JPH01149488A - フォトセンサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はフォトセンサ及びその製造方法に関し、特に吸
収波長の異なる積層構造の複数層の受光部を有するフォ
トセンサ及びその製造方法に関する。

［従来の技術及びその問題点］ 従来、ファクシミリやデジタル複写機等において、原稿
画像情報の読み取りのために適宜の大きさの受光部を多
数有するフォトセンサが使用されれている。

そして、近年においては画像情報のカラー化に対応して
カラー読み取りを行なうフォトセンサが要求される柱に
なっている。

カラー読み取りのためには、従来、たとえば隣接する３
つの受光部を１画素として、これら３つの各受光部上に
それぞれ３原色たとえば赤色、緑色及び青色のフィルタ
を付設し、入射光のそれぞれの色成分を読み取る方式が
提案されている。

第６図はこの様な従来のカラー読み取りのためのフォト
センサの一画素分の概略構成を示す断面図である。

図に−おいて、５１はｐ型半導体からなる基板であり、
該基板上に３つの受光部５２，５３．５４が形成されて
いる。各受光部は上記ｐ型半導体基板上にエピタキシャ
ル成長により形成されたｎ型半導体領域と、該ｎ型半導
体領域中への不純物拡散により形成されたｐ型半導体領
域とを有する。

このｐｎ接合面が実質的受光面となる。そして、隣接す
る受光部のｎ型半導体領域どうしはｐ型半導体基板５１
に達するまで不純物拡散されて形成されたｐ型半導体領
域により分離されている。各受光部のｐｎ接合半導体領
域上には、受光部５２の場合は赤色フィルタ５２ａが配
置されており、受光部５３の場合には緑色フィルタ５３
ａが配置されており、受光部５４の場合には青色フィル
タ５４ａが配置されている。

かくして、上方から入射する光に対し、受光部５２は赤
色光成分を検出することができ、受光部５３は緑色光成
分を検出するこができ、受光部５４は青色光成分を検出
することができる。従って、受光部５２〜５４で形成さ
れる範囲を１画素として、カラー画像情報の読み取りを
行なうことができる。

尚、上記フォトセンサの使用時には、ｐ型半導体基板５
１と各受光部のＮ型半導体領域との間に逆バイアス電圧
を印加しておくことにより、受光部間の電気的分離がな
される。

しかして、上記の様な従来の゛カラー読み取りのための
フォトセンサおいては、各色光に対する受光部を横方向
に３つ設けており更に各受光部に対し異なる色フィルタ
を正確に位置決め配置する必要があるために、現実には
１画素の大きさを十分に小さくすることには限界がある
。従フて、高解像度の実現が困難であるという難点であ
る。

また、上記の様な従来のフォトセンサは各受光部を電気
的に分離してはいるが、分離ｐｎ接合面からのリーク電
流もあり、比較的弱い光の検出の際に微弱電流を検出す
る場合にはこのす−り電流も無視することができず、Ｓ
Ｎ比低下の原因となる。

この様な電流リークの問題を解決するために、第７図に
示される様な構成のカラー読み取りフォトセンサが提案
されている。

即ち、基板６１上に絶縁層６１ａを形成し、該絶縁層上
に受光部６２，６３．６４を形成したものである。該受
光部は上記第６図の受光部と同様の構造であり、ｐｎ接
合半導体領域上には赤色フィルタ６２ａ１緑色フィルタ
６３ａ、青色フィルタ６４ａが配置されている。半導体
としてはシリコンが用いられる。

この様に、絶縁体上に受光部を分離して形成したＳＯ！
（シリコン・オン・インシュレータ）構造は電気的絶縁
性が優れており、クロストークが防止できるという長所
がある。しかしながら、この場合も上記第６図のフォト
センサの場合と同様に、１画素の大きさを十分に小さく
することには限界があり、高解像度の実現が困難である
という難点がある。更に、製造方法の点からは、従来法
により絶縁層上に半導体単結晶を形成することは極めて
困難であり、従って一旦絶縁層上に多結晶を形成し、該
多結晶にレーザー光を照射し再溶融化させて、結晶粒径
を大きくして所望の大きさの単結晶とするという試みも
なされているが、低コスト化が充分ではなく、また現在
の半導体ＩＣの製造プロセスとの整合性も悪いという難
点がある。

そこで、本発明は、上記従来技術に鑑み、高解像度での
カラー読み取りの実現が可能なフォトセンサを提供する
ことを目的とする。

更に、本発明は隣接受光部どうしの電気的絶縁性が良好
なフォトセンサを提供することを目的とする。

また、本発明はこの様なフォトセンサの製造に好適な方
法を提供することを目的とする。

更に、本発明は上記の様なフォトセンサを低コスト且つ
安定して製造することのできる方法を提供することをも
目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本出願に係る第１発明は、核形成密度の小さな表面（以
下非核形成面という）を有する基体と；面方位が制御さ
れ熱履歴を有する当該基体に配された種子結晶より成長
した、層厚方向に絶縁物を介して積層されている単結晶
よりなる複数の半導体層とを有し、層厚方向に沿って各
半導体層に順次入射する光に対し該各半導体層がそれぞ
れ異なる波長吸光特性を有することを特徴とするフォト
センサである。

本出願に係る第２発明は、フォトセンサの製造方法にお
いて、基体表面に微細な種子単結晶を形成し次いで上記
基体表面を非核形成面とし且つ上記種子単結晶を種子と
して単結晶を選択エピタキシャル成長させる工程を含ん
で上記基体表面上に第１の半導体層を形成し、該半導体
層の上方に絶縁層を形成し、該絶縁層を非核形成面とし
、該絶縁層上に微細な種子単結晶を形成し、次いで選択
エピタキシャル成長により単結晶を成長させる工程を含
んで上記絶縁層上に第２の半導体層を形成し、以下、所
望により同様にして適宜の回数上記絶縁層及びその上の
半導体層の形成を行なうことを特徴とする、フォトセン
サの製造方法である。

（以下余白） ［作用］ 以下に本発明をよりよく理解するために、本発明の主要
な構成要件を項目別に説明を加える。

く基体〉 本発明では、まず基体を用意する。基体は、表面に非核
形成面（核形成密度が小さい面）を有していればその材
質、形状、寸法等には特に限定されず任意の材質、形状
、寸法のものを使用できる。

結局本発明で使用される基体は、非核形成面を有してい
れば良く、それ以外の構成的な要件は必要としない。

ここで、表面に非核形成面を有する基体とは、まず、あ
る基体自身の表面が非核形成面である場合は当然に該当
する。例えば、５ｉｎ２基体（ガラス、石英基板等）が
あげられる。また、ある基体自身の表面は非核形成面で
はなくとも（例えば結晶性の基体の場合）、その基体表
面に非核形成面を生ずる材料からなる膜を堆積した場合
にも、表面に非核形成面を有する基体に該当する。例え
ば、金属、半導体、磁性体、圧電体あるいは絶縁体より
なる基板表面に、ＮＳＣ膜、ＰＳＧ膜、熱酸化５ｉ０２
膜等を堆積せしめたような場合である。

結局、別言するならば、非核形成面は、基体の表面がそ
うである必要はなく、基板と同じか、又は異なる材質で
なる非核形成面を形成する材料を堆積させたものであっ
てもよい。

なお、非核形成面を有する膜を堆積せしめる場合におけ
る堆積方法は、例えば、ＣＶＤ法、スパッタ法、ＬＰＥ
法、ＭＢＥ法その他の任意の堆積法を用いればよい。

なお、上記において非核形成面とは、核形成密度の小さ
な表面のことであり、核形成密度が小さいとは、絶対的
基準において小さい場合と、種子結晶の表面との比較に
おいて小さい場合の両者が含まれる。すなわち、非核形
成面に対し種子結晶表面において選択的にエピタキシャ
ル成長が起こり種子結晶から成長した結晶が単結晶とな
り、非核形成面上には、核形成及び堆積が生じなければ
ばよいので相対的基準において小さい場合も含まれる。

また、核形成密度は、温度、圧力、添加ガス（ＨＣＪ２
ガス等のエツチングガスを結晶成長を行なうためのソー
スガスと同時に供給し、核形成を抑制すれば核形成密度
は一層低くなる）その他の結晶形成処理時の条件によフ
て変化するが、変化させた条件下で、非核形成面の核形
成密度は小さいほどよい。

〈種子結晶〉 本発明者は、面方位の制御された（すなわち、面方位が
ほぼ一定の方向に配向ないし揃った）種子単結晶を非核
形成面に容易に配設する方法について各種の探索を行な
ったところ、次の方法を発見した。なお、熱履歴を有す
る種子結晶とは、例えば以下の方法で形成された種子結
晶である。

（方法１） 非核形成面に、表面の面方位が方位制御され、かつ、表
面の面積が微小な薄膜の種子多結晶を配し、次に該多結
晶を熱処理することにより該多結晶を種子単結晶とする
方法。

（方法２） 非核形成面に溶融固化されることで単結晶化するに充分
微小な大きさを有する、結晶成長の種子となる材料を配
し、前記種子となる材料に熱処理を施して溶融固化する
ことで面方位の制御された種子単結晶とする方法。

（方法３） 非核形成面に結晶成長の種子となる材料で形成された微
小な非晶質体を配し当該非晶質体に熱処理を施すことに
より面方位の制御された種子単結晶とする方法。

（方法４） 非核形成面に凝集するに充分薄く、かつ、単一体のまま
凝集するに充分微細な面積を有する、結晶の種子となる
材料を配し、該種子となっる材料に熱処理を施　して凝
集を生起させることで面方位の制御された種子結晶とす
る方法。

以上の方法について以下に詳細に説明する。

（方法１の説明） 本発明者は、ある特定の場合に、面方位が制御された多
結晶を熱処理すると、制御された面方位は維持されたま
ま多結晶は異常粒成長して大粒径の単結晶薄膜に変質す
ることを発見した。

そして、制御された面方位は維持されたまま単結晶に変
質するか否かは表面の面積に関係していることを知見し
、該面積が微小の場合に制御された面方位は維持された
まま微小面積中に粒界を含まない単結晶に変質すること
を確認した。

この現象は、本発明者により発見されたものであり、微
小部における異常粒成長（アブノーマルグレイングロウ
ス）、２次再結晶又は表面エネルギーを駆動力とした２
次再結晶の作用であると考えられる。

・多結晶 ・方位ＩＩＪ御 所望の面方位に制御するには、該所望の面方位に応じた
堆積法において所定の堆積条件に設定すればよい。

・厚さ 種子多結晶の厚さとしては、１μｍ以下が好ましく、よ
り好ましくは０．５μｍ以下である。

・面積 面積が微小であることは熱処理と関係し、微小であるほ
ど単結晶に変質しやすい。粒径で面積を表わすと、１０
μｍ以下が好ましく、より好ましくは５μｍ以下である
。

・熱処理 面方位制御された微小な面積の薄膜の種子多結晶は、熱
処理を行うことより固相で面方位制御された微小な種子
単結晶に変質する。

例えば、Ｓｉ又は、Ｇｅからなる数百人の粒径で１μｍ
以下、好ましくは０．５μｍ以下の厚さで、最長１０μ
ｍ以下、好ましくは５μｍ以下の大きさの方位制御され
た種子多結晶は、温度７００〜１３００℃で数１０分〜
数時間の熱処理を施す事により該種子多結晶と同一の方
位に制御された粒界を含まない種子単結晶に粒成長し変
質する。方位制御された種子多結晶膜の材質、厚さ、大
きさ、熱処理の温度のパラメータは、相互に関係するも
のである。種子多結晶膜の厚さが薄い程および大きさが
小さい程、単結晶化し易い。

熱処理の好ましい温度は、種子多結晶の材質の融点の関
係から材質により変わる、例えばＳｔ多結晶膜の時は８
００〜１４００℃が好ましく、Ｇ　ｅ　ｊｆｊ子多子馬
結晶合は６００〜９００℃が好ましい。

熱処理温度の具体的な温度は上記したとおりであるが、
Ｓｔ、Ｇｅ以外の材質の場合は、概略として、ＴｍＸ０
．４以上の温度で熱処理を行えばよい。ただし％Ｔｌ１
１は絶対温度における融点である。ただ、多結晶の結晶
状態（各種の結晶欠陥の有無、例えば不純物、空孔の存
在等）により上記温度は変動するが、その都度、熱処理
温度は適宜選択すればよい。

なお、種子多結晶膜に第３族系の元素であるＢ、Ａｌｌ
、Ｇａ、Ｉｎ、ＴＪＩや、第５族系の元素であるＰ、Ａ
ｓ、Ｓｂ、Ｂｉ等の不純物を添加すると粒界に沿って原
子の易動度が増加、あるいは粒界を越えて原子がジャン
プする頻度が促進され、粒界の易動速度が極めて増速さ
れる。すなわち、固相における異常な粒成長が誘起され
るので、熱処理に先立ち、多結晶にかかる不純物を注入
することが好ましい。

（方法２の説明） 方法２は、核形成密度の小さい非核形成面に、溶融固化
されることで単結晶化するに十分微小な大ぎさを有する
、結晶成長の種子となる材料を配し、前記種子となる材
料に熱処理を施して溶融固化することで面方位の制御さ
れた種子単結晶とし、該種子結晶を種子として単結晶を
成長させることを特徴とする結晶の成長方法である。

・種子となる材料 種子とムる材料は非晶質でも多結晶でもよい。

非晶質あるいは多結晶の材料としては、減圧ＣＶＤ法、
プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、ＥＢ（エレクトロンビ
ーム）蒸着法、スパッタ法、ＭＢＥ法などで堆積した非
晶質シリコン、非晶質ゲルマニウム、結晶方位のそろっ
ていない多結晶シリコン、結晶方位のそろっていない多
結晶ゲルマニウム、配向した（基板に垂直な結晶方位が
ほぼそろった）多結晶シリコン、配向した多結晶ゲルマ
ニウムなどを用いることができる。

この種子となる材料は後述する溶融固化されることで単
結晶化するに十分微小な大きさである。

なお、この材料を以下スポット状の膜あるいは微粒子と
いうことがある。

・溶融固化 本方法では、上記スポット状の膜に熱処理を施して溶融
固化することで面方位の制御された種子単結晶とする。

スポット状の堆積膜を溶融固化して種子単結晶に変える
ためには、例えばエネルギービームを照射すればよい。

照射するエネルギービームとしては、各種レーザー（例
えばＣＯ２レーザー、エキシマレーザ−１Ａｒレーザー
）、電子線、各種ランプなどを用いることができる。

なお、熱処理条件によっては面方位が制御されないこと
があるが、照射条件、冷却条件等を適宜選択することに
より面方位を制御する。

（方法３の説明） 方法３の非晶質体としては減圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶ
Ｄ法、光ＣＶＤ法、ＥＢ（エレクトロンビーム）蒸着法
、スパッタ法、ＭＢＥ法などで堆積した非晶質シリコン
、非晶質ゲルマニウム、などを用いることができる。

非晶質体は微小である。その厚さには特に限定されない
が、１μｍ以下が好ましく、０．５μｍ以下がより好ま
しい。また、バターニングされた領域の大ぎさは、１０
μｍ角以下が好ましく、５μｍ角以下がより好ましい。

・熱処理 方法３における熱処理は、Ｔ、Ｘｏ、４以上が好ましい
（ただし、Ｔ１は絶対温度における融点）。

なお、種子結晶の材料としてＳｉを例にとると、実際の
Ｓｔの融点は約１４２０〜１４５０℃であり、単結晶化
するための温度も高温度となり、実際のプロセスには高
温すぎて必ずしも好ましくない。そこで、不純物（例え
ばＰ）をドーピングした。Ｐを高濃度にドーピングする
ことによって熱ｆｉ埋可能温度は約８００℃まで一気に
下がる。この事実によって非晶質Ｓｉの熱処理法がプロ
セス温度付近でより一層実用的に達成できる。

ドーピング元素としては、例えばＰ、Ａｓの第５族元素
あるいはＢの第３族元素が好ましい。−その量としては
Ｉ　Ｘ　１　ｏ２０／　Ｃｒｎ″以上が好ましく、より
好ましくはドーピング元素のＳｔに対する固溶限付近が
よい。ただし、固溶限は各元素によって、また、温度に
よりて異なる。例えば、Ｓｉに対してＡｓは約２Ｘ１０
”／ｃｒｎ″、Ｐは約Ｉ　Ｘ　１０　”／　ｃ　ｒｎ’
、Ｂは約４Ｘ１０２°／ｃｒｒＩ′〜６　Ｘ　１０　”
／　ｃ　ｒｎ’である。

また、この熱処理法による単結晶化は、多結晶を用いて
も充分可能であることもわかっているが、非晶質の方が
多結晶に比べてアニール効果（すなわち、単結晶化のし
やすさ）が大きい。

本方法において形成した単結晶種子には、（１１１）配
向性がある。何故非晶質Ｓｉを用いてアニールしたもの
が（１１１）面を形成するかはまだはっきりとはわかっ
ていないが、活性化されたＳｉが再結晶化する際に、（
１１１）面を基板平行面にする再結晶化が最もエネルギ
ー的に安定しているためだと考えられる。

（方法４の説明） ・種子となる材料 種子となる材料は、多結晶でも非晶質でもよく、また、
その材料としては、Ｑｅ、Ｓｉ等があげられる。

この材料の厚さは、後述する熱処理を施した時に凝集す
るに充分薄い厚さである。例えば、０．１μｍ以下の膜
厚が好ましい。

また、面積として、単一体のまま凝集するに充分微細な
面積を有する。例えば、バターニングで径で７μｍ以下
が好ましく、２μｍ以下がより好ましい。

以下この材料を超薄膜という場合がある。

・熱処理・凝集 本発明では上述した結晶の種子となる材料に熱処理を施
して凝集を生起させる。すなわち、上述した結晶の種子
となる材料に融点以下の温度で熱処理を施すと（例えば
Ａｒ中で７５０℃×１時間）、あたかも、液相の様に凝
集現象が起こり、該超薄膜は凝集体となる。そして、そ
の特徴的な点は、形成された凝集体は、単結晶であり、
かつ、その面方位は一定の方位を有しているという点で
ある。つまり、木刀≠は、凝集時車結晶化現象を利用し
、方位の揃った種子単結晶を配置する。なお、上記の凝
集化現象は、表面エネルギーを最小にするため、固相で
も原子が穆勤することを示している。

結局、本方法の結晶の種子となる材料のような超薄膜の
場合、体積に対する表面積の占める割合が著しく増大し
、その結果、表面エネルギーの減少を駆動力として融点
よりはるかに低い温度で凝集現象が起こる。なお、他の
材料の場合にも同様の現象が得られる。

また、本発明における結晶の種子となる材料は、単一体
のまま凝集するに充分微細な面積を有しているので、熱
処理によって分裂することはなく単一性は保持される。

以上の４つの方法において、種子結晶は同一基体に１個
のみ配設してもよいし複数個配設してもよい。１個配設
する場合、基体に配する多結晶膜の位置は、成長する結
晶における中心の位置とほぼ一致する。

また、複数個配設する場合においては、位置及び粒径が
制御された多結晶膜を望む場合には各種子結晶間の距離
を成長させたい各単結晶の大きさに合わせればよい。

（以下余白） く結晶形成処理〉 本発明においては、基体の非核形成面に種子結晶を配設
した後、結晶形成ｌＡ埋を行なう。結晶形成処理とは、
種子単結晶を種子として結晶成長をせしめ、より大きな
単結晶とする処理である。

結晶形成処理の方法としては、例えば、ＣＶＤ法、ＬＰ
Ｅ法、ＭＯＣＶＤ法等があげられるが、もちろんこれら
の方法以外の方法を用いてもよい。

なお、結晶成長させる材質は、種子単結晶の材質と同一
でもよいし異なってもよい。例えば、種子単結晶をＧｅ
とした場合、結晶成長させる材質はＧｅ、Ｓ　ｔ、Ｇａ
Ａｓ、ＧａＡｊ２Ａｓその他の化合物半導体とすること
ができる。また、種子単結晶がＳｔの場合にも同様に結
晶成長させる材質はＧｅ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＡｊＺ
Ａｓその他の化合物半導体とすることができる。

以下に結晶成長の作用を説明する。

その基本原理は、選択エピタキシャル成長とエピタキシ
ャル横方向成長の原理にある。選択エピタキシャル成長
を説明する前に、本発明の理解を容易にするために、−
数的な結晶成長のメカニズムを以下に説明する。

・−数的メカニズム 堆積面の基板が、飛来する原子と異なる種類の材料、特
に非晶質材料よりなる場合、飛来する原子は基板表面を
自由に拡散し、又は、再蒸発する。そして原子同志の衝
突の末、核が形成され、その自由エネルギＧの変化ΔＧ
が最大となるような核（この核は一般に安定核、成長核
あるいは臨界様と呼ばれる）の大きさｒｃ以上になると
、ΔＧは減少し、核は安定に三次元的に成長を続け、島
状となる。

このように核が成長して島状になり、更に成長して島同
志が接触して網目状に基板表面を覆い、最後に連続膜と
なって基板表面を完全に覆う。このような過程を経て基
板上に薄膜が堆積する。特に基体が非晶質の場合に良好
な多結晶薄膜となる。

・選択エピタキシャル成長 上記した一般的成長に対し、選択エピタキシャル成長の
場合は、表面エネルギー、付着係数、表面拡散速度等の
結晶成長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、基板上に選択的にエピタキシャル成長を行
なわしめるものである。

すなわち、基体上における安定核の発生を抑止しく従フ
て、基体からの結晶成長は生じない）、種子単結晶表面
からのみエピタキシャル成長を行なわしめるものである
。

本発明では、基体表面は非核形成面であるので、かかる
安定核の発生は抑制され、種子単結晶のみから選択的に
結晶成長が生ずる。

さらに、本発明においては、結晶は種子単結晶表面から
次第に横方向にもエピタキシャル成長し、やがて基体を
覆う形で単結晶が形成されていく。

なお、非核形成面となる理由は、次のように考えられる
。

−数的には飛来原子の基板表面上で表面拡散距離が異常
に大きいか、あるいは吸着係数が異常に小さい事に起因
する。また、飛来原子と基板物質が化学反応を起こし、
生成物質の蒸気圧が高く、蒸発してしまう事もある。

例えば、ＳｔをＳ　ｉ　０２基体上に９００℃以上で堆
積させると、 Ｓｉ＋５ｉ０２→２ＳｉＯ？ となりＳｔは堆積できない（Ｔ、Ｙｏｎｅｈａｒａ　ｅ
ｔ　ａｌ。

Ｊ、Ａ、Ｐ、５３．Ｐ、６８３９．１９８２　）。

また、 Ｇａ＋５ｉ０２−＋ＧｅＯ↑＋５ｉｆｔの反応も起こり
得る。また、吸着原子と反応する添加ガスを送る事も可
能であり、吸着原子は全てエツチングされてしまう。例
えばＳｔ、Ｇｅに対してＨＣＪＩが有効である。主に、
Ｈ２ガスのＳＬＯ，基板表面吸着によって、ＳｔのＳｉ
ｎ。

上の吸着サイトが皆無となる事もある（Ｗ、Ａ、Ｐ。

Ｃ１ａｓｓｅｎ　＆　Ｂ１ｏｅｗ＋、　Ｊ、Ｅｌｅｃｔ
ｒｏ−ｃｈｅｍｉｃａｌ　５ｏｃｉｅｔｙ。

１２８、１３５３．１９８１）。

このような非核形成とする条件は、温度、圧力、供給さ
れる原料ガスの流量等で調整すればよい。

さらに、本発明では、種子単結晶の表面の方位は方位制
御されており、表面が方位制御された単結晶を種子単結
晶として選択エピタキシャル成長と横方向エピタキシャ
ル成長を行うと、表面から成長した単結晶の面方位は一
定しており、その単結晶に半導体装置を形成した場合に
その特性が一定していることは、本発明による幾多の実
験により確認されているところである。

以上のように結晶形成処理の成長させる材料としては、
Ｇｅ、Ｓ　ｉ、ＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ等があげられる
。すなわち、ホモエピタキシャル成長、ヘテロエピタキ
シャル成長のどちらをも行なうことができる。

本発明の非晶質絶縁基板上の単結晶シリコン微粒子を単
結晶のまま２次元的あるいは３次元的に成長させる方法
としては、ＣＶＤエピタキシャル成長法や液相エピタキ
シャル成長法などを用いることができる。ＣＶＤエピタ
キシャル成長法に用いるソースガスとしては、ＳｉＨ４
゜５ｉＨ２Ｃ１，，５ｉＨＣ１３，５ｉｃｆＬ４゜５ｉ
２Ｈ，などが用いられる。エツチングガスとしてはＨ’
ＣＪ！、　Ｆ２　、　Ｃｌ３　、　ＣＨＦ３　。

ＣＦ４．ＣＣβ２　Ｆ２　、ＣＣｆ１ｓ　Ｆなどを用い
ることができる。このエツチングガスの存在が、５ｉｎ
２上へのシリコンの直接堆積をおさえるのに重要である
。基板温度はソースガスの種類により異なるが、８００
〜１１００℃、圧力は減圧がよく、２０〜２００Ｔｏｒ
ｒ程度である。液相エピタキシャル成長法のソース溶液
としては、Ｓｎを溶媒としたＳｔ溶液、Ｇａを溶媒とし
たＳＬ温溶液どを用いることがでとる。Ｓｎ溶媒の場合
、例えば成長温度９００℃、冷却速度０．２ｔ／ｍｉｎ
で結晶成長が可能である。

また、本発明の非晶質絶縁物基板上のゲルマニウム単結
晶微粒子を種子にてＧａＡｓなどの単結晶をヘテロエピ
タキシャル成長させて大きなＧａＡｓなとの単結晶を得
る方法としてはＭＯＣＶＤ法、液相エピタキシャル法な
どがある。

尚、複数の半導体相を設けることについては、以下の実
施例で説明する。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面に基いて詳細に説明する。

第１図（Ａ）〜（Ｊ）は、本発明によるフォトセンサの
製造方法の第１の実施例を示す工程図であり、第２図（
Ａ）および（Ｂ）は、第１図（Ａ）および（Ｄ）におけ
る斜視図である。

まず、第１図（Ａ）および第２図（Ａ）に示すように、
基板４上に、選択エピタキシャル成長を可能にする核形
成密度の小さい絶縁層５を形成した。

具体的には基板４は４インチのＳｉウェハを、そして絶
縁層５には、この単結晶Ｓｉウェハを２０００人熱酸化
したものを基体として用いた。

本実施例では前記基体上にＳｉ多結晶を出発種多結晶と
し、＜１１０＞の面方位をもつＳｉ単結晶（以下結晶島
と言うことがある）を成長させたので、その方法につい
て以下に述べる。

まず、前記絶縁層５上にＬＰＣＶＤ法により次の条件で
Ｓｉｉ膜を形成した。

圧　　　カニ０．　３Ｔｏｒｒ 使用ガス：　Ｓ　ｉ　Ｈ４ ガス流′ｉｉ：　５０　ｓ　ｅ　ｃ　ｍ温　　　度＝　
６３０℃ Ｉ促　　厚：５００人 Ｘ線回折により、このＳｉ薄膜の面方位を測定したとこ
ろ、その面方位はほぼ＜１１０＞に配向していて、他の
方位はほとんど観察されなかった。

また、このＳｉ薄膜を透過電子顕微鏡で観察し、その粒
径を測定したところ、約５００人の多結晶薄膜であるこ
とがわかった。

この得られたＳｉ薄膜に、ＰＯＣｊＺ３によるリンガラ
ス堆積（条件＝９５０℃、３０ｍ１ｎ）により７．５Ｘ
１０”／ｃｍ’のＰをドーピングした。

次に、ステッパーを用いたフォトリソグラフとＳＦ６ガ
スによる反応性イオンエツチング（ＲＩＥ）により、格
子状に５０μｍ間隔で配列した１μｍ角の微小な多結晶
を残し、その他の部分をエツチングした。

次に、熱処理炉にてＮ２ガス中で１ｔｏｏ’ｃｘ３ｏｍ
ｉ　ｎ熱処理を行なった。熱処理後、透過電子顕微鏡で
結晶粒界の有無を調べたところ、１μｍ角の間に結晶粒
界はなかった。

このようにして５ｉ０２膜５上に、種子単結晶６を配設
した。

この種子結晶６を種子として、Ｓｔ選択エピタキシャル
成長する。この時の基本条件は、圧　　　カニ　　１５
０Ｔｏｒｒ エツチングガス：ＨＣｊ２　１．６ｊｌ／ｍｉ　ｎ（以
下Ｎ２換算） キャリアガス：Ｈ２１００Ｊ２／ｍｉｎ使用ガス：Ｓｉ
Ｈ２Ｃ互２　１．２ｊＺ／ｍｉｎ温　　　度：　９６０
℃ 結晶形成処理時間；　６０ｍ１　ｎ である。

第１図（Ｂ）のように島状の単結晶粒７は単結晶構造を
保ちながら種子単結晶６を中心して更に成長し、同図（
Ｃ）に示すように絶縁層５全体を覆う。

続いて、エツチング又は研磨によフて単結晶粒７を平坦
化し、第１図（Ｄ）および第２図（Ｂ）し示すように、
単結晶層８が絶縁層５上に形成される。

該単結晶半導体層８はフォトセンサの第１の受光部とさ
れる。第１図（Ｅ）に示される様に、該受光部の下部は
第１の導電型（たとえばｎ型）とされ、且つ該受光部の
上部は第２の導電型（たとえばＰ型）とされる。即ち、
たとえば第１図（Ｂ）、（Ｃ）の工程にて単結晶成長を
行なう際に堆積ガス中にＰＨ３やＡｓＨ３等のガスを混
入することにより、堆積と同時にシリコン単結晶中にＰ
（リン）やＡｓ（ヒ素）等の不純物を拡散させ、そして
上記第１図（Ｄ）の工程後に通常のＩＣ製造プロセスの
場合と同様にしてＢ（ホウ素）等の不純物を拡散させた
り、あるいはイオン打込みを行なったりして上記単結晶
半導体層８の上手部をＰ型とする。半導体層８に上記の
様な所望の導電型領域を形成する別法として、第１図（
Ｂ）、（Ｃ）の工程にて単結晶成長を行なう際に堆積ガ
ス中に堆積の前半ではＰやＡｓ等を含むガスを混入し且
つ堆積の後半ではＢ等を含むガスを混入することによっ
ても行なうことができる。

かくして形成されたＰＮ接合面が第１受光部の実質上の
受光面となる。

次に、上記第１受光部８上に、第１図（Ｆ）に示される
様に、絶縁層８ａを形成する。該絶縁層はたとえばシリ
コン単結晶半導体層８の表面部を熱酸化することにより
形成される非晶質酸化シリコン層である。この様な絶縁
層は、上記の様に選択エピタキシャル成長を可能にする
核形成密度の小さい材料である。

次に、第１図（Ｇ）に示される様に、該絶縁層８ａ上に
上記第１図（Ａ）〜（Ｅ）の工程と同様にして同様なシ
リコン単結晶半導体層９を形成する。該半導体層はフォ
トセンサの第２の受光部とされる。

次に、第１図（Ｈ）に示される様に、上記第２受光部９
上に上記第１図（Ｆ）の工程と同様にして同様な絶縁層
９ａを形成する。

次に、第１図（Ｉ）に示される様に、該絶縁層′９ａ上
に上記第１図（Ａ）〜（Ｅ）の工程と同様にして同様な
シリコン単結晶半導体層１０を形成する。該半導体層は
フォトセンサの第３の受光部とされる。

そして、更に第１図（Ｊ）に示される様に、上記第３受
光部１０上に上記第１図（Ｆ）の工程と同様にして同様
な絶縁層１０ａを形成する。

上記絶縁層９ａ、１０ａは、入射光吸収をできるだけ少
なくするために、いずれもできるだけ薄くするのが好ま
しい。また、該絶縁層は基板４の表面部に形成された絶
縁層８ａと異なる材料から形成してもよい。

尚、上記各受光部８，９．１０内の下半部と上半部とで
導電型を上記実施例と逆にしてもよい。

上記実施例では、堆積面の材料を酸化シリコン薄膜５で
形成したが、勿論、選択エピタキシャル成長を可能にす
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、該基板表面上に同様に単結晶層を形成してもよい。

以上の様にして製造された本実施例フォトセンサにおい
ては、第１図（Ｊ）の上方から光が入射し、該入射光の
うち波長の長い成分（たとえば赤色光）は比較的深くま
で到達し、該入射光のうち波長の比較的短い成分（たと
えば青色光）は比較的性くまでしか到達しない。従って
、各受光部８．９．１０に到達する光エネルギーのうち
の一部をｐｎ接合面により吸収して光電変換することに
より、独立の３つの光成分値が得られ、これによりカラ
ー読み取りが可能となる。本実施例フォトセンサにおい
ては、第２受光部９及び第３受光部１０は第１受光部８
に対するフィルタとしての役割を有し、同様に第３受光
部１０は第２受光部９に対するフィルタとしての役割り
を有する。

本実施例においては、上記第６図及び第７図に示される
様な従来のカラー読み取りフォトセンサに比べて所要面
積が実質上１／３でよく、高解像度が可能となる。

［実施例２］ 第３図（Ａ）〜（Ｂ）は、本発明によるフォトセンサの
製造方法の第２の実施例を示す工程図である。本実施例
フォトセンサは上記第１実施例の様なフォトセンサをセ
ンサセルとして該センサセルを複数個配置してなるもの
である。

第３図（Ａ）に示すような、上記第１実施例と同様な基
板４上に、選択エピタキシャル成長を可能にする核形成
密度の小さい絶縁層５を形成した。具体的には第１実施
例と同様、基板４は４インチのＳｔウェハを、そして絶
縁層５には、この単結晶Ｓｔクエ八へ２０００人熱酸化
したものを基体として用いた。

本実施例では前記基体上に非晶質Ｓｔ（以下ａ−Ｓｉと
記す）を出発種子材料とし、＜１１１＞の面方位をもつ
Ｓｉ単結晶を成長させたので、その方法について以下に
述べる。

まず前記絶縁層５上に、ＬＰＧＶＤにより次の条件でＳ
ｉｓ膜を形成した。

圧　　　カニ０．３　　　Ｔｏｒｒ 使用ガス：　Ｓ　ｉ　Ｈ４ ガス流量：５０　　ＳＣＣＭ 温　　　度＝　５６０℃ 膜　厚：５００人 Ｘ線回折により、このＳＬ薄膜の面方位を測定したとこ
ろ、特定な面方位は観察されなかった。

この得られたＳｔ薄膜にＰ０イオンのイオン打ち込みを
行ない７．５Ｘ１０２０／ｃｍ’のＰをドーピングした
。この時Ｘ線回折及び反射電子回折（ＲＨＥＥＤ）でＳ
ｔ薄膜の面方位を測定したところ、完全な非晶質である
ことを確認した。

次に第１実施例と同様な方法でパターニングと熱処理を
行なった。熱処理後透過電子顕微鏡で結晶粒界の有無を
調べたところ、１μｍ角の中に結晶粒界は無かった。ま
たこの時の面方位は、種子結晶が微小でかつ薄いために
Ｘ線回折等で測定するのは不可能であるので、単結晶成
長後の面方位を測定することにした。

この様にして５ｉｎ２膜５上に種子単結晶６を配置した
。これを第３図（Ａ）に示す。

この種子結晶６を種子としてＳｔ選択エピタキシャル成
長した。このときの基本条件は、第１実施例で＜１１０
＞単結晶を成長させたときと同じでかまわない。

核は単結晶構造を保ちながら成長し、第３図（Ｂ）に示
すように島状の単結晶粒７となる。島状の単結晶粒７が
形成されるためには、すでに述べたように、絶縁層５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７は更に成長して、第３図（Ｃ）に示す
ように隣りの単結晶粒７と接触するが、絶縁層表面内の
結晶方位は一定ではないために、種子単結晶６の中間位
置に結晶粒界１４が形成される。

この時点でＸ線回折で面方位を測定したところ、基板法
線方向にほぼ＜１１１＞に配向していて、他の面方位は
殆ど観測されなかった。

続いて、単結晶粒７は三次元的に成長するが、成長速度
の遅い結晶面がファセットとして現われるために、エツ
チング又は研磨によって表面の平坦化を行い、第３図（
Ｄ）に示すように所定の大きさの単結晶層８が粒界を介
して連続的に配列された形態とする。該各車結晶層８は
各センサセルの第１の受光部とされる。

次いで、第３図（Ｅ）に示される様に、上記第１実施例
の第を図（Ｅ）の工程と同様にして、単結晶層８内にＰ
Ｎ接合を形成する。

次いで、第３図（Ｆ）に示される様に、上記第１実施例
の第１図（Ｆ）の工程と同様にして、半導体層８上に絶
縁層８ａを形成する。この際、上記結晶粒界部分も同時
に熱酸化され、各単結晶層ごとに絶縁分離される。

次に、第３図（Ｇ）に示される様に、上記第３図（Ａ）
〜（Ｆ）の工程と同様にして、上記絶縁層８ａ上に第２
の半導体層９、絶縁層９ａ、第３の半導体層１０及び絶
縁層１０ａを形成する。該各車結晶層９は各センサセル
の第２の受光部とされ、該各車結晶層１０は各センサセ
ルの第３の受光部とされる。

かくして、上記第１実施例で得られた様なフォトセンサ
を１つのセンサセルとし該センサセルを一定間隔で配列
してなるフォトセンサが得られる。

本実施例においては、上記の様に、選択エピタキシャル
成長法を用いているために、種子単結晶６の間隔りによ
り結晶粒径を十分良好に制御することができ、所望のピ
ッチにてセンサセルを配列することができる。

第４図は本発明によるフォトセンサの一実施例の構成を
示す図である。本図において上記第３図におけると同様
の部材には同一の符号が付されている。

第４図において、各センサセルの第２半導体層９及び第
３半導体層１０の形状が上記第３図のものと異なる。こ
れは、該半導体層の形成の際の単結晶成長時において、
成長時間を適宜調節することにより実現される。

また、本実施例においては、センサセルの上方において
隣接センサセルの中間部に入射する光を遮光する様に遮
光体１６が配置されている。

この様にすれば、各センサセルの第２半導体層９を構成
する単結晶の中心位置及び第３半導体層１０を構成する
単結晶の中心位置が上記第１半導体層８を構成する単結
晶の中心位置と多少ずれていてもかまわない。

上記第３図の実施例のフォトセンサの場合にも、同様な
遮光体を付設することができる。

第５図は本発明によるフォトセンサの一実施例を示す構
成図である。

本実施例においては、基板２１上に絶縁層２１ａが付さ
れており、該絶縁層上に第１の種類の半導体単結晶から
なる第１の受光部２２が形成されている。該受光部上に
は絶縁層２２ａが付されており、該絶縁層上には第２の
種類の半導体単結晶からなる第２の受光部２３が形成さ
れている。該受光部上には絶縁層２３ａが付されており
、該絶縁層上には第３の種類の半導体単結晶からなる第
３の受光部２４が形成されている。

本実施例において、各受光部は絶縁基層上に選択堆積法
により形成されたものである。第５図において、２５は
その際に用いられた異種材料である。各受光部の材料と
しては、たとえばＳｔ。

Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＣｄＳ、Ｚｎ５ｅ。

ＺｎＳ等のうちから適宜選択し、第１受光部２２として
最も吸収波長の大きな材料を選び、第３受光部２４とし
て最も吸収波長の小さい材料を選び、第２受光部２３と
して吸収波長が上記２つの吸収波長の中間の材料を選ぶ
、そして、上記絶縁層２１ａ、２２ａ、２３ａの材料と
して、５ｉ０２．Ｓｉ３　Ｎ４．ＷＳｉ、Ｔａｚ　Ｏｓ
。

５ｉＯＮ等のうちから上記各受光部の選択堆積に適する
適宜の材料を選ぶ。

本実施例のフォトセンサにおいては、各受光部で吸収し
た光エネルギは光起電力または抵抗値変化として読み出
すことができる。

［発明の効果ゴ 以上詳細に説明したように、本発明によれば、複数の受
光部半導体層を層厚方向に積層させた構造としたので、
小面積でカラー読み取りが可能となり高解像度が実現さ
れる。

また、本発明によれば、複数の受光部半導体層は絶縁層
を介して配置されているので、受光部間の電気的絶縁性
は十分に良好である。

更に、本発明によれば、通常のＩＣ製造プロセスと類似
の方法を用いて面方位の揃った結晶を容易且つ安定的に
形成することができるので、各センサセル間に特性のバ
ラツキのない好性能なフォトセンサを低コストにて製造
することができる。

特に、複数のセンサセルを有するフォトセンサの場合に
はセンサセルの配列を極めて正確なものとすることがで
きるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｊ）は本発明によるフォトセンサの製
造方法を示す工程図、第２図（Ａ）および（Ｂ）は第１
図（Ａ）および（Ｄ）における斜視図、第３図（Ａ）〜
（Ｇ）は本発明によるフォトセンサの製造方法を示す工
程図、第４図及び第５図は本発明によるフォトセンサの
構成図、第６図及び第７図は従来のフォトセンサの構成
図である。 ４．２１・・・基板、５，８ａ、９ａ、１０ａ。 ２１ａ、２２ａ、２３ａ・・・絶縁層、６．２５・・・
種子単結晶、８．２２−・・第１の半導体層、９．２３
・・・第２の半導体層、１０．２４・・・第３の半導体
層、１４・・・粒界、１６・・・遮光体。 第２図 （Ａ） ＣＢン −＾ ζ−） 第３図 （Ｃ） （Ｄ） （Ｅ） 第３図 （Ｆ） 第４図 第５図 第６図 第７図

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）核形成密度の小さな表面（以下非核形成面という
   ）を有する基体と；面方位が制御され熱履歴を有する当
   該基体に配された種子結晶より成長した、層厚方向に絶
   縁物を介して積層されている単結晶よりなる複数の半導
   体層とを有し、層厚方向に沿って各半導体層に順次入射
   する光に対し該各半導体層がそれぞれ異なる波長吸光特
   性を有することを特徴とするフォトセンサ。
2. （２）半導体層が同一半導体材料のｐｎ接合を有する、
   特許請求の範囲第１項のフォトセンサ。
3. （３）複数の半導体層がそれぞれ異なる半導体材料から
   なる、特許請求の範囲第１項のフォトセンサ。
4. （４）半導体層が３つ設けられており、各半導体層の波
   長吸光特性の主吸収波長がそれぞれ赤色光、緑色光及び
   青色光に対応する波長である、特許請求の範囲第１項の
   フォトセンサ。
5. （５）基体表面部が絶縁層からなる、特許請求の範囲第
   １項のフォトセンサ。
6. （６）半導体層が、非晶質材料からなる基体表面部上ま
   たは非晶質材料からなる絶縁層上に形成されている、特
   許請求の範囲第１項のフォトセンサ。
7. （７）基板表面上に、複数の半導体層が層厚方向に絶縁
   層を介して設けられており該層厚方向に沿って各半導体
   層に順次入射する光に対し該各半導体層がそれぞれ異な
   る波長吸光特性をもつセンサセルが上記層厚方向と垂直
   の方向に関し複数配列形成されている、特許請求の範囲
   第１項のフォトセンサ。
8. （８）フォトセンサの製造方法において、基体表面に微
   細な種子単結晶を形成し次いで上記基体表面を非核形成
   面とし且つ上記種子単結晶を種子として単結晶を選択エ
   ピタキシャル成長させる工程を含んで上記基体表面上に
   第１の半導体層を形成し、該半導体層の上方に絶縁層を
   形成し、該絶縁層を非核形成面とし、該絶縁層上に微細
   な種子単結晶を形成し、次いで選択エピタキシャル成長
   により単結晶を成長させる工程を含んで上記絶縁層上に
   第２の半導体層を形成し、以下、所望により同様にして
   適宜の回数上記絶縁層及びその上の半導体層の形成を行
   なうことを特徴とする、フォトセンサの製造方法。