DE3722916A1

DE3722916A1 - Fotoelektrische wandlervorrichtung

Info

Publication number: DE3722916A1
Application number: DE19873722916
Authority: DE
Inventors: Mahito Shinohara; Takao Yonehara
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-07-11
Filing date: 1987-07-10
Publication date: 1988-01-21
Also published as: JPH0812906B2; US5008206A; GB2192488B; JPS6318667A; DE3722916C2; FR2601503B1; FR2601503A1; GB2192488A; GB8716261D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine fotoelektrische Wandler vorrichtung mit einem Ladungsspeicherbereich, dessen elektrisches Potential über einen Kondensator gesteuert wird.

Fig. 1A ist eine schematische Draufsicht auf eine fotoelektrische Wandlervorrichtung gemäß einem Beispiel, das in der europäischen Offenlegungsschrift 1 32 076 beschrieben ist. Fig. 1B ist die Ansicht eines Schnitts längs einer Linie A-A′ in Fig. 1A. Fig. 1C ist ein Äquivalenzschaltbild der Vorrichtung.

Gemäß Fig. 1A und 1B sind auf einem n-Siliziumsubstrat 101 fotoelektrische Wandlerzellen angeordnet, die jeweils von den benachbarten Zellen elektrisch durch eine Zellentrennzone 102 aus SiO₂, Si₃N₄, Polysilizium oder dergleichen isoliert sind.

Jede Zelle hat folgenden Aufbau: In einer m^--Zone 103 mit geringer Störstellendichte, die nach dem Epitaxialverfahren oder dergleichen gebildet ist, sind durch Dotieren mit p- Fremdatomen wie beispielsweise mit Bor p-Zonen 104 und 105 ausgebildet; in der p-Zone 104 ist durch Fremdatomdiffusion, Ionenimplantation oder dergleichen eine n⁺-Zone 106 aus gebildet.

Die p-Zonen 104 und 105 sind die Sourcezone und die Drainzone eines p-Kanal-MOS-Transistors, während die p-Zone 104 und die n⁺-Zone 106 die Basis bzw. der Emitter eines bipolaren npn- Transistors sind. Die p-Zone 104 ist sowohl die Sourcezone des MOS-Transistors als auch die Basis des bipolaren npn- Transistors.

Auf der n^--Zone 103, auf der auf diese Weise die jeweiligen Zonen ausgebildet sind, ist ein Oxidfilm 107 gebildet, auf dem eine Gate-Elektrode 108 des MOS-Transistors und eine Kondensatorelektrode 109 mit einer vorbestimmten Fläche aus gebildet sind. Die Kondensatorelektrode 109 ist unter Zwischensetzung des Oxidfilms 107 der p-Zone 104 gegenüber gesetzt, so daß dadurch ein Kondensator gebildet ist.

Ferner sind eine mit der n⁺-Zone 106 verbundene Emitterelektrode 110, eine mit der p-Zone 105 verbundene Elektrode 111 und eine unter Zwischensetzung einer ohmschen Kontaktschicht auf die Rückseite des Substrats 101 aufgebrachte Kollektor elektrode 112 gebildet.

Es wird nun die grundlegende Funktion dieser Vorrichtung beschrieben. Zunächst sei angenommen, daß die p-Zone 104, die die Basis des bipolaren Transistors ist, auf einem negativen Anfangspotential liegt. Das in die p-Zone 104 eindringende Licht erzeugt Elektronen-Löcher-Paare, von denen die positiven Löcher in der p-Zone 104 gespeichert werden, wodurch das Potential der p-Zone 104 in positiver Richtung angehoben wird (Speichervorgang).

Danach wird die Emitterelektrode 110 erdfrei bzw. potentialfrei geschaltet und an die Kondensatorelektrode 109 ein positiver Lesespannungsimpuls angelegt. Hierdurch wird das Potential der die Basis des Transistors bildenden p-Zone 104 angehoben, wodurch zwischen die Basis und den Emitter eine Durchlaßvorspannung angelegt wird. Dadurch wird ein über den Emitter und den Kollektor fließender Strom hervorgerufen, der der Änderung des Basispotentials während des Speichervorganges entspricht. Daher erscheint an der offenen Emitterelektrode 110 ein elektrisches Signal, das der Menge des einfallenden Lichts entspricht (Lesevorgang). Hierbei wird die Menge der in der Basis bzw. p-Zone 104 gespeicherten elektrischen Ladungen nicht wesentlich vermindert, so daß die gleiche optische Information wiederholt ausgelesen werden kann.

Es wird nun ein Auffrischungsvorgang für das Beseitigen der in der p-Zone 104 gespeicherten positiven Löcher beschrieben. Fig. 2A und 2B zeigen zum Veranschaulichen des Auffrischungs vorgangs Spannungskurvenformen.

Gemäß Fig. 2A wird der MOS-Transistor nur dann durchgeschaltet, wenn an die Gate-Elektrode 108 eine negative Spannung angelegt wird, die höher als ein Schwellenwert ist.

Gemäß Fig. 2B wird für die Auffrischung die Emitterelektrode 110 geerdet und die Elektrode 111 auf Massepotential gebracht. Zuerst wird zum Einschalten des p-Kanal-MOS-Transistors an die Gate-Elektrode 108 eine negative Spannung angelegt. Hierdurch wird trotz des Pegels des Speicherpotentials das Potential der Basis bzw. p-Zone 104 auf einen konstanten Wert gebracht. Danach wird an die Kondensatorelektrode 109 zur Auffrischung ein positiver Spannungsimpuls angelegt, durch den die p-Zone 104 in bezug auf die n⁺-Zone 106 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, wodurch über die geerdete Emitterelektrode 110 die gespeicherten positiven Löcher abge leitet werden. Wenn der Auffrischungsimpuls abfällt, ist die p-Zone 104 wieder auf ihr negatives Anfangspotential zurück gebracht (Auffrischungsvorgang). Da gemäß den vorstehenden Ausführungen die Basis bzw. p-Zone 104 durch den MOS-Transistor auf einem festen Potential liegt und dann für das Beseitigen der restlichen elektrischen Ladungen ein Auffrischungsimpuls angelegt wird, kann ein neuer Speichervorgang ausgeführt werden, der von dem zuvor gespeicherten Potential unabhängig ist. Auf diese Weise können die Restladungen schnell beseitigt werden, was einen Betrieb mit hoher Geschwindigkeit ergibt. Danach werden auf gleichartige Weise das Speichern, das Lesen und das Auffrischen wiederholt.

Bei dieser Vorrichtung besteht jedoch ein Problem darin, daß in einer einzigen Wandlerzelle ein bipolarer Transsistor und ein MOS-Transistor ausgebildet sind, so daß bei der herkömmlichen Anordnung viele Anschlüsse zu erzeugen sind und es schwierig ist, eine feinere Struktur zu erzielen.

Zum Ausschalten der vorstehend genannten Probleme der herkömmlichen Vorrichtung liegt die Aufgabe zugrunde, eine fotoelektrische Wandlervorrichtung zu schaffen, die eine feinere Struktur und damit eine erhöhte Dichte und ein höheres Auflösungsvermögen hat.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 genannten Mitteln gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen aufgeführt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1A bis 1C zeigen eine herkömmliche fotoelektrische Wandlervorrichtung, wobei die Fig. 1A eine schematische Draufsicht ist, die Fig. 1B eine Ansicht eines Schnitts entlang einer Linie A-A′ in Fig. 1A ist und Fig. 1C ein Äquivalenzschaltbild der Vorrichtung ist.

Fig. 2A und 2B sind Spannungskurvenformdarstellungen, die die Funktion eines MOS-Transistors bzw. einen Auffrischungs vorgang veranschaulichen.

Fig. 3A und 3B zeigen eine fotoelektrische Wandlervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei die Fig. 3A eine schematische Seitenansicht ist und die Fig. 3B ein Äquivalenzschaltbild der Vorrichtung ist.

Fig. 4A und 4B zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Wandlervorrichtung, wobei die Fig. 4A ein Äquivalenz schaltbild ist und die Fig. 4B eine Darstellung von Spannungskurvenformen zum Veranschaulichen eines Auffrischungsvorgangs ist.

Fig. 5A und 5B zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel der Wandlervorrichtung, wobei die Fig. 5A ein Äquivalenz schaltbild ist und die Fig. 5B eine Darstellung von Spannungskurvenformen zum Veranschaulichen eines Auffrischungsvorgangs ist.

Fig. 6A und 6B zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel der Wandlervorrichtung, wobei die Fig. 6A ein Äquivalenz schaltbild ist und die Fig. 6B eine Darstellung von Spannungskurvenformen zum Veranschaulichen eines Auffrischungsvorgangs ist.

Fig. 7 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammen hang zwischen der Größe r von Kristallkernen und freier Energie bei dem Bilden eines Dünnfilms zeigt.

Fig. 8A und 8B sind Darstellungen eines Verfahrens zur selektiven Ablagerung.

Fig. 9 ist eine grafische Darstellung, die zeitliche Änderungen von Kernbildungsdichten ND auf einer Ablagerungs fläche aus SiO₂ und einer Ablagerungsfläche aus Siliziumnitrid zeigt.

Fig. 10A bis 10D sind Darstellungen von Herstellungsschritten bei einem Verfahren zum Bilden eines Kristalls für die Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungs beispiel.

Fig. 11A und 11B sind perspektivische Ansichten eines in den Fig. 10A bis 10D gezeigten Substrats.

Fig. 12 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen dem Verhältnis der Durchflußleistungen von SiH₄ und NH₃ und dem Zusammensetzungsverhältnis von Si und N in einem gebildeten Siliziumnitridfilm zeigt.

Fig. 13 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen dem Si/N-Zusammensetzungsverhältnis und der Kernbildungsdichte zeigt.

Fig. 14 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der Menge injizierter Si-Ionen und der Kernbildungsdichte zeigt.

Fig. 15A bis 15C sind Darstellungen von Schritten zum Bilden eines Silizium-Einkristalls und eines Transistors bei den Ausführungsbeispielen der Wandlervorrichtung.

Die Fig. 3A ist eine schematische Schnittansicht der erfindungs gemäßen fotoelektrischen Wandlervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, während die Fig. 3B ein Äquivalenz schaltbild der Vorrichtung ist. In der Fig. 3 und in der Fig. 1, die den Stand der Technik darstellt, sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Nach Fig. 3A ist auf einem n-Substrat 101 eine epitaxiale n^-- Schicht 103 gebildet. In der Schicht 103 ist eine p-Basiszone 104 gebildet, die von einer Zellentrennzone 102 umgeben ist. In der p-Basiszone 104 ist eine n⁺-Emitterzone 106 gebildet.

Über der epitaxialen n^--Schicht 103, in der die verschiedenen Zonen ausgebildet sind, ist eine Isolierschicht 107 gebildet, auf der der p-Basiszone 104 gegenübergesetzt eine Kondensator elektrode 109 ausgebildet ist.

Auf diesem bipolaren Transistor als untere Schicht ist eine Isolierschicht 113 aus SiO₂ oder dergleichen mit einer Ausnehmung gebildet, in der nach einem nachfolgend ausführlicher beschriebenen Einkristall-Züchtungsverfahren eine n-Einkristall- Siliziumschicht 114 gezüchtet ist. An der n⁺-Emitterzone 106 ist eine Kontaktöffnung für eine Emitterelektrode 110 ausgebildet.

Über der nach dem Einkristall-Züchtungsverfahren gebildeten Einkristall-Siliziumschicht 114 sind ein Gate-Oxidfilm, eine Gate-Elektrode 108, eine Sourcezone und eine Drainzone gebildet, die einen MOS-Transistor 115 bilden. Die Drainzone ist über eine Leitung 116 mit der darunterliegenden p-Basiszone 104 verbunden. Über dem MOS-Transistor 115 ist ein Passivierungs film 117 gebildet, durch den hindurch die Sourcezone des MOS-Transistors 115 mit einer Elektrode 111 verbunden ist.

Die Äquivalenzschaltung für das derart aufgebaute Ausführungs beispiel ist in Fig. 3B gezeigt. Falls in Verbindung mit der n-Siliziumschicht 114, die das Substrat des MOS-Transistors 115 ist, eine Elektrode ausgebildet und mit einer Rückseiten-Elektrode 112 verbunden wäre, wäre die Schaltung die gleiche wie diejenige nach dem Stand der Technik. Daher sind die jeweiligen grundlegenden Vorgänge des Speicherns, Lesens und Auffrischens bei diesem Ausführungsbeispiel die gleichen wie bei dem vorangehend schon beschriebenen Beispiel für den Stand der Technik. D. h., wenn bei dem Auffrischungs vorgang zuerst der MOS-Transistor 115 durchgeschaltet wird, werden über die Leitung 116 und den MOS-Transistor 115 die elektrischen Ladungen der p-Basiszone 104 aus der Elektrode 111 abgeführt. Nachdem die p-Basiszone 104 auf diese Weise auf ein festes Potential gelegt ist, wird an die Kondensator elektrode 109 ein positiver Auffrischungs-Spannungsimpuls angelegt, um die restlichen Ladungen in der p-Basiszone 104 zu vernichten.

Wenn die mit der n-Siliziumschicht 114 verbundene Elektrode und die Elektrode 111 miteinander verbunden werden, wird ein einfacherer Aufbau erreicht, der einen Auffrischungsvorgang erlaubt, welcher dem vorstehend beschriebenen gleichartig ist. Diese Anordnung hat auch den Vorteil, daß die in der p- Basiszone 104 gespeicherten überschüssigen Ladungen abströmen können. Hierdurch wird bei dem Aufbau eines Flächensensors ein "Überstrahlen" verhindert.

Die Fig. 4A ist ein Äquivalenzschaubild der Wandlervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, während die Fig. 4B die Kurvenformen von Spannungen bei einem Auffrischungs vorgang zeigt.

Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist der MOS-Transistor 115 nach Fig. 3A durch einen n-Kanal-MOS-Transistor ersetzt. Der übrige Aufbau ist der gleiche wie bei dem ersten Ausführungs beispiel.

Da der Transistor ein n-Kanal-Transistor ist, ist er gesperrt, wenn das Potential an der Gate-Elektrode 108 negativ ist, während der Transistor nur dann durchgeschaltet ist, wenn gemäß Fig. 4B das Gatepotential höher als sein Schwellen wert ist. Auch in diesem Fall wird der Auffrischungsvorgang auf die vorstehend beschriebene Weise ausgeführt.

Die Fig. 5A ist ein Äquivalenzschaubild der Wandlervorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, während die Fig. 5B die Kurvenform von Spannungen bei einem Auffrischungs vorgang zeigt.

Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel ist statt des MOS- Transistors 115 eine Diode gebildet. D. h. es wird wie gemäß Fig. 3A in der Ausnehmung der Isolierschicht 113 ein Silizium- Einkristall gezüchtet, um einen pn-Übergang zu bilden. Die Leitung 116 wird mit der n-Zone verbunden, während die Elektrode 111 mit der p-Zone verbunden wird.

Wenn bei diesem Aufbau während des Lesevorgangs das Potential der p-Basiszone 104 angehoben wird, wird an die Elektrode 111 negatives Potential angelegt, wodurch die Diode in Sperrichtung vorgespannt wird, so daß die in der p-Basiszone 104 gespeicherten Ladungen erhalten bleiben. Andererseits wird während des Auffrischungsvorgangs zuerst an die Elektrode 111 eine Spannung über dem Basispegel angelegt, um die Diode in Durchlaßrichtung vorzuspannen, wodurch das Potential der p- Basiszone 104 auf einen festen Wert eingestellt wird. Danach wird an die Kondensatorelektrode 109 ein positiver Auffrischungs spannungsimpuls angelegt, um die restlichen Ladungen aufzuheben bzw. auszugleichen.

Die Fig. 6A ist ein Äquivalenzschaltbild der Wandlervorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, während die Fig. 6B eine Darstellung von Kurvenformen von Spannungen ist, die während eines Auffrischungsvorgangs erzeugt werden.

Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel wird statt des MOS- Transistors 115 ein bipolarer pnp-Transistor verwendet. D. h. auf der Einkristall-Siliziumschicht 114 wird nach einem üblichen Verfahren ein bipolarer pnp-Transistor ausgebildet, dessen p-Kollektorzone über die Leitung 116 mit der p-Basiszone 104 verbunden wird und dessen p-Emitterzone mit der Elektrode 111 verbunden wird. Die n-Basiszone wird geerdet bzw. mit Masse verbunden.

Bei dieser Anordnung liegt während des Lesens die Elektrode 111 auf Massepegel, so daß der bipolare pnp-Transistor nicht durchgeschaltet ist, obwohl das Potential der p-Basiszone 104 angehoben wird.

Bei dem Auffrischungsvorgang wird zuerst an die Elektrode 111 ein positiver Spannungsimpuls angelegt, um den bipolaren pnp- Transistor durchzuschalten und dadurch die p-Basiszone 104 auf ein Festpotential zu legen. Danach wird an die Kondensator elektrode 109 ein positiver Auffrischungs-Spannungsimpuls angelegt, um die in der p-Basiszone 104 verbliebenen Ladungen aufzuheben bzw. auszugleichen.

Es wird nun ausführlich ein Einzelkristall-Züchtungsverfahren beschrieben, mit dem in der Ausnehmung der Isolierschicht 113 der Silizium-Einzelkristall gezüchtet wird.

Zum besseren Verständnis wird zunächst der übliche Prozeß für das Erzeugen eines Dünnfilms eines Metalls für einen Halbleiter erläutert.

Wenn eine Ablagerungsfläche aus einem Material besteht, das sich hinsichtlich der Art von fliegenden bzw. beweglichen Atomen unterscheidet, nämlich insbesondere aus einem amorphen Material, werden die fliegenden Atome frei auf einer Substrat fläche verteilt oder wieder abgedampft bzw. freigegeben. Infolge der gegenseitigen Zusammenstöße zwischen den Atomen wird ein Kristallisationskern gebildet; wenn dessen Größe zu einer Größe rc (= -2 τ o/gc) wird, bei der dessen freie Energie G maximal wird (kritischer Kristallisationskern), wird die Energie G geringer und der Kern wächst fortgesetzt auf stabile Weise dreidimensional, so daß er zu einer Insel geformt wird. Ein Kristallisationskern, dessen Größe die Größe rc übersteigt, wird als stabiler Kern bezeichnet, so daß in der folgenden grundlegenden Beschreibung als "Kern" dieser "stabile Kern" bezeichnet ist, falls dies nicht ander weitig besonders ausgedrückt ist. Ferner werden von den "stabilen Kernen" diejenigen mit einem kleinen Krümmungsradius r als "Initialkerne" bezeichnet.

Die durch das Bilden eines Kristallisationskerns hervorgerufene freie Energie ist folgendermaßen gegeben:

G =4π f ( R ) ( σ o r² + 1/3 · gv · r³)
f ( R ) = 1/4 (2 - 3cosR + cos²R )

wobei r der Krümmungsradius des Kerns ist, R der Kontaktwinkel des Kerns ist, gv die freie Energie je Ablagerungseinheit ist und σ o die Oberflächenenergie zwischen Kern und Vakuum ist. Die Fig. 7 veranschaulicht, wie sich die freie Energie G ändert. Gemäß dieser Figur nimmt der Krümmungsradius des stabilen Kerns den Wert rc an, wenn die freie Energie G den maximalen Wert annimmt.

Auf diese Weise wachsen die Kerne zur Form von Inseln an, wonach sie weiter wachsen, wodurch die gegenseitige Berührung zwischen den Inseln fortschreitet, bis manchmal eine Verschmelzung auftritt, und über eine Netzstruktur schließlich ein durchgehender Film entsteht, der die Substratoberfläche vollständig überdeckt. Mit einem solchen Prozeß wird auf dem Substrat ein Dünnfilm abgelagert.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ablagerungsprozeß sind die Dichte der je Flächeneinheit der Substratoberfläche gebildeten Kerne, die Größe der Kerne und die Kernbildungsgeschwindigkeit von dem Zustand des Systems für die Ablagerung abhängig, wobei insbesondere die Zwischenwirkung zwischen den fliegenden Atomen und der Oberfläche des Substratmaterials ein wichtiger Faktor ist. Ferner entsteht in bezug auf die Kristallfläche für die Grenzflächenenergie an der Grenzfläche zwischen dem abgelagerten Material und dem Substrat eine bestimmte Kristallausrichtung parallel zu dem Substrat; wenn das Substrat amorph ist, ist in der Substratebene die Kristall ausrichtung nicht konstant. Aus diesem Grund werden durch das gegenseitige Zusammenstoßen zwischen Kernen oder Inseln Kerngrenzen bzw. Kristallgrenzen gebildet, wobei ins besondere im Falle des Zusammenstoßens zwischen Inseln mit bestimmten Größen oder darüber eher Kristallgrenzen entstehen als eine Verschmelzung auftritt. Da die entstehenden Kristall grenzen in der Festphase schwer zu bewegen sind, sind zu diesem Zeitpunkt die Kristallgrößen festgelegt.

Als nächstes wird ein Verfahren zur selektiven Ablagerung für das selektive Erzeugen eines Ablagerungsfilms auf einer Ablagerungs fläche beschrieben. Das Ablagerungsverfahren ist ein Verfahren, mit dem selektiv auf dem Substrat ein Dünnfilm dadurch erzeugt wird, daß die Unterschiede zwischen den Materialien hinsichtlich der Faktoren genutzt werden, die die Kernbildung bei der Dünnfilmerzeugung beeinflussen, wie die Oberflächenenergie, der Haftkoeffizient, der Freigabekoeffizient, die Oberflächen-Diffusionsgeschwindigkeit und der gleichen.

Die Fig. 8A und 8B sind Darstellungen, die das selektive Ablagerungsverfahren veranschaulichen. Zunächst wird gemäß Fig. 8A auf einem Substrat 1 an einem gewünschten Bereich ein Dünnfilm 2 aus einem Material gebildet, der sich hinsichtlich der vorstehend genannten Faktoren von dem Substrat 1 unter scheidet. Wenn dann eine Ablagerung eines Dünnfilms aus einem geeigneten Material unter geeigneten Ablagerungsbedingungen herbeigeführt wird, wächst nur auf dem Dünnfilm 2 ein Dünnfilm 3 auf, wobei es möglich ist, die Erscheinung hervorzurufen, daß an dem Substrat 1 kein Wachstum auftritt. Durch die Nutzung dieser Erscheinung kann der Dünnfilm 3 unter Selbst ausrichtung gezüchtet werden, wodurch es möglich wird, einen lithografischen Schritt wegzulassen, bei dem ein Abdecklack benutzt wird, wie es bei dem Stand der Technik üblich ist.

Als Materialien für die Ablagerung nach diesem selektiven Verfahren können beispielsweise als Substrat 1 SiO₂, als Dünnfilm 2 Si, GaAs oder Siliziumnitrid und als abzulagernder Dünnfilm 3 Si, W, GaAs, InP und dergleichen verwendet werden.

Die Fig. 9 ist eine grafische Darstellung, die die zeitliche Änderung der Kernbildungsdichte auf einer Ablagerungsfläche aus SiO₂ und einer Ablagerungsfläche aus Siliziumnitrid zeigt.

Gemäß dieser Darstellung ist auf der SiO₂-Fläche kurz nach der anfänglichen Ablagerung die Kernbildungsdichte bei 10³ cm^-2 oder darunter gesättigt, wobei sich der Wert auch nach 20 min nicht wesentlich ändert.

Im Gegensatz dazu ergibt Siliziumnitrid (Si₃N₄) zunächst einmal eine Sättigung bei ungefähr 4 × 10⁵ cm^-2 oder darunter, die sich danach im wesentlichen über 10 min nicht ändert, wonach aber ein plötzlicher Anstieg erfolgt. Mit dieser Messung ist ein Beispiel veranschaulicht, bei dem SiCl₄-Gas mit H₂ verdünnt wird und nach dem CVD-Verfahren zur chemischen Aufdampfung bei einem Druck von 22,7 kPa (170 Torr) und einer Temperatur von 1000°C aufgebracht wird. Andererseits kann die gleiche Wirkung unter Verwendung von SiH₄, SiH₂Cl₂, SiHCl₃, SiF₄ und dergleichen als Reaktionsgas und Steuerung des Drucks, der Temperatur und dergleichen erzielt werden. Ferner kann ein Vakuum-Aufdampfverfahren angewandt werden.

In diesem Fall stellt die Kernbildung auf SiO₂ im wesentlichen kein Problem dar, jedoch kann durch den Zusatz von HCl- Gas zu dem Reaktionsgas die Kernbildung auf SiO₂ weiter derart unterdrückt werden, daß die Ablagerung von Si auf SiO₂ vollständig zu "0" wird.

Eine derartige Erscheinung hängt in großem Ausmaß von den Unterschieden hinsichtlich des Haftungskoeffizienten, des Freigabekoeffizienten, des Flächendiffusionskoeffizienten und dergleichen hinsichtlich von Si an den Flächen aus SiO₂ und Siliziumnitrid ab, jedoch ist auch für die selektive Ablagerung der Umstand in Betracht zu ziehen, daß SiO₂ selbst durch die Reaktion von SiO₂ mit Si-Atomen für das Bilden von Silizium monooxid bei hohem Dampfdruck geätzt wird, während auf Siliziumnitrid kein derartiges Ätzen auftritt (T. Yonehara, S. Yoshioka, S. Miyazawa, "Journal of Applied Physics" 53, 6839, 1982).

Auf diese Weise kann durch Wählen von SiO₂ und Siliziumnitrid als Materialien für die Ablagerungsflächen und von Silizium als abzulagerndes Material eine ausreichend hohe Kernbildungs dichte-Differenz erreicht werden, wie es in der grafischen Darstellung gezeigt ist. Hierbei ist zwar SiO₂ als Material für die Ablagerungsfläche erwünscht, jedoch besteht keine Einschränkung hierauf, so daß daher eine in der Praxis ausreichende Kernbildungsdichte-Differenz auch bei der Verwendung von SiO_x erreicht werden kann (0 < x < 2).

Natürlich ist das Verfahren nicht auf diese Materialien beschränkt; vielmehr kann gemäß der grafischen Darstellung die Differenz Δ ND hinsichtlich der Kernbildungsfläche auf zufrie denstellende Weise das 10³fache der Kerndichte oder mehr betragen und eine zufriedenstellende selektive Erzeugung eines Ablagerungsfilms mit den als Beispiele nachstehend genannten Materialien herbeigeführt werden.

Als weiteres Verfahren zum Erhalten dieser Kernbildungsdichte- Differenz Δ ND können in die SiO₂-Fläche örtlich Si- oder N-Ionen injiziert werden, um einen Bereich zu bilden, in dem übermäßig Si oder N enthalten ist.

Für die Wandlervorrichtung wird die auf einer solchen Kern bildungsdichte-Differenz Δ ND beruhende selektive Ablagerung angewandt, wodurch durch eine ausreichend feine Kernbildung in der Weise, daß an der Ablagerungsfläche eines Materials unterschiedlicher Art, das eine ausreichend größere Kernbildungs dichte als das Material der Ablagerungsfläche hat, ein einziger Kristallisationskern wachsen kann, selektiv ein Einkristall nur an der Stelle gezüchtet wird, an der dieses geringfügig unterschiedliche Material vorhanden ist.

Da in diesem Zusammenhang das selektive Wachstum eines Ein kristalls durch den Elektronenzustand der Ablagerungsfläche bestimmt ist, insbesondere den Zustand freier Bindungen, muß das Material mit geringerer Kernbildungsdichte (wie beispiels weise SiO₂) kein Blockmaterial sein; vielmehr kann das Material nur auf der Oberfläche irgendeines erwünschten Materials, Substrats oder dergleichen aufgebracht sein, um die vorstehend genannte Ablagerungsfläche zu bilden.

Im folgenden wird ein Beispiel für das Verfahren zur Herstellung der Wandlervorrichtung ausführlich beschrieben.

Die Fig. 10A bis 10D zeigen Herstellungsschritte bei dem Verfahren zum Erzeugen eines Kristalls für die Wandlervor richtung gemäß einem Beispiel, während die Fig. 11A und 11B perspektivische Ansichten eines Substrats gemäß den Fig. 10A und 10D sind. Zunächst wird gemäß Fig. 10A und 11A auf einem Substrat ein Dünnfilm 5 als Ablagerungsfläche SNDS mit geringer Kernbildungsdichte ausgebildet, der die selektive Ablagerung ermöglicht, wonach in geringer Stärke von dem Material des Dünnfilms 5 verschiedenes Material mit höherer Kern bildungsdichte aufgebracht und danach durch Lithografie oder dergleichen geformt wird, um aus dem andersartigen Material ausreichend fein eine Ablagerungsfläche SNDL bzw. 6 (als sog. "Keim") zu bilden. Die Größe, die Kristallstruktur und die Zusammensetzung des Substrats 4 können beliebig sein, so daß ein Substrat verwendet werden kann, auf dem eine funktionelle Vorrichtung ausgebildet ist, die nach herkömmlicher Halbleiter technik vorbereitet ist. Ferner zählt als Ablagerungsfläche SNDL bzw. 6 aus dem andersartigen Material auch irgendein abgewandelter Bereich mit übermäßig viel Si oder N, der gemäß der vorangehenden Beschreibung durch Ionenimplantation von Si oder N in den Dünnfilm 5 gebildet wird.

Als nächstes wird allein an der Ablagerungsfläche SNDL bzw. 6 durch Wählen geeigneter Ablagerungsbedingungen ein Einkristall aus einem Dünnfilmmaterial gebildet. D. h., die Ablagerungs fläche SNDL bzw. 6 muß ausreichend fein ausgebildet sein, so daß nur ein einziger Kristallisationskern darauf gebildet werden kann. Die von der Art des Materials abhängige Größe der Ablagerungsfläche 6 kann einige µm oder weniger betragen. Im weiteren wächst der Kristallisationskern gemäß der Darstellung in Fig. 10B unter Beibehaltung der Einkristall struktur zu einem Einkristallkorn 7 in der Form einer Insel an. Für das Bilden des inselförmigen Einkristallkorns 7 ist es gemäß den vorangehenden Ausführungen anzustreben, die Bedingungen derart zu wählen, daß auf dem Dünnfilm 5 über haupt keine Kernbildung entsteht.

Mit der Ablagerungsfläche SNDL bzw. 6 als Mitte (des seitlichen Überwachsens) wächst das inselförmige Einkristallkorn 7 unter Beibehaltung der Einkristallstruktur weiter, wodurch es gemäß Fig. 10C den ganzen Dünnfilm 5 überdecken kann (Einkristall 7 A).

Danach wird nötigenfalls das Einkristall 7 A durch Ätzen oder Polieren eingeebnet, wodurch gemäß Fig. 10D und Fig. 11B auf dem Dünnfilm 5 eine Einkristallschicht 8 für das Erzeugen einer erwünschten Vorrichtung gebildet wird.

Für das Aufbringen dieses Dünnfilms 5, der auf dem Substrat 4 die Fläche SNDS ohne Kernbildung ergibt, kann als Substrat 4 irgendein beliebiges Material verwendet werden, das als Träger material dient. Selbst in dem Fall, daß auf dem Substrat 4 irgendeine funktionelle Vorrichtung oder dergleichen nach einem herkömmlichen Halbleiterverfahren ausgebildet ist, kann darüber auf einfache Weise die Einkristallschicht 8 ausgebildet werden.

Bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel ist die Fläche SNDS ohne Kernbildung der Dünnfilm 5, jedoch kann ein Substrat aus einem Material mit geringer Kernbildungsdichte ND für die selektive Kernbildung als solches benutzt werden und es können an irgendwelchen beliebigen Stellen Kernbildungsflächen SNDL angebracht werden, um auf gleichartige Weise auf dem Substrat Einkristallschichten zu bilden.

Die Fig. 12 ist eine grafische Darstellung, die ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen dem Verhältnis von Durchfluß leistungen bzw. Durchflußraten von SiH₄ und NH₃ und dem Zusammensetzungsverhältnis von Si und N in einem erzeugten Siliziumnitridfilm zeigt.

Die Ablagerungsbedingungen waren in diesem Fall eine Hochfrequenz- Ausgangsleistung von 175 W und eine Substrattemperatur von 380°C, während bei festgelegter SiH₄-Gas-Durchflußrate 300 cm³/min die Durchflußrate von NH₃-Gas verändert wurde. Wie es aus der grafischen Darstellung hervorgeht, wurde durch das Verändern des Gasdurchflußverhältnisses von NH₃ zu SiH₄ von 4 bis 10 eine Änderung des Si/N-Verhältnisses in dem Silizium nitridfilm von 1,1 bis 0,58 nach der Elektronen-Spektrophoto metrie gemäß Auger ermittelt.

Andererseits wurde die Zusammensetzung des Siliziumnitridfilms, der nach dem Niederdruck-CVD-Verfahren unter Einführen von SiH₂Cl₂-Gas und NH₃-Gas bei verringertem Druck von 40 Pa (0,3 Torr) und einer Temperatur von ungefähr 800°C als Film aus Si₃N₄ (Si/N = 0,75) festgestellt, was ungefähr dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht.

Ferner kann durch Wärmebehandlung mit ungefähr 12000°C in Ammoniakgas oder N₂ (nach dem Wärmenitrierverfahren) gebildeter Siliziumnitridfilm mit einer näher an dem stöchiometrischen Verhältnis liegenden Zusammensetzung erhalten werden, da das Erzeugungsverfahren unter thermischem Gleichgewicht ausgeführt wird.

Durch die Verwendung der nach den vorstehend beschriebenen verschiedenen Verfahren erzeugten Siliziumnitride als Material für die Bildung der Kernbildungsfläche SNDL mit höherer Kernbildungsdichte als SiO₂ kann auf der Kernbildungsfläche aus Siliziumnitrid der vorstehend genannte Kristallisations kern aus Si gezüchtet werden, um beruhend auf der dem chemischen Zusammensetzungsverhältnis des Siliziumnitrids entsprechenden Kernbildungsdichte-Differenz Δ ND einen Si-Einkristall zu formen.

Die Fig. 13 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammen hang zwischen dem Si/N-Zusammensetzungsverhältnis und der Kernbildungsdichte ND zeigt. Gemäß dieser Darstellung ändert sich durch das Verändern des chemischen Zusammensetzungsver hältnisses des Siliziumnitridfilms die Kernbildungsdichte für den darauf gebildeten Si-Einkristallkern in großem Ausmaß. Die Kernbildungsbedingungen gemäß der in Fig. 13 gezeigten grafischen Darstellung entsprechen dem Fall, daß ein Si- Einkristallkern durch Reaktion von mit H₂ auf 23,3 kPa (175 Torr) reduziertem SiCl₄-Gas bei 1000°C gebildet wurde. Es ergibt sich natürlich eine andere grafische Darstellung, wenn die Kernbildungsbedingungen wie die Art des Gases, der Druck, die Temperatur und dergleichen verändert werden.

Durch diese Änderung der Kernbildungsdichte entsprechend dem chemischen Zusammensetzungsverhältnis des Siliziumnitrids wird bei der Verwendung des Siliziumnitrids als Material für das Erzeugen der Kernbildungsfläche SNDL die Größe (Fläche) derselben derart beeinflußt, daß diese ausreichend fein in einem derartigen Ausmaß ausgebildet werden kann, daß ein einzelner Kristallisationskern gezüchtet werden kann. D. h., bei der Verwendung von Siliziumnitrid mit einer Zusammensetzung mit hoher Kernbildungsdichte ND kann im Vergleich zu dem Siliziumnitrid mit verhältnismäßig geringer Kernbildungsdichte ND durch das außerordentlich feine bzw. kleine Formen der Kernbildungsfläche SNDL auf dieser allein ein Einkristall erzeugt werden. Dieser Gesichtspunkt gilt auch als gleichartige Tendenz für andere Materialien für das Formen der Kern bildungsfläche SNDL. Infolgedessen ist es für die Wandlervor richtung zur zweckdienlichen Lösung der Aufgaben derselben anzustreben, eine Kernbildungsdichte ND und eine Größe der Kernbildungsfläche SNDL aus Siliziumnitrid oder dergleichen zu wählen, die das auf gewünschte Weise geeignete Erzeugen eines einzigen Einkristalls ermöglichen. Beispielsweise ist es bei Kernbildungsbedingungen für das Erzielen einer Kern bildungsdichte ND von ungefähr 10⁵ cm^-2 oder weniger möglich, selektiv einen einzigen Kristallisationskern zu formen, wenn die Größe der Kernbildungsfläche SNDL aus Siliziumnitrid ungefähr 4 µm oder weniger beträgt. In diesem Fall beträgt das Si/N-Verhältnis ungefähr 0,5.

Ein weiteres Verfahren zum Formen der Kernbildungsfläche SNDL besteht darin, daß Ionen implantiert werden.

Als weiteres Verfahren zum Herbeiführen der Kernbildungsdichte- Differenz für das Formen des Si-Einkristallkerns können örtlich auf der Fläche aus SiO₂, das ein Material für die Fläche SNDL ohne Kernbildung mit geringerer Kernbildungsdichte ist, örtlich Ionen von Si, N, P, B, F, Ar, He, C, As, Ga, Ge und dergleichen implantiert werden, um auf der SiO₂-Fläche einen abgewandelten Bereich erwünschter Größe zu bilden, der als Kernbildungsfläche SNDL mit höherer Kernbildungsdichte ND verwendet wird.

Beispielsweise wird die SiO₂-Schichtoberfläche mit einem Fotoabdecklack bedeckt und dieser an erwünschten Bereichen belichtet, entwickelt und gelöst, um die SiO₂-Schichtoberfläche freizulegen.

Darauffolgend werden unter Verwendung son SiF₄-Gas als Aus gangsgas Si-Ionen in die SiO₂-Schichtoberfläche bei 10 keV mit einer Dichte von 10¹⁶ bis 10¹⁸ cm^-2 implantiert. In diesem Fall beträgt die geplante Flugstrecke 11,4 nm, während die Si-Konzentrationen an der ausgesetzten Fläche der SiO₂- Schicht ungefähr 10²² cm^-3 oder weniger erreicht. Da die SiO₂-Schicht ursprünglich amorph ist, ist die durch die Implantation der Si-Ionen mit Si außerordentlich stark angereicherte abgewandelte Schicht gleichfalls amorph.

Zum Bilden eines abgewandelten Bereichs kann die Ionenimplantation unter Verwendung eines Abdecklacks als Maske ausgeführt werden, jedoch ist es auch möglich, selektiv auf eine gewünschte Stelle auf der SiO₂-Schichtoberfläche einen eingeengten Si-Ionenstrahl unter Verwendung der Ionenstrahkon vergenz mit einer gewünschten Fläche zu richten, ohne eine Abdecklackmaske zu verwenden.

Nach der auf diese Weise ausgeführten Si-Ionenimplantation sind nach dem Ablösen des Abdecklacks an den übrigen Bereichen auf der SiO₂-Schichtoberfläche an den gewünschten Stellen in gewünschter Größe die modifizierten Bereiche mit dem Si-Überschuß gebildet. Auf dem dermaßen gebildeten modifizierten Bereich der SiO₂-Schichtoberfläche kann in Dampfphase der Si-Einkristall gezüchtet werden.

Die Fig. 14 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammen hang zwischen der Menge implantierter Si-Ionen und der Kern bildungsdichte ND zeigt. Aus dieser Darstellung ist ersichtlich daß mit zunehmender Menge an implantierten Si⁺-Ionen die Kernbildungsdichte ND ansteigt.

Infolgedessen kann durch ausreichend feines Formen eines abgewandelten Bereichs mit diesem als Kernbildungsfläche SNDL ein einzelner Einkristall-Kern aus Si gezüchtet werden, wodurch auf die vorstehend beschriebene Weise ein Einkristall gezüchtet werden kann.

Durch die Schablonenmusterung eines Abdecklacks oder durch das Verengen eines konvergierten Ionenstrahls kann auf einfache Weise erreicht werden, den abgewandelten Bereich derart ausreichend fein zu formen, daß nur ein einziger Kristallisations kern wachsen kann.

Ferner wird ein von dem CVD-Verfahren verschiedenes Verfahren zum Erzeugen eines Si-Einkristallkerns beschrieben.

Für das Züchten eines Einkristalls durch selektive Kernbildung von Si kann nicht nur das CVD-Verfahren, sondern auch ein Verfahren angewandt werden, bei dem Si in Vakuum (< 1,33 × 10^-4 Pa (10^-6 Torr)) mit einem Elektronenstrahler verdampft wird und auf einem erwärmten Substrat abgelagert wird. Insbesondere ist es bei dem Molekülstrahl-Epitaxie-Verfahren bzw. MBE-Verfahren mit Dampfablagerung bei ultrahohem Vakuum (< 1,33 × 10^-7 Pa (10^-9 Torr)) bekannt, daß Si mit SiO₂ bei einer Substrattemperatur von 900°C oder darüber zu reagieren beginnt, wobei auf dem SiO₂ überhaupt keine Kernbildung von Si auftritt (T. Yonehara, S. Yoshioka und S. Miyazawa, "Journal of Applied Physics" 53, 10, Seite 6839, 1983).

Durch die Nutzung dieser Erscheinung können Einkristallkerne aus Si vollkommen selektiv an sehr kleinen Siliziumnitrid bereichen geformt werden, die an Stellen auf der SiO₂-Schicht bestehen können, wonach an diesen Bereichen Si-Einkristall gezüchtet werden kann. Die Bedingungen für das Wachstum des Einkristalls sind dabei gemäß einem vorzugsweise gewählten Beispiel ein Vakuum von 1,33 × 10^-6 Pa (10^-8 Torr) oder darunter, eine Si-Strahlenintensität von 9,7 × 10¹⁴ Atome/ cm²s und eine Substrattemperatur von 900 bis 1000°C.

In diesem Fall wird über die Reaktion SiO₂ + Si → 2SiO↑ ein Reaktionsprodukt SiO mit beträchtlich hohem Dampfdruck erzeugt und durch diese Verdampfung mit dem Si ein Ätzen des SiO₂ selbst hervorgerufen.

Im Gegensatz dazu tritt an dem Siliziumnitrid keine derartige Ätzerscheinung gemäß den vorstehenden Ausführungen auf, während aber eine Kernbildung für das Si-Einkristall und das Wachstum des Einkristalls auftritt.

Infolgedessen kann zum Erreichen der gleichen Wirkung außer dem Siliziumnitrid als Material für das Bilden der Kernbildungs fläche SNDL mit hoher Kernbildungsdichte ND Tantaloxid Ta₂O₅, Siliziumnitridoxid SiON oder dergleichen benutzt werden. D. h., durch das Bilden der Kernbildungsfläche SNDL mit diesen Materialien in sehr kleinen Bereichen können gleicher maßen Si-Einkristalle gezüchtet werden.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung wird in jeder der Ausnehmungen in der Isolierschicht 113 bei den Ausführungsbeispielen unter Anwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens zur Einkristallzüchtung Einkristall-Siliziumschichten gebildet. Die Fig. 15A bis 15C veranschaulichen die Schritte bei der Erzeugung eines Silizium-Einkristalls und eines Transistors bei den jeweiligen Ausführungsbeispielen.

Nach Fig. 15A wird in der Isolierschicht 113 aus SiO₂ durch Ätzen eine Ausnehmung gebildet, in der auf einer kleinen Fläche ein anderes Material 120 (nämlich hierbei Si₃N₄) auf gebracht wird.

Danach wird ein n-Fremdstoffgas eingemischt, um einen Silizium einkristall zu züchten, der gemäß Fig. 15B die Ausnehmung mit n-Einkristall-Silizium ausfüllt, wonach der sich ergebende Bereich eingeebnet wird, um die Einkristall-Silizium schicht 114 zu bilden.

Gemäß Fig. 15C wird dann auf der Siliziumschicht 114 ein Gate-Oxidfilm 121 gebildet, auf dem mit einem Material wie Polysilizium oder dergleichen die Gate-Elektrode 108 ausgebildet wird.

Unter Verwendung der Gate-Elektrode 108 als Maske werden dann p-Fremdstoffionen implantiert, wonach durch eine darauffolgende Wärmebehandlung eine Sourcezone 122 und eine Drainzone 123 gebildet werden.

Gemäß der vorstehenden ausführlichen Beschreibung wird bei diesem Ausführungsbeispiel auf einer Schicht, die von derjenigen verschieden ist, auf der ein Transistor und ein Kondensator gebildet sind, eine Schaltvorrichtung für das Einstellen einer Steuerelektrodenzone auf ein erwünschtes Potential gebildet, so daß trotz der Anbringung einiger Anschlüsse ein feinerer Aufbau erzielt werden kann, wodurch eine Vorrichtung mit erhöhter Dichte und erhöhtem Auflösungsvermögen geschaffen wird.

Es ist anzumerken, daß als Schaltvorrichtung bei der Wandler vorrichtung Halbleiter-Schaltvorrichtungen wie Feldeffekt transistoren, bipolare Transistoren oder Dioden mit pn-Übergang zählen.

Es wird eine fotoelektrische Wandlervorrichtung mit einem Transistor, der eine Hauptelektrodenzone aus einem Halbleiter eines Leitungstyps und eine Steuerelektrodenzone aus einem Halbleiter des entgegengesetzten Leitungstyps hat, und mit einem Kondensator für das Steuern des Potentials der Steuer elektrodenzone in einem anschlußfreien Zustand angegeben, bei dem durch Steuerung des Potentials der Steuerelektrodenzone über den Kondensator auf optische Weise erzeugte Träger in der Steuerelektrodenzone gespeichert werden. Die Wandlervor richtung hat einen mehrschichtigen Aufbau, in welchem eine Schaltvorrichtung für das Einstellen der Steuerelektrodenzone auf ein gewünschtes Potential auf einer Schicht ausgebildet ist, die von derjenigen Schicht verschieden ist, auf der der Transistor und der Kondensator ausgebildet sind.

Claims

1. Fotoelektrische Wandlervorrichtung mit einem Transistor, der eine Hauptelektrodenzone aus einem Halbleiter eines Leitungstyps und eine Steuerelektrodenzone aus einem Halbleiter des entgegengesetzten Leitungstyps hat, und mit einem Kondensator für das Steuern des Potentials der Steuerelektroden zone im anschlußfreien Zustand, bei dem durch Steuern des Potentials der Steuerelektrodenzone über den Kondensator in der Steuerelektrodenzone optisch erzeugte Träger gespeichert werden, gekennzeichnet durch einen Mehrschichtaufbau, in dem eine Schaltvorrichtung (115) für das Einstellen der Steuerelektrodenzone (104) auf ein gewünschtes Potential auf einer Schicht (113) ausgebildet ist, die von derjenigen verschieden ist, auf der der Transistor (103, 104, 106) und der Kondensator (104, 109) ausgebildet sind.

2. Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (115) eine auf einer Isolier schicht (113) ausgebildete Halbleiter-Schaltvorrichtung ist.

3. Wandlervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Schaltvorrichtung (115) ein Transis tor mit isolierter Steuerelektrode ist.

4. Wandlervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Schaltvorrichtung eine Diode mit pn- Übergang ist.

5. Wandlervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Schaltvorrichtung ein bipolarer Transistor ist.