JP2505767B2 - 光電変換装置の製造方法 - Google Patents

光電変換装置の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光透過性基体上に設けられた半導体領域に
形成された光トランジスタを有し、該光透過性基体側か
ら光が入射する構成の光電変換装置の製造方法に関す
る。
［従来技術］ 光電変換装置の一つの方式として、キャパシタを介し
て電位が制御される光電荷蓄積領域を有する光電変換装
置がある。その構成については特開昭60-12759号公報〜
特開昭60-12765号公報に記載されている。
以下、この構成について簡単に説明する。
第13図（Ａ）は上記光電変換装置の平面図、第13図
（Ｂ）はそのＩ−Ｉ線断面図である。
両図において、ｎ型シリコン基板101上に光電変換セ
ルが配列されており、各光電変換セルはSiO2、Si3N4又
はポリシリコン等より成る素子分離領域102によって隣
接する光電変換セルから電気的に絶縁されている。
各光電変換セルは次のような構成を有する。
エピタキシャル技術等で形成される不純物濃度の低い
n-領域103上にはｐ型の不純物（たとえばボロン等）を
ドーピングすることでｐ領域104が形成され、ｐ領域104
には不純物拡散技術又はイオン注入技術等によってn+領
域105が形成されている。ｐ領域104およびn+領域105
は、各々NPNバイポーラトランジスタのベースおよびエ
ミッタである。
このように各領域が形成されたn-領域103上には酸化
膜106が形成され、酸化膜106上に所定の面積を有するキ
ャパシタ電極107が形成されている。キャパシタ電極107
は、酸化膜106を挟んでｐ領域104と対向し、キャパシタ
電極107にパルス電圧を印加することで浮遊状態にされ
たｐ領域104の電位を制御する。
その他に、n+領域105に接続されたエミッタ電極108、
エミッタ電極108から信号を外部へ読み出す配線109、キ
ャパシタ電極107に接続された配線110、基板101の裏面
に不純物濃度の高いn+領域111、及びバイポーラトラン
ジスタのコレクタに電位を与えるための電極112がそれ
ぞれ形成されている。
次に、基本的な動作を説明する。まず、バイポーラト
ランジスタのベースであるｐ領域104は負電位の初期状
態にあるとする。このｐ領域104に光が入射し、入射光
によって発生した電子・正孔対のうちの正孔がｐ領域10
4に蓄積され、これによってｐ領域104の電位が正方向に
上昇する（蓄積動作）。
続いて、エミッタ電極108を浮遊状態とし、キャパシ
タ電極107に読出し用の正電圧パルスを印加する。キャ
パシタ電極107に正電圧が印加されると、ベースである
ｐ領域104の電位が上昇してベース・エミッタ間が順バ
イアス状態となり、エミッタ・コレクタ間に蓄積動作時
のベース電位変化分に対応した電流が流れる。したがっ
て、浮遊状態としたエミッタ電極108に入射光量に対応
した電気信号が現われる（読出し動作）。その際、ベー
スであるｐ領域104の蓄積電荷量はほとんど減少しない
ために、同一光情報を繰返し読出すことが可能である。
また、ｐ領域104に蓄積された正孔を除去するには、
エミッタ電極108を接地し、キャパシタ電極107にリフレ
ッシュ用の正電圧パルスを印加することで、ｐ領域104
はn+領域105に対して順方向にバイアスされ、蓄積され
た正孔が接地されたエミッタ電極108を通して除去され
る。そして、リフレッシュ用の正電圧パルスが立下がっ
た時点でｐ領域104のベース電位は負電位の初期状態に
復帰する（リフレッシュ動作）。以後、同様に蓄積、読
出し、リフレッシュという各動作が繰り返される。
要するに、ここで提案されている方式は、光入射によ
り発生した電荷を、ベースであるｐ領域104に蓄積し、
その蓄積電荷量によってエミッタ電極108とコレクタ電
極112との間に流れる電流をコントロールするものであ
る。したがって、蓄積された電荷を、各セルの増幅機能
により電荷増幅してから読み出すわけであり、高出力、
高感度、さらに低雑音を達成できる。
［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、この様な光電変換装置は、以下に述べ
るような問題点を有していた。
すなわち、極めて高密度に集積されて各光電変換セル
の面積が微小になった場合、開口率が著しく低下し且つ
配線容量が増加する。言い換えると光励起によってベー
スに蓄積されたホールによって発生する電位Vpは低下し
ていく。
配線容量は、各光電変換セルの表面と配線材料の間の
絶縁層の厚さを厚くする，誘電率の低い材料を用いる等
の簡単な方法で対処できるが、開口率は各光電変換セル
表面に配線電極，素子分離域が存在するためにはほとん
ど改善の余地はなく、大規模に且つ高度に集積化される
につれて出力が低下するという問題点を有していた。
また従来の方法ではオンチップカラーフィルターに用
いる染料や顔料は素子表面上に直接堆積させていたため
に、染料，顔料中の汚染物質が容易に素子中に入るため
に、信頼性上大きな問題となっていた。
［問題点を解決するための手段］ 上記従来の問題点は、光透過性基体上に設けられた半
導体領域に形成された光トランジスタを有し、該光透過
性基体側から光が入射する構成の光電変換装置の製造方
法において、 非晶質材料からなる表面を有する凹部を備えた光透過
性基体を用意し、 該表面の一部に、該非晶質材料よりも核形成密度が高
くかつ成長して単結晶になる核が唯一形成されるに充分
微細な非晶質の異種材料からなる面を設け、 気相成長により該非晶質の異種材料からなる面上に形
成された核を成長させて該凹部内を満たす単結晶の半導
体領域を形成し、 該半導体領域に該光トランジスタを形成することを特
徴とする本発明の光電変換装置の製造方法によって解決
される。
［作用］ 本発明は、光透過性基体に形成された凹部の堆積面に
単結晶領域を形成し、この単結晶領域に光電変換セルを
形成したことにより、裏面側から光入射を行うことを可
能とするものである。
また、上記単結晶領域を形成する方法は、後述するよ
うに通常の半導体プロセスを用いることができ、何ら特
別な工程を必要としない。
また、従来のSOS（Silicon-On-Sapphire）技術のよう
な基本材料の制約がなく、またアルミニウムの素子への
拡散といった問題も生じない。
従って、開口率が改善されて高集積化が可能となり、
さらに汚染物質が素子中に入ることがないために、素子
の信頼性が向上する。
［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明す
る。
第１図（Ａ）〜（Ｅ）は本発明の光電変換装置の製造
方法の第１実施例の製造工程を示す縦断面図である。
まず、第１図（Ａ）に示すように、光透過性基体１に
必要な大きさおよび形状の凹部を形成し、その中に核形
成密度の大きい異種材料を薄く堆積させ、リソグラフィ
等によってパターニングすることで異種材料２を十分微
細に形成する。異種材料２は、後述するように、SiやＮ
等を薄膜にイオン注入して形成される過剰にSiやＮ等を
有する変質領域を用いてもよい。
次に適当な堆積条件によって異種材料２だけに薄膜材
料の単一の核が形成される。すなわち、異種材料２は、
単一の核のみが形成される程度に十分微細に形成する必
要がある。異種材料２の大きさは、材料の種類によって
異なるが、数ミクロン以下であればよい。更に、第１図
（Ｂ）に示すように、核は単結晶構造を保ちながら成長
し、島状の単結晶粒３となる。島状の単結晶粒３は単結
晶構造を保ちながら異種材料２を中心として更に成長
し、単結晶粒３が凹部を埋めるまで成長し、第１図
（Ｃ）に示すように単結晶領域を形成する。この単結晶
領域はコレクタ領域４となる。
次に、第１図（Ｄ）に示すように、コレクタ領域４の
一部にイオン注入法，及び熱拡散法等を用いて、ベース
領域５を形成する。次に単結晶表面にゲート酸化膜６を
ドライ酸化あるいはパイロジェニックによるウェット酸
化等により形成する。ベース領域５上の一部にはポリシ
リコン電極８をLPCVD法を用いて形成する。なお、この
ポリシリコン電極８はW,Mo等の高融点金属あるいは、W,
Mo等の高融点金属を用したシリサイド，ポリサイドを用
いても良い。LPCVD法によるポリシリコンを用いる場
合、温度600〜650℃，圧力0.2〜1.0Torr,SiH4流量20〜1
00sccmの条件で膜形成を行い、950℃程度でPOCl3を用い
たデポジションあるいはイオン注入によりＰを固溶限近
くまで高濃度にドープする。次に、フォトレジストによ
り形成したマスクパターンを用いて、エミッタ領域7,コ
レクタコンタクト領域９にイオン注入を行い、Ｐを高濃
度にドープする。
次に、第１図（Ｅ）に示すように、層間絶縁層10をCV
D法，バイアススパッタ法等を用いて堆積させる。さら
にコンタクトホールをフォトエッチングにより形成した
後、エミッタ領域７及びコレクタコンタクト領域９のそ
れぞれの電極11,12をAl,Al-Si,W,Mo,Wシリサイド,Moシ
リサイド,Ti,Tiシリサイド等により形成する。なお、本
実施例においては基体に光透過性材料を用いているため
光の入射方向は凹部と反対の面である基体側とすること
が可能である。従って本実施例においては、従来の構造
では遮光原因となっていた部分、すなわち各電極,Al配
線等の影響を一切受けない。このため素子表面側の開口
率に留意することなく、各光電変換セルの特性改善を図
ることが可能である。第２図（Ａ），（Ｂ）は特性改善
を行った光電変換装置の製造工程を示す縦断面図であ
る。
なお、第１図（Ｄ）に示したゲート酸化膜６の作製工
程までは同一工程で作製される。第１図（Ｅ）と比較す
ると、ベース領域にリフレッシュ用PMOSトランジスタが
付加されている。この構造は以下の製造工程で作製する
ことが可能である。
ゲート酸化膜６を作製し、第２図（Ａ）に示すよう
に、ポリシリコンあるいはMo,W等を用いてベースコンデ
ンサ電極８とPMOSトランジスタのゲート電極13を同時に
フォトエッチングにより形成する。次にコレクタコンタ
クト領域9,エミッタ領域７をイオン注入法を用いて形成
し、さらにPMOSのソース領域14,ドレイン領域15をセル
フアライン法を利用してイオン注入法により形成する。
次に、第２図（Ｂ）に示すょうに、層間絶縁膜10をCV
D法，バイアススパッタ法等を用いて堆積させる。しか
るのち、コレクタ電極12,エミッタ電極11,PMOSのソース
電極16を形成する。PMOSはリフレッシュ動作時にON状態
とされる。これによってベース電位を蓄積電荷量に関係
なく一定値にすることができ、高速リフレッシュ動作が
可能になるとともに、残像を防止することができる。
このようなPMOSを素子表面に形成しても、素子表面か
ら光が入射するために開口率には何ら影響しない。
次に、本発明の光電変換装置の製造方法の第２実施例
について説明する。
第３図は本発明の光電変換装置の製造方法の第２実施
例により製造された光電変換装置の縦断面図である。
以下、第３図を用いて本実施例により製造された光電
変換セルの構成について説明するが、その製造工程にお
いて、第１図（Ｅ）までは前記第１実施例と同様にして
作製される。本実施例においては、光透過性基体１の裏
面にフォトエッチングを用いてＶ字溝17を設ける。この
場合エッチングは出来る限り等方的に進行することが望
ましく、ドライエッチングばかりでなくウェットエッチ
ングも使用することができる。本実施例によれば、隣接
した光電変換セルの分離領域にＶ字型の溝を設け、分離
領域に入射した光を屈折によって有効に単結晶領域に照
射することができ、且つクロストークの少ないセンサを
作製することが可能となる。
裏面加工プロセスは光電変換セルを形成した後に形成
しても、光電変換セルを形成する前にあらかじめ加工し
ておき、その後に単結晶領域を形成して光電変換セルを
形成してもよい。
なお、本発明において、光を効率よく集光せしめるた
めの裏面加工は、Ｖ字溝ばかりでなく、曲面を用いたレ
ンズ状でもよい。
次に、本発明の光電変換装置の製造方法の第３実施例
について説明する。
、第４図は本発明の光電変換装置の製造方法の第３実施
例により製造された光電変換装置の縦断面図である。
なお、第２実施例と同様にして、その製造工程におい
て、第１図（Ｅ）までは前記第１実施例と同様にして作
製される。
同図に示すように、本実施例は光透過性基体１に光学
的性質の異なる光透過層18を一層付加したものであり、
例えば入射光の基体表面での乱反射を抑制するための無
反射層，カラーフィルター層等が形成される。
無反射層としては、例えばフッ化マグネシウム（Mg
F2），酸化ジリコニウム（ZrO2），アルミナ（Al2O3）
等を単層（MgF2）あるいは上記材料を積層させて作成す
る。
カラーフィルター層を形成する場合は、例えば、イエ
ロー，シアン，マゼンタの三原色の色素あるいはブル
ー，レッド，グリーン等のフィルター膜を適宜組み合わ
せて、フォトエッチング，リフトオフ等を用いて形成さ
れる。上記フィルター膜の構成材料としては、例えば、
レッドとしてはペリレン系顔料単独層あるいはペリレン
系顔料とイソインドリノン系顔料との積層、グリーンと
してはスタロシアニン系顔料単独層あるいはスタロシア
ニン系顔料とイソインドリノン系顔料との積層、ブルー
としてはスタロシアニン系顔料単独層等が用いられる。
次に、本発明の光電変換装置の製造方法の第４実施例
について説明する。
第５図は本発明の光電変換装置の製造方法の第４実施
例の一製造工程を示す縦断面図である。
本実施例の光電変換装置はダーク状態での基準出力を
得るためのもので、光を受ける光電変換セルとともに使
用されるものである。
この場合、光透過性基体１に凹部を設け、次にポリシ
リコン膜19をLPCVD等により堆積させる。このポリシリ
コン膜は遮光のために設けられるので必要なセル部分を
残して除去される。
次に、ポリシリコン表面を熱酸化しSiO2層20を形成し
た上で核形成のための異種材料２を形成する。以下の製
造工程は第１図（Ｂ）〜（Ｅ）と同一工程で作製され
る。
本実施例においては、単結晶領域が全てポリシリコン
膜19で覆われており、光が遮断されるので光照射の影響
をほぼなくすことができる。
このようなダークセルの出力は、他の放電変換セルの
暗信号を意味する。従って、他の光電変換セルの出力か
らダークセルの出力を差し引くことで、入射光に正しく
対応した電気信号を得ることができる。
次に、光透過性基体１上に形成された単結晶領域４の
形成方法について詳細に説明する。
まず、堆積面上に選択的に堆積膜を形成する選択択堆
積法について述べる。選択堆積法とは、表面エネルギ
ー、付着係数、脱離係数、表面拡散速度等という薄膜形
成過程での核形成を左右する因子の材料間での差を利用
して、基板上に選択的に薄膜を形成する方法である。
第６図（Ａ）および（Ｂ）は選択堆積法の説明図であ
る。まず同図（Ａ）に示すように、基板21上に、基板21
と上記因子の異なる材料から成る薄膜22を所望部分に形
成する。そして、適当な堆積条件によって適当な材料か
ら成る薄膜の堆積を行うと、薄膜23は薄膜22上にのみ成
長し、基板21上には成長しないという現象を生じさせる
ことができる。この現象を利用することで、自己整合的
に成形された薄膜23を成長させることができ、従来のよ
うなレジストを用いたリソグラフィ工程の省略が可能と
なる。
このような選択形成法による堆積を行うことができる
材料としては、たとえば基板21としてSiO2、薄膜22とし
てSi、GaAs、窒化シリコン、そして堆積させる薄膜23と
してSi、Ｗ、GaAs、InP等がある。
第７図は、SiO2の堆積面と窒化シリコンの堆積面との
核形成密度の経時変化を示すグラフである。
同グラフが示すように、堆積を開始して間もなくSiO2
上での核形成密度は103cm-2以下で飽和し、20分後でも
その値はほとんど変化しない。
それに対して窒化シリコン（Si3N4）上では、〜４×1
05cm-2で一旦飽和し、それから10分ほど変化しないが、
それ以降は急激に増大する。なお、この測定例では、Si
Cl4ガスをH2ガスで希釈し、圧力175Torr、温度1000℃の
条件下でCVD法により堆積した場合を示している。他にS
iH4、SiH2Cl2、SiHCl3、SiF4等を反応ガスとして用い
て、圧力、温度等を調整することで同様の作用を得るこ
とができる。また、真空蒸着でも可能である。
この場合、SiO2上の核形成はほとんど問題とならない
が、反応ガス中にHClガスを添加することで、SiO2上で
の核形成を更に抑制し、SiO2上でのSiの堆積を皆無にす
ることができる。
このような現象は、SiO2および窒化シリコンの材料表
面のSiに対する吸着係数、脱離係数、表面拡散係数等の
差によるところが大きいが、Si原子自身によってSiO2が
反応し、蒸気圧が高い一酸化シリコンが生成されること
でSiO2自身がエッチングされ、窒化シリコン上ではこの
ようなエッチング現象は生じないということも選択堆積
を生じさせる原因となっていると考えられる（T.Yoneha
ra,S.Yoshioka,S.Miyazawa Journal of Appiled Physic
s 53,6839,1982）。
このように堆積面の材料としてSiO2および窒化シリコ
ンを選択し、堆積材料としてシリコンを選択すれば、同
グラフに示すように十分に大きな核形成密度差を得るこ
とができる。なお、ここでは堆積面の材料としてSiO2が
望ましいが、これに限らずSiOxであっても核形成密度差
を得ることができる。
勿論、これらの材料に限定されるものではなく、核形
成密度の差が同グラフで示すように核の密度で103倍以
上であれば十分であり、後に例示するような材料によっ
ても堆積膜の十分な選択形成を行うことができる。
この核形成密度差を得る他の方法としては、SiO2上に
局所的にSiやＮ等をイオン注入して過剰にSiやＮ等を有
する領域を形成してもよい。
このような選択堆積法を利用し、堆積面の材料より核
形成密度の十分大きい異種材料を単一の核だけが成長す
るように十分微細に形成することによって、その微細な
異種材料の存在する箇所だけに単結晶を選択的に成長さ
せることができる。
なお、単結晶の選択的成長は、堆積面表面の電子状
態、特にダングリングボンドの状態によって決定される
ために、核形成密度の低い材料（たとえばSiO2）はバル
ク材料である必要はなく、任意の材料や基板等の表面の
みに形成されて上記堆積面を成していればよい。
第８図（Ａ）〜（Ｄ）は、単結晶形成方法の一例を示
す形成工程図であり、第９図（Ａ）および（Ｂ）は、第
８図（Ａ）および（Ｄ）における基板の斜視図である。
まず、第８図（Ａ）および第９図（Ａ）に示すよう
に、基板24上に、選択堆積を可能にする核形成密度の小
さい薄膜25を形成し、その上に核形成密度の大きい異種
材料を薄く堆積させ、リソグラフィ等によってパターニ
ングすることで異種材料26を十分微細に形成する。ただ
し、基板24の大きさ、結晶構造および組成は任意のもの
でよく、機能素子が形成された基板であってもよい。ま
た、異種材料26とは、上述したように、SiやＮ等を薄膜
25にイオン注入して形成される過剰にSiやＮ等を有する
変質領域も含めるものとする。
次に、適当な堆積条件によって異種材料26だけに薄膜
材料の単一の核が形成される。すなわち、異種材料26
は、単一の核のみが形成される程度に十分微細に形成す
る必要がある。異種材料26の大きさは、材料の種類によ
って異なるが、数ミクロン以下であればよい。更に、核
は単結晶構造を保ちながら成長し、第８図（Ｂ）に示す
ように島状の単結晶粒27となる。島状の単結晶粒27が形
成されるためには、すでに述べたように、薄膜25上で全
く核形成が起こらないように条件を決めることが必要で
ある。
島状の単結晶粒27は単結晶構造を保ちながら異種材料
26を中心として更に成長し、同図（Ｃ）に示すように薄
膜25全体を覆う。
続いて、エッチング又は研磨によって単結晶粒27を平
坦化し、第８図（Ｄ）および第９図（Ｂ）に示すよう
に、所望の素子を形成することができる単結晶層28が薄
膜25上に形成される。
このように堆積面の材料である薄膜25が基板24上に形
成されているために、支持体となる基板24は任意に材料
を使用することができ、更に基板24に機能素子等が形成
されたものであっても、その上に容易に単結晶層を形成
することができる。
なお、上記実施例では、堆積面の材料を薄膜25で形成
したが、選択堆積を可能にする核形成密度の小さい材料
から成る基板をそのまま用いて、単結晶層を同様に形成
してもよい。
（具体例） 次に、上記例における単結晶層の具体的形成方法を説
明する。
SiO2を薄膜105の堆積面材料とする。勿論、石英基板
を用いてもよいし、金属、半導体、磁性体、圧電体、絶
縁体等の任意の基板上に、スパッタ法、CVD法、真空蒸
着法等を用いて基板表面にSiO2層を形成してもよい。ま
た、堆積面材料としてはSiO2が望ましいが、SiOxとして
ｘの値を変化させたものでもよい。
こうして形成されたSiO2層25上に減圧気相成長法によ
って窒化シリコン層（ここではSi3N4層）を異種材料と
して堆積させ、通常のリソグラフィ技術又はＸ線、電子
線若しくはイオン線を用いたリソグラフィ技術で窒化シ
リコン層をパターニングし、数ミクロン以下、望ましく
は〜１μｍ以下の微小な異種材料２を形成する。
続いて、HClとH2と、SiH2Cl2、SiCl4、SiHCl3、SiF4
若しくはSiH4との混合ガスを用いて上記基板11上にSiを
選択的に成長させる。その際の基板温度は700〜1100
℃、圧力は約100Torrである。
数十分程度の時間で、SiO2上の窒化シリコンの微細な
異種材料26を中心として、単結晶のSiの粒27が成長し、
最適の成長条件とすることで、その大きさは数十μｍ以
上に成長する。
続いて、SiとSiO2との間にエッチング速度差がある反
応性イオンエッチング（RIE）によって、Siのみをエッ
チングして平坦化することで、粒径制御された多結晶シ
リコン層が形成され、更に粒界部分を除去して島状の単
結晶シリコン層28が形成される。なお、単結晶粒27の表
面の凹凸が大きい場合は、機械的研磨を行った後にエッ
チングを行う。
このようにして形成された大きさ数十μｍ以上で粒界
を含まない単結晶シリコン層28に、電界効果トランジス
タを形成すると、単結晶シリコンウエハに形成したもの
に劣らない特性を示した。
また、隣接する単結晶シリコン層28とはSiO2によって
電気的に分離されているために、相補型電界効果トラン
ジスタ（C-MOS）を構成しても、相互の干渉がない。ま
た、素子の活性層の厚さが、Siウエハを用いた場合より
薄いために、放射線を照射された時に発生するウエハ内
の電荷による誤動作がなくなる。更に、寄生容量が低下
するために、素子の高速化が図れる。また、任意の基板
が使用できるために、Siウエハを用いるよりも、大面積
基板上に単結晶層を低コストで形成することができる。
更に、他の半導体、圧電体、誘電体等の基板上にも単結
晶層を形成できるために、多機能の三次元集積回路を実
現することができる。
（窒化シリコンの組成） これまで述べてきたような堆積面材料と異種材料との
十分な核形成密度差を得るには、Si3N4に限定されるも
のではなく、窒化シリコンの組成を変化させたものでも
よい。
RFプラズマ中でSiH4ガスとNH3ガスとを分解させて低
温で窒化シリコン膜を形成するプラズマCVD法では、SiH
4ガスとNH3ガスとの流量比を変化させることで、堆積す
る窒化シリコン膜のSiとＮの組成比を大幅に変化させる
ことができる。
第10図は、SiH4とNH3の流量比と形成された窒化シリ
コン膜中のSiおよびＮの組成比との関係を示したグラフ
である。
この時の堆積条件は、RF出力175W、基板温度380℃で
あり、SiH4ガス流量を300cc/minに固定し、NH3ガスの流
量を変化させた。同グラフに示すようにNH3/SiH4のガス
流量比を４〜10へ変化させると、窒化シリコン膜中のSi
/N比は1.1〜0.58に変化することがオージェ電子分光法
によって明らかとなった。
また、減圧CVD法でSiH2Cl2ガスとNH3ガスとを導入
し、0.3Torrの減圧下、温度約800℃の条件で形成した窒
化シリコン膜の組成は、ほぼ化学量論比であるSi3N4（S
i/N＝0.75）に近いものであった。
また、SiをアンモニアあるいはN2中で約1200℃で熱処
理すること（熱窒化法）で形成される窒化シリコン膜
は、その形成方法が熱平衡下で行われるために、更に化
学量論比に近い組成を得ることができる。
以上の様に種々の方法で形成した窒化シリコンをSiの
核形成密度がSiO2より高い堆積面材料として用いて上記
Siの核を成長させると、その組成比により核形成密度の
差が生じる。
第11図は、Si/N組成比と核形成密度との関係を示すグ
ラフである。同グラフに示すように、窒化シリコン膜の
組成を変化させることで、その上に成長するSiの核形成
密度は大幅に変化する。この時の核形成条件は、SiCl4
ガスを175Torrに減圧し、1000℃でH2と反応させてSiを
生成させる。
このように窒化シリコンの組成によって核形成密度が
変化する現象は、単一の核を成長させる程度に十分微細
に形成される異種材料としての窒化シリコンの大きさに
影響を与える。すなわち、核形成密度が大きい組成を有
する窒化シリコンは、非常に微細に形成しない限り、単
一の核を形成することができない。
したがって、核形成密度と、単一の核が選択できる最
適な窒化シリコンの大きさとを選択する必要がある。た
とえば〜105cm-2の核形成密度を得る堆積条件では、窒
化シリコンの大きさは約４μｍ以下であれば単一の核を
選択できる。
（イオン注入による異種材料の形成） Siに対して核形成密度差を実現する方法として、核形
成密度の低い堆積面材料であるSiO2の表面に局所的にS
i,N,P,B,F,Ar,He,C,As,Ga,Ge等をイオン注入してSiO2の
堆積面に変質領域を形成し、この変質領域を核形成密度
の高い堆積面材料としても良い。
例えば、SiO2表面をレジストで覆い、所望の箇所を露
光、現像、溶解させてSiO2表面を部分的に表出させる。
続いて、SiF4ガスをソースガスとして用い、Siイオン
を10KeVで１×1016〜１×1018cm-2の密度でSiO2表面に
打込む。これによる投影飛程は114Åであり、SiO2表面
ではSi濃度が〜1022cm-3に達する。SiO2はもともと非晶
質であるために、Siイオンを注入した領域も非晶質であ
る。
なお、変質領域を形成するには、レジストをマスクと
してイオン注入を行うこともできるが、集束イオンビー
ム技術を用いて、レジストマスクを使用せずに絞られた
SiイオンをSiO2表面に注入してもよい。
こうしてイオン注入を行った後、レジストを剥離する
ことで、SiO2面にSiが過剰な変質領域が形成される。こ
のような変質領域が形成されたSiO2堆積面にSiを気相成
長させる。
第12図は、Siイオンの注入量と核形成密度との関係を
示すグラフである。
同グラフに示すように、Si+注入量が多い程、核形成
密度が増大することがわかる。
したがって、変質領域を十分微細に形成することで、
この変質領域を異種材料としてSiの単一の核を成長させ
ることができ、上述したように単結晶を成長させること
ができる。
なお、変質領域を単一の核が成長する程度に十分微細
に形成することは、レジストのパターニングや、集束イ
オンビームのビームを絞ることによって容易に達成され
る。
（CVD以外のSi堆積方法） Siの選択核形成によって単結晶を成長させるには、CV
D法だけでなく、Siを真空中（＜10-6Torr）で電子銃に
より蒸発させ、加熱した基板に堆積させる方法も用いら
れる。特に、超高真空中（＜10-9Torr）で蒸着を行うMB
E（Molecular Beam Epitaxy）法では、基板温度900℃以
上でSiビームとSiO2が反応を始め、SiO2上でのSiの核形
成は皆無になることが知られている（T.Yonehara,S,Yos
hioka and S.Miyazawa Journal of Applied Physics 5
3,10,p6839,1983）。
この現象を利用してSiO2上に点在させた微小な窒化シ
リコンに完全な選択性をもってSiの単一の核を形成し、
そこに単結晶Siを成長させることができた。この時の堆
積条件は、真空度10-8Torr以下、Siビーム強度9.7×10
14atoms/cm2・sec、基板温度900℃〜1000℃であった。
この場合、SiO2＋Si→2SiO↑という反応により、SiO
という蒸気圧の著しく高い反応生成物が形成され、この
蒸発によるSiO2自身のSiによるエッチングが生起してい
る。
これに対して、窒化シリコン上では上記エッチング現
象は起こらず、核形成、そして堆積が生じている。
したがって、核形成密度の高い堆積面材料としては、
窒化シリコン以外に、タンタル酸化物（Ta2O5）、窒化
シリコン酸化物（SiON）等を使用しても同様の効果を得
ることができる。すなわち、これらの材料を微小形成し
て上記異種材料とすることで、同様に単結晶を成長させ
ることができる。
以上詳細に説明した単結晶成長法によって、光透過性
基体上に単結晶領域が形成される。
［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、本発明の光電変換装置の
製造方法によれば、以下のような効果を奏する光電変換
装置を得ることができる。
（１）光透過性基体を用いるため裏面側からの入射光を
使用出来るためセルの大きさと開口面積が等しくなり、
光電変換効率が改善され出力が大きくなり、高集積化に
対応できる。
（２）光透過性基体をレンズ状に加工する事により、素
子分離域に入射しようとする光も光電変換セル内へ誘導
できので、集光効率の向上とクロストークの低減が図れ
る。
（３）光透過性基体に反射防止コーティング，色フィル
ター等をオンチップで設けることにより裏面入射の効果
を加えて従来のオンチップ化フィルターの欠点である汚
染物質からの保護という点でも基体そのものを保護膜と
することができる。
（４）単結晶領域を全てポリシリコン膜19で覆うことに
より、光が遮断されるので、光照射の影響をほぼなくす
ことができ、誤差の少ないダーク状態での基準出力を得
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図（Ａ）〜（Ｅ）は本発明の光電変換装置の製造方
法の第１実施例の製造工程を示す縦断面図である。 第２図（Ａ），（Ｂ）は特性改善を行った光電変換装置
の製造工程を示す縦断面図である。 第３図は本発明の光電変換装置の製造方法の第２実施例
により製造された光電変換装置の縦断面図である。 第４図は本発明の光電変換装置の製造方法の第３実施例
により製造された光電変換装置の縦断面図である。 第５図は本発明の光電変換装置の製造方法の第４実施例
の一製造工程を示す縦断面図である。 第６図（Ａ）および（Ｂ）は選択堆積法の説明図であ
る。 第７図は、SiO2の堆積面と窒化シリコンの堆積面との核
形成密度の経時変化を示すグラフである。 第８図（Ａ）〜（Ｄ）は、単結晶形成方法の一例を示す
形成工程図である。 第９図（Ａ）および（Ｂ）は、第６図（Ａ）および
（Ｄ）における基板の斜視図である。 第10図は、SiH4とNH3の流量比と形成された窒化シリコ
ン膜中のSiおよびＮの組成比との関係を示したグラフで
ある。 第11図は、Si/N組成比と核形成密度との関係を示すグラ
フである。 第12図は、Siイオンの注入量と核形成密度との関係を示
すグラフである。 第13図（Ａ）は光電変換装置の平面図、第13図（Ｂ）は
そのＩ−Ｉ線断面図である。 １……光透過性基体 ２……異種材料 ３……単結晶粒 ４……コレクタ領域 ５……ベース領域 ６……ゲート酸化膜 ７……エミッタ領域 ８……ポリシリコン電極 ９……コレクタコンタクト領域 10……層間絶縁層 11……エミッタ電極 12……コレクタ電極

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光透過性基体上に設けられた半導体領域に
    形成された光トランジスタを有し、該光透過性基体側か
    ら光が入射する構成の光電変換装置の製造方法におい
    て、 非晶質材料からなる表面を有する凹部を備えた光透過性
    基体を用意し、 該表面の一部に、該非晶質材料よりも核形成密度が高く
    かつ成長して単結晶になる核が唯一形成されるに充分微
    細な非晶質の異種材料からなる面を設け、 気相成長により該非晶質の異種材料からなる面上に形成
    された核を成長させて該凹部内を満たす単結晶の半導体
    領域を形成し、 該半導体領域に該光トランジスタを形成することを特徴
    とする光電変換装置の製造方法。
  2. 【請求項２】該光透過性基体の光入射側にＶ字溝又はレ
    ンズ状の加工が施されている特許請求の範囲第１項記載
    の光電変換装置の製造方法。
  3. 【請求項３】該光透過性基体の光入射側の表面に無反射
    層又はカラーフィルタ層が設けられている特許請求の範
    囲第１項記載の光電変換装置の製造方法。
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