DE3855672T2

DE3855672T2 - Photoempfindliche Vorrichtung

Info

Publication number: DE3855672T2
Application number: DE3855672T
Authority: DE
Inventors: Shigeki Kondo; Hidemasa Mizutani
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1987-08-20
Filing date: 1988-08-19
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2008-08-20
Also published as: EP0304335A3; AU609508B2; EP0304335A2; US5043785A; EP0304335B1; AU2116488A; DE3855672D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine photoempfindliche Vorrichtung bzw. eine Photosensor-Vorrichtung und genauer eine Photosensor-Vorrichtung zur photoelektrischen Umwandlung beispielsweise zur Verwendung bei einem langen Bildsensor.

Verwandter Stand der Technik

Herkömmliche Photosensor-Vorrichtungen wie eine CCD-Photoelementanordnung werden durch Diffusionsvorgänge auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet. Deshalb ist deren Größe maximal auf die Größe des Halbleitersubstrats beschränkt, wobei es schwierig war, eine lange (nachstehend als Sensorenanordnung bezeichnete) regelmäßige Anordnung von Sensoren zu erhalten. Ebenfalls ist für den Fall zur Ausbildung der Photosensor- Vorrichtung auf einem anderen Substrat als System ein Vorgang zum Haften eines separat ausgebildeten Halbleiter-Sensorchips auf dem Substrat erforderlich, wobei somit eine Anzahl von Schritten erforderlich ist, was zu einer verringerten Paßgenauigkeit führt.
Demgegenüber ist zum Erhalt einer größeren Freiheit bei der Substratauswahl eine Photosensor-Vorrichtung unter Verwendung von amorphen Silizium entwickelt worden. Jedoch sind Transistoren, die auf amorphen Silizium basieren, im Betrieb unvermeidlich langsam.
Zur Überwindung dieses Nachteils ist in dem japanischen offengelegten Patent 59-126 666 ein Verfahren zur Ausbildung eines Sensorabschnitts mit amorphen Silizium und eines Transistorabschnitts mit polykristallinen Silizium vorgeschlagen worden. Jedoch erfordert dieses Verfahren eine vergrößerte Zahl von Schritten und höhere Kosten, da der auf amorphen Silizium beruhende Photosensor ausgebildet wird, nachdem der polykristallinen Transistor durch einen gewöhnlichen IC-Vorgang ausgebildet worden ist.
Auf diese Weise war es schwierig, eine Photosensor-Vorrichtung mit einer befriedigenden Leistungsfähigkeit und geringen Kosten auf einem Nicht-Halbleitersubstrat zu erzeugen.
Die US-A-4 236 831 schlägt eine Anordnung vor, bei der eine Schicht aus polykristallinen Silizium in einer Silizium-Dioxid-Schicht ausgebildet wird, die über einem Siliziumsubstrat verläuft. Die polykristalline Siliziumschicht ist in sich abwechselnden p-Typ- und n-Typ-Streifen ausgebildet, wobei die abwechselnden pn-Übergänge durch metallische Kurzschlußbrükken kurzgeschlossen sind, die sich mit beiden den Übergang bildenden Bereichen in ohmschen Kontakt befinden. Die nicht kurzgeschlossenen Übergänge bilden eine pn-Übergangs-Photodiode, so daß die Anordnung insgesamt eine Reihenschaltung von Photodioden bildet. Ein Ende der polykristallinen Siliziumschicht ist elektrisch mit dem Halbleitersubstrat verbunden, wohingegen das andere Ende nahe an dem Halbleitersubstrat angeordnet ist, damit es als Gate für einen Feldeffekttransistor mit Source-, Kanal- und Drainbereichen in dem Halbleitersubstrat wirkt, so daß die über den einzelnen Photodioden angelegten Spannungen durch die Reihenschaltung summiert werden, wobei die Gesamtspannung zwischen dem Gateanschluß des Feldeffekttransistors und dem Halbleitersubstrat anliegt.
Die US-A-4 346 395 schlägt eine Anordnung vor, bei der eine Siliziumschicht epitaxial auf einem Saphirsubstrat aufwachsen gelassen wird. Eine Photodiode wird dadurch ausgebildet, daß ein tieferer Teil der Schicht als n-Typ und ein oberer Teil als p-Typ derart hergestellt wird, daß ein horizontaler pn- Übergang ausgebildet wird, wobei an einer Seite der Photodiode die p-Typ-Schicht auf das Saphirsubstrat herunter verläuft sowie einem anderen n-Bereich und dann einem anderen p- Bereich benachbart ist, so daß ein mit der Photodiode verbundener MOS-Transistorschalter gebildet wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Erfindungsgemäß ist eine Photosensor-Vorrichtung wie in Patentanspruch 1 dargelegt geschaffen. Patentansprüche 2 bis 9 legen zusätzliche Merkmale dar. Erfindungsgemäß wird wie in Patentanspruch 10 dargelegt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer Photosensor-Vorrichtung geschaffen.
In dieser Beschreibung wird der Begriff "Horizontaltyp-Photosensor" in bezug auf einen Photosensor verwendet, bei dem der Übergang zwischen den ersten und zweiten Halbleiterbereichen des Photosensors senkrecht zu der Oberfläche verläuft.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Photosensor-Vorrichtung mit einer befriedigenden Leistungsfähigkeit durch einen einfachen Vorgang erhalten werden, indem Halbleiterbereiche einer zweiten Leitungsart in gewünschten Teilen der auf dem isolierenden Substrat ausgebildeten Halbleiterschicht ausgebildet werden, wodurch gleichzeitig der Horizontaltyp- Photosensor und der Feldeffekttransistor (FET) an dem Übergang der Halbleiterbereiche ausgebildet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel bildet der Photosensor eine Horizontaltyp-Photodiode mit einem streifenförmigen Aufbau, die gegenüber Licht kurzer Wellenlängen sehr empfindlich ist.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist eine Photosensor- Vorrichtung vorgesehen, die gegenüber Licht kurzer Wellenlängen sehr empfindlich ist, indem der Photosensor als Horizontaltyp-Phototransistor ausgebildet wird, bei dem der Basisbereich eine rechtwinklig verlaufende Wellenform aufweist. Der Horizontaltyp-Aufbau des Photosensors ermöglicht die Ausbildung eines Basisabschnitts in einer rechtwinklig verlaufenden Wellenform.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Photosensor- Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild der in Fig. 1 gezeigten Photosensor-Vorrichtung,
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Photosensor-Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung,
Fig. 5 zeigt ein Ersatzschaltbild der in Fig. 3 gezeigten Photosensor-Vorrichtung,
Fig. 6A bis 6D zeigen Schnittansichten, die Herstellungsschritte gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen,
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Kristallwachstums eines grobkörnigen polykristallinen Siliziumfilms,
Fig. 8 zeigt ein Diagramm, das den Einfluß eines die Kristallisations-Kernbildungsdichte steuernden Gases auf die Kristallisations-Kernbildungsdichte eines grobkörnigen polykristallinen Siliziumfilms darstellt,
Fig. 9 zeigt ein Diagramm, das den Einfluß eines die Kristallisations-Kernbildungsdichte steuernden Gases auf die Kristallgröße eines grobkörnigen polykristallinen Siliziumfilms darstellt,
Fig. 10 zeigt ein Diagramm, das den Einfluß von Druck auf die Kristallgröße eines grobkörnigen polykristallinen Siliziumfilm darstellt,
Fig. 11 zeigt ein Diagramm, das den Temperatureinfluß auf die Kristallisations-Kernbildungsdichte eines grobkörnigen polykristallinen Siliziumfilms darstellt,
Fig. 12 zeigt eine Draufsicht auf eine Vorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 13 zeigt eine Schnittansicht der in Fig. 12 gezeigten Vorrichtung,
Fig. 14 zeigt ein Ersatzschaltbild der in Fig. 12 gezeigten Vorrichtung,
Fig. 15 zeigt eine Draufsicht gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 16 zeigt eine Schnittansicht der in Fig. 15 gezeigten Vorrichtung, und
Fig. 17 zeigt ein Ersatzschaltbild der in Fig. 15 gezeigten Vorrichtung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFUHRUNGSBEISPIELE

(Erstes Ausführungsbeispiel)

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Photosensor-Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei Fig. 2 ein Ersatzschaltbild der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zeigt.
Gemäß Fig. 1 ist ein dünner n- oder i-Typ-Halbleiterfilm 2 auf einem Substrat 1 ausgebildet. Das Substrat 1 besteht aus einem transparenten Substrat wie Quarz oder Glas, falls die Vorrichtung durch das Substrat Licht empfängt. Der erste Halbleiterfilm kann aus polykristallinen oder monokristallinen Silizium bestehen. Das polykristalline Silizium kann eine Korngröße von nicht mehr als 50nm (500 Å) aufweisen, das durch Aufbringen mit einem CVD-Verfahren unter verringertem Druck aus gewöhnlichen Siliziumwasserstoffgas (SiH&sub4;) erhalten wird, jedoch ist durch die Anmelderin in den japanischen Patentanmeldungen 62-73 629 und 62-73 630 zur Verwirklichung einer Photosensor-Vorrichtung mit besserer Leistungsfähigkeit vorzugsweise grobkörniges polykristallines Silizium vorgeschlagen worden. Ebenso kann das monokristalline Silizium durch Rekristallisation durch Glühen mit einem Laser oder durch ein monokristallines Wachstum aus einem Kristallkeim erhalten werden, der aus einem kleinen SiH&sub4;-Muster oder SiO&sub2; besteht, worauf ein Abflachen folgt. Das grobkörnige polykri stalline Silizium ist gemäß dem Ausführungsbeispiel aufgrund des leichten Ausbildungsvorgangs sehr geeignet. Das grobkörnige polykristalline Silizium ist nachstehend ausführlich beschrieben. Die Filmdicke wird unter Beachtung der Spektralempfindlichkeit bestimmt, liegt aber im allgemeinen in der Größenordnung von 1 µm.
Der vorstehend beschriebene n- oder i-Typ-Halbleiterfilm ist mit einer p-Typ-Störstellen wie Bor bei vorbestimmten Bereichen 4, 24 und 14 auf dem Substrat dotiert. Die Diffusion kann durch eine gasartige Diffusion aus BBr&sub3; oder dergleichen unter Verwendung einer aus SiO&sub2; oder Si&sub3;N&sub4; bestehenden Diffusionsmaske bei einem nicht erforderlichen Bereich 3, durch Diffusion aus einem BSG-Film oder durch Ionen-Implantation unter Verwendung einer lichtunempfindlichen Maske erhalten werden.
Somit werden gleichzeitig ein p&spplus;-Bereich 4 eines Photosensors 7, eine Source 24 und ein Drain 14 eines MOS-FETs 8 ausgebildet. Der aus einer horizontalen p&spplus;-n-Typ-Photodiode bestehende Photosensor 7 weist eine streifenförmige Anordnung von p&spplus;-Bereichen 4 und n- oder i-Typ-Bereichen 3 auf. Die Horizontaltyp-Photodiode weist eine hohe Spektralempfindlichkeit für kürzere Wellenlängen (blaue Seite) auf, da das Fehlen einer hochkonzentrierten Schicht an der Oberfläche der n- oder i-Typ-Bereiche die Verwendung der an der Oberfläche durch das Licht kurzer Wellenlängen erzeugten Ladungsträger zur Erzeugung eines Lichtstroms ohne unmittelbare Rekombination ermöglicht. Ebenso kann unter Berücksichtigung der Diffusionslängen der Ladungsträger bei dem vorstehend beschriebenen polykristallinen Silizium ein größerer Lichtstrom mit einem kleineren Abstand der Streifenmuster erhalten werden.
Bei den MOS-FET 8 sind p&spplus;-Typ-Source- und -Drainbereiche 14 und 24 über dem n- oder i-Typ-Kanal 13 ausgebildet, wobei ein Gate 6 auf einem Gatefilm 5 mit einer Dicke von etwa 100 nm (1000 Å) ausgebildet ist. Der Gate-Isolierfilm 103 besteht unter Beachtung der funktionellen Eigenschaften vorzugsweise aus einem thermisch oxidierten Halbleiterfilm, aber aufgrund der Kosten aus einem durch ein CVD-Verfahren mit niedrigem Druck ausgebildeten SiO&sub2;-Film oder aus einem Plasma-CVD-Verfahren ausgebildeten Si&sub3;N&sub4;-Film. Das Gate wird ausgebildet, indem polykristallines oder amorphes Silizium oder Aluminium aufgebracht wird und in eine derartigen Breite ausgebildet wird, daß es wie in Fig. 1 gezeigt teilweise die Source- und Drainbereiche bedeckt. In Fig. 1 sind die Anschlüsse und Verdrahtungen ausgelassen.
Wie anhand des in Fig. 2 gezeigten Ersatzschaltbilds deutlich wird, kann die Photosensor-Vorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel das Ausgangssignal der Photodiode 7 mit hoher Empfindlichkeit durch den hochschnellen MOS-FET 8 derart schalten, daß ein hochschnelles Bildlesen möglich ist, selbst wenn eine regelmäßige Anordnung von Sensoren bzw. eine Sensorenanordnung aus einer großen Anzahl von Sensorelementen ausgebildet ist.
Wenn eine eigenleitende Halbleiterschicht angewandt wird, wird der Kanalbereich vorzugsweise mit n-Typ-Störstellen dotiert.
Nachstehend ist der Vorgang zur Ausbildung des grobkörnigen polykristallinen Siliziumfilms beschrieben.
Fig. 7 veranschaulicht prinzipiell das Wachstum eines grobkörnigen polykristallinen Films auf einer Ablagerungsfläche eines SiO&sub2;-Films 71.
Fig. 7A zeigt einen Zustand, bei dem Kerne ausgebildet werden, Fig. 7B einen Zustand, bei dem die Kerne zu sich wechselweise berührenden Inseln aufgewachsen sind, und Fig. 7C einen Zustand, bei dem durch weiteres Wachsen ein durchgehender Film 73 erhalten worden ist. Die Kristallisations-Kernbildungsdichte gemäß Fig. 7A hängt stark von der Wechselwirkung zwischen dazukommenden Atomen und der Ablagerungsoberfläche, aber auch von den Ablagerungsbedingungen wie Gasart, Druck und Temperatur ab.
Fig. 8 zeigt die Veränderung der Kristallisations-Kernbildungsdichte (ND) bei der Ausbildung von Siliziumkernen auf einem Si&sub3;N&sub4;- oder einem SiO&sub2;-Film als Funktion des Flußratenverhältnisses von HCL als Ablagerungsparameter. Der Si&sub3;N&sub4;- Film wurde durch ein CVD-Verfahren mit niedrigem Druck ausgebildet, wohingegen der SiO&sub2;-Film durch ein CVD-Verfahren mit normalem Druck ausgebildet wurde. Es wurde SiH&sub2;Cl&sub2; als Quellgas und H&sub2; als Trägergas verwendet, wobei die Reaktion unter einem verringertem Druck von etwa 20 KPa (150 Torr) mit einer Zusammensetzung von SiH&sub2;Cl&sub2; : HCl : H&sub2; = 1,2 : x : 100 (l/min) bei einer Substrattemperatur von 950 ºC durchgeführt wurde. Die Kurven 81 und 82 zeigen die Kristallisations-Kernbildungsdichte auf dem Si&sub3;N&sub4;- bzw. dem SiO&sub2;-Film. Wie anhand von Fig. 8 deutlich wird, wird die Kristallisations-Kernbildungsdichte durch die Ablagerungsoberfläche bestimmt, aber hängt stärker von dem Flußratenverhältnis (Mischverhältnis) von HCl ab und kann dadurch gesteuert werden. Folglich kann HCl als ein die Kristallisations-Kernbildungsdichte steuerendes Gas betrachtet werden.
Fig. 9 zeigt das Verhältnis zwischen der Menge an HCl und der durchschnittlichen Korngröße. Ein grobkörniger polykristalliner Siliziumfilm mit einer durchschnittlichen Korngröße von 3 µm kann durch eine 30 minütige Ablagerung mit einer HCl-Flußrate von 1,1 l/min erhalten werden, die einer Kristallisations-Kernbildungsdichte von 10&sup7;/cm² entspricht. Da die durchschnittliche Korngröße indirekt proportional zu der Quadratwurzel der Kristallisations-Kernbildungsdichte ist, kann eine durchschnittliche Korngröße, die 1 µm überschreitet, durch Beibehalten einer Kristallisations-Kernbildungsdichte von 10&sup8;/cm² oder niedriger erhalten werden.
Jedoch ist die Korngröße, wenn die Kristallisations-Kernbildungsdichte signifikant klein ist, aufgrund einer statistischen Fluktuation und der Tatsache ungleichmäßig, daß der Abstand zwischen den Kernen in Anbetracht der Diffusionslängen von Siliziumatomen auf der Ablagerungsoberfläche nicht länger vernachlässigbar ist. Eine Kristallisations-Kernbildungsdichte größer oder gleich 10&sup6;/cm² oder eine durchschnittliche Korngröße kleiner oder gleich 10 µm ist experimentell für eine tatsächliche Ausbildung einer Halbleitervorrichtung praktisch bestätigt worden.
Wie in Fig. 8 gezeigt ist der SiO&sub2;-Film mit einer um etwa zwei Zehnerstellen kleineren Kristallisations-Kernbildungsdichte als die des SiN&sub4;-Films zum Erhalt eines polykristallinen Films mit einer größeren Korngröße geeignet.
Fig. 10 zeigt die Druckabhängigkeit der durchschnittlichen Korngröße. Bei den Ablagerungsbedingungen handelt es sich um dieselben wie die gemäß Fig. 9, außer daß die HCl-Flußrate 1,1 l/min beträgt. Ein niedrigerer Druck verringert die Kristallisations-Kernbildungsdichte und schafft eine gleichmäßigere Kernverteilung, was somit zu einer gleichmäßigeren Korngröße führt. Andere angewandte Bedingungen waren SiH&sub2; : HCl : H&sub2; = 1,2 : 1,1 : 100 (l/min), eine Temperatur von 960ºC und eine Ablagerungszeit von 30 Minuten. Der Effekt des niedrigen Drucks tritt insbesondere deutlich bei 200 Torr oder niedriger auf.
Fig. 11 zeigt die Temperaturabhängigkeit der durchschnittlichen Korngröße und der aufgebrachten Filmdicke. Andere verwendete Ablagerungsbedingungen waren SiH&sub2;Cl&sub2; : HCl : H&sub2; = 1,2 : 10 : 100 (l/min), ein Druck von 20 kPa (150 Torr) und eine Ablagerungszeit von 10 Minuten. Die durchschnittliche Korngröße steigt, wenn die Temperatur von 1000ºC ausgehend gesenkt wird. Jedoch ist anhand der Kurve der aufgebrachten Filmdicke deutlich, daß die Wachstumsrate gleichzeitig fällt und bei 850ºC fast Null beträgt. Folglich wird die untere Temperaturgrenze durch die Wachstumsrate bestimmt. Die kristalline Natur jedes Korns ist bei einer höheren Temperatur natürlich besser, so daß eine geeignete Temperatur gemäß den Vorrichtungsanforderungen ausgewählt werden kann,
Die vorstehende Beschreibung ist auf die Verwendung von SiH&sub2;Cl&sub2; als Quellgas beschränkt, aber ähnliche Tendenzen können bei anderen siliziumhaltigen Quellgasen wie SiHCl&sub2;, SiH&sub2; oder SiCl&sub4; erhalten werden. Ebenso ist ein ähnlicher Vorgang bei einem Verbindungshalbleiter wie GaAs durch Anwendung einer 60:1 Mischung aus Trimethylgallium (TMG) und Arsenwasserstoff (AsH&sub3;) anwendbar. In diesen Fällen kann die Ablagerung mit H&sub2; als Trägergas bei einer Temperatur größer oder gleich 600ºC und einem Druck von 1 1/3 bis 2 2/3 kPa (10 bis 20 Torr) durchgeführt werden.
Das Kristallisations-Kernbildungsdichte steuernde Gas kann zusätzlich zu HCl auch aus Cl&sub2;, F&sub2;, CCl&sub4; oder CCl&sub2;F&sub2; bestehen, die mit dem Halbleitermaterial reagieren.
Die Oberfläche des wie vorstehend beschrieben auf einem transparenten Quarzsubstrat ausgebildeten grobkörnigen polykristallinen Siliziumfilms wurde einer mechanochemischen Glättung und der Vorbereitung eines p-Kanal-MOS-FETs unterzogen. Es wurde einer Löcherbeweglichkeit von 70 cm²/V*s erhalten, die deutlich höher als bei einem gewöhnlichen polykristallinen Siliziumfilm ist.
Somit ist ein hochschnelles Lesen möglich, selbst wenn eine regelmäßige Anordnung mit einer großen Anzahl von Phototransistoren ausgebildet wird.
In dem Fall, daß eine i-Typ-Halbleiterschicht angewendet wird, wird der Kanalbereich vorzugsweise leicht mit n-Typ- Störstellen dotiert.
Wie vorstehend beschrieben wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Photosensor-Vorrichtung geschaffen, die eine hohe Lichtempfindlichkeit für kurze Wellenlängen aufgrund der Verwendung einer Horizontaltyp-Photodiode aufweist, die einen schwachen Photostrom ohne Verlust in der Verdrahtung übertragen kann, da der hochdotierte Bereich (p&spplus;) der Photodiode den Drainbereich des MOS-FETs bildet, wobei sie mit einer sehr geringen Zahl von Diffusionsschritten erzeugt werden kann.

(Zweites Ausführungsbeispiel)

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei Fig. 4 eine Schnittansicht und Fig. 5 ein Ersatzschaltbild der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung darstellt.
Gemäß Fig. 3 wird ein n-Typ-Halbleiterfilm 2 mit Bor dotiert, damit gleichzeitig p&spplus;-Bereiche mit einem Sensorbereich 34, Source- und Drainbereiche 14 und 24 sowie einem MOS-Kondensatorbereich 24 ausgebildet werden. Dann wird nach Ausbildung des Gatefilms ein Gate 16 des MOS-Kondensators und ein Gate 6 des MOS-FETs mit polykristallinen n&spplus;-Typ-Silizium oder amorphen n&spplus;-Typ-Silizium ausgebildet. Zur Verdrahtung sind Kontakte 12 vorgesehen.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist wie durch das Ersatzschaltbild in Fig. 5 gezeigt ein Kondensator zur Speicherung des Photostroms vorgesehen. Es ist deshalb für eine Sensorenanordnung geeignet, bei der schwache Photoströme zeitweilig gespeichert und nacheinander gelesen werden. Ebenso werden gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Schritte zur Verdrahtung sowie ein Signalverlust reduziert und kann der Bereich des Substrat effektiv verwendet werden, da der p&spplus;-Bereich 4 des Sensors, der p&spplus;-Bereich 34 des MOS-Kondensators und der Drain 14 des MOS-FETs aus einem gemeinsamen Diffusionsbereich bestehen. Deshalb ist die Produktionsausbeute hoch und dieses Ausführungsbeispiel für die Produktion vorteilhaft.
Der Aufbau der Sensorenanordnung ist gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen nicht gezeigt, jedoch kann eine Sensorenanordnung im wesentlichen durch eine parallele Anordnung der in Fig. 1 oder 3 gezeigten Vorrichtung erhalten werden. In diesem Fall muß jedes Element mit Ausnahme des n- Typ-Bereichs 3 des Sensors elektrisch isoliert werden, so daß der Halbleiterfilm jedes Elements von dem der benachbarten Elemente beispielsweise durch Ätzen getrennt werden muß.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung können die n-Typ-Schicht und die p-Typ-Schicht gegenseitig ausgetauscht werden, wobei in einem solchen Fall die eigenleitende Schicht als schwach konzentrierte Schicht verwendet wird.

(Drittes Ausführungsbeispiel)

Fig. 6A bis 6D zeigen Schnittansichten, die Vorgangsschritte gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellen.
Unter Bezug auf Fig. 6A bis 6D ist nachstehend ist der Herstellungsvorgang beschrieben.
Auf einem transparenten, isolierenden Substrat 1 wird eine n- -oder i-Typ-Halbleiterschicht niedriger Konzentration aufgebracht. Dann wird eine Maske 30 zur Störstellen-Diffusion oder Ionenimplantation in vorbestimmte Bereiche ausgebildet, wobei p-Typ-Bereiche durch die Diffusion von p-Typ-Störstellen in nicht durch die Maske abgedeckte Bereiche ausgebildet werden (a). Nach Entfernung der Maske wird ein Gate-Oxydfilm 5 ausgebildet, wobei eine Kontaktöffnung 31 an einer gewünschten Stelle in dem n- oder i-Typ-Bereich ausgebildet wird (b). Nachfolgend wird polykristallines n&spplus;-Silizium hoher Konzentration oder amorphes Silizium darauf aufgebracht und mit Ausnahme eines Kontaktabschnitts 36 und eines Gateabschnitts 6 durch Ätzen entfernt (c). Dann wird auf dem gesamten Bereich ein Zwischenschicht-Isolierfilm 10 aufgebracht. Dabei werden eine zweite Kontaktöffnung und eine Elektrode 11 ausgebildet (d).
Bei dem Vorgang bewirkt ein thermisches Glühen eine Diffusion von n-Typ-Störstellen aus der polykristallinen n&spplus;-Typ-Siliziumschicht (oder amorphen n&spplus;-Typ-Siliziumschicht) 36 hoher Konzentration in den n- oder i-Typ-Bereich geringer Konzentration, wodurch ein n&spplus;-Typ-Bereich 40 ausgebildet wird.
Durch den vorstehend beschriebenen Vorgang wird eine Photosensor-Vorrichtung mit einem befriedigenden ohmschen Kontakt geschaffen. Durch den Vorgang gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann ein zuverlässiger Kontakt mit geringeren Schritten ohne eine bei dem herkömmlichen Vorgang erforderliche zusätzliche n-Typ-Diffusion hoher Konzentration erhalten werden.
Wie vorstehend beschrieben kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Schalter und eine Verarbeitungsschaltung zusammen mit einem Photosensor auf einem transparenten isolierenden Substrat mit einer verringerten Anzahl von Schritten ausgebildet werden, wodurch eine Photosensor-Vorrichtung mit breiter Anwendung leicht hergestellt werden kann.
Im übrigen können, da es sich bei dem Photosensor um einen Horizontaltyp handelt, die Übergänge in einem streifenförmigen Muster ausgebildet werden, wobei der Bereich des Sensors effektiv verwendet werden kann.
Ebenfalls kann die gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erhaltenen Sensorenanordnung zur Verwirklichung einer hochschnellen Bildleseeinrichtung verwendet werden.

(Viertes Ausführungsbeispiel)

Fig. 12 und 13 zeigen jeweils eine Draufsicht und eine Seitenansicht gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung und Fig. 14 ein Ersatzschaltbild der in Fig. 12 gezeigten Vorrichtung.
Gemäß Fig. 12 und 13 sind in gewünschten Bereichen einer Halbleiterschicht 102 einer ersten Leitungsart Halbleiterschichten 102-3, 102-4 und 102-5 einer zweiten Leitungsart ausgebildet. Die Schichten 102-3 und 102-4 bilden den Emitter und den Kollektor eines in Fig. 14 gezeigten Phototransistors 105 und die Schichten 102-4 und 102-5 die Source und den Drain eines MOS-Transistors 106. Die Basis 102-1 des Phototransistors 105 und der Kanalbereich 102-1 des MOS-Transistors 106 bestehen aus der Halbleiterschicht der ersten Leitungsart. Zur Maximierung des Licht empfangenden Bereichs ist der Phototransistor in einer rechtwinklig verlaufenden Wellenform aufgebaut.
Wie in Fig. 12 gezeigt ist auf einem Substrat 101 ein n- oder i-Typ-Halbleiterfilm ausgebildet. Das Substrat besteht aus einem transparenten Substrat wie Quarz oder Glas, falls die Vorrichtung das Licht durch das Substrat empfängt. Der Halbleiterfilm besteht aus polykristallinem oder monokristallinem Silizium. Zum Erhalt einer Photosensor-Vorrichtung mit hoher Leistungsfähigkeit handelt es sich bei dem polykristallinen Silizium vorzugweise eher um das in den japanischen Patentanmeldungen 62-73 629 und 62-73 630 vorgeschlagene grobkörnige polykristalline Silizium als um gewöhnliches polykristallines Silizium mit einer Korngröße von 50nm (500 Å) oder weniger, das durch ein CVD-Verfahren unter geringem Druck aus einem Siliziumwasserstoffgas (SiH&sub4;) aufgebracht wird.
Bei dem monokristallinen Silizium kann es sich um das handeln, das durch Glühen mit einem Laser rekristalliert wird oder das handeln, das durch monokristallines Wachstum aus einem aus einem kleinen Si&sub3;N&sub4; Muster auf SiO&sub2; bestehenden Keimen erhalten wird, worauf ein Kristallabflachen erfolgt. Wie vorstehend beschrieben ist das grobkörnige polykristalline Silizium gemäß diesem Ausführungsbeispiel aufgrund der einfachen Ausbildung sehr geeignet. Der somit ausgebildete n- oder i-Typ-Halbleiterfilm wird in gewünschten Bereichen einer Diffusion von p-Typ-Störstellen wie Bor ausgesetzt. Somit werden der Emitter und der Kollektor des Phototransistors sowie die Source und der Drain des MOS-FETs gleichzeitig ausgebildet.
Der Phototransistor besteht aus einem horizontalen p&spplus;-n (oder i-) p&spplus;-Transistor. Ein derartiger horizontaler Phototransistor weist eine hohe spektrale Empfindlichkeit bei kurzen Wellenlängen (an der blauen Seite) auf, da die an der Oberfläche durch das Licht kurzer Wellenlängen erzeugten Ladungsträger ohne unmittelbare Rekombination aufgrund des Fehlens einer hochkonzentrierten Schicht an der Oberfläche des n- -oder i-Typ-Basisbereichs verwendet werden können. Ebenso sollte bei dem vorstehend erwähnten grobkörnigen polykristallinen Silizium zum Erhalt eines großen Signalstroms die Breite des Basisbereichs so klein wie möglich sein, da die Diffusionslänge der Ladungsträger nicht so groß ist.
Bei dem MOS-FET sind die p&spplus;-Typ-Source und der p&spplus;-Typ-Drain über einem n- oder i-Typ-Kanalbereich ausgebildet, wobei eine Gateelektrode 104 auf einem Gate-Isolierfilm 103 mit einer Dicke von etwa 100 nm (1000 Å) ausgebildet ist. Der Gate-Isolierfilm 103 besteht unter Beachtung der funktionellen Eigenschaften vorzugsweise aus einem thermisch oxidierten Halbleiterfilm, aber aufgrund der Kosten aus einem durch ein CVD- Verfahren mit niedrigem Druck ausgebildeten SiO&sub2;-Film oder aus einem Plasma-CVD-Verfahren ausgebildeten Si&sub3;N&sub4;-Film. Ebenfalls wird die Gateelektrode ausgebildet, indem polykristallines n&spplus;-Typ-Silizium oder Aluminium aufgebracht und auf dem Kanalbereich 102-5 wie in Fig. 12 gezeigt mit einem Passungsrand zur teilweisen Abdeckung der Source und des Drains 102-4 und 102-5 ausgebildet wird. In Fig. 12 ist der Gate- Isolierfilm 103 ausgelassen.
Wie aus dem in Fig. 14 gezeigten Ersatzschaltbild deutlich ist, ist bei der Photosensor-Vorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Phototransistor der vorstehend beschriebenen Anordnung zwischen dem Emitter 102-3 und dem Kollektor 102-4 derart unter Vorspannung gesetzt, daß die Basis 102-1 und der Kollektor 102-4 invertiert unter Vorspannung gesetzt werden, wobei der Basisbereich mit Licht bestrahlt wird. Somit werden Paare von Löchern und Elektronen in dem Basisbereich erzeugt, wobei die eine Art aufgrund der invertierten Vorspannung zwischen der Basis und dem Kollektor in den Kollektor diffundiert, wohingegen die andere Art in dem Basisbereich gespeichert wird. Wenn in diesem Zustand von dem Emitter ein Strom zugeführt wird, fließt er aufgrund der Wirkung der in dem Basisbereich gespeicherten Ladungsträger zum Kollektor. Der Kollektorstrom beträgt in diesem Zustand das etwa hfe-fache des zwischen der Basis und dem Kollektor erzeugten Photostroms, so daß außerdem ein sehr schwaches Lichtsignal erfaßt werden kann. Der somit erhaltene Kollektorstrom wird dem Drain 102-5 zugeführt und darin durch Einschalten des MOS-Transistors verarbeitet.
Der Vorgang der Ausbildung des grobkörnigen polykristallinen Siliziums ist derselbe wie der vorstehend unter Bezug auf Fig. 7 bis 11 beschriebene und ist deshalb nicht noch einmal beschrieben.

(Fünftes Ausführungsbeispiel)

Fig. 15 zeigt eine Draufsicht gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 16 eine Seitenansicht der in Fig. 15 gezeigten Vorrichtung und Fig. 17 ein Ersatzschaltbild der in Fig. 15 gezeigten Vorrichtung.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ein MOS-Kondensator 107 auf einem den Kollektor des Phototransistors 105 und die Source des MOS-Transistors 105 bildenden Bereich 102-4 ausgebildet, wobei die durch den Phototransistor 105 im Ansprechen auf Licht erzeugten Photo-Ladungsträger in dem MOS-Kondensator 107 zeitweilig gespeichert und durch aufeinanderfolgendes Einschalten des MOS-Transistors 6 einer Verarbeitungsschaltung zugeführt werden können. Dieses Ausführungsbeispiel ist deshalb zur Erfassung eines sehr kleinen Stroms geeignet. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel können die Schritte der Verdrahtung sowie der Kriechstrom verringert und der Bereich effektiv verwendet werden, da der Kollektor des Phototransistors, der p&spplus;-Bereich des MOS-Kondensators und der Drain des MOS-FETs aus einem gemeinsam dotierten Bereich bestehen. Somit kann gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine hohe Produktionsausbeute erreicht werden, was bei der Herstellung deshalb vorteilhaft ist.
Der Aufbau der Sensorenanordnung ist gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen nicht beschrieben, jedoch kann eine Sensorenanordnung im wesentlichen durch eine parallele Anordnung des in Fig. 12 oder 15 gezeigten Elements erhalten werden. In diesem Fall muß jedes Element mit Ausnahme des n- oder i-Typ-Bereichs 102-1 des Sensors von den benachbarten Elementen elektrisch getrennt werden, wobei dieses durch Trennen beispielsweise durch Ätzen des Halbleiterfilms jedes Elements von dem des benachbarten Elements erreicht werden kann.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden ein vereinfachter Vorgang und geringere Kosten ermöglicht, da der Phototransistor und die Signalverarbeitungsschaltung dafür gleichzeitig durch einen Störstellendiffusions-Schritt ausgebildet werden kann.
Ebenso wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine leichte Ausbildung eines Phototransistors ermöglicht, der ein sehr schwaches Lichtsignal erfassen kann.
Außerdem ermöglicht die Verwendung einer horizontalen Anordnung bei der Vorrichtung eine rechteckig verlaufende Wellenform des Übergangs des Phototransistors, wodurch eine effektive Verwendung des Licht empfangenden Bereichs ermöglicht wird.

Claims

1. Photosensor-Vorrichtung mit einem Photosensor (7) und einem Lateral-Feldeffekttransistor (8), die in einer Schicht (2, 102) eines Halbleitermaterials auf einem isolierenden Substrat (1, 101) ausgebildet sind, wobei der Photosensor (7) einen ersten Bereich (3, 102-1) eines in der Schicht (2, 102) ausgebildeten Halbleiters einer Eigen- oder ersten Leitungsart und einen zweiten Bereich (4, 102-4) eines in der Schicht (2, 102) ausgebildeten Halbleiters einer zweiten Leitungsart aufweist, und der Feldeffekttransistor (8) zum Schalten des Ausgangssignals des Photosensors (7) angeschlossen ist, wobei die Sourceelektrode und die Drainelektrode des Feldeffekttransistors einen in der Schicht (2, 102) ausgebildeten Halbleiter der zweiten Leitungsart aufweisen, und ein Kanal (13, 102-2) einen zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode in der Schicht (2, 102) ausgebildeten Halbleiter der Eigen- oder ersten Leitungsart aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Bereiche (3, 4; 102-1, 102-4) des Photosensors nebeneinander angeordnet sind und in einem Muster von mehreren Streifen von Abschnitten des ersten Bereichs und Abschnitten des zweiten Bereichs in einer Interdigitalanordnung vorgesehen sind, und die Grenzschicht zwischen ihnen senkrecht zu der Oberfläche der Schicht verläuft.

2. Photosensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschicht zwischen den Streifenabschnitten der ersten und zweiten Bereiche des Photosensors in einer rechtwinkligen Wellenform verläuft.

3. Photosensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Photosensor (7) um eine durch die ersten und zweiten Bereiche gebildete Photodiode (7) handelt.

4. Photosensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Photosensor um einen Phototransistor (105) handelt, der durch die ersten und zweiten Bereiche sowie einen dritten Bereich (102-3) eines Halbleiters der zweiten Leitungsart gebildet ist, wobei der erste Bereich die Basis bildet.

5. Photosensorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Phototransistors in einer rechtwinkligen Wellenform verläuft.

6. Photosensorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zwischen dem Photosensor und dem Feldeffekttransistor angeordneten Kondensator (9, 107), wobei der Kondensator einen Bereich (34) der zweiten Leitungsart in der Schicht aus Halbleitermaterial aufweist.

7. Photosensorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (34) des Kondensators einen Abschnitt des zweiten Bereichs (4, 102-4) des Halbleiters aufweist.

8. Photosensorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor

einen Teil des zweiten Bereichs,

einen weiteren Bereich (13, 102-2) des Halbleiters der Eigen- oder ersten Leitungsart für den Kanal und

einen weiteren Bereich (24, 102-5) des Halbleiters der zweiten Leitungsart aufweist, wobei alle Bereiche in der Schicht aus Haibleitermaterial ausgebildet sind.

9. Photosensorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (2, 102) aus Halbleitermaterial polykristallines Silizium mit einer Korngröße von 0,5 µm oder mehr aufweist.

10. Verfahren zur Herstellung einer Photosensorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Halbleitermaterial als Schicht der Eigen- -oder ersten Leitungsart vorgesehen ist, und die Bereiche der zweiten Leitungsart des Photosensors und des Feldeffekttransistors gleichzeitig zusammen ausgebildet werden.