(57)【要約】【課題】  光電変換膜を構成するセレンの結晶化の際、セレン膜の表面に凹凸が生じても良好な特性のものを形成することができ、この光電変換膜を半導体加工技術で作製された信号読出回路と組み合わせても、クラック等の発生を抑制しつつ、感度を向上させ得る、固体撮像素子およびその製造方法を得ることができる。【解決手段】  光電変換膜（１０）を絶縁膜６により被覆し、次に、該絶縁膜６の各画素に対応する位置に、信号読出回路部７０との対向面側から光電変換膜（１０）に達する開口部（７）を穿設し、この開口部（７）、および信号読出回路部７０との対向面側をＡｕにより埋め込み、被覆し、次に、このＡｕが、この開口部７から微小量だけとび出るように、またはこの開口部７の周囲の絶縁膜６の表面と面一となるように、このＡｕを研磨し、この後、光電変換部６０と信号読出回路部７０とを一体化する。【選択図】図１
2018098238.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部と、半導体技術を用いてなる信号読出回路部とが一体化されてなる固体撮像素子において、
前記光電変換部は、透光性基板上に、透明電極膜と、ｎ型層と、結晶セレンからなるp
型層と、各画素に対応するように位置する接続用電極と、がこの順に配設されてなるとともに、前記接続用電極との接合部および前記透明電極膜に対向する面を除き、前記ｎ型層および前記ｐ型層からなる光電変換膜が絶縁体により取り囲まれるように配されてなり、
前記信号読出回路部は、基板上に配された信号読出回路と、該信号読出回路の各画素に対応する回路毎に設けられた画素電極を有する回路基板からなり、
前記光電変換部と前記信号読出回路部とを、前記接続用電極の各々と、該各々の接続用電極に対応する各画素電極が互いに接合することにより一体化されてなることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記絶縁体は、ＳｉＯｘＮｙ（０≦ x、０≦ y）からなることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記接続用電極がＡｕからなることを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
光電変換部と、半導体技術を用いてなる信号読出回路部とを一体化する固体撮像素子の製造方法において、
前記光電変換部を、透光性基板上に、透明電極膜と、ｎ型層と、結晶セレンからなるp
型層と、をこの順に積層することにより形成し、次に、該ｎ型層と該p型層からなる光電
変換膜を絶縁体により被覆し、次に、該絶縁体の各画素に対応する位置に、前記信号読出回路部との対向面側から前記光電変換膜に達する開口部を穿設し、この開口部、および前記信号読出回路部との対向面側を所定の金属により埋め込み、被覆し、次に、この所定の金属が、この開口部から微小量だけとび出るように、またはこの開口部周囲の絶縁体表面と面一となるように、前記所定の金属を研磨し、
この後、前記光電変換部と前記信号読出回路部とを一体化する、ことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項５】
前記開口部および前記光電変換部の前記信号読出回路部との対向面側を前記所定の金属により埋め込み、被覆する処理が電気メッキ法であることを特徴とする請求項４記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項６】
前記所定の金属を研磨する処理がＣＭＰ研磨法であることを特徴とする請求項４または５に記載の固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換膜と、半導体技術で作製される信号読出回路を電気的に接続してなるＣＭＯＳイメージセンサー等の固体撮像素子およびその製造方法に関し、詳しくは光電変換膜に多結晶セレンを用いた固体撮像素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、テレビ用カメラやデジタルカメラなどに用いられるイメージセンサー（撮像素子）の画素サイズは急速に小さくなってきており、１画素当たりの光の利用効率が大幅に低下することから感度不足が問題となってきている。
【０００３】
このようなイメージセンサーはＳｉ基板を用いた固体撮像素子（シリコンフォトダイオード）が主流となっているが、このようなシリコンフォトダイオードによっては光電変換を行う上で性能上の限界が近付いているといえる。
【０００４】
一方で、セレンをアモルファス状態で基板上に成膜した後、加熱することで多結晶化させ、光吸収率を向上させるとともに可視光の分光感度の帯域を拡げた光電変換膜とすることができることが知られている（下記非特許文献１を参照）。
また、従来のシリコンフォトダイオードに替えて、光電変換膜をCMOSイメージセンサー上に積層させて、感度を向上させる試みもなされている（下記非特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】High-Sensitivity Image Sensors Overlaid With Thin-Film Gallium Oxide/Crystalline Selenium Heterojunction Photodiodes: Shigeyuki Imura et al. ：IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 63, NO. 1, JANUARY 2016
【非特許文献２】Stacked Image Sensor Using Chlorine-doped Crystalline Selenium Photoconversion Layer Composed of Size-controlled Polycrystalline Particles : S. Imura et al. : IEEE  2015（IEDM15-798）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図３（ａ）に示すように、結晶化セレン膜（多結晶膜）１０５を回路基板１３０上に形成するには、一度アモルファス状態でセレンを成膜した後、加熱によって結晶化させる、という手法がとられるが、結晶化した際の膜の表面（基板に接する面と反対の面）には細かい凹凸が生じてしまう。
一方、光電変換膜として使用する際は、光が入射しない状態で発生する電荷（暗電流）を低減することが求められるため、結晶セレン膜（p型となる）１０５の上にn型材料の膜（ｎ型層１０３）を積層（スパッタ法や真空蒸着法などを用いて堆積・成膜）してp/n接
合面を形成する必要がある。
【０００７】
しかし、結晶化させた表面に凹凸が生じている結晶セレン膜１０５の上にn型層１０３
を積層した場合はp/n接合が不十分となり、暗電流は低減できない。
【０００８】
逆に、図３（ｂ）に示すように、回路基板２３０上にn型材料の膜（ｎ型層２０３）を
成膜した平らな膜上にアモルファスセレン膜を形成し結晶化させれば、平坦なp/n接合面
を作製することはできるが、結晶セレン膜２０５の表面の凹凸に、膜中に電界を印加するために形成する透明電極膜２０２の表面が倣った凹凸形状となってしまい、これによって
断線状態が生じてしまう。
【０００９】
仮に、結晶セレン膜３０５（図３（ｃ）を参照）の凹凸面自体を研磨した場合には、膜自体のクラックや欠陥が生じやすくなり、特性が劣化する虞がある。また、凹凸面に画素毎の接続用の金属電極（接続用電極３２０）を設け、この接続用電極３２０を、信号読出回路の回路基板３３０の画素電極３３４と接合させる手法も考えられるが、図３（ｃ）に示すように、結晶セレン膜３０５の凹凸面上に積層したこの接続用電極３２０の表面は、結晶セレン膜３０５の凹凸面に倣って凹凸が生じてしまい、これにより画素電極３３４毎に接続用電極３２０との接触面積が変わり、受光領域全面で、この接続用電極３２０を上記画素電極３３４と均一に接合させることは難しい。これは、画素毎の接触抵抗のばらつきを引き起こし出力画像の面内均一性を劣化させる要因となる。
【００１０】
接続用電極３２０を厚く形成してから研磨し平坦化する手法も考えられるが、接続用電極３２０と結晶セレン膜３０５との間の密着性に問題があるため、研磨中に膜はがれが生じてしまう虞がある。
【００１１】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、光電変換膜を構成するセレンの結晶化の際、セレン膜の表面に凹凸が生じても良好な特性のものを形成することができ、この光電変換膜を半導体加工技術で作製された信号読出回路と組み合わせても、クラック等の発生を抑制しつつ、感度を向上させ得る、固体撮像素子およびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
以上の目的を達成するため、本発明の固体撮像素子およびその製造方法は以下のような構成とされている。
すなわち、本発明の固体撮像素子は、
光電変換部と、半導体技術を用いてなる信号読出回路部とが一体化されてなる固体撮像素子において、
前記光電変換部は、透光性基板上に、透明電極膜と、ｎ型層と、結晶セレンからなるp
型層と、各画素に対応するように位置する接続用電極と、がこの順に配設されてなるとともに、前記接続用電極との接合部および前記透明電極膜に対向する面を除き、前記ｎ型層および前記ｐ型層からなる光電変換膜が絶縁体により取り囲まれるように配されてなり、
前記信号読出回路部は、基板上に配された信号読出回路と、該信号読出回路の各画素に対応する回路毎に設けられた画素電極を有する回路基板からなり、
前記光電変換部と前記信号読出回路部とを、前記接続用電極の各々と、該各々の接続用電極に対応する各画素電極を互いに接合することにより一体化してなることを特徴とするものである。
【００１３】
また、前記絶縁体は、ＳｉＯｘＮｙ（０≦ ｘ、０≦ ｙ）からなることが好ましい。
さらに、前記接続用電極は、Ａｕからなることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の固体撮像素子の製造方法は、
光電変換部と、半導体技術を用いてなる信号読出回路部とを一体化する固体撮像素子の製造方法において、
前記光電変換部を、透光性基板上に、透明電極膜と、ｎ型層と、結晶セレンからなるp
型層と、をこの順に積層することにより形成し、次に、該ｎ型層と該p型層からなる光電
変換膜を絶縁体により被覆し、次に、該絶縁体の各画素に対応する位置に、前記信号読出回路部との対向面側から前記光電変換膜に達する開口部を穿設し、この開口部、および前記信号読出回路部との対向面側を所定の金属により埋め込み、被覆し、次に、この所定の金属が、この開口部から微小量だけとび出るように、またはこの開口部周囲の絶縁体表面
と面一となるように、前記所定の金属を研磨し、
この後、前記光電変換部と前記信号読出回路部とを一体化する、ことを特徴とするものである。
【００１５】
また、前記開口部および前記光電変換部の前記信号読出回路部との対向面側を所定の金属により埋め込み、被覆する処理が電気メッキ法であることが好ましい。
また、前記所定の金属を研磨する処理はＣＭＰ研磨であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の固体撮像素子においては、光電変換部は、透光性基板上に、透明電極膜と、ｎ型層と、結晶セレンからなるp型層と、各画素に対応するように位置する接続用電極と、
がこの順に配置されてなるとともに、接続用電極との接合部を除き、光電変換膜が絶縁体により取り囲まれるように配されている。さらに、上記接続用電極は、絶縁体内を延び、信号読出回路部の各画素電極と接合される。
また、本発明の固体撮像素子の製造方法においては、光電変換部を、透光性基板上に、透明電極膜と、ｎ型層と、結晶セレンからなるp型層と、をこの順に積層することにより
形成し、次に、該ｎ型層と該p型層とからなる光電変換膜を絶縁体により被覆し、次に、
該絶縁体の各画素に対応する位置に、前記信号読出回路部との対向面側から前記光電変換膜に達する開口部を穿設し、この開口部、および前記信号読出回路部との対向面側の面を所定の金属により埋め込み、被覆し、この所定の金属が、この開口部から微小量だけとび出るように、またはこの開口部周囲の絶縁体表面と面一となるように、前記所定の金属を研磨している。
【００１７】
このように、本願発明の固体撮像素子およびその製造方法によれば、画素電極と接合される接続用電極が所定長の絶縁体内を通過し、さらにその絶縁体上にも積層されるように構成されているので、光電変換膜表面の凹凸に倣って形成された接続用電極の表面の凹凸を研磨することができ、他の表面に形成された凹凸により不都合が生じることがない。
これにより、本願発明の固体撮像素子およびその製造方法によっては、前述したような従来技術の問題を解決することができる。すなわち、光電変換膜のｐ/ｎ接合が不完全（
図３（ａ）参照）となることがなく、透明電極が不均一（図３（ｂ）参照）となることがなく、光電変換部側の接続用電極と画素電極との接合が不均一（図３（ｃ）参照）となることがなく、クラックなどの発生を抑制しつつ、高感度な固体撮像素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る固体撮像素子を示す概略断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る固体撮像素子の製造方法の工程の一部を示す概略図（図２（ａ）〜（ｇ））である。
【図３】従来技術に係る問題点を説明するための図（従来技術１の問題点（ａ）、従来技術２の問題点（ｂ）、従来技術３の問題点（ｃ））である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態に係る固体撮像素子およびその製造方法について図面を用いて説明する。
まず、図１を用いて本実施形態に係る固体撮像素子について説明する。
【００２０】
この固体撮像素子５０は、光電変換部６０と信号読出回路部７０を接合してなるものである。
この光電変換部６０は、透光性の基板1上に、透明電極膜２、ｎ型層３および結晶セレ
ン膜（ｐ型層）５、および接続用電極（Ａｕ８）２０と、がこの順に配置されてなる（光
電変換部積層体）とともに、接続用電極２０との接合部、および透明電極膜２との対向面以外は、光電変換膜（ｎ型層３および結晶セレン膜（ｐ型層）５からなる）１０が絶縁膜６に当接して取り囲まれるように配されている。
【００２１】
透光性の基板1はガラスや透明なプラスチックから構成され、透明電極膜２はＩＴＯ、
ＺｎＯ等の透明電極材料から構成され、n型層３は酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）等から構
成され、結晶セレン膜５は多結晶セレンから構成される。
【００２２】
また、光電変換部積層体の透明電極膜２および光電変換膜１０は絶縁膜６により被覆されており、また、各画素に対応する位置において、絶縁膜６の信号読出回路対向面となる面側から結晶セレン膜５の表面に至る開口部（図２（ｅ）を参照）には接続用電極２０（Ａｕ８）が設けられている。
なお、図１においては、接続用電極２０が絶縁膜６の面（図１では下面）よりも若干外部にとび出るように形成されている。
【００２３】
上記絶縁膜６は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮおよびＳｉＮ等のＳｉの酸化物、窒化物および酸窒化物から生成される。したがって、その一般式は、ＳｉＯｘＮｙ（０≦ ｘ、0≦ ｙ）
で表される。
また、接続用電極２０は、Ａｕにより構成される。ただし、Ａｕと結晶セレンの密着をよくするために間にＴｉ層を設けてもよい。
【００２４】
一方、上記信号読出回路部７０は、信号読出回路３２を設けた回路基板３０からなり、信号読出回路３２の各画素回路に対応して画素電極３４が設けられている。
このようにして構成された信号読出回路部７０および上述した光電変換部６０は、上記画素電極３４と上記接続用電極２０とを、各々接合することにより一体化されている。
前述したように、本実施形態においては、接続用電極２０は、図１に示す絶縁膜６の下面から若干（例えばサブミクロンオーダー）とび出しているので、その分だけ、光電変換部６０と信号読出回路部７０の間に若干の隙間が空いている。
【００２５】
本実施形態の固体撮像素子５０は、上述したような構成とされているので、光電変換膜１０のｐ型層として用いられる結晶セレン膜５を、アモルファスセレン膜４から加熱して生成するときにこの結晶セレン膜５の表面に凹凸が生じた場合でも、この凹凸形状が、他の面に反映されることがなく、従来技術において、この凹凸形状が、他の面に反映されることにより生じていた種々の問題（図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ））を解決することができる。
【００２６】
次に、本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法、特に上記光電変換部６０についての製造方法について図２を用いて説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、透光性基板１上に、ＩＴＯ、ＺｎＯ等の材料によって透明電極膜２を、さらにＧａ２Ｏ３等の材料によってｎ型層３を、各々スパッタ法や真空蒸着法等を用いて、所望の厚みに平坦に形成する。
【００２７】
次に、図２（ｂ）に示すように、ｎ型層３上にアモルファスセレン膜４を、スパッタ法や真空蒸着法等を用いて、所望の厚みに平坦に形成する。
次に、図２（ｃ）に示すように、所望の厚さに成膜したアモルファスセレン膜４を加熱して、多結晶化させる。その際に、結晶セレン膜５の、ｎ型層３と接する面は平坦となり、良好なp/n接合面が形成される。ただし、結晶セレン膜５の表面（ｎ型層３とは反対の
面）には、結晶粒によって凹凸（段差）が生じる。
以上のようにして、光電変換部積層体を形成する工程が終了する。
【００２８】
次に、図２（ｄ）に示すように、光電変換膜（ｎ型層３と結晶セレン膜５）１０（図１を参照）を全体的に絶縁膜6で被覆する。この絶縁膜６は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ
等の絶縁材料を用いてＣＶＤ法、スパッタ法、あるいは真空蒸着法等を用いて形成する。この絶縁膜６は後述する研磨時の光電変換膜１０の剥がれを防止する保護膜として機能する。
【００２９】
つづいて、フォトリソグラフィ法を用いて、図２（ｅ）に示すように、画素に相当する領域毎に絶縁膜６に開口部７を穿設し、結晶セレン膜５の表面が、この開口部７を通して露出するように形成する。
【００３０】
次に、図２（ｆ）に示すように、結晶セレン膜５と電気的に接続するための金属（本実施形態ではＡｕ８：以下同じ）を絶縁膜６の開口部７に埋め込むとともに、この金属で絶縁膜６の表面も被覆する。絶縁膜６の表面の被覆厚としては、例えば１μｍとする。この後、開口部７上および絶縁膜６上のこの金属部分を研磨する。
これにより、絶縁膜６上に設けられた金属部分が除去され、また、開口部７上の、結晶セレン膜５の凹凸形状を反映した金属部分の表面の凹凸部も除去される。
【００３１】
以下、図２（ｆ）を用いた上記製造工程を、上記金属としてＡｕ８を用いたダマシンプロセスで行う場合について具体的に説明する。
まず、絶縁膜６の開口部７にＡｕ８を埋め込むために、この絶縁膜６の上面全体をＡｕで電気メッキする。この電気メッキ層の厚さは、絶縁膜６の開口部７がＡｕ８によって完全に埋まり、かつその後に行われる研磨による平坦化処理に必要な厚さを満たすものとされる。また、Ａｕと結晶セレンの密着をよくすることとメッキ膜の成長の核とするためにＡｕの電気メッキ前にスパッタ等でＴｉ層を設けてもよい。
【００３２】
この段階では、図２（ｆ）に示されるように、開口部７の直上の電気メッキ層表面は、多結晶セレン表面の凹凸形状を反映したものとなる。電気メッキ処理をした後、化学的・機械的研磨（ＣＭＰ）法を用いて、電気メッキ層を研磨し平坦化加工を行う。このとき、光電変換膜１０の全面を被覆した絶縁膜６が保護膜として機能し、光電変換膜１０のはがれを防止することができる。
【００３３】
さらに、図２（ｇ）に示すように、絶縁膜６の直上の不要なＡｕが全て除去され、かつ開口部７に埋め込んだＡｕ８の表面が平坦化された状態で研磨を終了する。この時埋め込んだＡｕ８が絶縁膜６より低くならないようにする。すなわち、埋め込んだＡｕ８が絶縁膜６よりも若干とび出た状態か、面一の状態となる（この場合、光電変換部６０と信号読出回路部７０の間の隙間はなくなる。）ように形成する。
【００３４】
本実施形態の固体撮像素子の製造方法においては、電気メッキされたＡｕ８をＣＭＰ研磨を用いて研磨するようにしているので、結晶セレン膜５の表面に生じた凹凸形状が、他の面に反映される、といった従来の問題を解決することができる。
【００３５】
本発明の固体撮像素子およびその製造方法としては、上記実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能である。例えば、上記実施形態においては、透光性基板１、透明電極膜２およびｎ型層３の具体的な形成材料が記載されているが、これらに限られるものではない。また膜厚としても、適宜選択することが可能である。
【００３６】
また、アモルファスセレンを結晶化する手法としても加熱法に限られるものではない。
絶縁膜６や画素電極３４の形成材料としても、上記実施形態のものに限られるものではない。絶縁膜６の形成材料としては、光電変換膜１０の周りに堆積し得る特性のものであればよく、樹脂を用いることもできる。
接続用電極２０の形成材料としても、開口部７に埋め込むことができれば、他の金属や樹脂ベースの導通材料を用いてもよい。ただし、金をメッキする場合には、電気メッキを行うための核となるシード層がチタンで形成されるのが一般的であることから、オーミックをとりやすい、という利点がある。また、金を用いて接続用電極２０とする場合は、信号読み出し回路側７０の画素電極３４も金とすれば、それらの接続に拡散接合が利用できより良好な導通特性と強固な接合が得られる。
【００３７】
また、接続用電極２０の形成材料を開口部７に埋め込む手法としては、電気メッキに限られるものではなく、金属材料をスパッタ法、真空蒸着法等の他の成膜手法を用いて行っても良い。ただし、電気メッキの手法を用いれば、製造が容易である。
【００３８】
また、樹脂ベースの導通材料をコーティングの手法を用いて開口部７を埋めるようにし、その上から、金属を成膜し、パターニングすることにより接続用電極２０を形成してもよい。この場合には、樹脂ベースの導通材料で開口部７を埋める処理により、結晶セレン膜５の表面の凹凸形状の反映を低減することができる。
さらに、接続用電極２０の研磨手法としては、ＣＭＰ研磨に限られるものではなく、その他の研磨手法を用いてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１、３０１      透光性基板
２、１０２、２０２、３０２      透明電極膜
３、１０３、２０３、３０３      ｎ型層
４      アモルファスセレン膜
５、１０５、２０５、３０５      結晶セレン膜
６      絶縁膜
７      開口部
８      Ａｕ
１０    光電変換膜
２０、３２０    接続用電極
３０、１３０、２３０、３３０    回路基板
３２    信号読出回路
３４、３３４    画素電極
５０    固体撮像素子
６０    光電変換部
７０    信号読出回路部
【図１】
2018098238.tif 000003
【図２】
2018098238.tif 000004
【図３】
2018098238.tif 000005