JP2838318B2 - 感光装置及びその作製方法 - Google Patents
感光装置及びその作製方法Info
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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Description
本発明は画像読み取り装置に関し、特に原稿の幅方向
に対応させた光電変換素子を有するものであり、ファク
シミリ装置、イメージリーダ、ディジタル複写機等に適
用可能な画像読み取り装置に関する。
に対応させた光電変換素子を有するものであり、ファク
シミリ装置、イメージリーダ、ディジタル複写機等に適
用可能な画像読み取り装置に関する。
従来、これらの画像読み取り装置は非密着型、密着
型、完全密着型に大別されている。 近年では、ファクシミリ装置、イメージリーダ、ディ
ジタル複写機等の小型、軽量化に合わせて、画像読み取
り装置も小型化、軽量化が要求されている。その為、密
着型または完全密着型の画像読み取り装置が主流となっ
ているが、さらなる小型化および軽量化が求められてい
る。 一方、読み取り画像の高精細化、高階調化の要求も同
時にあり、光に対する応答性の良い画像読み取り装置も
求められている。 また、画像読み取り装置に使用される光電変換素子と
しては、一般にフォトコン型とダイオード型が知られて
いる。フォトコン型は大電流を流すことができるが、光
に対する応答性は悪い。逆にダイオード型は小電流しか
流せないが、光に対する応答性は非常に良い。近年では
高階調化の要求に答える為ダイオード型が主として採用
されつつある。 このダイオード型の一例として、光電変換素子があ
る。これはPNまたはPIN接合を単結晶珪素半導体、多結
晶珪素半導体あるいは非晶質珪素半導体を使用しての珪
素基板又は絶縁基板上に形成した構成が良く知られてい
る。従来の光電変換素子はこのPNまたはPIN接合を単結
晶の珪素基板または絶縁性基板上に積層された半導体層
の表面と裏面にその＋電極または−電極を有するように
形成され、その接合面は半導体層または基板の主面に実
質的に平行に設け、この接合面に光が多量に照射される
ように工夫がなされていたにすぎなかった。 これら従来の光電変換素子は半導体層または半導体基
板の主面に平行に接合面を設けていた為、半導体中に設
けられたPNまたはPIN接合により半導体内部に発生する
電界のかかる方向と光照射面が垂直となり、光照射強度
が電界のかかる方法で一様ではなく、効率よく電子・ホ
ールを発生させ、外部に取り出すことはできなかった。 また、非晶質半導体を使用した光電変換装置の場合光
照射により発生したキャリアは半導体材料自身の持つ拡
散長が短い為に、光照射により発生したキャリアを有効
的に外部に取り出すことができないと言う問題があっ
た。 前述のように、画像読み取り装置に求められるのは小
型化、高速応答性と光感度の効率化であった。また、こ
の種の装置に当然求められるのとして低コスト化があ
る。 本発明はこれらの問題を完全する画像読み取り装置に
関するものである。
型、完全密着型に大別されている。 近年では、ファクシミリ装置、イメージリーダ、ディ
ジタル複写機等の小型、軽量化に合わせて、画像読み取
り装置も小型化、軽量化が要求されている。その為、密
着型または完全密着型の画像読み取り装置が主流となっ
ているが、さらなる小型化および軽量化が求められてい
る。 一方、読み取り画像の高精細化、高階調化の要求も同
時にあり、光に対する応答性の良い画像読み取り装置も
求められている。 また、画像読み取り装置に使用される光電変換素子と
しては、一般にフォトコン型とダイオード型が知られて
いる。フォトコン型は大電流を流すことができるが、光
に対する応答性は悪い。逆にダイオード型は小電流しか
流せないが、光に対する応答性は非常に良い。近年では
高階調化の要求に答える為ダイオード型が主として採用
されつつある。 このダイオード型の一例として、光電変換素子があ
る。これはPNまたはPIN接合を単結晶珪素半導体、多結
晶珪素半導体あるいは非晶質珪素半導体を使用しての珪
素基板又は絶縁基板上に形成した構成が良く知られてい
る。従来の光電変換素子はこのPNまたはPIN接合を単結
晶の珪素基板または絶縁性基板上に積層された半導体層
の表面と裏面にその＋電極または−電極を有するように
形成され、その接合面は半導体層または基板の主面に実
質的に平行に設け、この接合面に光が多量に照射される
ように工夫がなされていたにすぎなかった。 これら従来の光電変換素子は半導体層または半導体基
板の主面に平行に接合面を設けていた為、半導体中に設
けられたPNまたはPIN接合により半導体内部に発生する
電界のかかる方向と光照射面が垂直となり、光照射強度
が電界のかかる方法で一様ではなく、効率よく電子・ホ
ールを発生させ、外部に取り出すことはできなかった。 また、非晶質半導体を使用した光電変換装置の場合光
照射により発生したキャリアは半導体材料自身の持つ拡
散長が短い為に、光照射により発生したキャリアを有効
的に外部に取り出すことができないと言う問題があっ
た。 前述のように、画像読み取り装置に求められるのは小
型化、高速応答性と光感度の効率化であった。また、こ
の種の装置に当然求められるのとして低コスト化があ
る。 本発明はこれらの問題を完全する画像読み取り装置に
関するものである。
本発明は基板上の同一の半導体膜部に選択的にＰ型ま
たはＮ型の不純物領域を持つ光電変換素子を有する画像
読み取り装置であって、前記光電変換素子に用いられた
半導体膜と同じ半導体膜を使用した薄膜トランジスタ
（以下、TFTという）を同一基板上に設けた構成を有す
ることを特徴とする画像読み取り装置であります。 さらにまた、この画像読み取り装置に使用される光電
変換素子において、前記Ｐ型またはＮ型の不純物領域に
よって形成される電界方向と光照射面とを平行にしたこ
とを特徴とする画像読み取り装置であります。 そして、これら光電変換素子と薄膜トランジスタとを
同じ半導体膜を使用して作製し、不純物領域作製も同時
に作製し、工程の簡略化とコストの低減を実現するもの
であります。 加えて、読み取り回路の一部を構成するTFTは相補型
構成とすることも可能で、この時Ｐチャネルトランジス
タ作成時に同時に光電変換素子のＰ型不純物領域を同一
マスクを使用して作成することができる。同様にＮチャ
ネルトランジスタ作成時に同時に光電変換素子のＮ型不
純物領域を同一マスクを使用して作成することができる
特徴を持つ。 また、この半導体膜はセミアモルファスまたはセミク
リスタル半導体より構成されることによりアモルファス
半導体では得られない、大きな拡散長を持ち、単結晶あ
るいは多結晶半導体では得られない大きな光吸収係数を
持つ半導体膜であり、これにより、半導体膜厚をうすく
できかつ、長い拡散長を持つ光電変換素子とすることが
できる。 また、この半導体膜はホール移動度として10〜200cm2
/Vsec、電子移動度として15〜300cm2/Vsecの特性を有し
ているので、このTFTは非常に早い速度で応答すること
ができる特徴を有している。 上記のような構成の光電変換素子においてはＰ型拡散
領域とＮ型拡散領域との間の光電変換領域にて発生した
キャリアを半導体層の持つ長い拡散長により、効率良く
外部に電力を取り出すことができる。さらに、同一の半
導体膜の光照射面より、Ｐ型の領域、Ｎ型の領域をその
半導体の深さ方向に形成したことにより、Ｐ型の領域と
Ｎ型の領域間での電界方向での光強度が一定となり光電
変換効率の向上を実現することができる。 本願発明に用いられるセミアモルファスまたはセミク
リスタル半導体について、そのメカニズムを略記する。 本発明のセミアモルファス又はセミクリスタル半導体
膜はLPCVD法、スパッタ法あるいはPCVD法等により膜形
成の後に熱結晶化処理を施して得られるが、以下にはス
パッタ法を例にとり説明をする。 すなわちスパッタ法において単結晶のシリコン半導体
をターゲットとし、水素とアルゴンとの混合気体でスパ
ッタをすると、アルゴンの重い原子のスパッタ（衝撃）
によりターゲットからは原子状のシリコンも離れ、被形
成面を有する基板上に飛しょうするが、同時に数十〜数
十万個の原子が固まった塊がクラスタとしてターゲット
から離れ、被形成面に飛しょうする。 この飛しょう中は、水素がこのクラスタの外周辺の珪
素の不対結合手と結合し、被形成面上に秩序性の比較的
高い領域として作られる。 すなわち、被膜形成面上には秩序性の高い、かつ周辺
にSi−Ｈ結合を有するクラスタと純粋のアモルファス珪
素との混合物とする。これを450℃〜700℃の非酸化性気
体中での熱処理により、クラスタの外周辺のSi−Ｈ結合
は他のSi−Ｈ結合と反応し、Si−Si結合を作る。 しかし、この結合はお互い引っぱりあうと同時に、秩
序性の高いクラスタはより高い秩序性の高い状態、すな
わち結晶化に相を移そうとする。しかし隣合ったクラス
タ間は、互いに結合したSi−Siがそれぞれのクラスタ間
を引っぱりあう。その結果は、結晶は格子歪を持ちレー
ザラマンでの結晶ピークは単結晶の520cm-1より低波数
側にずれて測定される。 また、このクラスタ間のSi−Si結合は互いのクラスタ
をアンカリング（連結）するため、各クラシタでのエネ
ルギバンドはこのアンカリングの個所を経て互いに電気
的に連結しあえる。そのため結晶粒界がキャリアのバリ
アとして働く多結晶シリコンとは根本的に異なり、キャ
リア移動度も10〜300cm2/V Secを得ることができる。 つまり本発明の如く、かかる定義に基づくセミアモル
ファスまたはセミクリスタルは見掛け上結晶性が持ちな
がらも、電気的には結晶粒界が実質的にない状態を予想
できる。 もちろん、アニール温度がシリコン半導体の場合の45
0℃〜700℃という中温アニールではなく、1000℃または
それ以上の結晶成長をともなう結晶化をさせる時はこの
結晶成長により、膜中の酸素等が粒界に折出し、バリア
を作ってしまう。これは、単結晶と同じ結晶と粒界のあ
る材料である。 またこの半導体におけるクラスタ間のアンカリングの
程度を大きくすると、よりキャリア移動度は大きくな
る。このためにはこの膜中にある酸素量を７×1019cm-3
好ましくは１×1019cm-3以下にすると、さらに600℃よ
りも低い温度で結晶化ができるに加えて、高いキャリア
移動度を得ることができる。 以下に実施例に従い本発明を説明する。 『実施例１』 第１図は本発明の画像読み取り装置のうち光電変換素
子部及びTFT部についての製作工程を示す縦断面図であ
る。第１図（Ａ）において、基板（１）は導電性または
絶縁性基板を使用することができる。この基板は安価で
あり以降の被膜形成工程に対し機械的強度並びに耐熱性
を有していることがその要件である。 この為本実施例においては、陶器、セラミック、また
は、ガラス基板を主として用いた。 第１図において、ＰチャネルTFT領域、ＮチャネルTFT
領域及び光電変換領域は各々（100），（200），（30
0）で示されている。 基板（１）として、ANガラス、パイレックスガラス等
の約600℃の熱処理に耐え得るガラス上にマグネトロンR
F（高周波）スパッタ法を用いてブロッキング層として
の酸化珪素膜（２）を1000〜3000Åの厚さに作製した。 プロセス条件は酸素100％雰囲気、成膜温度150℃、出
力400〜800W、圧力0.5Paとした。ターゲットに石英また
は単結晶シリコンを用いた成膜速度は30〜100Å／分で
あった。 さらにこの上にシリコン膜（３）をLPCVD法、スパッ
タ法またはプラズマCVD法により形成した。 減圧気相法で形成する場合、結晶化温度よりも100〜2
00℃低い450〜550℃、例えば530℃でジシラン（Si2H6）
またはトリシラン（Si3H8）をCVD装置に供給して成膜し
た。反応炉内圧力は30〜300Paとした。成膜速度50〜250
Å／分であった。 スパッタ法で行う場合、スパッタ前の背圧を１×10-5
Pa以下とし、単結晶シリコンをターゲットとし、アルゴ
ンに水素を20〜80％に混入した雰囲気で行った。例えば
アルゴン20％、水素80％とした。成膜温度は150℃、周
波数は13.56MHz、スパッタ出力400〜800Wとした。圧力
は0.5Paであった。 プラズマCVD法により珪素膜を作製する場合、その温
度は例えば300℃とし、モノシラン（SiH4）またはジシ
ラン（Si2H6）を用いた。これらをPCVD装置内に導入
し、13.56MHzの高周波電力を加えて成膜した。 これらの方法によって形成された被膜は、酸素が７×
1019cm-3以下、好ましくは１×1019cm-3以下の濃度であ
ることが好ましい。そのような範囲にあった場合、珪素
膜を結晶化をさせる場合、結晶化の程度を助長させ得る
からである。 例えばSIMS（二次イオン質量分析）法における不純物
濃度として酸素が８×1018cm-3、炭素３×1016cm-3を
得、また水素は４×1020cm-3であり、珪素４×1022cm-3
として比較すると１原子％であった。 かくして、アモルファス状態の珪素膜を2000Å〜２μ
ｍ、例えば１μｍの厚さに作製の後、450〜700℃の温度
にて12〜70時間非酸化物雰囲気にて中温の加熱処理し
た。例えば窒素または水素雰囲気にて600℃の温度で保
持した。 この珪素膜の下の基板表面にはアモルファス状態の酸
化珪素膜が形成されているため、この熱処理で珪素膜中
に特定の核が存在せず、全体が均一に加熱アニールされ
る。即ち、成膜時はアモルファス構造を有し、また水素
は単に混入しているのみである。 このアニールにより、珪素膜はアモルファス構造から
秩序性の高い状態に移り、その一部は結晶状態を呈す
る。特にシリコンの成膜時に比較的秩序性の高い領域は
特に結晶化をして結晶状態となろうとする。しかしこれ
らの領域間に存在する珪素により互いの結合がなされる
ため、珪素同志は互いにひっぱりあう。結晶としてもレ
ーザラマン分光により測定すると、単結晶の珪素のピー
ク522cm-1より低周波側にシフトしたピークが観察され
る。それの見掛け上の粒径は半値巾から計算すると、50
〜500Åとマイクロクリスタルのようになっているが、
実際はこの結晶性の高い領域は多数あってクラスタ構造
を有し、その各スラスタ間は互いに珪素同志で結合（ア
ンカリング）がされたセミアモルファス構造の被膜を形
成させることができた。 結果として、この被膜は実質的にグレインバウンダリ
（GBという）がないといってもよい状態を呈する。キャ
リアは各クラスタ間をアンカリングされた個所を通じ互
いに容易に移動し得るため、いわゆるGBの明確に存在す
る多結晶珪素よりも高いキャリア移動度となる。即ちホ
ール移動度（μｈ）＝10〜200cm2/Vsec、電子移動度
（μｅ）＝15〜300cm2/Vsecが得られる。同様にキャリ
アの拡散長も数μｍから十数μｍと多結晶半導体と同等
またはそれ以上の値が得られる。 他方、上記の如く中温でのアニールではなく、900〜1
200℃の温度での高温アニールにより被膜を多結晶化す
ると、核からの固相成長により被膜中の不純物の偏析が
おきて、GBには酸素、炭素、窒素等の不純物が多くな
り、結晶中の移動度は大きいが、GBでのバリア（障壁）
を作ってそこでのキャリアの移動を阻害してしまう。そ
して結果としては10cm2/Vsec以上の移動度がなかなか得
られないのが実情である。 即ち、本発明の実施例ではかくの如く、セミアモルフ
ァスまたはセミクリスタル構造を有するシリコン半導体
（３）を用いている。 次に、この半導体層をフォトマスクを用いてフォト
リソグラフィプロセスにより必要部分のみを残してパタ
ーニングし、第１図（Ａ）の状態を得た。 またこの上に酸化珪素膜（４）を厚さ500〜2000Å例
えば1000Åに形成した。これはブロッキング層としての
酸化珪素膜（２）の作製と同一条件とした。この成膜中
に弗素を少量添加させてもよい。この酸化珪素膜はTFT
領域（100），（200）ではゲイト絶縁膜として機能す
る。 さらにこの後、この上側にリンが１〜５×1020cm-3の
濃度に入ったシリコン膜またはこのシリコン膜とその上
にモリブデン（Mo）、タングステン（Ｗ）,MoSi2または
WSi2との多層膜を形成した。これを第２のフォトマスク
にてパターニングした。そしてPTFT用のゲイト電極
（５）,NTFT用のゲイト電極（５′）を形成した。例え
ばチャネル長10μｍ、ゲイト電極としてリンドープ珪素
を0.3μｍ、その上にモリブデンを0.2μｍの厚さに形成
した。この時同時に光電変換素子領域（300）において
も、Ｉ型半導体領域に相当するマスク（５″）を同時に
同じフォトマスクを使用して形成した。 第１図（Ｃ）において、フォトレジスト（６）をフォ
トマスクを用いて形成し、PTFT用のソース（７）、ド
レイン（８）に対し、ホウ素を１×1015cm-2のドーズ量
でイオン注入法により添加した。また、同時に光電変換
素子領域のＰ型不純物領域にも同様にホウ素を注入し
た。この時NTFT（200）を覆っているのと同じフォトレ
ジスト（６）でＮ型不純物領域となるべき部分とマスク
（５″）をマスクし、ホウ素が注入されないようにし
た。 次に、第１図（Ｄ）の如く、フォトレジスト（13）を
フォトマスクを用いて形成した。そしてNTFT用のソー
ス（10）、ドレイン（11）としてリンを１×1015cm-2の
量、イオン注入法により添加した。また、同時に光電変
換素子領域のＰ型不純物領域にも同様にホウ素を注入し
た。この時PTFT（100）を覆っているのと同じフォトレ
ジスト（13）でＰ型不純物領域となるべき部分とマスク
（５″）をマスクし、ホウ素が注入されないようにし
た。 これらは絶縁膜（４）を通じて行った。しかし第１図
（Ｂ）において、ゲイト電極（５），（５′）及びマス
ク（５″）をマスクとしてシリコン膜上の酸化珪素を除
去し、その後、ホウ素、リンを直接珪素膜中にイオン注
入してもよい。 次に、600℃にて10〜50時間再び加熱アニールを行っ
た。そしてPTFTのソース（７），ドレイン（８）,NTFT
のソース（10），ドレイン（11）、光電変換素子のＰ型
不純物領域（９）Ｎ型不純物領域（10）を不純物を活性
化してP+、N+として作製した。 またゲイト電極（５），（５′）下にはチャネル形成
領域（14），（15）がマスク（５″）の下には真性の半
導体層がセミアモルファス半導体として形成されてい
る。 かくすると、セルフアライン方式でありながらも、70
0℃以上にすべての温度を加えることがなく相補型構成
のTFTと光電変換素子とを作ることができる。そのた
め、基板材料として、石英等の高価な基板を用いなくて
もよく、本発明の画像読み取り装置にきわめて適してい
るプロセスである。 熱アニールは第１図（Ａ），（Ｄ）で２回行った。し
かし第１図（Ａ）の段階で行なうアニールは求める特性
により省略可能であり、双方を第１図（Ｄ）の段階での
アニールにより兼ねさせて製造時間の短縮を図ってもよ
い。 次にフォトマスクを使用して、光電変換素子領域以
外をフォトレジストでマスクし、光電変換素子領域上の
マスク（５″）をドライまたはウェットの任意の方法に
よりエッチング除去する。 次に第１図（Ｅ）において、層間絶縁物（16）を前記
したスパッタ法により酸化珪素膜の形成として行った。
この酸化珪素膜の形成はLPCVD法、光CVD法を用いてもよ
い。例えば0.2〜0.7μｍの厚さに形成した。その後、フ
ォトマスクを用いて電極用の窓（17）を形成した。 さらにこれら全体をアルミニウムをスパッタ法により
形成し、リード（18），（19），（20），（21），（2
2）（23）をフォトマスクを用いて作製した。かくの
如くにしてPTFT（100）とNTFT（200）と光電変換素子
（300）とを同一ガラス基板（１）上に同一の半導体膜
を使用して作製した。第１図（Ｆ） かかるTFTの特性を略記する。 移動度（μcm2/Vs） Vth（Ｖ） PTFT 20 −３ NTFT 30 ＋３ かかる半導体を用いることにより、一般に不可能とさ
れていたTFTに大きな移動度を作ることができた。本実
施例においては、光電変換素子の出力のスイッチング素
子としてはNTFTを採用し、相補型構成としてのTFTは周
辺の読み取り回路部分に採用した。 かかる光電変換素子の＋と−の電極が従来の装置のよ
うに半導体層を挟んで半導体膜積層方向に無いため、こ
の両電極間が半導体膜作製時に形成されるピンンホール
によりショートすることがなく、漏れ電流の非常に少な
い光電変換素子とすることができた。 『実施例２』 第２図のように本実施例は実施例１にて作製した画像
読み取り装置の光電変換素子、部分とほぼ似た構造であ
る。 但し半導体膜（３）の光照射面側にアモルファスシリ
コン半導体膜（24）が3000Åの厚さに形成されている。
その他の形成方法等は実施例１と同様である。 このアモルファスシリコン半導体膜（24）はその下地
の半導体膜（３）より光の吸収係数は大きいそのため本
実施例の場合は光照射によりキャリアは半導体膜（24）
で多量に発生した後、半導体膜（３）にドリフトし半導
体層（３）を通路として移動し＋電極、−電極より外部
に取り出される。また同時に半導体膜（３）においても
光照射によりキャリアは発生しているが、半導体膜の光
感度に波長依存性が存在するので、本実施例構成により
幅広い波長域の光を電気に変換することが可能となる。 また、半導体膜（24）は半導体膜（３）に比べて、そ
のエネルギーバンド巾が広いので、半導体膜（３）で発
生したキャリアが半導体膜（24）にドリフトする事を防
止し、かつ半導体膜（24）が発生したキャリアはそのエ
ネルギーバンドの勾配にそって半導体膜（３）に移動す
る、その為発生したキャリアをより効率よく外部に取り
出すことが可能となった。 この様子を第３図（Ａ）（Ｂ）に示す。第３図（Ａ）
は第２図のＡ−A'線に沿ったエネルギーバンド図であ
り、第３図（Ｂ）は第２図のＢ−B'線に沿ったエネルギ
ーバンド図を示している。 『実施例３』 本実施例は実施例１とほぼ同様の構成を有している
が、光電変換素子と同じ半導体膜を使用したTFTはNTFT
のみとし、光電変換素子のＮ型領域作成時に同時に作成
し、Ｐ型領域作成時にはフォトレジストによりマスクさ
れている為Ｐ型不純物は混入しない。本実施例のような
場合、相補型とは異なりPTFTとNTFTのVthをそろえる必
要がなく、作成プロセス上の許容範囲が広くなると言う
特徴を持っている。 上記の実施例においては何れも光を基板とは逆の方向
より導入する構成となっているが、特にこの構成に限定
されることはなく、基板側より光を導入することも可能
である。 その際、半導体膜の光感度により、半導体の電気的特
性に影響が発生するならば、遮光膜を必要に応じて設け
てもよい。 更に、半導体膜の厚みを増してその半導体膜の基板側
に酸素、窒素等の元素を添加して、部分的に半導体膜の
光感度を悪くして、この問題を解決することもできる。
この場合遮光膜を絶縁することが不要となり、より簡単
なプロセスで実現することができる。 『発明の効果』 本発明の様な構成をとることにより、簡単なプロセス
で、低コストの画像読み取り装置を実現することができ
た。すなわち、工程数の低減及びフォトマスク数の低減
を実現することができた。 また、基板上に読み取り回路の一部を設けているので
小型化でき、応答速度の早いTFTを設けたので、より高
速の画像読み取りが可能となる。 加えて、相補型構成を簡単な、低コストのプロセスで
実現できたので、幅広い読み取り回路を適用する自由度
が増し、さらにその後段の回路をIC化しやすくなった。 また光照射により発生したキャリアは半導体膜の平面
方向に拡散するので、半導体膜形成により膜厚方向にで
きる界面の影響を受けずに、効率良く外部に取り出され
る。 その他の特徴としては、＋電極及び−電極が一表面に
のみ形成されている為、半導体作製の際、その熱的スト
レスを考慮する必要はない。 安価な基板特に陶器，セラミックス，ガラス等の絶縁
基板を用いており、しかもこの基板上に半導体を１〜50
μの薄さで形成させるためその材料費が安価である。
たはＮ型の不純物領域を持つ光電変換素子を有する画像
読み取り装置であって、前記光電変換素子に用いられた
半導体膜と同じ半導体膜を使用した薄膜トランジスタ
（以下、TFTという）を同一基板上に設けた構成を有す
ることを特徴とする画像読み取り装置であります。 さらにまた、この画像読み取り装置に使用される光電
変換素子において、前記Ｐ型またはＮ型の不純物領域に
よって形成される電界方向と光照射面とを平行にしたこ
とを特徴とする画像読み取り装置であります。 そして、これら光電変換素子と薄膜トランジスタとを
同じ半導体膜を使用して作製し、不純物領域作製も同時
に作製し、工程の簡略化とコストの低減を実現するもの
であります。 加えて、読み取り回路の一部を構成するTFTは相補型
構成とすることも可能で、この時Ｐチャネルトランジス
タ作成時に同時に光電変換素子のＰ型不純物領域を同一
マスクを使用して作成することができる。同様にＮチャ
ネルトランジスタ作成時に同時に光電変換素子のＮ型不
純物領域を同一マスクを使用して作成することができる
特徴を持つ。 また、この半導体膜はセミアモルファスまたはセミク
リスタル半導体より構成されることによりアモルファス
半導体では得られない、大きな拡散長を持ち、単結晶あ
るいは多結晶半導体では得られない大きな光吸収係数を
持つ半導体膜であり、これにより、半導体膜厚をうすく
できかつ、長い拡散長を持つ光電変換素子とすることが
できる。 また、この半導体膜はホール移動度として10〜200cm2
/Vsec、電子移動度として15〜300cm2/Vsecの特性を有し
ているので、このTFTは非常に早い速度で応答すること
ができる特徴を有している。 上記のような構成の光電変換素子においてはＰ型拡散
領域とＮ型拡散領域との間の光電変換領域にて発生した
キャリアを半導体層の持つ長い拡散長により、効率良く
外部に電力を取り出すことができる。さらに、同一の半
導体膜の光照射面より、Ｐ型の領域、Ｎ型の領域をその
半導体の深さ方向に形成したことにより、Ｐ型の領域と
Ｎ型の領域間での電界方向での光強度が一定となり光電
変換効率の向上を実現することができる。 本願発明に用いられるセミアモルファスまたはセミク
リスタル半導体について、そのメカニズムを略記する。 本発明のセミアモルファス又はセミクリスタル半導体
膜はLPCVD法、スパッタ法あるいはPCVD法等により膜形
成の後に熱結晶化処理を施して得られるが、以下にはス
パッタ法を例にとり説明をする。 すなわちスパッタ法において単結晶のシリコン半導体
をターゲットとし、水素とアルゴンとの混合気体でスパ
ッタをすると、アルゴンの重い原子のスパッタ（衝撃）
によりターゲットからは原子状のシリコンも離れ、被形
成面を有する基板上に飛しょうするが、同時に数十〜数
十万個の原子が固まった塊がクラスタとしてターゲット
から離れ、被形成面に飛しょうする。 この飛しょう中は、水素がこのクラスタの外周辺の珪
素の不対結合手と結合し、被形成面上に秩序性の比較的
高い領域として作られる。 すなわち、被膜形成面上には秩序性の高い、かつ周辺
にSi−Ｈ結合を有するクラスタと純粋のアモルファス珪
素との混合物とする。これを450℃〜700℃の非酸化性気
体中での熱処理により、クラスタの外周辺のSi−Ｈ結合
は他のSi−Ｈ結合と反応し、Si−Si結合を作る。 しかし、この結合はお互い引っぱりあうと同時に、秩
序性の高いクラスタはより高い秩序性の高い状態、すな
わち結晶化に相を移そうとする。しかし隣合ったクラス
タ間は、互いに結合したSi−Siがそれぞれのクラスタ間
を引っぱりあう。その結果は、結晶は格子歪を持ちレー
ザラマンでの結晶ピークは単結晶の520cm-1より低波数
側にずれて測定される。 また、このクラスタ間のSi−Si結合は互いのクラスタ
をアンカリング（連結）するため、各クラシタでのエネ
ルギバンドはこのアンカリングの個所を経て互いに電気
的に連結しあえる。そのため結晶粒界がキャリアのバリ
アとして働く多結晶シリコンとは根本的に異なり、キャ
リア移動度も10〜300cm2/V Secを得ることができる。 つまり本発明の如く、かかる定義に基づくセミアモル
ファスまたはセミクリスタルは見掛け上結晶性が持ちな
がらも、電気的には結晶粒界が実質的にない状態を予想
できる。 もちろん、アニール温度がシリコン半導体の場合の45
0℃〜700℃という中温アニールではなく、1000℃または
それ以上の結晶成長をともなう結晶化をさせる時はこの
結晶成長により、膜中の酸素等が粒界に折出し、バリア
を作ってしまう。これは、単結晶と同じ結晶と粒界のあ
る材料である。 またこの半導体におけるクラスタ間のアンカリングの
程度を大きくすると、よりキャリア移動度は大きくな
る。このためにはこの膜中にある酸素量を７×1019cm-3
好ましくは１×1019cm-3以下にすると、さらに600℃よ
りも低い温度で結晶化ができるに加えて、高いキャリア
移動度を得ることができる。 以下に実施例に従い本発明を説明する。 『実施例１』 第１図は本発明の画像読み取り装置のうち光電変換素
子部及びTFT部についての製作工程を示す縦断面図であ
る。第１図（Ａ）において、基板（１）は導電性または
絶縁性基板を使用することができる。この基板は安価で
あり以降の被膜形成工程に対し機械的強度並びに耐熱性
を有していることがその要件である。 この為本実施例においては、陶器、セラミック、また
は、ガラス基板を主として用いた。 第１図において、ＰチャネルTFT領域、ＮチャネルTFT
領域及び光電変換領域は各々（100），（200），（30
0）で示されている。 基板（１）として、ANガラス、パイレックスガラス等
の約600℃の熱処理に耐え得るガラス上にマグネトロンR
F（高周波）スパッタ法を用いてブロッキング層として
の酸化珪素膜（２）を1000〜3000Åの厚さに作製した。 プロセス条件は酸素100％雰囲気、成膜温度150℃、出
力400〜800W、圧力0.5Paとした。ターゲットに石英また
は単結晶シリコンを用いた成膜速度は30〜100Å／分で
あった。 さらにこの上にシリコン膜（３）をLPCVD法、スパッ
タ法またはプラズマCVD法により形成した。 減圧気相法で形成する場合、結晶化温度よりも100〜2
00℃低い450〜550℃、例えば530℃でジシラン（Si2H6）
またはトリシラン（Si3H8）をCVD装置に供給して成膜し
た。反応炉内圧力は30〜300Paとした。成膜速度50〜250
Å／分であった。 スパッタ法で行う場合、スパッタ前の背圧を１×10-5
Pa以下とし、単結晶シリコンをターゲットとし、アルゴ
ンに水素を20〜80％に混入した雰囲気で行った。例えば
アルゴン20％、水素80％とした。成膜温度は150℃、周
波数は13.56MHz、スパッタ出力400〜800Wとした。圧力
は0.5Paであった。 プラズマCVD法により珪素膜を作製する場合、その温
度は例えば300℃とし、モノシラン（SiH4）またはジシ
ラン（Si2H6）を用いた。これらをPCVD装置内に導入
し、13.56MHzの高周波電力を加えて成膜した。 これらの方法によって形成された被膜は、酸素が７×
1019cm-3以下、好ましくは１×1019cm-3以下の濃度であ
ることが好ましい。そのような範囲にあった場合、珪素
膜を結晶化をさせる場合、結晶化の程度を助長させ得る
からである。 例えばSIMS（二次イオン質量分析）法における不純物
濃度として酸素が８×1018cm-3、炭素３×1016cm-3を
得、また水素は４×1020cm-3であり、珪素４×1022cm-3
として比較すると１原子％であった。 かくして、アモルファス状態の珪素膜を2000Å〜２μ
ｍ、例えば１μｍの厚さに作製の後、450〜700℃の温度
にて12〜70時間非酸化物雰囲気にて中温の加熱処理し
た。例えば窒素または水素雰囲気にて600℃の温度で保
持した。 この珪素膜の下の基板表面にはアモルファス状態の酸
化珪素膜が形成されているため、この熱処理で珪素膜中
に特定の核が存在せず、全体が均一に加熱アニールされ
る。即ち、成膜時はアモルファス構造を有し、また水素
は単に混入しているのみである。 このアニールにより、珪素膜はアモルファス構造から
秩序性の高い状態に移り、その一部は結晶状態を呈す
る。特にシリコンの成膜時に比較的秩序性の高い領域は
特に結晶化をして結晶状態となろうとする。しかしこれ
らの領域間に存在する珪素により互いの結合がなされる
ため、珪素同志は互いにひっぱりあう。結晶としてもレ
ーザラマン分光により測定すると、単結晶の珪素のピー
ク522cm-1より低周波側にシフトしたピークが観察され
る。それの見掛け上の粒径は半値巾から計算すると、50
〜500Åとマイクロクリスタルのようになっているが、
実際はこの結晶性の高い領域は多数あってクラスタ構造
を有し、その各スラスタ間は互いに珪素同志で結合（ア
ンカリング）がされたセミアモルファス構造の被膜を形
成させることができた。 結果として、この被膜は実質的にグレインバウンダリ
（GBという）がないといってもよい状態を呈する。キャ
リアは各クラスタ間をアンカリングされた個所を通じ互
いに容易に移動し得るため、いわゆるGBの明確に存在す
る多結晶珪素よりも高いキャリア移動度となる。即ちホ
ール移動度（μｈ）＝10〜200cm2/Vsec、電子移動度
（μｅ）＝15〜300cm2/Vsecが得られる。同様にキャリ
アの拡散長も数μｍから十数μｍと多結晶半導体と同等
またはそれ以上の値が得られる。 他方、上記の如く中温でのアニールではなく、900〜1
200℃の温度での高温アニールにより被膜を多結晶化す
ると、核からの固相成長により被膜中の不純物の偏析が
おきて、GBには酸素、炭素、窒素等の不純物が多くな
り、結晶中の移動度は大きいが、GBでのバリア（障壁）
を作ってそこでのキャリアの移動を阻害してしまう。そ
して結果としては10cm2/Vsec以上の移動度がなかなか得
られないのが実情である。 即ち、本発明の実施例ではかくの如く、セミアモルフ
ァスまたはセミクリスタル構造を有するシリコン半導体
（３）を用いている。 次に、この半導体層をフォトマスクを用いてフォト
リソグラフィプロセスにより必要部分のみを残してパタ
ーニングし、第１図（Ａ）の状態を得た。 またこの上に酸化珪素膜（４）を厚さ500〜2000Å例
えば1000Åに形成した。これはブロッキング層としての
酸化珪素膜（２）の作製と同一条件とした。この成膜中
に弗素を少量添加させてもよい。この酸化珪素膜はTFT
領域（100），（200）ではゲイト絶縁膜として機能す
る。 さらにこの後、この上側にリンが１〜５×1020cm-3の
濃度に入ったシリコン膜またはこのシリコン膜とその上
にモリブデン（Mo）、タングステン（Ｗ）,MoSi2または
WSi2との多層膜を形成した。これを第２のフォトマスク
にてパターニングした。そしてPTFT用のゲイト電極
（５）,NTFT用のゲイト電極（５′）を形成した。例え
ばチャネル長10μｍ、ゲイト電極としてリンドープ珪素
を0.3μｍ、その上にモリブデンを0.2μｍの厚さに形成
した。この時同時に光電変換素子領域（300）において
も、Ｉ型半導体領域に相当するマスク（５″）を同時に
同じフォトマスクを使用して形成した。 第１図（Ｃ）において、フォトレジスト（６）をフォ
トマスクを用いて形成し、PTFT用のソース（７）、ド
レイン（８）に対し、ホウ素を１×1015cm-2のドーズ量
でイオン注入法により添加した。また、同時に光電変換
素子領域のＰ型不純物領域にも同様にホウ素を注入し
た。この時NTFT（200）を覆っているのと同じフォトレ
ジスト（６）でＮ型不純物領域となるべき部分とマスク
（５″）をマスクし、ホウ素が注入されないようにし
た。 次に、第１図（Ｄ）の如く、フォトレジスト（13）を
フォトマスクを用いて形成した。そしてNTFT用のソー
ス（10）、ドレイン（11）としてリンを１×1015cm-2の
量、イオン注入法により添加した。また、同時に光電変
換素子領域のＰ型不純物領域にも同様にホウ素を注入し
た。この時PTFT（100）を覆っているのと同じフォトレ
ジスト（13）でＰ型不純物領域となるべき部分とマスク
（５″）をマスクし、ホウ素が注入されないようにし
た。 これらは絶縁膜（４）を通じて行った。しかし第１図
（Ｂ）において、ゲイト電極（５），（５′）及びマス
ク（５″）をマスクとしてシリコン膜上の酸化珪素を除
去し、その後、ホウ素、リンを直接珪素膜中にイオン注
入してもよい。 次に、600℃にて10〜50時間再び加熱アニールを行っ
た。そしてPTFTのソース（７），ドレイン（８）,NTFT
のソース（10），ドレイン（11）、光電変換素子のＰ型
不純物領域（９）Ｎ型不純物領域（10）を不純物を活性
化してP+、N+として作製した。 またゲイト電極（５），（５′）下にはチャネル形成
領域（14），（15）がマスク（５″）の下には真性の半
導体層がセミアモルファス半導体として形成されてい
る。 かくすると、セルフアライン方式でありながらも、70
0℃以上にすべての温度を加えることがなく相補型構成
のTFTと光電変換素子とを作ることができる。そのた
め、基板材料として、石英等の高価な基板を用いなくて
もよく、本発明の画像読み取り装置にきわめて適してい
るプロセスである。 熱アニールは第１図（Ａ），（Ｄ）で２回行った。し
かし第１図（Ａ）の段階で行なうアニールは求める特性
により省略可能であり、双方を第１図（Ｄ）の段階での
アニールにより兼ねさせて製造時間の短縮を図ってもよ
い。 次にフォトマスクを使用して、光電変換素子領域以
外をフォトレジストでマスクし、光電変換素子領域上の
マスク（５″）をドライまたはウェットの任意の方法に
よりエッチング除去する。 次に第１図（Ｅ）において、層間絶縁物（16）を前記
したスパッタ法により酸化珪素膜の形成として行った。
この酸化珪素膜の形成はLPCVD法、光CVD法を用いてもよ
い。例えば0.2〜0.7μｍの厚さに形成した。その後、フ
ォトマスクを用いて電極用の窓（17）を形成した。 さらにこれら全体をアルミニウムをスパッタ法により
形成し、リード（18），（19），（20），（21），（2
2）（23）をフォトマスクを用いて作製した。かくの
如くにしてPTFT（100）とNTFT（200）と光電変換素子
（300）とを同一ガラス基板（１）上に同一の半導体膜
を使用して作製した。第１図（Ｆ） かかるTFTの特性を略記する。 移動度（μcm2/Vs） Vth（Ｖ） PTFT 20 −３ NTFT 30 ＋３ かかる半導体を用いることにより、一般に不可能とさ
れていたTFTに大きな移動度を作ることができた。本実
施例においては、光電変換素子の出力のスイッチング素
子としてはNTFTを採用し、相補型構成としてのTFTは周
辺の読み取り回路部分に採用した。 かかる光電変換素子の＋と−の電極が従来の装置のよ
うに半導体層を挟んで半導体膜積層方向に無いため、こ
の両電極間が半導体膜作製時に形成されるピンンホール
によりショートすることがなく、漏れ電流の非常に少な
い光電変換素子とすることができた。 『実施例２』 第２図のように本実施例は実施例１にて作製した画像
読み取り装置の光電変換素子、部分とほぼ似た構造であ
る。 但し半導体膜（３）の光照射面側にアモルファスシリ
コン半導体膜（24）が3000Åの厚さに形成されている。
その他の形成方法等は実施例１と同様である。 このアモルファスシリコン半導体膜（24）はその下地
の半導体膜（３）より光の吸収係数は大きいそのため本
実施例の場合は光照射によりキャリアは半導体膜（24）
で多量に発生した後、半導体膜（３）にドリフトし半導
体層（３）を通路として移動し＋電極、−電極より外部
に取り出される。また同時に半導体膜（３）においても
光照射によりキャリアは発生しているが、半導体膜の光
感度に波長依存性が存在するので、本実施例構成により
幅広い波長域の光を電気に変換することが可能となる。 また、半導体膜（24）は半導体膜（３）に比べて、そ
のエネルギーバンド巾が広いので、半導体膜（３）で発
生したキャリアが半導体膜（24）にドリフトする事を防
止し、かつ半導体膜（24）が発生したキャリアはそのエ
ネルギーバンドの勾配にそって半導体膜（３）に移動す
る、その為発生したキャリアをより効率よく外部に取り
出すことが可能となった。 この様子を第３図（Ａ）（Ｂ）に示す。第３図（Ａ）
は第２図のＡ−A'線に沿ったエネルギーバンド図であ
り、第３図（Ｂ）は第２図のＢ−B'線に沿ったエネルギ
ーバンド図を示している。 『実施例３』 本実施例は実施例１とほぼ同様の構成を有している
が、光電変換素子と同じ半導体膜を使用したTFTはNTFT
のみとし、光電変換素子のＮ型領域作成時に同時に作成
し、Ｐ型領域作成時にはフォトレジストによりマスクさ
れている為Ｐ型不純物は混入しない。本実施例のような
場合、相補型とは異なりPTFTとNTFTのVthをそろえる必
要がなく、作成プロセス上の許容範囲が広くなると言う
特徴を持っている。 上記の実施例においては何れも光を基板とは逆の方向
より導入する構成となっているが、特にこの構成に限定
されることはなく、基板側より光を導入することも可能
である。 その際、半導体膜の光感度により、半導体の電気的特
性に影響が発生するならば、遮光膜を必要に応じて設け
てもよい。 更に、半導体膜の厚みを増してその半導体膜の基板側
に酸素、窒素等の元素を添加して、部分的に半導体膜の
光感度を悪くして、この問題を解決することもできる。
この場合遮光膜を絶縁することが不要となり、より簡単
なプロセスで実現することができる。 『発明の効果』 本発明の様な構成をとることにより、簡単なプロセス
で、低コストの画像読み取り装置を実現することができ
た。すなわち、工程数の低減及びフォトマスク数の低減
を実現することができた。 また、基板上に読み取り回路の一部を設けているので
小型化でき、応答速度の早いTFTを設けたので、より高
速の画像読み取りが可能となる。 加えて、相補型構成を簡単な、低コストのプロセスで
実現できたので、幅広い読み取り回路を適用する自由度
が増し、さらにその後段の回路をIC化しやすくなった。 また光照射により発生したキャリアは半導体膜の平面
方向に拡散するので、半導体膜形成により膜厚方向にで
きる界面の影響を受けずに、効率良く外部に取り出され
る。 その他の特徴としては、＋電極及び−電極が一表面に
のみ形成されている為、半導体作製の際、その熱的スト
レスを考慮する必要はない。 安価な基板特に陶器，セラミックス，ガラス等の絶縁
基板を用いており、しかもこの基板上に半導体を１〜50
μの薄さで形成させるためその材料費が安価である。
第１図は本発明による構造を有する画像読み取り装置の
作製工程を示す縦断面図である。 第２図は本発明の他の実施形態の縦断面図である。 第３図は第２図に対応するエネルギーバンド図である。 １……基板 ３……半導体膜 100……Ｐ型薄膜トランジスタ 200……Ｐ型薄膜トランジスタ 300……光電変換素子
作製工程を示す縦断面図である。 第２図は本発明の他の実施形態の縦断面図である。 第３図は第２図に対応するエネルギーバンド図である。 １……基板 ３……半導体膜 100……Ｐ型薄膜トランジスタ 200……Ｐ型薄膜トランジスタ 300……光電変換素子
Claims (4)
- 【請求項１】基板上に光電変換素子部、前記光電変換素
子に連結された薄膜トランジスタとを有し、前記光電変
換素子及び薄膜とランジスタを構成する半導体膜はアモ
ルフアス構造と結晶構造とが混合されたものであり、加
えてラマンスペクトルが単結晶を意味するピークからず
れたピークを示し、ホール移動度として10〜200cm2/Vse
c、電子移動度として15〜300cm2/Vsecを有するものであ
ることを特徴とする感光装置。 - 【請求項２】特許請求の範囲第１項において、光電変換
素子を構成する半導体膜の光照射面側にはアモルフアス
半導体膜が積層されていることを特徴とする感光装置。 - 【請求項３】基板上に、アモルフアス構造と結晶構造と
が混合されラマンスペクトルが単結晶を意味するピーク
からずれたピークを示し、ホール移動度として10〜200c
m2/Vsec、電子移動度として15〜300cm2/Vsecを有する半
導体膜を形成し、前記半導体膜を用いてＰ型不純物領域
と真性領域およびＮ型不純物領域が光の入射方向に対し
て垂直に配置された光電変換素子を形成し、前記半導体
膜を用いて薄膜トランジスタを形成することを特徴とす
る感光装置の作製方法。 - 【請求項４】基板上に光電変換素子部、前記光電変換素
子に連結された薄膜トランジスタとを有し、前記光電変
換素子及び薄膜トランジスタを構成する半導体膜はアモ
ルフアス構造と結晶構造とが混合されたものであり、加
えてラマンスペクトルが単結晶を意味するピークからず
れたピークを示し、ホール移動度として10〜200cm2/Vse
c、電子移動度として15〜300cm2/Vsecを有するものであ
り、前記薄膜トランジスタは相補型構成であることを特
徴とする感光装置。
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