ ス基板 、 2 は S i 0₂膜 、 3 は 活性層 、 4 ' は ゲ ー ト 絶縁膜 、 5 ' は ゲー ト 電極 、 6 は ソ ー ス 領域 、 6 ' は ド レ イ ン 領域 、 7 は絶縁膜 、 8 は 電 極 、 1 0 は T F T を 各 々 示 す 。

第 2 図及 び第 3 図 に よ り 本発明 の 固体撮像装置 を 構成 す る T F T の 製造工程 を説明 す る 。

( 1 ) 基 板 1 と し て 、 例 え ば コ ー ユ ン グ 社製 7 0 5 9

( 商品名 ） ガ ラ ス を 用 い 、 こ の基板 1 上 に ス パ ッ タ 法 に よ り Si0₂膜 2 を 3 0 0 0 A の 厚 さ に 成膜 す る （ 第 2 図 ( A ) 参照 ） 。 な お基板 1 に は単結晶 シ リ コ ン 基板 を 用 レヽ る こ と も 可能で 、 そ の場合 に は 、 リ フ ロ ー工程 に よ り 表面 を 滑 ら か に し て か ら 、 Si0₂膜 2 を成膜す る 。

(2) 次 に こ の Si0₂膜上 に 非晶質 シ リ コ ン （ a — Si) 膜 3 を L P C V D 法 に よ り 8 0 0 人 の膜厚で成膜す る （ 第 2 図 （ B ) 参照） 。

こ の 時の 成膜条件 は以下の通 り で あ る 。

Si₂H₆ ガ ス 1 0 0 〜 5 0 0 S C C M

H e ガ ス 5 0 0 S C C M

圧力 0.1 ~ 1 Torr

加熱温度 4 3 0 〜 5 0 0 ^eC

(3) 次 に 前記 （ 2 ) に よ り 成膜 し た非晶質 シ リ コ ン膜 3 に ^ し 、 ァ ニー ル工程 を施す 。 こ の ァ ニ ー ル工程 は 前記の L P C V D 法 に よ り 形成 し た a — S i膜 3 を 結晶化 す る た め に 行 う も の で 、 本実施例 で は エ キ シ マ レ 一 ザ ァ ニ ー ル （ 例 え ば K r F )を 施 し 結晶化 さ せ た 非単結晶 シ リ コ ン膜 を 得 る 。

レ ーザ ァ ニ ー ル は高温 で膜 を 溶か すの で結晶粒の 界面 が結合 し 、 粒界の準位が小 さ レヽ と い う 特徴 を有 す る 。

ァ ニ ー ル工程の 条件 は 以下の通 り で あ る 。

基板温度 3 0 0 〜 4 5 0 ^eC

ノ ヮ一 2 5 0 〜 4 5 0 mJZ cm²

波長 2 4 8 nm

パ ル ス 幅 3 0 nsec

(4) 前記の ァ ニ ー ル工程 を施 し た結晶化 さ せ た 非単結 晶 S i膜 を ノ\' タ ー ユ ン グ し て ア イ ラ ン ド 3 ' を 形 成 す る ( 第 2 図 （C) 参照 ） 。

(5) こ の ア イ ラ ン ド 3 ' を 含 む 基板 1 上 に T E O S

( テ ト ラ エ ト キ シ シ ラ ン ） 法 に よ り ゲー ト 絶縁膜 と な る Si0₂膜 4 を 1 5 0 0 A の厚 さ に成膜す る （ 第 2 図 （D) 参 照 ） ，。

ゲー ト 絶緣膜 4 の成膜条件 は以下の通 り で あ る 。

T E O S ガ ス 1 0 〜 5 0 S C C M

0 ₂ ガ ス 5 0 0 S C C M

ノ ヮ一 5 0 〜 3 0 0 ( W )

加熱温度 4 0 0 ^eC

(6) 次 に こ の上 に ゲー ト 電極 と な る 、 リ ン を ド ー プ し た a — Si ( ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン ） 層 5 を プ ラ ズ マ C V D 法 に よ り 1 0 0 O A の厚 さ に 成膜 す る （ 第 2 図 （E) 参 照 ） 。

a - Si層 5 の 成膜条件 は以下の通 り で あ る 。

S i H ₄ガ ス 1 0 〜 5 0 S C C M

5 % P H ₃ Z H ₃ ガ ス 5 〜 2 0 S C C M 圧力 0.1 ~ 0.5 Torr

パ ワ ー 5 0 〜 5 0 0 ( W ) 加熱温度 2 0 0 〜 4 0 0 。C

(7) エ ッ チ ン グ に よ り 、 ゲー ト 電極層 と ゲー ト 絶縁膜 の パ タ ー ニ ン グ を 行 い 、 ゲー ト 絶緣膜 4 ' 、 ゲー ト 電極

5 ' を形成す る （ 第 2 図 (F) 参照） 。

(8) 結晶化 し た 非単結晶 S i層 ；^ ら 成 る ア イ ラ ン ド 3 ' 上 に 、 ゲー ト 絶縁膜 4 ' と ゲー ト 電極 5 ' を マ ス ク と し て ソ ー ス 領域 6 、 ド レ イ ン 領域 6 ' と な る 領域に 例 え ば リ ン （ P ) を イ オ ン ド ー ビ ン グ法 に よ り ド ーブす る （ 第 3 図 （A) 参照 ) o

(9) 窒素雰囲気中 で 5 5 0 ^eCで 5 時間加熱 し 、 ド ー パ ン 卜 の 活性化 と ゲー ト 電極用 a — S i.層 5 ' の結晶化 を 行 な い ゲー ト 電極の抵抗値を低下 さ せ る 。

( 10 )更 に 例 え ば水素雰囲気中 で加熱 し て 水素化 を行 い 半導体層 の 欠陥準位を 減少 さ せ る 。

水素化の 条件 は 次の と お り で あ る 。

H ₂ ガ ス 1 0 0 〜 ： L 0 0 0 S C C M 温度 3 0 0 〜 4 5 0 。C

圧力 常圧 処理時間 3 0 〜 ； I 2 0 m i n

水素化 は 活性層 3 ' と ゲー ト 絶縁層 4 の 界面の 卜 ラ ッ ブ密度 を 低下 さ せ膜質 を 向上 さ せ る の に 有効 で あ る 。 本 発明 で は 活性層及 びゲー ト 絶緣層 の 独特の 製法及 び水素 化処理 に よ り S X lO /cm² 以下の ト ラ ッ プ密度 を 実現 す る 。

(11)基板全体 に T E 0 S 法で層間絶縁膜 と な る S i 0₂膜 7 を 4 0 0 0 A の 膜厚で形成す る 。

Si0₂膜 7 の 成膜条件は以下の通 り で あ る 。

T E 0 S ガ ス 1 0 〜 5 0 S C C M

0 ₂ ガ ス 5 0 0 S C C M

パ ヮ一 5 0 〜 3 0 0 ( W )

加熱温度 4 0 0 。C

S i 0₂膜 7 を形成後 、 コ ン タ ク ト ホ ー ル を形成す る た め パ タ ー 二 ン グ す る （ 第 3 図 （B) 参照） 。

( 12 )次 に 電極用 の ア ル ミ ニ ゥ ム 膜 を成膜後パ タ ー二 ン グ し て 、 第 1 図 に 示す如 く 、 ア ル ミ ニ ウ ム 電極 8 を 形成 し て T F T を 完成 す る 。

な お 、 前記 ( 8 ) に お い て 、 リ ン （ P ) の代わ り に ホ ゥ 素 （ B ) を 使用 し て も よ い 。

上記構成 に お い て 、 入力光 は透明 な基板 を介 し て 第 1 図 の A に 示 す如 く 、 活性層 3 ' の ド レ イ ン と ソ ー ス の 間 の受光領域 を 照射 す る 。

な お 、 電 極 8 と し て 、 ア ル ミ ニ ウ ム の 代 り に 透 明 な I T 0 ( イ ン ジ ウ ム テ イ ン オ キ サ イ ド ） を 用 い 、 入 力 光 を 第 1 図 の B に 示 す ご と く 電極 8 を 介 し て 活性層 に 導入 す る こ と も 可能で あ る 。

こ の よ う に し て 形成 さ れ製造 さ れ た T F T の ド レ イ ン 電流 （ I _D ) — ゲー ト 電圧 （ V G )特性 を第 4 図 に 示 す 。

第 4 図 に お い て 実 線 の グ ラ フ A は 光 照射 の な い 時 の I D 一 V e 特性 、 点線 の グ ラ フ B は 光照射 時 の I D — V α 特性 を 示 し 、 一点鎖線の グ ラ フ C は 光電流 （ Α と Β の差 ） を 示 す 。

な お こ の T F T の 電 界 効 果 移 動 度 は 7 0 cm² / V · sec 、 V _t η = 2.3 V 、 ト ラ ッ プ密 度 Nt= 3.9 10^{1 1} / cm ² で あ る 。

第 4 図 の A , Β よ り 明 ら 力 > な如 く 、 こ の T F Τ は 外 か ら の光 に 対 し 感度 を示す 。 即 ち 、 グ ラ フ Α は光照射の な い時の 値 、 グ ラ フ B は光照射時の値を示 す の で 、 こ の差 で あ る グ ラ フ C が 、 こ の T F T の光感度 を示す が、 ゲー 卜 電圧 V _G が約 7.5 V以上 で は 、 グ ラ フ A と グ ラ フ B の 特性上の差が な く ド レ イ ン電流 I D は一定 に な る 。

. 従 っ て 、 第 4 図 力 ら 明 ら か な よ う に 、 特 に V 。 < 7.5 V の 領域で は 光照射時の I _D 値 と 光照射の な い時の I D 値 に は 明 ら か な差力 あ り 、 こ の I D 値の差を読み取 り の 出 力 と し て 、 つ ま り 光感度甩の も の と し て 用 い る こ と が で き る 。

な お 、. M 0 S ト ラ ン ジ ス タ 力 sオ フ （実施例 で は V 0 ≤ 0 ) の 領域 で は ド レ イ ン電流 は 10— ⁹ A程度 と 小 さ く 、 卜 ラ ン ジ ス タ が オ ン の領域 （ 実施例 で は V G > 0 ) で は ド レ イ ン 電流が大 き く 光感度 が大 き い 。 従 っ て 、 好 ま し く は オ ン の 領域 で動作 す る よ う に ゲ ー ト ノ ィ ァ ス 電圧 を 決 定 す る 。

シ リ コ ン 半導体結晶 を 用 い た M 0 S 構造の T F T の 動 作原理 に お い て 、 例 え ば n 型 S iに M 0 S 構造の T F T を 形成 し た 場合 を 例 に と っ て 、 本発明 の 動作 を 説明 す る 。

第 7 図 は M O S 構造の n 型非単結晶 シ リ コ ン の 表面近 傍の エ ネ ル ギー準位図 を 示 し 、 第 7 図 （ A ) は外部か ら 光 が照射 さ れ な い場合 、 第 7 図 （ B ) は外部か ら 光が照射 さ れ た 場合 の 各エ ネ ルギー準位 を示 す 。

第 7 図 に お い て 7 1 は ゲー ト 酸化膜、 7 2 は n 型非単 結晶 シ リ コ ン を示 す 。

第 7 図 （ A ) に お い て 、 光が照射 さ れ な い時 に導伝帯寄 り に フ ヱ ル ミ 準位 E f 力 s あ る 。 し 力 > し 外部カゝ ら 照射 さ れ る と 、 第 7 図 （B ) に 示す如 く 、 価電子帯 よ り 導伝帯へ電 子が移動 す る た め に 、 結果的 に フ ユ ル ミ 準位 E f は 中央 寄 り に シ フ ト し 、 ゲー ト 酸化膜 7 1 と の 界面 に 存在す る ト ラ ッ プ密度 は増加 し 、 ァ ク セ プ タ の機能 を 強 く 示 す よ う に な る 。

こ の フ ェ ル ミ 準位 E f の シ フ ト に よ り こ の M O S 構造 の フ ラ ッ ト ノ、 * ン ド 電位 を 負 の 方へ シ フ 卜 さ せ る こ と に な り 、 こ の 構造の薄膜 ト ラ ン ジ ス タ に お い て は ド レ イ ン 電 流 （ I D )対 ゲー ト 電圧 （ V G )特性の 閾値電圧 （ V _{t n} ) を 負 の方へ移動 さ せ る こ と に な る 。

T F T ( 薄膜 ト ラ ン ジ ス タ ） の （ 1 。 一 V G )特性 に お い て V _{t h}の シ フ ト は 次式 に よ り 表現 さ れ る 。

Δ I D 一 一 I Nt

( 1 -) (1

Δ V _{t h} (V_G-V t _h) ' KCox (Vc-V t h) こ こ で 、 N t は M O S 構造 の 卜 ラ ッ プ 密度 、 C oxは ゲー ト 酸化膜の容量、 K は係数 を示す 。 上記数式 （ 1 )よ り 明 ら か な如 く 、 M 0 S 構造の T F T の 光感度 を 増加 さ せ る に は数式 （ 1 )の値 を 増大 さ せれ ば よ く 、 そ の た め に は数式 （ 1 )の右辺の カ ツ コ 内 の値が限 り な く 1 に 近 い必要が あ る 。

即 ち 、 Ntが十分 に 小 さ い必要力 あ り 、 本発明 で は a — S iを結晶化す る 際 、 エ キ シマ レ ーザ · ァ ニールの如 き 短 ノヽ' ル ス 幅 レ ーザ · ァ ニー ル を 用 い る こ と に よ り 、 Ntが十 分 に 小 さ い非単結晶 シ リ コ ン を実現 し た も の で あ る 。

な お 、 本発明 の 固体撮像装置 に適用 す る に は N tは 5 X 10^{1 1} / cm² 以下の レ ベルで あ る こ と が要求 さ れ る 。 ま た 、 本発明 の如 き M 0 S 構造の T F T の光感度特性 は 次の よ う に 説明 す る こ と も で き る 。 本発明 の T F T の光感度 は第 1 図 に 示す T F T 1 0 の 活性層 3 に お け る 光吸収 に よ っ て 発生す る 光励起 キ ヤ リ ァ に よ る も の と 考察 さ れ る 。 即 ち 、 光吸収 に よ っ て発生 し た光励起 キ ャ リ ア が ゲー ト 絶縁.膜 4 ' と 活性層 3 ' と の界面 に 集 め ら れ 、 そ の結 果 閾 値電圧 V _{t h}の 変位 Δ V _{t h}を生ず る 。 Δ V _{t h}は 次式 で表す こ と がで き る 。 Q o , 、

Δ V _t n = ··· (2)

C ox

こ の 数式 （ 2 )に お レ、 て 、 d o は 光 に よ っ て励起 さ れ る 電 荷 （ 光 励 起 キ ャ リ ア ） の 総量 、 C 0 Xは ゲ ー ト 絶 縁 膜 4 ' の 容量 を 示 す 。 従 っ て 数式 （ 2)か ら こ の T F T が十分 な 閾値電圧 V _{t h} の 変化 、 即 ち △ V _{t h}を示 す た め に は 光励起 キ ャ リ ア が途 中 で消費 さ れ な レヽ こ と 、 即 ち 、 ゲー ト 絶縁膜 4 ' と 活性 層 3 の 界面 に 存在 す る 卜 ラ ッ ブ密度 Ntが少な い と い う 条 件が必要 と な る 。 一般 に 結晶化 し た非単結晶 シ リ コ ン T F T の 卜 ラ ッ プ 密度 N tは そ の製造方法に よ り 大 き く 変わ る 。 例 え ば L P C V D 法 に よ っ て 製造 さ れ た非晶質 シ リ コ ン を熱結晶化 ( 6 0 0 ^eC 以下 ） で活性層 を形成 し た場合の ト ラ ッ プ密 度 Ntは 8 X 10¹ 'ノ cm² 程度で あ り 、 本実施例の如 く 非晶 質 シ リ コ ン の結晶化 を エ キ シ マ レ ーザ · ァ ニー ル に よ つ て 行 う と 、 例 え ば N tは 3.9 X 10 ' '/ cm² と 小 さ な 値 を 得 る こ と が で き る 。 N tの 値 は 水素 化 に よ り 更 に 改善 さ れ る 。

ま た 、 一般 に ガ ラ ス基板上 に 6 0 0 で以下の 低温プ ロ セ ス で 多結晶 シ リ コ ン T F T を作製 し た場合、 Ntは 多結 晶 シ リ コ ン の 粒界 に よ り 決定 さ れ る と い わ れて い る （ 例 え ば 、 Levinson e t a 1 J. Appl. Phys. Vol 52 , p p 1193〜 1202 ( 1982 ) BS ) _c 更 に 、 第 5 図 に 固相成長 さ せ た 後熱結晶化 さ せ た 非単 結晶 S i T F T と 、 本実施例 の エ キ シ マ レ ーザ · ァ ニ ー ル に よ り 結晶化 さ せ た 非単結晶 T F T の ゲー ト 電圧 に 対 す る 活性化エ ネ ル ギーの相 関 を 示 す 。

第 5 図 に お い て 、 グ ラ フ A は前者の 活性化エ ネ ル ギー の 変化 、 グ ラ フ B は 本発明 に 係わ る 後者 の活性化工 ネ ル ギ一 の 変化 を 示 す 。

第 5 図 の グ ラ フ B か ら 明 ら か な 如 く 、 本実施例 の ェ キ シ マ レ ーザ · ァ ニール に よ る 結晶化 を施 し た非単結晶 S i T F T は ゲ ー ト 電圧 （ V G )が正の 領域で負 の活性化エ ネ ル ギ ー を 有 し て お り 、 ほ と ん ど こ の領域で粒界の 影響が 表れ な い こ と を 示 し て い る 。

こ れ ら の こ と か ら 本実施例の エ キ シマ レーザ ' ァ ニ ー ル に お い て は短時間の ァ ニー ルの た め 、 非晶質の結晶化 の 際 、 結晶粒界 ぎ り ぎ り ま で結晶化がす すみかつ単結晶 に 近 い構造 に 成長 し 、 結果的 に ト ラ ッ プ密度 （ Nt ) が小 さ レヽ も の と 考察 さ れ る 。

従 っ て 、 本実施例 で製造 さ れ た T F T は 入射す る 光の 強度 に 応 じ て 式 （ 2 ) の光励起 キ ャ リ ア の総量 Q 0 を 変化 さ せ 、 そ の結果 、 Δ V _{t h}を例 え ば負 の側 に 動かす こ と と な る 。 こ の こ と は T F T の動作原理力 ら 考 え る と 光 に よ る 増幅作用 で あ り 、 フ ォ 卜 ト ラ ン ジ ス タ の機能 を有す る こ と と な る 。

第 6 図 は 、 波長 5 6 5 nmで照度 Ι Ο Ο Ο Ι χ の黄色 の L E D か ら の光が入射 し た時の T F T の光感度特性 を 示 す 図 で あ り 、 ゲー ト 電圧 V c = — 1 0 V の場合 で あ る 。 横 軸 は 卜 ラ ッ プ 密 度 を 示 し 、 縦 軸 は 光 感 度 を 示 し て い る 。

実 用 的 に は 2 桁以上の 光感度が有用 で あ る た め 、 第 6 図 よ り ト ラ ッ プ密度 は S x ltT '/ cm² 以下の値 と な る こ と が望 ま し レ、 こ と が明 ら 力、 で あ る 。

な お 、 光 出 力 の 増幅分の読み取 り は 光照射時の I _D 電 流 と 光照射 の な い時の I _D 電流の差で測定 す る 必要が あ る 。

と こ ろ で本実施例 に お い て 、 非晶質 S iの 結晶化の た め の ァ ニ ー ル と し て エ キ シ マ レ ーザ ' ァ ニー ル を 用 い た 例 に つ い て 説明 し た が 、 本発明 は こ れ に 限 ら れ る も の で は な く 、 ァ ニー ル後 の ト ラ ッ プ密度が 5 X 10¹ ' cm ² 以下 にな る も の で あ れ ば よ い 。

本 発 明 の 一実 施例 で は 、 ト ラ ッ プ密度 が 5 X 10^{1 1} / cm² 以下の値 を有 す る 結晶化 し た非単結晶 シ リ コ ン T F T は 、 光電変換機能 を有す る た め 、 例 え ば第 8 図 に 示 す 如 く 、 光 を 感知 す る セ ン サ ー部分 と ス ィ ッ チ の部分 と を 1 つ の 回路素子 、 即 ち 光感度 を も っ た ス ィ ッ チ素子 と す る こ と で撮像素子 を 簡素化す る こ と が可能 と な っ た 。

第 8 図 に お い て 、 1 0 は 光電変換機能 を 有す る 非単結 晶 シ リ コ ン T F T 、 1 1 は ノ、' ィ ァ ス電源、 1 2 は電気出 力 を と り 出 す ビ デ オ ラ イ ン 、 1 3 は バ イ ア ス電位 を 印加 す る ゲ ^" ト ラ イ ン を 示す 。 第 8 図 に お い て 、 ソ ー ス ド レ ィ ン 間 に 照射 し た 光 に 応 じ 、 感度 よ く こ の非単結晶 シ リ コ ン T F T の 出 力 を 変ィヒ す る こ と が で き る 。 次 に 、 第 9 図 ， 第 1 0 図 に よ り 本発明 の 別 の 製造工程 に つ い て 説明 す る 。 第 9 図 , 第 1 0 図 に 示 さ れ る の は 、 右側 に 2 つ示 さ れ る 駆動回路部分 と 、 左側 に 1 つ示 さ れ る 固 体撮像素子部分 で あ る 。 固体撮像素子部分 は 、 光の 入射 を 電気信号 と し て 出 力 す る 機能 を 有 し 、 駆動 回路部 分 は 、 固体撮像素子部分 を駆動す る 機能 を 有 す る 。

ま ず、 第 9 図 ( A ) に 示 さ れ る よ う に 多結晶 シ リ コ ン 基 板 4 1 上 に リ フ ロ ー膜 を施 し た 後下地の絶縁層 と し て 、 酸化 シ リ コ ン 膜 4 2 を 3 0 0 n mの厚 さ に 成膜す る 。 成膜 方法 と し て は 、 熱酸化法 を 用 い る 。 ま た シ リ コ ン基板 4 1 の 質 に よ っ て は 、 基板中 に 不純物が含 ま れ る 場合が あ る が 、 そ の場合 は さ ら に 酸化珪素膜 を L P C V D 法で形 成すれば よ い 。

こ の酸化 シ リ コ ン膜 4 2 は 、 第 1 図 に お け る 絶縁層 2 に 対応す る も の で あ り 、 こ の上 に 形成 さ れ る 活性 シ リ コ ン 層 か ら キ ヤ リ ァ が基板 側 に 流失 し な い よ う に 機能 す る 。

多 「'口晶 シ リ コ ン 基板 4 1 上 に下地の絶縁層 4 2 を形成 し た ら 、 そ の上 に 非晶質 シ リ コ ン膜 4 3 を 2 0 0 n mの厚 さ に プ ラ ズマ C V D 法で成膜す る 。 こ の シ リ コ ン膜 4 3 は非晶質 シ リ コ ン 膜 と し て成膜す る 。 こ の 時の成膜条件 を 以下 に 示 す 。

反応温度 2 0 0 度

反応圧力 5 . 3 P a

R F 電力 3 5 W 成膜速度 6 nmZ min

さ ら に 、 窒 素 雰 囲 気 （ 大 気 圧 ） 中 に お い て 、 6 0 0 °C 、 2 4 時間 の 高温 で加熱処理 を 行 う こ と に よ っ て 、 シ リ コ ン 膜 4 3 を 結晶化 さ せ る 。 こ の シ リ コ ン膜 4 3 は 、 ソ ー ス / ド レ イ ン 領域 、 及 び シ リ コ ン 活 性層 を 構 成 す る 。 こ の シ リ コ ン 膜 4 3 の膜厚は 、 薄 す ぎ る と 、 後述 の ア ル ミ 配線 と の コ ン タ ク ト 部分 で シ リ コ ン が ア ル ミ 中 に 拡散 し て し ま い 、 接触不良や 断線が起 こ り や す い 。 特 に こ の 膜厚 を 3 0 nm未満 と し た場合 に は 、 製造歩留 り や 信 頼性が大 き く 低下 す る 。

ま た 、 こ の シ リ コ ン 膜 4 3 の 膜 厚 力 i 1 μ m よ り 厚 い と 、 膜中 の応力 を制御 す る こ と が困難で あ り 、 マ イ ク ロ ク ラ ッ ク や 欠陥 が発生 し 、 素子の電気特性の バ ラ ツ キ や 信頼性の 低下が問題 と な る 。 さ ら に は 、 膜厚が厚 い こ と は 、 成膜時間 が長 く な り 、 生産性の低下 を招 く こ と と な る 。

従 っ て 、 シ リ コ ン膜 4 3 の膜厚 と し て は 、 3 0 nm以上 1 m 以下 と す る こ と が適当 で あ る と 結論 さ れ る 。

こ う し て 得 ら れ た結晶性 を有す る シ リ コ ン膜 4 3 を 島 状 に ノ、' タ ー ニ ン グ し 、 さ ら に L P C V D 法 に よ り 酸ィ匕 シ リ コ ン膜 4 4 を 1 0 0 nraの厚 さ に 成膜す る 。 こ の酸化 シ リ コ ン 膜 4 4 は 、 図面左側の 固体撮像素子部分の み を 残 し て 除去 す る 。 第 9 図 （B) に 示 す よ う に 残存 し た 酸化珪 素膜 4 4 は 固体撮像素子部分の ゲー 卜 絶縁膜 と し て 機能 す る 。 そ し て 、 読み取 り 駆動 回路部分の ゲー ト 絶縁膜 を 構成 す る 酸化 シ リ コ ン 膜 4 5 を 熱酸化法 に よ っ て 形成 す る 。 こ の 際 、 酸ィ匕 シ リ コ ン膜 の膜厚 は 1 0 0 n mと す る 。 こ の 工程 に よ っ て 、 図面左側 の 固体撮像素子部分の ゲー ト 絶 縁膜 4 4 ' は 、 先 に 成膜 さ れ た 酸化 シ リ コ ン膜 4 4 と 、 こ の 工程で成膜 さ れ る 熱酸化 シ リ コ ン膜 と で構成 さ れ る こ と に な る 。

上記の よ う に ゲー ト 絶縁膜 を形成す る の は 、 固 体撮像 素子部分 と 読み取 り 駆動回路部分 と で 、 そ れぞれ最適 な 電気特性が得 ら れ る よ う に す る た め で あ る 。

ゲー ト 絶緣膜 と し て酸化 シ リ コ ン膜 を 用 い た場合 、 そ の厚 さ の上限 は 3 0 0 n m程度で あ る 。 こ れ は 、 ゲー ト 絶 縁膜の厚 さ が 3 0 0 n m以上に な る と 、 十分 な増幅作用 が 得 ら れ な く な る こ と に よ る 。 ま た 、 そ の厚 さ の下限 は 、 2 0 n mで あ る 。 こ れ は 、 固体撮像素子 （ こ の場合 は 図面 左 側 の 光電 変換素子 ） の 駆動電圧 が 5 〜 2 0 V で あ る 点 、 及 び膜 質 の バ ラ ツ キ や 長期 信頼性 の 点 を 考 慮 す る と 、 ゲー ト 絶縁膜 と し て酸化 シ リ コ ン膜 を 用 い た 場合 、 そ の 厚 さ 力 s 2 0 n m以上で あ る こ と が必要 と さ れ る か ら で あ る 。

本実施例 に お い て は 、 固体搨像素子部分 と 読み取 り 駆 動 回路部分 と に お け る ゲー ト 絶縁膜 を そ の特性 に 合 わ せ て 異 な ら せ た構成 を採用 し た が、 必要 な特性が得 ら れ る の で あ れ ば 、 同一の膜厚の ゲ一 ト 絶縁膜 を 用 い る の が作 製工程上 は有用 で あ る 。 本実施例 に お い て は 、 駆動 回路部分の ゲ 一 卜 絶縁膜 は そ の 全 て を 、 ま た 固 体撮像素子部分 の ゲー ト 絶縁膜 は そ の一部 を 、 熱酸化 シ リ コ ン膜で構成 し て い る 。 熱酸化 シ リ コ ン膜 を 利 用 す る の は 、 電気特性 と 長期信頼性 を 得 る た め で あ る 。

本発明者 ら の実験 に よ れ ば、 熱酸化法 を 用 い た 場合 と そ う で な い場合 と に お け る M I S 型 ト ラ ン ジ ス タ の 電気 特性が大 き く 異 な る こ と が見 い だ さ れて い る 。 即 ち 、 熱 酸 化 シ リ コ ン 膜 を 用 い た 方 が 閾 値 電圧 が 低 く 、 0 N · 0 F F 比が大 き レヽ こ と が判明 し て レヽ る 。 ま た 、 熱酸化 シ リ コ ン 膜 を ゲー ト 絶緣膜 と し て 用 い た場合 に は 、 長期 に 渡 っ て 、 そ の 電気特性 を 維持 で き る こ と が判 明 し て い る 。

ゲー ト 絶縁膜 4 4 ' ， 4 5 を形成 し た後 、 L P C V D 法 に よ り 、 ゲ ー ト 電極 と な る N + 型 の 多 結 晶 シ リ コ ン 4 6 を 3 0 0 nmの 厚 さ に成膜す る 。 成膜 に 際 し て は 、 リ ン を 1 X 10²。 atoms/era² 程度以上 ド ー ビ ン グす る 。 （ 第 9 図 （D) )

次 に ド ラ イ エ ッ チ ン グ法に よ り 多結晶 シ リ コ ン 膜 4 6 を パ タ ー ユ ン グ し 、 引 き 続 い て ゲー ト 絶縁膜 を 構成 す る 酸化 シ リ コ ン 膜 4 4 ' , 4 5 の上側の一部 を も エ ツ チ ン グ に よ り 取 り 除 く 。

こ の状態 に お い て 、 残存 し た 多結晶 シ リ コ ン 膜 で あ る 4 7 〜 4 9 は 、 ゲ ー ト 電極 と し て 形成 さ れ た こ と と な る 。 次 に イ オ ン 注入 あ る レヽ は イ オ ン ド ー ピ ン グ 法 に よ り 、 N 型 を 付与 す る 不純物で あ る リ ン を 7 0 k V の加速 電圧で 1 X 10^{1 5} atoms/cra² の ド ー ズ量 で注入 す る 。 （ 第 9 図 （E) )

さ ら に 、 P 型 を 付与す る 不純物の 注入 を 行 な い た く な レ、部分 を レ ジ ス ト 5 0 で被覆 し て 、 ボ ロ ン を 4 0 kVの加 速 電圧 で 5 X 10^{1 5}atoras/cm ² の ド ー ズ量 で 注 入 す る 。

( 第 9 図 （F) )

第 9 図 （ F ) に 示 さ れて い る の は 、 右側の 2 つ の素子 に だ け ポ ロ ン を 注入 す る 場合の例で あ る 。

そ し て 注入 し た 不純物の活性化 を 行 な う た め に 、 窒素 雰囲気中 に ぉ レヽ て 、 6 0 0 ^eC 、 1 2 時間 の熱 ァ ニー ル を 行 な う 。

次 に 、 常圧 C V D 法に よ り 、 層間絶縁膜 5 1 と な る 酸 化 シ リ コ ン 膜 を 8 0 0 nmの厚 さ に 成膜す る 。 （ 第 1 0 図 (A) )

こ の 層 間 絶縁膜 と し て は 、 P S G 膜 を 利 用 し て も よ レヽ 。 さ ら に コ ン タ ク ト ホ ー ル を 開 孔 す る 。 （ 第 1 0 図 (B) )

さ ら に 、 ア ル ミ 膜 5 2 を ス パ ッ タ 法で成膜 し 、 さ ら に パ タ ー ニ ン グ を 行 な う こ と に よ り 、 ア ル ミ 配線 を形成す る 。 （ 第 1 0 図 （C) ， (D) )

最 後 に 電 気 特 性 を 改善 す る た め に 、 水素 化処理 と し て 、 3 5 0 ^eC の 水素雰囲気中 に お い て 1 時間 の ァ ニー ル 処理 を 行 な い 、 固 体撮像素子部分 と 読み取 り 駆動回路部 分 と を 同 時 に 完成 す る 。 こ う し て 得 ら れ た 固 体撮像素子 は 、 ゲ ー ト 電極 4 7 、 ソ ー ス ド レ イ ン 電極 5 3 と 5 5 、 活性層領域 （ チ ヤ ネ ル形成領域 ） 5 4 を 備 え て い る 。 ま た 、 読み取 り 駆動 回 路部分 の 2 つ の 素子 も 同様 な 構成 を 有 し て い る 。 即 ち 、 一 方 の 素 子 は ゲ ー ト 電 極 4 8 、 ソ ー ス / ド レ イ ン 領 域 5 6 / 5 8 , 活性 層 領域 5 7 を 有 し 、 他 方 の 素 子 は 、 ゲー ト 電極 4 9 、 ソ ー ス / ド レ イ ン 領域 5 9 ノ 6 1 、 活 性層領域 6 0 を有 し て い る 。

次の 実施例 は 単結晶 シ リ コ ン 基板上 に 固体撮像素子 を 形成 す る と と も に 、 基板の単結晶 シ リ コ ン を そ の ま ま 利 用 し て 同一基板上 に読み取 り 駆動回路 を構築す る 場合 に つ い て 示す 。

第 1 1 図 ， 第 1 2 図 に本実施例 の作製工程に つ い て 示 す 。 図 に お い て右側 に は従来 よ り 用 い ら れて い る L S I プ ロ セ ス に よ っ て 2 つの M O S 型 ト ラ ン ジ ス タ が形成 さ れ る 。 こ の 2 つ の M O S 型 ト ラ ン ジ ス タ は 、 一方が N チ ャ ネ リレ 型 で あ り 他方 力 P チ ャ ネ ル型 で あ る 。 こ れ ら の M O S 型 ト ラ ン ジ ス タ は 、 固体撮像素子 を駆動 す る た め の も の で あ り 、 必要 に 応 じ て C M O S 構造 を採 る こ と が で き る。 一方図 の 左側 に は 、 薄膜半導体 を 用 い た 固体撮 像素子が形成 さ れ る 。

本実施例 に お い て は 、 基板 5 0 1 と し て N型の単結晶 シ リ コ ン 基板 を 用 い る 。 ま ず N 型の単結晶 シ リ コ ン 基板 5 0 1 に 応力緩衝 の 目 的 で酸化 シ リ コ ン膜 5 0 2 を 熱酸 ィ匕法 な ど に よ り 形成す る 。 次 に チ ャ ネ ル ス ト ッ パー 5 0 3 用 の ド ー ピ ン グ を 行 い 、 さ ら に 選択酸化 を 行 う た め の 窒 化 シ リ コ ン 膜 5 0 4 を 選 択 的 に 設 け る 。 （ 第 1 1 図

(A) )

そ し て 水蒸気酸化 を 行 い 、 酸化膜 5 0 5 を形成 す る 。 さ ら に 窒 ィ匕 シ リ コ ン 膜 5 0 4 を 除 去 す る 。 （ 第 1 1 図

(B) )

次 に レ ジ ス ト で N チ ャ ネ ル型 M 0 S ト ラ ン ジ ス タ を 形 成 し た い部分 を 覆 い 、 イ オ ン 注入法 に よ り 、 5 0 6 で示 さ れ る 領 域 に P — チ ャ ネ ル 用 M 0 S の た め に ボ ロ ン を ド ー ピ ン グ す る 。 レ ジ ス ト を 除去 し た 後 に ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン を プ ラ ズマ C V D 法で形成 し 、 さ ら に 前述の実 施例 と 同 様 に 加熱処理を施す こ と に よ り 、 結晶性 を有 し た シ リ コ ン 膜 を 形 成 し 、 ノ、 ' タ ー ニ ン グ を 施 す こ と に よ り 、 島状の結晶性 シ リ コ ン層 5 0 7 を形成す る 。 島状 に 形成 さ れ た 結晶性 シ リ コ ン層 は 、 固体撮像素子の活性層 と し て 利用 さ れ る 。 （第 1 1 図 （C) )。

結晶性 シ リ コ ン 層 5 0 7 を形成す る 際 に お け る 加熱処 理 は 、 8 0 0 で あ る い は そ れ以上の高温で行な う こ と が で き 極 め て 結晶性の良好 な も の を得 る こ と がで き る 。 こ れ は 、 基板が単結晶珪素で あ る の で 、 熱処理 に 際 す る 基 板 の 収縮や 変形 が問題 に な ら な い か ら で あ る 。

次 に 先 に 成膜 し た応力緩衝用 の酸化 シ リ コ ン膜 5 0 2 を 除去 す る 。 （ 第 1 1 図 （D) )

そ し て 、 新 た に ゲー ト 絶縁膜 5 0 0 と し て熱酸化 シ リ コ ン 膜 を 形成 し 、 さ ら に ゲー ト 電極 と し て η +poly-siを 約 3 0 0 nm成膜 し た 後 、 パ タ 一 ユ ン グ を 行 い ゲ 一 ト 電極

5 0 8 , 5 0 9 , 5 1 0 を 形成 す る 。 （ 第 1 1 図 （E) ) 第 1 1 図 （ E ) に お い て 、 5 0 8 は 固 体撮像素子 を 構成 す る 光電変換素子 の ゲー ト 電極で あ り 、 5 0 9 と 5 1 0 は 駆 動 回 路 の M 0 S 型 ト ラ ン ジ ス タ の ゲ ー ト 電 極 で あ る 。

次 に 全 面 に リ ン を イ オ ン 注 入 法 で 1 X 1 0 ^{1 5}atoms/ cm² の ド ー ズ量 ド ー ピ ン グす る 。 （ 第 1 2 図 （A) )

さ ら に N 型 ト ラ ン ジ ス タ と な る 部分 を レ ジ ス ト 5 1 1 で覆 い 、 同 様 に ボ ロ ン を イ オ ン 注入法で 5 x l0 ' ⁵atoras/ cm² の ド ー ズ量 ド ー ピ ン グす る 。 （第 1 2 図 （B) )

そ し て 、 レ ジ ス ト 5 1 1 を 除去 し 、 導入 し た 不純物 を 活 性 ィ匕 す る た め に 窒素雰 囲 気 中 に お い て 6 0 0 °C の ァ ニー ル温度 で 1 2 時間 の処理 を行 う 。 さ ら に 、 層 間絶縁 膜 5 1 2 と し て 卩 5 6 を常圧 じ 0 法で 8 0 0 nm成膜 し 配線の た め の コ ン タ ク ト ホ ー ル を 開孔す る 。 （第 1 2 図 (C) )

次 に 金属配線材 と し て A 1 を ス パ ッ タ 法で成膜 し た 後 に ノ、 ' タ ー ニ ン グ を 行 い 配線 を 形 成 さ せ る 。 （ 第 1 2 図 (D) )

最 後 に 電 気 特 性 を 改善 す る た め に 水素 化 処理 と し て 3 5 0 ^eC の 水素雰囲気中 で 1 時間 の ァ ニ ー ル を 行 い 、 絶 縁膜 5 0 5 上 に 形成 さ れ た 固体撮像素子 5 1 3 と 単結晶 シ リ コ ン 上 に 形成 さ れ た読み取 り 駆動回路 5 1 4 が 同 時 に ¾成 す る 。 第 1 2 図 （D) に 示 さ れ る よ う に 、 固体撮像素子 5 1 3 は 、 絶 縁 膜 5 0 5 上 に 形 成 さ れ て お り 、 N 型 を 有 す る ソ ー ス ノ ド レ イ ン 領域 5 1 5 / 5 1 7 と チ ャ ネ ル形成領 域 （ 活性層 ） 5 1 6 を有 し て い る 。

ま た 固 体撮像素子 を駆動 す る 駆動 回路 は 、 N 型の ソ ー ス ノ ド レ イ ン 領域 5 1 8 Z 5 2 0 と チ ャ ネ ル形成領域 5 1 9 を 有 す る N チ ャ ネ ル型の M O S 型 ト ラ ン ジ ス タ と 、 P 型の ソ ー ス Z ド レ イ ン 領域 5 2 1 Z 5 2 3 と チ ャ ネ ル 形成領域 5 2 2 を有す る P チ ャ ネ ル型の M O S 型 ト ラ ン ジ ス タ に よ り 構成 さ れて レヽ る 。

本実施例 に お い て は 、 1 つ の 固体撮像素子 と 該固体撮 像素子 を 駆動す る 2 つ の M O S 型 ト ラ ン ジ ス タ を 同一 シ リ コ ン基板上 に 形成す る 例 を示 し た が、 固体撮像素子や M 0 S 型 ト ラ ン ジ ス タ の数 は必要 に 応 じ て選択す れば よ い 。 ま た P チ ャ ネ ル型で あ る か N チ ャ ネ ル型で あ る か も 適時選択 す れば よ い 。

± の 禾 lj ffl

以上の ご と く 、 M 0 S 構造で活性層 に 薄膜非単結晶 シ リ コ ン を 用 い た ラ オ ト セ ン サーが開発 さ れ た 。 活性層 は ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン層 を 、 レ ー ザ ァ ニ ー ル又 は高温 ァ ニー ルす る こ と に よ り 得 ら れ る 。 好 ま し く は活性層 の厚 さ は 3 0 nm〜 1 0 0 0 nmで あ り 、 フ ォ ト セ ン サーの ゲー ト 絶縁膜の 厚 さ は 2 0 ηπ！〜 3 0 0 nmで あ る 。 本発明 に よ る フ ォ ト セ ン サ ー の製造工程 は M O S ト ラ ン ジ ス タ の製 造工程 と 同 じ な の で 、 フ ォ ト セ ン サーの動作に必要 な ス ィ ツ チ ン グ 素 子 ゃ シ フ ト レ ジ ス 夕 の た め の ト ラ ン ジ ス タ を 薄 膜 技 術 に よ り フ ォ 卜 セ ン サ 一 と 同 時 に 製造 す る こ と が で き る 。

本 発 明 に よ る フ ォ ト セ ン サ ー は 光応答時 間 が数 1 0 0 μ s e c の オ ー ダ で 早 く 、 か つ 素子 を 面状 に 配置 す る こ と に よ り 面動 作 が可能 で 、 フ ァ ク シ ミ リ に お け る イ メ ー ジ リ ー ダ の 他 、 高速読取 り の 必要 な 各種 イ メ ー ジ リ ー ダ に 禾リ 用 す る こ と が で き る 。

Claims

請 求 の 範 囲

( 1 ) 絶縁表面 を 有 す る 基板 と 、

そ の 上 に も う け ら れ る 非単結晶 シ リ コ ン 層 に よ る 、 少 な く 共 ソ ー ス 領域 と ド レ イ ン 領域 を 有 す る 活性層 と 、 該活性層 の ソ ー ス 領域 と ド レ イ ン 領域の 間 の 受光領域 の 上 に 絶縁層 を 介 し て も う け ら れ る ゲー ト 電極層 と 、 前言己 ソ ー ス 領域及 び ド レ イ ン 領域の上 に 各 々 も う け ら れ る ソ ー ス 電極層及 び ド レ イ ン 電極層 と を 有 し 、

前記活性層 の ト ラ ッ ブ密度が 5 10 ' ' / cm ² 以下 で あ り 、

前記 ゲー ト 電極 に は所定の バ イ ァ ス電位が印加 さ れ 、 活 性層 の 前記 受 光 領域 に 照射 さ れ る 光 を 入 力 と し 、 ソ ー ス電極 と ド レ イ ン電極の 間 の電流 を 出力 と し て 光電 変換 を 行 な う こ と を特徴 と す る 固体撮像装置。

( 2 ) 前 記 ゲ ー ト 電極層 が I T 0 で 構成 さ れ 、 照 射 光 は ゲー ト 電極層 を 介 し て前記受光領域 に 導入 さ れ る 請求項

1 記載の 固体撮像装置。

(3) 前記基板が光 に 対 し 透明 で 、 照射光 は基板 を 介 し て 前 記 受 光 領域 に 導 入 さ れ る 請求 項 1 記載 の 固 体 撮 像 装

(4) 前記 バ イ ア ス電位が ソ ー ス と ド レ イ ン の 間 を オ ン 状 態 と す る 電位で あ る 請求項 1 記載の 固体撮像装置。

(5) 前記 バ イ ア ス 電位の絶対値が 7.5 V 以下で あ る 請求 項 4 記載の 固体撮像装置。

(6) " 前記 バ イ ア ス 電位が ソ ー ス と ド レ イ ン の 間 を オ フ 状 態 と す る 電位 で あ る 請求項 1 記載の 固 体撮像装置 。

( 7 ) 前記基板 が非単結晶 シ リ コ ン で あ る 請求項 1 記載の 固 体撮像装置 。

( 8 ) 前記基板が ガ ラ ス で あ る 請求項 1 記載の 固 体撮像装 置 。

( 9 ) 前記活性層 は 、 非晶質 シ リ コ ン 層 に レ ーザ パ ル ス を 照射 し て ァ ニ ー ル し 、 更 に 水素化 す る こ と に よ り 結晶化 し た 非単結晶 シ リ コ ン 層 で あ る 請求項 1 記載の 固 体撮像

( 1 0 )基板上 に シ リ コ ン酸化膜 を 形成 し 、 そ の上 に 非晶質 シ リ コ ン 層 を 形成 し 、 こ れ を短 パ ル ス 幅 レ ーザ を照射 し て ァ ニー ル し 、 結晶化 し た非単結晶 シ リ コ ン層 と し 、 こ の 結 晶 化 し た 非単結 晶 シ リ コ ン 層 の ア イ ラ ン ド を 形 成 し 、 そ の 上 に ゲ ー ト 絶縁膜及 びゲー ト 電極 を形成後 、 不 純物 を ド ー プ し て ソ ー ス領域及び ド レ イ ン 領域 を 形成 し た こ と を 特徴 と す る 薄膜 ト ラ ン ジ ス タ を有す る 固体撮像 装置 の 製造方法。

( 1 1 )前記短 パ ル ス 幅 レ ーザ と し て エ キ シ マ レ ーザ を 用 い る こ と を 特徴 と す る 請求項 1 0 記載の 固体撮像装置の製 造方法。

( 1 2 )前記活性層 の 膜厚が 3 0 η π！〜 1 0 0 0 n mで あ り 、 前 記 ゲー ト 絶縁膜 の膜厚が 2 0 n m〜 3 0 0 n mで あ り 、 前記 活性層 は非晶質 シ リ コ ン層 を 6 0 0 °C以上で ァ ニ ー ル す る こ と に よ り 結晶 を 固相成長 さ せ 、 更 に 水素化す る こ と に よ り 結晶化 し た 非単結晶 シ リ コ ン層 で あ る 請求項 1 記 載 の 固 体撮像装置 。

( 1 3 )前記基板 に 、 前記固 体撮像装置 を 動作 さ せ る た め の ス ィ ツ チ ン グ素子及 び シ フ ト レ ジ ス タ の た め の 薄膜 M O S ト ラ ン ジ ス タ が搭載 さ れ る 請求項 1 記載の 固 体撮像装 置 。

( 1 4 )多結晶 シ リ コ ン 基板の表面 に 絶縁層 と し て 酸化 シ リ コ ン 膜 を も う け る 工程 と 、

そ の上 に 非晶質 シ リ コ ン膜 を 3 0 n n！〜 1 0 0 0 n mの 厚 さ に 成膜 す る 工程 と 、

該非晶質 シ リ コ ン膜 を 6 0 0 °C以上 で ァ ニ ー ル し 結晶 ィ匕 し た 非単結晶 シ リ コ ン層 と す る 工程 と 、

該非単結晶 シ リ コ ン層 を 、 撮像素子部分 と 少 な く 共 ひ と つ の ト ラ ン ジ ス タ 部分に ノく タ ー ニ ン グす る 工程 と 、 撮像素子部分 を C V D 法 に よ り 酸化 シ リ コ ン 膜 で お お う 工程 と 、

撮像素子部分 と ト ラ ン ジ ス タ 部分 を熱酸化法 に よ り 酸 化 シ リ コ ン 膜で お お い 2 0 η π！〜 3 0 0 n mの厚 さ の ゲー ト .絶縁膜 を 構成 す る 工程 と 、

全面 を 電極導体 と し て動作す る 多結晶 シ リ コ ン層 で お お う 工程 と 、

該多結晶 シ リ コ ン層 と 前記酸化 シ リ コ ン 膜 を 、 撮像素 子 と ト ラ ン ジ ス タ の形状 に 従 っ て パ タ ーニ ン グす る 工程 と 、 .

パ タ ー ユ ン グ さ れ た各素子 に P 型不純物及び N 型不純 物 選択的 に 注入 す る 工程 と 、 全 面 に C V D 法 に よ り 酸 化 シ リ コ ン 膜 を も う け る 工 程 と 、

該酸化 シ リ コ ン 膜 に コ ン タ ク ト ホ ー ル を 開孔 、 該 ホ 一 ル を 介 し て 、 撮像素子及 び ト ラ ン ジ ス タ の 各電極 に 接続 す る ア ル ミ ニ ウ ム 膜 を も う け る 工程 と 、

水素雰囲気中 で ァ ニー ル処理 を 行 な う 工程 と を 有 す る こ と を 特徴 と す る 固体撮像素子の 製造方法。

( 1 5 )単結晶 シ リ コ ン 基板 に チ ャ ネ ル ス ト ツ バ に よ り 区切 ら れ た 撮像素子エ リ ア 及 び少 な く と も ひ と つ の 卜 ラ ン ジ ス タ エ リ ア を も う け る 工程 と 、

撮像素子ェ リ ァ を絶縁膜で お お い 、 そ の上 に 非晶質 シ リ コ ン 層 を も う け 、 該非晶質 シ リ コ ン 層 を ァ ニ ー ル し て 結晶化 し た 単結晶 シ リ コ ン 層 と す る 工程 と 、

全 面 に 熱酸 化 シ リ コ ン 膜 に よ る ゲ ー ト 絶縁 膜 を も う け 、 そ の 上 に 導電性の ゲー ト 電極層 を も う け た 後該 ゲー 卜 電極層 を パ タ ー ニ ン グす る 工程 と 、

P 型 不 純 物 及 び N 型不純 物 を 選 択 的 に 注 入 す る 工 程 と 、

全面 に C V D 法 に よ り 酸化 シ リ コ ン膜 を も う け る 工程 と 、

該酸化 シ リ コ ン膜 に コ ン タ ク ト ホ ー ル を 開孔 、 該 ホ 一 ル を 介 し て 、 撮像素子及 び ト ラ ン ジ ス タ の 各電極 に 接続 す る ア ル ミ ニ ウ ム 膜 を も う け る工程 と 、

水素雰囲気中 で ァ ニー ル処理 を 行 な う 工程 と を 有 す る こ と を 特徴 と す る 固体撮像素子の製造方法。