(57)【要約】本発明はバック照明型イメージアレイデバイス（１０）及びそのデバイスを製造する方法にある。本デバイス（１０）は、通常、アレイ回路層（１６）と前面層（１４）と石英層（１２）とから成る。アレイ回路層（１６）は前面層（１４）の一方の表面に画定される。石英層（１２）は前面層（１４）の他方の表面に設けられる。本デバイスを製造する方法は、通常下記の工程から成る。本方法は、厚いシリコン層（３２）、厚いシリコン層（３２）上の酸化物層（３４）及び酸化物層（３４）上の前面シリコン層（３６）を備えたウエハ（３０）を提供する。前面シリコン層（３６）は第１、第２表面をもち、第２表面は酸化物層に近接する。アレイ回路層は前面シリコン層の第１表面層に形成される。アレイ回路（２４）の表面には一時的層（４０）が設けられる。厚いシリコン層（３２）及び酸化物層（３４）はウエハ（３０）から除去され、それにより、前面シリコン層の第２表面を露出させる。石英層は第２表面に形成される。一時的層（４０）はアレイ表面から除去される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バック照明型イメージアレイデバイス（１０）を製造する方法であって、
厚いシリコン層（３２）、該厚いシリコン層（３２）上の酸化物層（３４）及び該酸化物層（３４）上の前面シリコン層（３６）を含み、前記前面シリコン層（３６）が第１及び第２の表面を有し、前記第２の表面が前記酸化物層（３４）に近接するシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウエハ（３０）を提供する工程、
前記前面シリコン層（３６）の第１表面にアレイ回路（２４）を形成する工程、
前記アレイ回路（２４）の表面に一時的層（４０）を付加する工程、
前記ウエハ（３０）から前記厚いシリコン層（３２）及び前記酸化物層（３４）を除去し、前記前面シリコン層（３６）の第２表面を露出させる工程、
前記第２表面に石英層（２６）を付加する工程、及び
前記一時的層（４０）を除去する工程、を含む方法。
【請求項２】
前面シリコン層（３６）の表面が清浄にされ親水性表面にされ、前記石英層（２６）が親水性表面を有し、前記２つの親水性表面が互いに直接接合される請求項１の方法。
【請求項３】
前記石英層（２６）は室温で付加される請求項１の方法。
【請求項４】
前記石英層（２６）は紫外線波長及び近赤外線波長に対して透過性である請求項１の方法。
【請求項５】
前記石英層（２６）は第２表面に直接接合される請求項１の方法。
【請求項６】
前記アレイ回路（２４）は、薄膜の堆積、イオン注入及びフォトリソグラフパターンニングステップス膜によって形成される請求項１の方法。
【請求項７】
前記一時的層（４０）は、シリコンウエハ、ガラス及び金属から成る群から選択した材料で構成され請求項１の方法。
【請求項８】
前面層（１４）の一方の表面に形成したアレイ回路層（１６）、及び前面層（１４）の他方の表面に設けた石英層（１２）を含むバック照明型イメージアレイデバイス（１０）。
【請求項９】
前記アレイ回路層（１６）はそれに組み込まれたＣＩＤイメージャ回路を備える請求項８のデバイス。
【請求項１０】
アレイ回路層（１６）がそれに結合したＣＣＤイメージャ回路を備える請求項１８に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には光検出器及びイメージセンサー／焦平面アレイ（focal plane）のようなイメージャ（imager:画像形成器）の分野に関する。特に、本発明はバック照明型イメージアレイデバイス及びそのようなデバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光検出器及びイメージセンサー／焦平面アレイのようなイメージャ等は、消費者、商業、工業及び宇宙を含む広範囲の分野における広範囲な種々の感知及び画像形成の応用において重要である。
【０００３】
今日、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）を基礎とするイメージャが最も広く利用される。しかしながら、電荷注入デバイス（ＣＩＤ）を基礎とするイメージャが、非破壊読み出し、上位抗焦点ぼけ（superior anti-blooming）、固有の放射線許容値、ランダム画素アドレス指定、及び高い読み出し速度のような、ＣＣＤに勝る独特の性能を備えるので、人気が上昇している。ＣＩＤは、特に、独特の性能特性が有利である応用においてますます利用されてきている。本発明を最良に利用できるのは、これら二つの形式のイメージャの分野である。
【０００４】
シリコンウエハ、一層代表的にはエピタキシャル（epitaxial)シリコン前面層を備えたウエハ。これらのデバイスは、典型的には前面側照明用に設計される。前面側照明は、標準のイメージャにおいて典型的に利用されるが、１）低塗りつぶし（low fill）ファクタ及び感度が低い、及び２）特にスペクトルの紫外領域から青色領域においてスペクトル応答が制限されるというような重大な性能上の制限がある。
【０００５】
低塗りつぶしファクタ／低感度の問題は、代表的には不透明な金属母線の存在によって引き起こされるシャドウ現象及び画素領域において前表面に形成したアレイ回路構造による吸収のためである。従って、画素の活性領域は、大きなフォーマット（高分解能）のフロント照明型イメージャにおいては典型的に非常に小さい（低塗りつぶしファクタ）。この構造は、イメージャの全体感度を低下させる。特にスペクトルの紫外線領域から青色領域において、スペクトル応答が制限される問題も、アレイ回路構造による紫外線領域から青色領域におけるこれら波長の吸収のためである。
【０００６】
これらの問題を解決するために、バック照明型ＣＣＤが先行技術において提案された。それらは、典型的には、シリコンウエハの背面の表面研磨及び機械的仕上げ並びにエッチングのような技法によって、ＣＣＤ回路の製造後にシリコンウエハを薄化することにより作られる。しかしながら、この解決法は、シリコンウエハを自己支持する必要があり、しかも背面側から照明のためにアクセスできる必要があるためシリコンウエハの最小厚さを制限する。最適の紫外線領域から近赤外線領域への応答のためのシリコンの厚さは、典型的には、５−１０ミクロンの範囲である。これは、薄い背面側を備える自己支持型シリコン構造を生じる先行技術を用いて達成することは困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、これらの要求に取り組むと共に、既存のイメージャデバイスに伴う他の問題点を解決することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明はバック照明型イメージアレイデバイス及びそのようなデバイスの製造方法にある。このデバイスは、通常、アレイ回路層と前面層と石英層とから成る。アレイ回路層は前面層の一方の表面に画定される。石英層は前面層の他方の表面に設けられる。本デバイスを製造する方法は、通常下記の工程から成る。本方法は、厚いシリコン層、厚いシリコン層上の酸化物（ＳｉＯ2）層及び酸化物層上の薄い前面シリコン層を備えたシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウエハを提供する。
【０００９】
前面シリコン層は第１、第２表面をもち、第２表面は酸化物層に近接する。アレイ回路層は前面シリコン層の第１表面層に形成される。アレイ回路の表面には一時的層が設けられる。厚いシリコン層及び酸化物層はウエハから除去され、それにより、前面シリコン層の第２表面を露出させる。石英層は第２表面に形成される。一時的層はアレイ表面から除去される。本発明の特徴を含む前記利点及び他の利点は、添付図面を参照する以下の説明から明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図面を通じて同じ要素を同じ符号で示す図面を参照すると、図１ａには、上部にエピタキシャル層１４を備えた代表的な厚いシリコン層１２を示す。図１ｂは、エピタキシャル層の前表面にアレイ回路１６を形成することによりフロント照明型イメージャ１０に変更した図１ａに示すような代表的なウエハ１２を示す。
【００１１】
図２は、列電極２０と行電極２２とで形成したアレイ回路を示すデバイス１０の正面図である。画素の活性領域は符号１８で示す。この図面に示すように、デバイスの各画素の実施的な部分はアレイ回路の構造により不活性にされる。
【００１２】
図３は、本発明のバック照明ＣＩＤ型イメージャアレイデバイス２０の実施の形態の概略構造を示す。図示したように、３〜２０ミクロンの範囲の所望の層厚さをもって前面層２８の第１表面にイメージャ回路２４が形成される。前面層２８の第２表面は石英層２６に密に接合される。石英層２６は所望のＵＶから近ＩＲスペクトル領域において透過性である。この実施の形態のイメージャアレイデバイス構造は、背面照明、ほぼ１００％の画素充填ファクタ及びほぼ２００ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲の広いスペクトル領域における強調応答を可能にする。以下の説明ではＣＩＤイメージャについて参照するが、本技法はＣＣＤアレイ回路を用いて高い充填ファクタ及び強調ＵＶ応答を達成するバック照明型構造を製作するのにも適用できる。
【００１３】
図４ａ〜図４ｆには、図３に示すデバイス構造を得る製造工程を示す。製造工程は、厚いシリコン層３２、厚いシリコン層３２上に位置決めされた二酸化シリコン層３４及び酸化物層上に位置決めされた前面層を備えた標準のシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウエハ３０を設ける。これら全ての構成要素は好ましくはシリコンをベースとした材料から成り、標準のシリコンオンインシュレータウエハ（ＳＯＩ）上に設けられ得る。前面層の所望の厚さは代表的には５〜１０ミクロンの範囲であるが、酸化物の厚さは代表的には１〜３ミクロンの範囲である。これらの形式のウエハは（例えばバンクーバー、ワシントンに在るＳＥＨ  Ａｍｅｒｉｃａから）商業上入手でき、そして周知のウエハ接合及び薄化法によって製作される。
【００１４】
図４ａに示すウエハは標準のアレイ回路製造プロセスが施される。ＣＩＤアレイの場合、これらのプロセスは、図４ｂに示すようなアレイ回路層を形成するのに薄膜堆積法、イオン注入法及びフォトリソグラフィ法を包含する。
【００１５】
図４ｂにおける処理したウエハ３０は図４ｃに示すようにガラスやシリコンウエハ等のような一時的層４０に接合される。一時的層４０は再使用可能である。
【００１６】
接合する前に、処理したウエハアレイ回路表面２４は、接合工程のため非常に平坦な表面（いかなる地形的形状なしに）とするようにスピンオンガラス及び化学機械的仕上法（ＣＭＰ）のような方法によって平滑化され得る。一時的層４０へのウエハ３０の接合は、ワックス又は他の一時的接着剤のような接着材料４２を用いて実施され得る。
【００１７】
接着材料は好ましくは、低温融解法（適当な温度の一例はほぼ１００℃である）によって又は接着材料を溶剤で溶解することによって除去できる。ウエハ構造体３０における厚いシリコン層３２及び酸化物（好ましくはＳｉＯ2）層３４は、典型的には表面研磨及び選択的エッチングによって図４ｄに示すように除去される。厚いシリコン層３２及び酸化物層３４のほとんどは表面研磨によりすばやく除去され得る。残りの厚いシリコン層及び酸化物層材料は好ましくは選択的化学エッチングによって正確に除去され、それにより前面層２４の第２表面をむき出しにする。
【００１８】
シリコンをベースとした材料を用いる時、ＳｉＯ2層において選択的にシリコンをエッチングする水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液を利用するのが好ましい。ＳｉＯ2層を用いる場合には、緩衝酸化物エッチングにより前面層において選択的にＳｉＯ2層をエッチングするのが好ましい。
【００１９】
前面層２４の第２表面は洗浄されて親水性表面となり、石英層２６の表面に直接接合される。前面層に接合される石英層の表面も好ましくは清浄な親水性表面であるべきである。
【００２０】
一時的層４０は、一時的接着剤を融解したり、洗浄したり、適当な溶剤で溶解することにより除去することで構造体から除去される。平面化層はエッチングされてイメージャアレイの接合パッドを露出させ、製造プロセスを完了する。
【００２１】
更に、この方法により石英層２６に接合する前に、前面層２８の背面側を処理することができる。例えば、感度及びスペクトル応答性を改善するために接合部に向かってキャリヤを強制するように石英層の界面に（イオン注入及び急速熱アニールによって）強くドーピングしたシリコン層を形成することができる。
【００２２】
シリコンをベースにした材料において利用する際に、シリコン前面層に石英層を室温で接合することにより図４ｅに示すように、その後ウエハを個々のアレイにけがき（切断し）、そしてそれらアレイをイメージャにパッケージするために十分な接合強度が得られる。前面層への石英層の接合は、アレイ回路が接合処理中に損傷されない限り、当該技術分野において公知の任意の仕方で行われ得る。そのような方法の１つは、前面層の第２表面を加熱して石英層に接合することにある。
【００２３】
本発明の別の実施の形態において、図４ｂの処理したウエハは個々の画像形成アレイ（代表的には面積１インチ×１インチ又はそれ以下）に切断され、そして図４ｃ〜図４ｆに示す工程を通して処理され得る。この場合、前面層２８と石英層２６との間の接合強度は望ましくは、急速熱アニール（ＲＴＡ）システム（ほぼ１秒間）又は脈動レーザー（１秒以下の間）アニールシステムで前面層と石英層との界面を急速高温処理することにより強めることができる。
【００２４】
この処理では、石英層側から光照射し、石英層２６はＲＴＡ及びレーザーアニール波長に対して透過性であるので、石英層２６は光照射を吸収しない。しかし、前面層は光照射を吸収し、そして前面層の第２表面における光照射の吸収により前面層と石英層との界面領域が加熱される。
【００２５】
この急速熱処理により、前面層と石英層との界面温度は約１０００℃まで上昇するが、石英層２６、前面層２８及びアレイ回路のかたまりは本質的に室温近くに留まり、熱応力の発生を抑える。その後、石英層に接合した個々のアレイは通常の方法でイメージャにパッケージされる。
【００２６】
本発明の範囲から逸脱せずに本発明においては多くの可能な実施の形態がなされ得るので、以上説明し添付図面に示した全ての事項は例示のためのものであり本発明を限定するものでないことが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１ａ】エピタキシャル層を備えた典型的なウエハの横断面図。
【図１ｂ】前面層上にアレイ回路層を形成してフロント照明型イメージャを構成する図１ａのウエハの横断面図。
【図２】典型的なフロント照明型イメージ形成アレイの正面図。
【図３】本発明のデバイスの１つの実施の形態の横断面図。
【図４ａ】本発明を利用できる典型的なシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウエハの横断面図。
【図４ｂ】図４ａのウエハ上にアレイ回路を形成した図４ａのウエハの横断面図。
【図４ｃ】アレイ回路の表面に一時的層を設けた図４ｂのウエハの横断面図。
【図４ｄ】ウエハの絶縁層及び酸化物層を除去した図４ｃのウエハの横断面図。
【図４ｅ】前面層の第２表面に石英層を設けた図４ｄのウエハの横断面図。
【図４ｆ】一時的層を除去して本発明のデバイスの実施の形態を示す図４ｅのウエハの横断面図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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