JP3267375B2 - Solid-state imaging device - Google Patents

Solid-state imaging device

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JP3267375B2
JP3267375B2 JP06378993A JP6378993A JP3267375B2 JP 3267375 B2 JP3267375 B2 JP 3267375B2 JP 06378993 A JP06378993 A JP 06378993A JP 6378993 A JP6378993 A JP 6378993A JP 3267375 B2 JP3267375 B2 JP 3267375B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光電変換機能を有する
固体撮像装置その製造方法及び薄膜トランジスタの製
造方法と薄膜トランジスタに係り、特に、非単結晶シリ
コンを用いた薄膜トランジスタに光電変換特性を持たせ
たものに関する。
The present invention relates to a solid-state imaging device and manufacturing of the manufacturing method and the thin film transistor having a photoelectric conversion function
More particularly, the present invention relates to a thin film transistor using non-single-crystal silicon having photoelectric conversion characteristics.

【0002】[0002]

【従来の技術】ファクシミリ装置や複写機の読み取り装
置等のイメージセンサやフォトセル等、光電変換機能を
有する固体撮像装置として、従来ではアモルファスシリ
コン(a−Si)、単結晶シリコン(c−Si)やCd
S、CdSe、CdS−Se等カルコゲン化合物から成
る材料を用いて構成したフォトダイオードやフォトコン
ダクタータイプのセルが一般に使用されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, amorphous silicon (a-Si) and single-crystal silicon (c-Si) have been used as solid-state imaging devices having a photoelectric conversion function, such as image sensors and photocells for facsimile machines and copier reading devices. And Cd
Photodiodes and photoconductor type cells made of a material made of chalcogen compounds such as S, CdSe, and CdS-Se are generally used.

【0003】図9にこれらの光電変換機能を有する固体
撮像装置を用いた読み取り装置の一例を示す。図9
(A)はイメージセンサの読み取り回路に用いるセンサ
モジュールの回路図を示し、図9(B)は図9(A)の
回路図の点線で囲んだ部分aの拡大断面構造図を示す。
FIG. 9 shows an example of a reading apparatus using such a solid-state imaging device having a photoelectric conversion function. FIG.
9A is a circuit diagram of a sensor module used in a reading circuit of an image sensor, and FIG. 9B is an enlarged cross-sectional structure diagram of a portion a surrounded by a dotted line in the circuit diagram of FIG. 9A.

【0004】図9(A)において、91はTFT、92
はフォトダイオード、93はシフトレジスタを示す。図
9(B)に明示するように、TFT91とフォトダイオ
ード92は同一の石英ガラス基板94上に形成されてお
り、TFT91はポリシリコン層95、ゲート酸化膜9
6、ゲート電極97から成り、フォトダイオード92は
非晶質Si層100、ホウ素をドープした非晶質Si層
101、ITO層102から成る。なお、図9(B)に
おいて、98は酸化膜、99は電極、103はパッシベ
ーション膜である。
In FIG. 9A, reference numeral 91 denotes a TFT;
Denotes a photodiode and 93 denotes a shift register. As clearly shown in FIG. 9B, the TFT 91 and the photodiode 92 are formed on the same quartz glass substrate 94, and the TFT 91 has a polysilicon layer 95 and a gate oxide film 9.
6, the gate electrode 97, and the photodiode 92 includes an amorphous Si layer 100, an amorphous Si layer 101 doped with boron, and an ITO layer 102. In FIG. 9B, reference numeral 98 denotes an oxide film, 99 denotes an electrode, and 103 denotes a passivation film.

【0005】図9から明らかな如く、従来のセンサモジ
ュールでは、TFT91から成る駆動スイッチ部分とフ
ォトダイオード92から成る光センサ部分を別々に製造
し構成する必要がある。
As apparent from FIG. 9, in the conventional sensor module, it is necessary to separately manufacture and configure a drive switch portion including the TFT 91 and a photosensor portion including the photodiode 92.

【0006】なお図9では光センサとしてフォトダイオ
ードを用いているが、この他、非晶質Si(a−Si)
を用いたフォトトランジスタ、単結晶シリコン(c−S
i)を用いたマルチチップタイプのイメージセンサ等も
提案されている。
In FIG. 9, a photodiode is used as an optical sensor. In addition, amorphous silicon (a-Si)
Phototransistor using single crystal silicon (c-S
A multi-chip type image sensor using i) has also been proposed.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】従来の固体撮像装置は
図9からも明らかな如く、センサー+駆動スイッチの構
造となり、駆動スイッチとセンサーを別々に製造する必
要がある。そのためセンサーを製造する工程、駆動スイ
ッチを製造する工程それらを結合する工程など装置を製
造するための工程数が多くなり、装置の歩留りが悪くな
る上、コストも高くなるという問題点がある。
As is apparent from FIG. 9, the conventional solid-state imaging device has a structure of a sensor and a drive switch, and it is necessary to manufacture the drive switch and the sensor separately. Therefore, there are problems in that the number of steps for manufacturing the device, such as a process for manufacturing the sensor, a process for manufacturing the drive switch, and a process for combining them, is increased, which lowers the yield of the device and increases the cost.

【0008】また例えばフォトダイオードからなるセン
サー自身に増幅作用がないため、外部に増幅回路を設け
る必要がある。他に、光センサとして提案されているa
−Siを用いたフォトトランジスタは光応答速度が遅い
ため、ファクシミリのG3対応などではそのための対策
が必要となることや素子の膜の安定性や信頼性に問題が
あり実用には至っていない。
In addition, since a sensor composed of a photodiode, for example, has no amplifying action, it is necessary to provide an external amplifying circuit. Besides, a proposed as an optical sensor
Since a phototransistor using -Si has a low photoresponse speed, there is a need for a countermeasure for facsimile G3 or the like, and there is a problem in the stability and reliability of an element film, so that it has not been put to practical use.

【0009】また、c−Siを用いたマルチチップタイ
プのイメージセンサでは素子のバラツキが大きいため階
調をとるのが困難であり、そのために複雑な回路を必要
とする。その上チップ間のつなぎ技術が難しく、チップ
間のバラツキもあるため良好な画質を得るのが困難であ
る。
Further, in a multi-chip type image sensor using c-Si, it is difficult to obtain a gray scale due to a large variation in elements, and thus a complicated circuit is required. Moreover, it is difficult to connect the chips, and it is difficult to obtain good image quality due to variations among the chips.

【0010】さらに構造的にも密着型イメージセンサと
なるため、高価なセルフォックレンズを使用する必要が
あるという問題点もある。従って本発明の目的は大面積
に均一な増幅作用を有し、光センサ機能を有する固体撮
像装置を得ることである。
In addition, since it is a contact type image sensor structurally, there is a problem that an expensive selfoc lens must be used. Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device having a uniform amplification function over a large area and having an optical sensor function.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明では、図1に示す如く、結晶化した非単結晶
シリコン層に、ソース領域6とドレイン領域6’とを有
しこれらの間に光照射される活性層3を具備する薄膜ト
ランジスタ(以下TFTという)10を形成する。そし
てゲート絶縁膜とシリコン層の界面のトラップ密度を5
×10 11 /cm 2 以下にする。
In order to achieve the above object, according to the present invention, a source region 6 and a drain region 6 'are provided in a crystallized non-single-crystal silicon layer as shown in FIG. A thin film transistor (hereinafter, referred to as TFT) 10 including an active layer 3 to be irradiated with light is formed. Soshi
Trap density at the interface between the gate insulating film and the silicon layer by 5
× 10 11 / cm 2 or less.

【0012】[0012]

【作用】これにより、TFT10を光センサ機能と増幅
特性を有するように構成するとともに、大面積の基板上
にこのTFT10を多数形成することができるのでフォ
トダイオードの如き光センサを用いることなく大面積に
均一な光電変換特性を有する固体撮像装置を得ることが
できる。
As a result, the TFT 10 can be configured to have an optical sensor function and amplification characteristics, and a large number of TFTs 10 can be formed on a large-area substrate, so that a large area can be obtained without using an optical sensor such as a photodiode. A solid-state imaging device having uniform photoelectric conversion characteristics can be obtained.

【0013】[0013]

【実施例】本発明の一実施例を図1〜図7を用いて説明
する。図1は本発明の一実施例であるTFTの断面構成
図を示し、図2、図3は、図1に示すTFTの製造工程
説明図、図4〜図6は本発明の一実施例のTFTの特性
図である。また図7は本発明の固体撮像装置を構成する
非単結晶TFTの動作原理説明図である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a TFT according to an embodiment of the present invention. FIGS. 2 and 3 are diagrams for explaining a manufacturing process of the TFT shown in FIG. 1, and FIGS. FIG. 4 is a characteristic diagram of a TFT. FIG. 7 is an explanatory view of the operation principle of the non-single-crystal TFT constituting the solid-state imaging device of the present invention.

【0014】図1において、1はガラス基板、2はSi
2 膜、3は活性層、4’はゲート絶縁膜、5’はゲー
ト電極、6はソース領域、6’はドレイン領域、7は絶
縁膜、8は電極、10はTFTを各々示す。
In FIG. 1, 1 is a glass substrate, 2 is Si
O 2 film, 3 is the active layer, 4 'denotes a gate insulating film, 5' denotes a gate electrode, the source region 6, 6 'is the drain region, 7 denotes an insulating film, 8 electrodes, 10 respectively indicate a TFT.

【0015】図2及び図3により本発明の固体撮像装置
を構成するTFTの製造工程を説明する。 (1) 基板1として、例えばコーニング社製7059(商
品名)ガラスを用い、この基板1上にスパッタ法により
SiO2 膜2を3000Åの厚さに成膜する(図2
(A)参照)。
The manufacturing process of the TFT constituting the solid-state imaging device of the present invention will be described with reference to FIGS. (1) For example, 7059 (trade name) glass manufactured by Corning Incorporated is used as the substrate 1, and an SiO 2 film 2 is formed on the substrate 1 by a sputtering method to a thickness of 3000 ° (FIG. 2).
(A)).

【0016】(2) 次にこのSiO2 膜上に非晶質シリコ
ン(a−Si)膜3をLPCVD法により800Åの膜
厚で成膜する(図2(B)参照)。この時の成膜条件は
以下の通りである。
(2) Next, an amorphous silicon (a-Si) film 3 is formed on this SiO 2 film to a thickness of 800 ° by LPCVD (see FIG. 2B). The film forming conditions at this time are as follows.

【0017】 Si2 6 ガス 100〜500SCCM Heガス 500 SCCM 圧力 0.1〜1 Torr 加熱温度 430〜500℃ (3) 次に前記(2) により成膜した非晶質シリコン膜3に
対し、アニール工程を施す。
Si 2 H 6 gas 100 to 500 SCCM He gas 500 SCCM Pressure 0.1 to 1 Torr Heating temperature 430 to 500 ° C. (3) Next, for the amorphous silicon film 3 formed by the above (2), An annealing step is performed.

【0018】このアニール工程は前記のLPCVD法に
より形成したa−Si膜3を結晶化するために行うもの
で、本実施例ではエキシマレーザアニール(例えばKr
F)を施し結晶化させた非単結晶シリコン膜を得る。
This annealing step is performed to crystallize the a-Si film 3 formed by the LPCVD method. In this embodiment, excimer laser annealing (for example, Kr
F) to obtain a crystallized non-single-crystal silicon film.

【0019】アニール工程の条件は以下の通りである。 基板温度 300〜450℃ パワー 250〜450mJ/cm2 波長 248nm パルス幅 30nsec (4) 前記のアニール工程を施した結晶化させた非単結晶
Si膜をパターニングしてアイランド3’を形成する
(図2(C)参照)。
The conditions of the annealing step are as follows. Substrate temperature 300-450 ° C. Power 250-450 mJ / cm 2 Wavelength 248 nm Pulse width 30 nsec (4) The island 3 ′ is formed by patterning the crystallized non-single-crystal Si film subjected to the above-mentioned annealing step (FIG. 2). (C)).

【0020】(5) このアイランド3’を含む基板1 上に
TEOS(テトラエトキシシラン)法によりゲート絶縁
膜となるSiO2 膜4を1500Åの厚さに成膜する
(図2(D)参照)。
(5) An SiO 2 film 4 serving as a gate insulating film is formed to a thickness of 1500 ° on the substrate 1 including the islands 3 ′ by a TEOS (tetraethoxysilane) method (see FIG. 2D). .

【0021】ゲート絶縁膜4の成膜条件は以下の通りで
ある。 TEOSガス 10〜 50SCCM O2 ガス 500SCCM パワー 50〜300(W) 加熱温度 400℃ (6) 次にこの上にゲート電極となるa−Si層5をプラ
ズマCVD法により1000Åの厚さに成膜する(図2
(E)参照)。
The conditions for forming the gate insulating film 4 are as follows. TEOS gas 10 to 50 SCCM O 2 gas 500 SCCM Power 50 to 300 (W) Heating temperature 400 ° C. (6) Next, an a-Si layer 5 serving as a gate electrode is formed thereon to a thickness of 1000 ° by a plasma CVD method. (Figure 2
(E)).

【0022】a−Si層5の成膜条件は以下の通りであ
る。 SiHガス 10〜50SCCM 5%PH/H ガス 5〜20SCCM 圧力 0.1〜0.5Torr パワー 50〜500(W) 加熱温度 200〜400℃ (7)エッチングにより、ゲート電極層とゲート絶縁膜
のパターニングを行い、ゲート絶縁膜4’、ゲート電極
5’を形成する(図2(F)参照)。
The conditions for forming the a-Si layer 5 are as follows. SiH 4 gas 10 to 50 SCCM 5% PH 3 / H 2 gas 5 to 20 SCCM Pressure 0.1 to 0.5 Torr Power 50 to 500 (W) Heating temperature 200 to 400 ° C. (7) Etching and gate insulation with the gate electrode layer The film is patterned to form a gate insulating film 4 'and a gate electrode 5' (see FIG. 2F).

【0023】(8) 結晶化した非単結晶Si層から成るア
イランド3’上に、ゲート絶縁膜4’をマスクとしてソ
ース領域6、ドレイン領域6’となる領域に例えばリン
(P)をイオンドーピング法によりドープする(図3
(A)参照)。
(8) On the island 3 ′ formed of the crystallized non-single-crystal Si layer, the gate insulating film 4 ′ is used as a mask to ion-dope, for example, phosphorus (P) in the region to be the source region 6 and the drain region 6 ′. Doping by the method (Fig. 3
(A)).

【0024】(9) 窒素雰囲気中で550℃で5時間加熱
し、ドーパントの活性化とゲート電極用a−Si層5の
結晶化を行う。 (10)更に例えば水素雰囲気中で400℃30分間加熱し
て水素化を行い半導体層の欠陥準位を減少させる。
(9) Heat at 550 ° C. for 5 hours in a nitrogen atmosphere to activate the dopant and crystallize the a-Si layer 5 for the gate electrode. (10) Further, for example, heating is performed in a hydrogen atmosphere at 400 ° C. for 30 minutes to perform hydrogenation to reduce defect levels of the semiconductor layer.

【0025】(11)基板全体にTEOS法で層間絶縁膜と
なるSiO2 膜7を4000Åの膜厚で形成する。Si
2 膜7の成膜条件は以下の通りである。
(11) An SiO 2 film 7 serving as an interlayer insulating film is formed to a thickness of 4000 ° over the entire substrate by the TEOS method. Si
The conditions for forming the O 2 film 7 are as follows.

【0026】 TEOSガス 10〜50SCCM O2 ガス 500SCCM パワー 50〜300(W) 加熱温度 400℃ SiO2 膜7を形成後、コンタクトホールを形成するた
めパターニングする(図3(B)参照)。
TEOS gas 10 to 50 SCCM O 2 gas 500 SCCM Power 50 to 300 (W) Heating temperature 400 ° C. After forming the SiO 2 film 7, patterning is performed to form a contact hole (see FIG. 3B).

【0027】(12)次に電極用のアルミニウム膜を成膜後
パターニングして、図1に示す如く、アルミニウム電極
8を形成してTFTを完成する。 なお、前記(8)において、リン(P)の代わりにホウ
素(B)を使用してもよい。
(12) Next, an aluminum film for an electrode is formed and then patterned to form an aluminum electrode 8 as shown in FIG. 1 to complete a TFT. In the above (8), boron (B) may be used instead of phosphorus (P).

【0028】このようにして形成された製造されたTF
Tのドレイン電流(ID )−ゲート電圧(VG )特性を
図4に示す。図4において実線のグラフAは光照射のな
い時のID −VG 特性、点線のグラフBは光照射時のI
D −VG 特性を示し、一点鎖線のグラフCは光電流を示
す。
The manufactured TF thus formed
T of the drain current (I D) - the gate voltage (V G) characteristics shown in FIG. Diagram when the graph A solid line with no light irradiation in 4 I D -V G characteristics, dotted Graph B during irradiation I
It indicates D -V G characteristics curve C of the dashed line shows the photocurrent.

【0029】なおこのTFTの電界効果移動度は70c
2 /V・sec、Vth=2.3V、トラップ密度Nt
=3.9×1011/cm2 である。図4のA、Bより明
らかな如く、このTFTは外からの光に対し感度を示
す。即ち、グラフAは光照射のない時の値、グラフBは
光照射時の値を示すので、この差であるグラフCが、こ
のTFTの光感度を示すが、ゲート電圧VG が約7.5
V以上では、グラフAとグラフBの特性上の差がなくド
レイン電流ID は一定になる。
The field effect mobility of this TFT is 70 c
m 2 / V · sec, V th = 2.3 V, trap density Nt
= 3.9 × 10 11 / cm 2 . As is clear from FIGS. 4A and 4B, this TFT exhibits sensitivity to external light. That is, the value of the time Graph A without light irradiation, since the graph B shows the value of the time of light irradiation, graph C is this difference, exhibit photosensitivity of the TFT, the gate voltage V G is about 7. 5
Above V, there is no difference in characteristics between the graphs A and B, and the drain current ID is constant.

【0030】従って、図4から明らかなように、特にV
G <0の領域では光照射時のID 値と光照射のない時の
D 値には明らかな差があり、このID 値の差を読み取
りの出力として、つまり光感度用のものとして用いるこ
とができる。
Therefore, as is apparent from FIG.
In the region of G <0, there is a clear difference between the I D value at the time of light irradiation and the I D value at the time of no light irradiation, and this difference in the I D value is used as a reading output, that is, as an output for light sensitivity. Can be used.

【0031】シリコン半導体結晶を用いたMOS構造の
TFTの動作原理において、例えばn型SiにMOS構
造のTFTを形成した場合を例にとって、本発明の動作
を説明する。
The operation of the present invention will be described with respect to the operation principle of a MOS structure TFT using a silicon semiconductor crystal, for example, a case where a MOS structure TFT is formed on n-type Si.

【0032】図7はMOS構造のn型非単結晶シリコン
の表面近傍のエネルギー準位図を示し、図7(A)は外
部から光が照射されない場合、図7(B)は外部から光
が照射された場合の各エネルギー凖位を示す。
FIG. 7 shows an energy level diagram near the surface of n-type non-single-crystal silicon having a MOS structure. FIG. 7A shows a case where no light is irradiated from the outside, and FIG. Each energy level when irradiated is shown.

【0033】図7において71はゲート酸化膜、72は
n型非単結晶シリコンを示す。図7(A)において、光
が照射されない時に導伝帯寄りにフェルミ凖位Efがあ
る。しかし外部から照射されると、図7(B)に示す如
く、価電子帯より導伝帯へ電子が移動するために、結果
的にフェルミ凖位Efは中央寄りにシフトし、ゲート酸
化膜71との界面に存在するトラップ密度は増加し、ア
クセプタの機能を強く示すようになる。
In FIG. 7, reference numeral 71 denotes a gate oxide film, and 72 denotes n-type non-single-crystal silicon. In FIG. 7A, there is a Fermi level Ef near the conduction band when light is not irradiated. However, when irradiated from the outside, as shown in FIG. 7B, electrons move from the valence band to the conduction band, and as a result, the Fermi level Ef shifts toward the center, and the gate oxide film 71 The density of traps existing at the interface with the substrate increases, and the function of the acceptor becomes stronger.

【0034】このフェルミ凖位Efのシフトによりこの
MOS構造のフラットバンド電位を負の方へシフトさせ
ることになり、この構造の薄膜トランジスタにおいては
ドレイン電流(ID )対ゲート電圧(VG )特性の閾値
電圧(Vth)を負の方へ移動させることになる。
[0034] will be a shift of the Fermi level Ef shift the flat band potential of the MOS structure in the negative towards, the drain current (I D) versus gate voltage (V G) characteristics in the thin film transistor of this structure The threshold voltage (V th ) will be shifted in the negative direction.

【0035】TFTの(ID −VG )特性においてVth
のシフトは次式により表現される。
[0035] V in (I D -V G) characteristics of the TFT th
Is expressed by the following equation.

【0036】[0036]

【数1】 (Equation 1)

【0037】ここで、NtはMOS構造のトラップ密
度、Coxはゲート酸化膜の容量、Kは係数を示す。上
記数式(1)より明らかな如く、MOS構造のTFTの
光感度を増加させるには数式(1)の値を増大させれば
よく、そのためには数式(1)の右辺のカッコ内の値が
限りなく1に近い必要がある。
Here, Nt indicates the trap density of the MOS structure, Cox indicates the capacitance of the gate oxide film, and K indicates the coefficient. As is apparent from the above equation (1), the value of the equation (1) may be increased to increase the photosensitivity of the TFT having the MOS structure. It must be as close to 1 as possible.

【0038】即ち、Ntが十分に小さい必要があり、本
発明ではa−Siを結晶化する際、エキシマレーザ・ア
ニールの如き短パルス幅レーザ・アニールを用いること
により、Ntが十分に小さい非単結晶シリコンを実現し
たものである。
That is, Nt needs to be sufficiently small, and in the present invention, when a-Si is crystallized, a short pulse width laser anneal such as excimer laser anneal is used so that Nt is sufficiently small. It realizes crystalline silicon.

【0039】なお、本発明の固体撮像装置に適用するに
はNtは5×1011/cm2 のレベルであることが要求
される。また、本発明の如きMOS構造のTFTの光感
度特性は次のように説明することもできる。
For application to the solid-state imaging device of the present invention, Nt is required to be at a level of 5 × 10 11 / cm 2 . In addition, the photosensitivity characteristics of the TFT having the MOS structure according to the present invention can be described as follows.

【0040】本発明のTFTの光感度は図1に示すTF
T10の活性層3における光吸収によって発生する光励
起キャリアによるものと考察される。即ち、光吸収によ
って発生した光励起キャリアがゲート絶縁膜4’と活性
層3’との界面に集められ、その結果閾値電圧Vthの変
位ΔVthを生ずる。
The light sensitivity of the TFT of the present invention is TF shown in FIG.
It is considered to be due to photoexcited carriers generated by light absorption in the active layer 3 of T10. That is, photoexcited carriers generated by light absorption are collected at the interface between the gate insulating film 4 ′ and the active layer 3 ′, and as a result, a displacement ΔV th of the threshold voltage V th occurs.

【0041】ΔVthは次式で表すことができる。ΔV th can be expressed by the following equation.

【0042】[0042]

【数2】 (Equation 2)

【0043】この数式(2)において、Qoは光によっ
て励起される電荷(光励起キャリア)の総量、Coxは
ゲート絶縁膜4’の容量を示す。従って数式(2)から
このTFTが十分な閾値電圧Vthの変化、即ちΔVth
示すためには光励起キャリアが途中で消費されないこ
と、即ち、ゲート絶縁膜4’と活性層3の界面に存在す
るトラップ密度Ntが少ないという条件が必要となる。
In the equation (2), Qo indicates the total amount of charges (photoexcited carriers) excited by light, and Cox indicates the capacity of the gate insulating film 4 '. Thus equation (2) from the change of the TFT is sufficient threshold voltage V th, i.e., that the photoexcited carriers in order to show the [Delta] V th is not consumed in the course, i.e., present at the interface of the gate insulating film 4 'and the active layer 3 It is necessary that the trap density Nt be small.

【0044】一般に結晶化した非単結晶シリコンTFT
のトラップ密度Ntはその製造方法により大きく変わ
る。例えばLPCVD法によって製造された非晶質シリ
コンを熱結晶化(600℃以下)で活性層を形成した場
合のトラップ密度Ntは8×1011/cm2 程度であ
り、本実施例の如く非晶質シリコンの結晶化をエキシマ
レーザ・アニールによって行うと、例えばNtは3.9
×1011/cm2 と小さな値を得ることができる。
Generally, crystallized non-single-crystal silicon TFT
Varies greatly depending on the manufacturing method. For example, when an active layer is formed by thermal crystallization (600 ° C. or lower) of amorphous silicon manufactured by the LPCVD method, the trap density Nt is about 8 × 10 11 / cm 2 , When crystallization of porous silicon is performed by excimer laser annealing, for example, Nt becomes 3.9.
A value as small as × 10 11 / cm 2 can be obtained.

【0045】また、一般にガラス基板上に600℃以下
の低温プロセスで多結晶シリコンTFTを作製した場
合、Ntは多結晶シリコンの粒界により決定されるとい
われている(例えば、Levinson etal
J.Appl.Phys.Vol52、pp1193〜
1202(1982)参照)。
In general, when a polycrystalline silicon TFT is formed on a glass substrate by a low-temperature process at 600 ° C. or less, it is said that Nt is determined by the grain boundary of the polycrystalline silicon (for example, Levinson et al.).
J. Appl. Phys. Vol52, pp1193-
1202 (1982)).

【0046】更に、図5に固相成長させた後熱結晶化さ
せた非単結晶SiTFTと、本実施例のエキシマレーザ
・アニールにより結晶化させた非単結晶TFTのゲート
電圧に対する活性化エネルギーの相関を示す。
Further, FIG. 5 shows that the activation energy with respect to the gate voltage of the non-single-crystal SiTFT crystallized by excimer laser annealing according to the present embodiment and the non-single-crystal SiTFT thermally crystallized after solid phase growth. The correlation is shown.

【0047】図5において、グラフAは前者の活性化エ
ネルギーの変化、グラフBは本発明に係わる後者の活性
化エネルギーの変化を示す。図5のグラフBから明らか
な如く、本実施例のエキシマレーザ・アニールによる結
晶化を施した非単結晶SiTFTはゲート電圧(VG
が正の領域で負の活性化エネルギーを有しており、ほと
んどこの領域で粒界の影響が表れないことを示してい
る。
In FIG. 5, a graph A shows a change in the former activation energy, and a graph B shows a change in the latter activation energy according to the present invention. As is clear from the graph B in FIG. 5, the non-single-crystal SiTFT crystallized by excimer laser annealing of the present embodiment has a gate voltage (V G ).
Has a negative activation energy in the positive region, indicating that almost no effect of the grain boundary appears in this region.

【0048】これらのことから本実施例のエキシマレー
ザ・アニールにおいては短時間のアニールのため、非晶
質の結晶化の際、結晶粒界ぎりぎりまで結晶化がすすみ
かつ単結晶に近い構造に成長し、結果的にトラップ密度
(Nt)が小さいものと考察される。
From these facts, in the excimer laser annealing of this embodiment, since the annealing is performed in a short time, the crystallization proceeds to the very end of the crystal grain boundary and grows to a structure close to a single crystal during the crystallization of the amorphous phase. As a result, it is considered that the trap density (Nt) is small.

【0049】従って、本実施例で製造されたTFTは入
射する光の強度に応じて式(2)の光励起キャリアの総
量Qoを変化させ、その結果、ΔVthを例えば負の側に
動かすこととなる。このことはTFTの動作原理から考
えると光による増幅作用であり、フォトトランジスタの
機能を有することとなる。
Accordingly, in the TFT manufactured in this embodiment, the total amount Qo of the photoexcited carriers of the formula (2) is changed according to the intensity of the incident light, and as a result, ΔV th is moved to, for example, the negative side. Become. This is an amplifying effect by light in consideration of the operation principle of the TFT, and has the function of a phototransistor.

【0050】図6は、波長565nmで照度1000l
xの黄色のLEDからの光が入射した時のTFTの光感
度特性を示す図であり、ゲート電圧VG =−10Vの場
合である。横軸はトラップ密度を示し、縦軸は光感度を
示している。
FIG. 6 shows an illuminance of 1000 l at a wavelength of 565 nm.
Light from the yellow LED, the x is a diagram showing the photosensitivity characteristics of the TFT when the incident is the case of the gate voltage V G = -10V. The horizontal axis indicates the trap density, and the vertical axis indicates the light sensitivity.

【0051】実用的には2桁以上の光感度が有用である
ため、図6よりトラップ密度は5×1011/cm2 以下
の値となることが望ましいことが明らかである。なお、
光出力の増幅分の読み取りは光照射時のID 電流と光照
射のない時のI D 電流の差で測定する必要がある。
In practice, a light sensitivity of two digits or more is useful.
Therefore, the trap density is 5 × 1011/ CmTwoLess than
It is clear that the value of? In addition,
The reading of the amplification of the light output is IDCurrent and light
I without shooting DIt is necessary to measure the difference in current.

【0052】ところで本実施例において、非晶質Siの
結晶化のためのアニールとしてエキシマレーザ・アニー
ルを用いた例について説明したが、本発明はこれに限ら
れるものではなく、アニール後のトラップ密度が5×1
11/cm2 以下になるものであればよい。
In this embodiment, an example in which excimer laser annealing is used as annealing for crystallization of amorphous Si has been described. However, the present invention is not limited to this. Is 5 × 1
What is necessary is just to be 0 11 / cm 2 or less.

【0053】本発明の一実施例では、トラップ密度が5
×1011/cm2 以下の値を有する結晶化した非単結晶
シリコンTFTは、光電変換機能を有するため、例えば
図8に示す如く、光を感知するセンサ部分とスイッチの
部分とを1つの回路素子、即ち光感度をもったスイッチ
素子とすることで撮像素子を簡素化することが可能とな
った。
In one embodiment of the present invention, the trap density is 5
Since a crystallized non-single-crystal silicon TFT having a value of × 10 11 / cm 2 or less has a photoelectric conversion function, for example, as shown in FIG. By using an element, that is, a switch element having photosensitivity, the imaging element can be simplified.

【0054】図8において、10は光電変換機能を有す
る非単結晶シリコンTFT、11はバイアス電源、12
はビデオライン、13はゲートラインを示す。図8にお
いて、ソースドレイン間に照射した光に応じ、感度よく
この非単結晶シリコンTFTの出力を変化することがで
きる。
In FIG. 8, 10 is a non-single-crystal silicon TFT having a photoelectric conversion function, 11 is a bias power supply,
Indicates a video line, and 13 indicates a gate line. In FIG. 8, the output of the non-single-crystal silicon TFT can be changed with high sensitivity according to the light irradiated between the source and the drain.

【0055】[0055]

【発明の効果】本発明により、感度のよい光電変換特性
及び増幅特性を有するTFTを得ることができる。しか
もこのTFTは他の回路素子と同一素材で製造すること
も出来るし、大面積基板上に均一な特性を有する駆動ス
イッチ機能と光センサ機能を兼用できる固体撮像装置を
形成することが可能である。
According to the present invention, a highly sensitive TFT having a photoelectric conversion characteristic and an amplification characteristic can be obtained. In addition, this TFT can be manufactured from the same material as other circuit elements, and a solid-state imaging device that can serve both a drive switch function and an optical sensor function having uniform characteristics on a large-area substrate can be formed. .

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例の非単結晶TFTの断面構成
図である
FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram of a non-single-crystal TFT according to one embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施例の非単結晶TFTの製造工程
説明図の一部である。
FIG. 2 is a part of a diagram illustrating a manufacturing process of a non-single-crystal TFT according to an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の一実施例の非単結晶TFTの製造工程
説明図のうち図2の次工程説明図である。
FIG. 3 is an explanatory view of the next step of FIG. 2 in the explanatory view of the manufacturing steps of the non-single-crystal TFT according to one embodiment of the present invention.

【図4】本発明の一実施例の非単結晶TFTの特性図で
ある。
FIG. 4 is a characteristic diagram of a non-single-crystal TFT according to one embodiment of the present invention.

【図5】本発明の一実施例の非単結晶TFTと他のTF
Tの特性比較図である。
FIG. 5 shows a non-single-crystal TFT and another TF according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a characteristic comparison diagram of T.

【図6】本発明の一実施例の非単結晶TFTの特性図で
ある。
FIG. 6 is a characteristic diagram of a non-single-crystal TFT according to one embodiment of the present invention.

【図7】本発明の非単結晶TFTの動作原理説明図であ
る。
FIG. 7 is a diagram illustrating the operation principle of the non-single-crystal TFT of the present invention.

【図8】本発明の一実施例の非単結晶TFTを用いた回
路図である。
FIG. 8 is a circuit diagram using a non-single-crystal TFT according to one embodiment of the present invention.

【図9】従来の固体撮像装置の説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram of a conventional solid-state imaging device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ガラス基板 3’ 活性層 4’ ゲート絶縁膜 5’ ゲート電極 6 ソース領域 6’ ドレイン領域 10 TFT DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Glass substrate 3 'Active layer 4' Gate insulating film 5 'Gate electrode 6 Source region 6' Drain region 10 TFT

フロントページの続き (72)発明者 小玉 光文 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社 半導体エネルギー研究所内 (72)発明者 杉浦 和司 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社 半導体エネルギー研究所内 (72)発明者 高山 一郎 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社 半導体エネルギー研究所内 (72)発明者 小堀 勇 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社 半導体エネルギー研究所内 (72)発明者 山内 幸夫 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社 半導体エネルギー研究所内 (72)発明者 坂本 直哉 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社 半導体エネルギー研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−7663(JP,A) 特開 平2−78217(JP,A) 特開 昭63−9978(JP,A) 特開 昭62−104021(JP,A) 特開 平4−119670(JP,A) 特開 平6−88973(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/146 H01L 21/336 H01L 29/786 H01L 31/10 Continuing on the front page (72) Inventor Mitsumumi Kodama 398 Hase, Atsugi-shi, Kanagawa Prefecture Inside Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. (72) Inventor Kazushi Sugiura 398 Hase, Atsugi-shi Kanagawa Prefecture Inside Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. (72) Invention Person Ichiro Takayama 398 Hase, Atsugi-shi, Kanagawa Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Inside Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. (72) Inventor Naoya Sakamoto 398 Hase, Atsugi City, Kanagawa Prefecture Inside Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. (56) References JP-A-61-7766 (JP, A) JP-A-2-78217 (JP) JP-A-63-9978 (JP, A) JP-A-62-104021 (JP, A) JP-A-4-119670 (JP, A) JP-A-6-88973 (JP, A) (58) survey the field (Int.Cl. 7, D Name) H01L 27/146 H01L 21/336 H01L 29/786 H01L 31/10

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 非晶質シリコンにパルスレーザーを照射
して結晶化された非単結晶シリコン層、前記シリコン層
に密接したゲート絶縁膜及び前記ゲート絶縁膜に密接し
たゲート電極を有し、前記ゲート絶縁膜と前記シリコン
層の界面のトラップ密度は、5×10 11 /cm 2 以下で
あり、基板上に設けられた薄膜トランジスタを前記ゲー
ト電極にチャネル誘起とは逆の電位のゲート電圧を加え
た状態で光センサとして用いることを特徴とする固体撮
像装置。
[Claim 1 further comprising an amorphous silicon non-single-crystal silicon layer crystallized by irradiating a pulsed laser, a gate electrode close contact with the gate insulating film and the gate insulating film intimate contact with said silicon layer, said Gate insulating film and the silicon
The trap density at the interface of the layer is 5 × 10 11 / cm 2 or less.
A solid-state imaging device in which a thin film transistor provided over a substrate is used as an optical sensor in a state where a gate voltage having a potential opposite to that of channel induction is applied to the gate electrode.
【請求項2】 請求項1において、前記パルスレーザー
はエキシマレーザーであることを特徴とする固体撮像装
置。
2. The pulse laser according to claim 1, wherein
Is a solid-state imaging device , which is an excimer laser .
【請求項3】 請求項1において、前記基板はガラス基
板であることを特徴とする固体撮像装置。
3. The method according to claim 1, wherein the substrate is a glass substrate.
A solid-state imaging device, which is a plate .
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