(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に画素ごとに形成された、電荷蓄積部、電荷読み出し部、および該電荷蓄積部に接続される画素電極を備えてなる走査回路部よりなる第１の素子と、
非晶質セレンを主体とする光電変換膜と、該光電変換膜に画素ごとに形成された光電変換部側電極とを有する光電変換部よりなる第２の素子と、を有し、
前記第１の素子と第２の素子が厚さ方向に上下に配設され、
前記第１の素子上に設けられた変形可能なマイクロスプリングによって、前記画素電極と前記光電部側電極とが画素ごとに電気的に接続されている固体撮像素子であって、
前記第１の素子の周縁部に接続層が形成され、
前記光電変換部側電極は前記光電変換膜の下面に画素ごとに突出するように形成されるとともに、前記接続層の上面に前記光電変換膜の下面が密着されることで、前記マイクロスプリングが押下されて撓んだ状態になっていることを特徴とする固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、積層型固体撮像素子として機能する半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
２つの素子を厚さ方向に上下に配設して電気的に接続する方法として、半田バンプあるいは金属バンプを用いて加熱や圧着により接続する方法や、異方導電性接着材料を用いて加熱接着により接続する方法が知られている。これらの接続方法は、フリップチップボンディング技術等として広く実用化されている。
【０００３】
しかしながら、これらの接続方法は、それぞれ以下のような問題点がある。
【０００４】
半田バンプを用いた半田付けによる接続方法は、半田の融点まで加熱して接続するため、素子が加熱に耐え得るものでなければならない。また、装置の小型化、高度集積化を図るために、半田バンプが接続される素子の電極が狭いピッチで高密度に配設されていると、半田バンプが溶融したときに、溶融した半田バンプが隣接する半田バンプに接触し、あるいは隣接する電極に接触する等して電極間が短絡するおそれがある。このため、現状では、電極ピッチが２０μｍ程度以下の素子を接続することはきわめて難しい。
【０００５】
また、金属バンプを用いた圧着による接続方法は、加熱操作を伴う場合、半田バンプの場合と同様に、素子が加熱に耐え得るものでなければならない。また、圧着により素子に応力がかかるため、装置の性能を劣化させたり、素子を損傷するおそれがある。特に、金属バンプの高さにバラツキがある場合は、高さの高い金属バンプ付近に応力が集中し、上記の問題が一層顕著になる。また、金属バンプが潰れることによって接続が行われるため、素子の電極が狭いピッチで配設されていると、潰れたバンプが隣接する金属バンプや隣接する電極に接触する等して、電極間が短絡するおそれがあり、上記半田バンプを用いた場合と同様に、現状では、電極ピッチが２０μｍ程度以下の素子を接続することはきわめて難しい。
【０００６】
また、異方導電性接着材料を用いた接着による接続方法は、通常、接着剤を硬化温度まで加熱して硬化させるため、他の接続方法の場合と同様に、素子が加熱に耐え得るものでなければならない。また、素子の電極が狭いピッチで配設されていると、隣接する電極間で異方導電性接着材料に含まれる導電性フィラーが接触する等して、電極間が短絡するおそれがあり、上記他の接続方法の場合と同様に、現状では、電極ピッチが２０μｍ程度以下の素子を接続することはきわめて難しい。
【０００７】
また、上記の３つの接続方法のいずれにおいても、半田バンプ等の接続部は２つの素子を電気的に接続する役割とともに、２つの素子を構造的（機械的あるいは物理的）に接続する役割を有するため、２つの素子の電極間は強固に接続されている。このため、２つの素子の熱膨張量に差がある場合、環境温度の変動によって接続部に熱応力による歪みが発生し、装置の性能を劣化させたり、接続部を破壊したりするおそれがある。
【０００８】
以上のことをまとめると、従来の上記の３つの接続方法は、いずれも以下の４つの問題点を同時に解決することができない。
▲１▼加熱に耐えられない素子の使用が制約される
▲２▼接続時の応力により装置の性能が劣化したり素子が損傷するおそれがある
▲３▼狭いピッチで電極が配設された素子を接続することができない
▲４▼環境温度の変動による歪みに起因して装置の性能劣化や接続部の破壊を生じるおそれがある
ところで、上記した３つの接続方法のいずれかの方法により２つの素子を接続した半導体装置の例として、積層型固体撮像素子を挙げることができる。
【０００９】
積層型固体撮像素子は、第１の素子が半導体基板上に画素ごとに電荷蓄積部および電荷読み出し部等を備えた走査回路部であり、第２の素子が光電変換部である。積層型固体撮像素子は、接続部を介して走査回路部上に光電変換部を接続することによって形成される。
【００１０】
上記積層型固体撮像素子は、一般的なＣＣＤ等の撮像素子に比べ、光の利用効率を上げることができるいくつかの利点を有する。第１に、構造的に、開口率を高くできる。第２に、光電変換部の光電変換膜を非晶質セレンを主体とする材料で形成したときに高い光電変換利得を得ることができる。すなわち、光電変換膜に１．２×１０６Ｖ／ｃｍ以上の電界を印加して光電変換膜をアバランシェモードで動作させることにより、入射光によって生成された電荷以上の増倍した電荷を光電変換膜から取り出すことができ、高い感度と高いＳ／Ｎ比を得ることができる。
【００１１】
積層型固体撮像素子について、図１を参照して具体的に説明する。なお、図１は、積層型固体撮像素子の２画素分の部分断面図である。以下に説明する他の従来例および本発明についても、特に断らない限り、図１と同様に表示する。
【００１２】
積層型固体撮像素子１は、走査回路部２の上に画素ごとに形成したインジウムバンプ３により、走査回路部２と光電変換部４とが圧着により接続されている。
【００１３】
走査回路部２は、半導体基板６の上に、電荷蓄積部２ａ、電荷読み出し部２ｂおよびゲート電極２ｃからなるＭＯＳトランジスタが各画素単位に形成されている。電荷蓄積部２ａは、第１電極２ｄ、画素電極２ｅおよびインジウムバンプ３を通じて光電変換部４に電気的に接続されている。また、インジウムバンプ３は、走査回路部２と光電変換部４とを構造的に接続する役割も担っている。なお、図１中、参照符号２ｆは第２電極を示し、参照符号５ａ、５ｂ、５ｃは絶縁層を示す。
【００１４】
光電変換部４は、透明基板（透明面板）４ａの上に、透明電極４ｂを介して非晶質セレンを主体とする光電変換膜４ｃと、画素ごとに区切られた光電変換部側電極４ｄとを備える。光電変換部４は、一般に、電荷注入阻止層等を含む多層構造である（図示せず。）。
【００１５】
上記のように構成された積層型固体撮像素子１は、透明電極４ｂと半導体基板６との間に電圧を印加することにより、光電変換膜４ｃ中に電界を発生させた状態で動作する。すなわち、透明基板４ａと透明電極４ｂとを透過した入射光は、光電変換膜４ｃ中で電荷を励起する。励起された電荷は、光電変換膜４ｃ中に発生させた電界によって光電変換部側電極４ｄまで走行し、さらに、インジウムバンプ３、画素電極２ｅ、第１電極２ｄを通じて移動し電荷蓄積部２ａに蓄積される。電荷蓄積部２ａに蓄積された電荷は、ＭＯＳトランジスタのスイッチングにより電荷読み出し部２ｂに移動し、さらに第２電極２ｆを通じて電気信号として出力される（読み出される）。
【００１６】
上記の積層型固体撮像素子１は、まず、走査回路部２と光電変換部４とを独立して別々に作製し、その後、走査回路部２上にインジウムバンプ３を形成し、光電変換部４と圧着することにより、走査回路部２と光電変換部４とを接続して、作製される。
【００１７】
しかしながら、この走査回路部２および光電変換部４の上記の接続方法においても、前記した素子の接続方法と同様の、以下の４つの問題点がある。
▲１▼非晶質セレンを主体とする光電変換膜は、加熱条件下で取り扱われるとき、約４０℃以上で非晶質セレンの結晶化が起こり、光電変換膜としての機能が損なわれる
▲２▼非晶質セレンを主体とする光電変換膜は柔らかいため、圧着する際に損傷し易い
▲３▼圧着により接続部が潰れたときに、隣接する接続部等が接触し、隣り合う画素が短絡するおそれがある
▲４▼走査回路部および光電変換部は異種材料により形成され熱膨張率が異なるため、環境温度の変動により、装置の機能が損なわれ、また、接続部が破壊するおそれがある
上記積層型固体撮像素子１の場合、上記のうち、▲１▼の加熱に伴う問題点については、接続部として室温で圧着が可能なインジウムバンプを用い、圧着を室温で行うことにより解消される。また、▲２▼の光電変換膜の特性に伴う問題点についても、接続部として柔らかいインジウムバンプを用いることで軽減される。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記▲２▼の光電変換膜の特性に伴う問題点については、インジウムバンプの高さにバラツキがある場合、高さの高いインジウムバンプ付近に応力が集中するため、光電変換膜の損傷を解消することができない。
【００１９】
また、上記▲３▼の接続部の潰れおよび▲４▼の２つの素子の熱膨張率の差に伴う問題点については、いずれも解決されていない。
【００２０】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、（１）接続する素子材料の耐熱性上の制約がなく、（２）接続の際の応力や環境温度の変化に起因する熱応力による装置の機能の劣化や素子の損傷のおそれがなく、（３）隣り合う接続部が接触して隣り合う電極間の短絡を生じるおそれがなく、（４）環境温度の変動による装置の機能の劣化や接続部の破壊のおそれがない固体撮像素子を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体撮像素子は、半導体基板上に画素ごとに形成された、電荷蓄積部、電荷読み出し部、および該電荷蓄積部に接続される画素電極を備えてなる走査回路部よりなる第１の素子と、非晶質セレンを主体とする光電変換膜と、該光電変換膜に画素ごとに形成された光電変換部側電極とを有する光電変換部よりなる第２の素子と、を有し、前記第１の素子と第２の素子が厚さ方向に上下に配設され、前記第１の素子上に設けられた変形可能なマイクロスプリングによって、前記画素電極と前記光電部側電極とが画素ごとに電気的に接続されており、前記第１の素子の周縁部に接続層が形成され、前記光電変換部側電極は前記光電変換膜の下面に画素ごとに突出するように形成されるとともに、前記接続層の上面に前記光電変換膜の下面が密着されることで、前記マイクロスプリングが押下されて撓んだ状態になっていることを特徴とする。ここで、マイクロスプリングの変形する範囲は、弾性変形領域とともに、ある程度の復元力を発揮して本発明の効果を奏することができる塑性変形領域の一部を含む。
【００２２】
これにより、第１の素子および第２の素子を接続する際、接続部としてのマイクロスプリングが加熱処理を受けることがないため、従来の接続部の加熱処理に起因した、接続する素子材料の耐熱性上の制約がない。このため、光電変換膜の機能を十全に発揮することができる。
【００２３】
また、第１の素子および第２の素子は、マイクロスプリングによって電気的に接続（導通）が可能な程度に接触しているだけである。したがって、接続部に生じる応力は微小であり、応力による歪みはマイクロスプリングの変形によって吸収される。このため、接続箇所に生じる応力や環境温度の変動に起因する熱応力による装置の機能の劣化や素子の損傷のおそれがない。また、マイクロスプリングの高さ寸法にバラツキを生じ、接続時に高さの高いマイクロスプリングに相対的に大きな応力がかかったとしても、応力の大きさ自体がもともと微小であり、高さ寸法のバラツキはマイクロスプリングの変形により吸収されるため、接続部の高さ寸法のバラツキによって生じていた従来の光電変換膜の損傷の問題も解決される。
【００２４】
また、接続部としてのマイクロスプリングは、２つの素子を接続する際に溶融や潰れ等による大幅な変形を伴うことがなく、僅かに変形するに止まるように調製することができるため、隣り合う接続部が接触して隣り合う電極間の短絡を生じるおそれがない。このため、素子の電極を狭いピッチで配設することができ、装置の小型化、高度集積化を図ることができる。
【００２５】
なお、マイクロスプリングの高さ寸法にバラツキを生じたとしても、マイクロスプリングの変形の範囲内で第１の素子および第２の素子を電気的に確実に接続することができる。また、第１の素子および第２の素子の熱膨張率の違いにより、環境温度の変化に伴い第１の素子および第２の素子の電極が相対的にずれを生じたとしても、マイクロスプリングの接点が滑り、あるいは変形して電極の動きに追随するため、第１の素子および第２の素子の電気的な接続が保持される。
【００２６】
この場合、前記マイクロスプリングが溶断可能に設けられてなると、一方の素子からマイクロスプリングに過大な電流が流れこんだときに、マイクロスプリングが溶断することにより他方の素子を保護することができる。このような溶断可能なマイクロスプリングは、半導体装置の使用条件等に応じて設定される所定の過大電流が流れこんだときにマイクロスプリングが溶断する程度にマイクロスプリングの断面積を小さくし、あるいは低融点の材料を用いてマイクロスプリングを形成することで、実現することができる。
【００２７】
また、この場合、前記マイクロスプリングが高抵抗に形成されてなると、一方の素子からマイクロスプリングに過大な電流が流れこんだときに許容最大電流値内に制限することができ、これにより、他方の素子を保護することができる。このような高抵抗のマイクロスプリングは、半導体装置の使用条件等に応じて設定される所定の許容最大電流に制限できる程度の抵抗値を有するようにマイクロスプリングの電流の流れる断面積を小さく形成し、あるいは比抵抗の高い材料でマイクロスプリングを形成することで、実現することができる。
【００２８】
また、本発明に係る半導体装置において、マイクロスプリングとは別に、前記第１の素子および前記第２の素子の間に接続層が設けられ、該接続層によって該第１の素子および該第２の素子を構造的（機械的あるいは物理的）に接続してなると、接続層により第１の素子および第２の素子の構造的な接続が確保される。言い換えれば、接続層は、密着により第１の素子および第２の素子を接続するときの各素子の意図しない変形を防止するためのストッパ層として機能し、各素子を確実に接続する。
【００２９】
この場合、前記接続層が紫外線硬化型接着剤で形成されてなると、加熱処理を伴うことなく第１の素子および第２の素子の構造的な接続を行うことができ、上記した加熱処理に伴う従来の問題点を生じることがない。
【００３０】
また、この場合、前記接続層が成膜材料を成膜して形成されてなると、第１の素子および第２の素子を密着等させて構造的に接続するときに、加える荷重がばらついたり荷重の分布が不均一であっても、接続層の剛性の範囲内であって均一な厚みに形成した接続層と第２の素子との密着が保たれる範囲内であれば、第１の素子と第２の素子とを確実に平行に配設することができる。
【００３１】
ここで、成膜材料とは、樹脂、無機材料あるいは金属材料等であって、塗布あるいは蒸着等により所定の剛性を有して均一な厚みに形成できるものをいう。
【００３２】
また、前記第１の素子の周縁部に接続層が形成され、前記光電変換部側電極は前記光電変換膜の下面に画素ごとに突出するように形成されるとともに、前記接続層の上面に前記光電変換膜の下面が密着されることで、前記マイクロスプリングが押下されて撓んだ状態になっていると、マイクロイスプリングが前記光電変換部側電極の厚みの分だけ変形された状態で前記光電変換部側電極に接続される。このため、前記光電変換部側電極の厚みを調整することにより、マイクロイスプリングの変形量を正確に制御することができ、変形量が不十分なときに生じ得るマイクロイスプリングと前記光電変換部側電極との接触不良や変形量が過剰なときに生じ得るマイクロイスプリングの破壊等のおそれがなく、好適である。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る半導体装置およびその製造方法の好適な実施の形態（以下、本実施の形態例という。）について、半導体装置として走査回路部と光電変換膜とを予め別々に形成した後、電気的に接続するように接合する積層型固体撮像素子（以下、単に固体撮像素子という。）を例にとり、図を参照して、以下に説明する。
【００３８】
まず、本実施の形態の第１の例に係る固体撮像素子について、図２および図３を参照して説明する。
【００３９】
本実施の形態の第１の例に係る固体撮像素子１０は、図２に示すように、走査回路部（第１の素子）１２と、光電変換部（第２の素子）１４と、走査回路部１２および光電変換部１４を電気的に接続するためのマイクロスプリング１６と、図３（Ｃ）に示す接続層１８とを有する。
【００４０】
走査回路部１２は、図１に示す従来の積層型固体撮像素子１の走査回路部２と同様に構成されている。すなわち、走査回路部１２は、半導体基板２０の上に、電荷蓄積部２２、電荷読み出し部２４およびゲート電極２６からなるＭＯＳトランジスタが各画素単位に形成されている。電荷蓄積部２２は、第１電極２８を介して画素電極３０に接続されている。一方、電荷読み出し部２４は、出力線である第２電極３２に接続されている。なお、図２中、参照符号３４ａ、３４ｂ、３４ｃは絶縁層を示す。
【００４１】
光電変換部１４は、図１に示す従来の積層型固体撮像素子１の光電変換部４と同様に構成されている。すなわち、光電変換部１４は、透明基板（透明面板）３６に例えばＩＴＯ薄膜等からなる透明電極３８を介して光電変換膜４０が形成され、さらに、光電変換部側電極４２が画素ごとに形成されている。なお、光電変換膜４０は従来例で説明したように、好ましくは電荷注入層を含む多層構造であり、例えば、酸化セリウム、非晶質セレンおよび三硫化アンチモンの３層構造に形成される（図示せず。）。
【００４２】
マイクロスプリング１６は、金属などの導電性材料により、走査回路部の画素電極３０の上に形成される。マイクロスプリング１６は、図２中上方に凸に湾曲した舌片状に形成され、下部が画素電極３０に固着されるとともに、圧縮された状態で上部が光電変換部側電極４２と接触している。マイクロスプリング１６は、従来例のバンプのような走査回路部１２および光電変換部１４を構造的に接続する役割は有していない。
【００４３】
接続層１８は、例えば紫外線硬化型の接着剤を材料として、走査回路部１２および光電変換部１４の周縁部を構造的に接続するように形成される。
【００４４】
上記のように構成される本実施の形態の第１の例に係る固体撮像素子１０の製造方法について、以下説明する。
【００４５】
走査回路部１２は、一般的な半導体集積回路プロセスにより、容易に作製することができる。作製方法の詳細は省略する。
【００４６】
光電変換部１４は、従来の積層型固体撮像素子と同様に、一般的な真空蒸着法やスパッタ法等により、透明基板３６上に、順次、透明電極３８、光電変換膜４０および光電変換部側電極４２を形成することで作製することができる。
【００４７】
ここで、マイクロスプリング１６の作製方法ならびに接続層１８を用いた走査回路部１２および光電変換部１４の接続方法について説明する。
【００４８】
まず、図３を参照して、走査回路部１２および光電変換部１４の接続方法から先に説明する。なお、図３では、走査回路部１２のＭＯＳトランジスタ等の一部の部材については図示を省いている。
【００４９】
前記の方法によって予め独立して作製された光電変換部１４を準備する（図３（Ａ））。
【００５０】
一方、同じく予め独立して作製された走査回路部１２を準備する（図３（Ｂ））。マイクロスプリング１６は、外力が作用していない図３（Ｂ）の状態において、頂部までの高さ寸法としてＨ１の寸法を有する。
【００５１】
走査回路部１２の周縁部に紫外線硬化型接着剤１８ａを塗布する（図３（Ｂ）参照）。そして、図示しないフリップチップボンダ等の装置を用いて走査回路部１２および光電変換部１４を厚み方向に上下に平行に重ね、全体に均一な荷重を加え、室温で紫外線硬化型接着剤を硬化させて、走査回路部１２および光電変換部１４の間に所定の厚みになるように接続層１８を形成する。これにより、走査回路部１２および光電変換部１４が接続される（図３（Ｃ））。この場合、接続層１８の厚み（高さ）を大きくする必要があるときは、適当なスペーサを併用してもよい。接着剤として室温で硬化するものを用いているため、加熱処理を伴うことなく接続することができ、走査回路部１２および光電変換部１４のそれぞれを構成する各部材が熱に曝されることがない。なお、必要に応じて紫外線硬化型以外の適宜の接着剤を用いることもできる。
【００５２】
接続状態において、マイクロスプリング１６は圧縮されて変形し、頂部までの高さ寸法がＨ２に変化している。このときの接続によるマイクロスプリング１６の変形量（Ｈ１−Ｈ２）は、マイクロスプリング１６の高さ寸法にバラツキがあるときの最も高さの低いマイクロスプリング１６が復元力によって光電変換部側電極４２に確実に当接する程度に変形し、一方、最も高さが高いマイクロスプリング１６が変形の限界を超えて破壊しない程度に、さらにまた、走査回路部１２、光電変換部１４およびマイクロスプリング１６の熱膨張率の違いにより、環境温度が変化したときに光電変換部側電極４２と画素電極３０が相対的に位置ずれを起こした場合にも、マイクロスプリング１６が追随して変形する余裕を持った状態の変形量に調製する。マイクロスプリング１６の高さ寸法Ｈ１は、例えば、５μｍ程度であり、高さ寸法Ｈ２は、例えば、４．５μｍ程度である。
【００５３】
つぎに、マイクロスプリング１６の作製方法について、図４を参照して説明する。なお、図４では、走査回路部１２のＭＯＳトランジスタ等の一部の部材については図示を省いている。
【００５４】
まず、感光性ポリイミド等の感光性樹脂を用い、例えばフォトリソグラフィ法により、走査回路部１２の画素電極３０の上に、画素電極３０の周縁を露出させた状態で、第１の犠牲層４４を形成する（図４（Ａ））。このとき、第１の犠牲層４４は、図４（Ａ）に示すように半割り円筒に近い形で形成することが好ましいが、これに限らず、段差状に上方に突出し、あるいは断面が矩形状であってもよい。第１の犠牲層４４を前者のように半割り円筒に近い形で形成するには、フォトリソグラフィ時の露光量を調節すればよい。
【００５５】
つぎに、例えばフォトレジストを用い、例えばフォトリソグラフィ法により、第１の犠牲層４４を略露出させた状態で、第１の犠牲層４４の周囲の半導体基板２０上に第２の犠牲層４６を形成する（図４（Ｂ））。このとき、第１の犠牲層４４の一側（図４（Ｂ）中矢印Ｘ１で示す。）を第２の犠牲層４６で覆うとともに、対向する一側（図４（Ｂ）中矢印Ｘ２で示す。）の第１の犠牲層４４を第２の犠牲層４６から露出させておく。また、この後の工程で第２の犠牲層４６をリフトオフして容易に除去できるように、第２の犠牲層４６は、断面形状が下方に向けて幅狭なテーパ状に形成することが望ましい。
【００５６】
つぎに、真空蒸着法やスパッタ法等により、マイクロスプリング１６の材料である金属１６ａを、第２の犠牲層４６ならびに第１の犠牲層４４および画素電極３０の露出部分の上に堆積する（図４（Ｃ））。なお、金属１６ａは、チタン、クロム、金等の金属を単独で堆積してもよく、また、これらの金属を積層して堆積してもよい。
【００５７】
つぎに、ウエット法等により、堆積した金属１６ａごと第２の犠牲層４６をリフトオフして取り除く（図４（Ｄ））。
【００５８】
最後に、プラズマアッシング法等により、第１の犠牲層４４を除去することで、画素電極３０に一端が固着され、舌片状に屈曲して上方に突出したマイクロスプリング１６が完成する（図４（Ｅ））。
【００５９】
上記のように構成された本実施の形態例に係る固体撮像素子１０の作用は、基本的には従来例の積層型固体撮像素子１と同様である。透明基板３６を介して透明電極３８を透過した入射光によって光電変換膜４０の中に電荷が発生し、透明電極３８に電圧を印加することにより光電変換膜４０中に生じた電界によって電荷が光電変換用電極４２まで走行する。さらに、マイクロスプリング１６、画素電極３０、第１電極２８を介して電荷蓄積部２２まで移動し、電荷蓄積部２２に電荷が蓄積される。電荷蓄積部２２に蓄積された電荷は、ＭＯＳトランジスタのスイッチングにより電荷読み出し部２４に移動し、さらに第２電極３２を介して電気信号として出力される（読み出される）。
【００６０】
本実施の形態例に係る固体撮像素子１０は、走査回路部１２および光電変換部１４を接続する際、接続部としてのマイクロスプリング１６が加熱処理を受けることがないため、従来の接続部の加熱処理に起因した、接続する走査回路部１２および光電変換部１４の材料の耐熱性上の制約がない。このため、非晶質セレンを主体とする光電変換膜４０の機能を十全に発揮することができる。
【００６１】
また、走査回路部１２および光電変換部１４が、マイクロスプリング１６によって電気的に接続可能な程度に接触しているだけであるため、接続箇所の応力による固体撮像素子１０の機能の劣化や走査回路部１２および光電変換部１４の損傷のおそれがなく、また、環境温度の変動による固体撮像素子１０の機能の劣化や走査回路部１２および光電変換部１４の損傷のおそれもない。さらにまた、マイクロスプリング１６の高さ寸法にバラツキを生じ、接続時に高さの高いマイクロスプリング１６の部分に相対的に大きな応力がかかったとしても、応力の大きさ自体が微小であり、マイクロスプリング１６の高さ寸法のバラツキはマイクロスプリング１６の変形により吸収されるため、接続部の高さ寸法のバラツキによって生じていた従来の光電変換膜の損傷の問題が一層軽減される。
【００６２】
また、接続部としてのマイクロスプリング１６が走査回路部１２および光電変換部１４を接続する際に溶融や潰れ等による大幅な変形を伴うことがなく、僅かに変形するに止まるように形成することができるため、隣り合う接続部としてのマイクロスプリング１６が接触して隣り合う電極間の短絡を生じるおそれがない。このため、走査回路部１２の画素電極３０および光電変換部１４の光電変換部側電極４２を狭いピッチで配設することができ、固体撮像素子１０の小型化、高度集積化（高精細化）を図ることができる。
【００６３】
また、接続層１８により、加熱処理を伴うことなく走査回路部１２および光電変換部１４が構造的に接続されているため、上記した加熱処理に伴う従来の問題点を生じることがない。
【００６４】
なお、マイクロスプリング１６の高さ寸法にバラツキを生じたとしても、マイクロスプリング１６の変形の範囲内で走査回路部１２および光電変換部１４を電気的に確実に接続することができる。また、環境温度の変化に伴い、走査回路部１２および光電変換部１４の熱膨張率の違いにより画素電極３０と光電変換部側電極４２が相対的にずれを生じたとしても、マイクロスプリング１６の接点が滑り、あるいは変形して追随するため、走査回路部１２および光電変換部１４の電気的な接続が保持される。
【００６５】
つぎに、本実施の形態の第１の例に係る固体撮像素子１０において、マイクロスプリング１６が溶断可能に設けられると、光電変換部１４からマイクロスプリング１６に過大な電流が流れこんだときに、マイクロスプリング１６が溶断することにより、走査回路部１２を保護することができる。このような溶断可能なマイクロスプリング１６は、固体撮像素子１０の使用条件等に応じて設定される所定の過大電流が流れこんだときにマイクロスプリング１６が溶断する程度にマイクロスプリング１６の断面積を小さくし、あるいは低融点の材料を用いてマイクロスプリング１６を形成することで、実現することができる。
【００６６】
また、本実施の形態の第１の例に係る固体撮像素子１０において、マイクロスプリング１６が高抵抗に形成されると、光電変換部１４からマイクロスプリング１６に過大な電流が流れこんだときに許容最大電流値内に制限することができ、これにより、走査回路部１２を保護することができる。このような高抵抗のマイクロスプリング１６は、固体撮像素子１０の使用条件等に応じて設定される所定の許容最大電流に制限できる程度の抵抗値を有するようにマイクロスプリング１６の電流の流れる断面積を小さく形成し、あるいは比抵抗の高い材料でマイクロスプリング１６を形成することで、実現することができる。
【００６７】
つぎに、マイクロスプリング１６の変形例について、図５、図６を参照して説明する。
【００６８】
第１の変形例に係るマイクロスプリング４６は、図５に示すように、半割り円筒に近い形状に形成され、両側が画素電極３０に固着されている。この構造では、マイクロスプリング４６は両側で画素電極３０に固着されているため、マイクロスプリング１６に比べて画素電極３０との接続の信頼性がより高い。
【００６９】
第２の変形例に係るマイクロスプリング４８は、図６に示すように、湾曲した２足を有するテーブル状に形成され、天地逆にして２足を上方に向けて画素電極３０に固着されている。この構造では、マイクロスプリング４８は、光電変換部側電極４２との接点を２つ有するため、マイクロスプリング１６に比べて光電変換部側電極４２との接続の信頼性がより高い。
【００７０】
上記第１の変形例に係るマイクロスプリング４６および第２の変形例に係るマイクロスプリング４８は、本実施の形態の第１の例に係るマイクロスプリング１６と同様の方法によって作製することができる。
【００７１】
なお、本発明のマイクロスプリングは、その機能を損なわない範囲で上記マイクロスプリング１６、４６、４８以外の自由な形状とすることができる。
【００７２】
つぎに、本実施の形態の第２の例に係る固体撮像素子およびその製造方法について、図７および図８を参照して説明する。
【００７３】
本実施の形態の第２の例に係る固体撮像素子は、接続層の構成が本実施の形態の第１の例の接続層１８と異なる点を除くと、本実施の形態の第１の例に係る固体撮像素子１０と同じ構成を有し、基本的に同じ作用を奏する。そのため、以下の説明において、本実施の形態の第１および第２の例の固体撮像素子の同一の構成要素については同一の参照符号を付すとともに、特に説明を加えるものを除き重複する説明を省く。なお、以下の他の実施例についても同様である。
【００７４】
まず、本実施の形態の第２の例に係る固体撮像素子について、図７の走査回路部と光電変換部との接続方法の手順に沿って説明する。
【００７５】
まず、予め独立して作製された光電変換部１４を準備する（図７（Ａ））。
【００７６】
光電変換部１４は、両面が平面に研磨された光学ガラス等で作製された透明基板３６上に、透明電極３８および光電変換膜４０が順次真空蒸着法やスパッタ法等により形成され、さらに光電変換部側電極４２が真空蒸着法等により光電変換膜４０上に厚みＴ１だけ突設して形成されている。このため、光電変換部１４の下面、言い換えれば光電変換膜４０の下面４０ａは平面性よく作製されている。また、同様に、光電変換部側電極４２は厚みＴ１が０．１〜１μｍ程度に制御性よく形成されている。
【００７７】
一方、同じく予め独立して作製された走査回路部（第１の素子）５０を準備する（図７（Ｂ））。
【００７８】
走査回路部５０は、画素電極３０の上にマイクロスプリング１６が形成されるとともに、周縁部に接続層５２が形成されている。
【００７９】
接続層５２は、例えばポリイミド等の感光性樹脂を材料として半導体基板２０の周縁部の上に形成された第１層（下層）５４と、前記したチタン等の金属を材料として第１層５４の上に形成された、厚みの薄い第２層５６とで構成される。第１層５４および第２層５６はそれぞれ均一な厚みで形成されており、このため接続層５２の上面（第２層の上面５６ａ）は平面性がよく、また、接続層５２は所定の剛性を持って形成されている。
【００８０】
接続層５２は、第２層５６の上面５６ａがマイクロスプリング１６の上端と、図７（Ｂ）中、Ｓ−Ｓ´で示す同一平面上に形成される。
【００８１】
走査回路部５０および光電変換部１４を厚み方向に上下に重ね、走査回路部５０上に形成した接続層５２に光電変換部１４の光電変換膜４０を密着させる。この状態で、光電変換部１４の周縁部分と接続層５２とに例えば紫外線硬化型接着剤５８を塗布し、室温で紫外線硬化型接着剤５８を接着、硬化させて、走査回路部５０および光電変換部１４を固定する。
【００８２】
このとき、接続層５２に光電変換部１４の光電変換膜４０を密着させた際に、光電変換部側電極４２によってマイクロスプリング１６が押下され、マイクロスプリング１６は光電変換部側電極４２の厚みＴ１の分だけ図７（Ｃ）中下方に撓んで変形した状態となる。
【００８３】
これにより、本実施の形態の第２の例に係る固体撮像素子６０が完成する（図７（Ｃ））。
【００８４】
本実施の形態の第２の例に係る固体撮像素子６０は、接続層５２の上面（第２層５６の上面５６ａ）が平面性よく形成されており、また、真空蒸着法等により形成した光電変換部１４の下面（光電変換膜４０の下面４０ａ）も平面性よく形成されているので、接続層５２に光電変換部１４の光電変換膜４０を密着させただけで、走査回路部５０および光電変換部１４を確実に平行に配設することができる。このため、高精度のフリップチップボンダ等の特別の装置を使用する必要がない。また、走査回路部５０および光電変換部１４を接続するために加える荷重がばらついたり荷重の分布が不均一になったとしても、光電変換部４０の下面および接続層５２の上面の密着性が保たれる限り、言い換えれば接続層５２の剛性が維持され、接続層５２が変形しない限り、走査回路部５０および光電変換部１４は平行に保持される。
【００８５】
また、固体撮像素子６０は、接続層５２に光電変換部１４の光電変換膜４０を密着させた状態で走査回路部５０および光電変換部１４が接続されるため、光電変換部側電極４２の厚みＴ１を制御することによりマイクロスプリング１６に加わる力が過不足のないように制御することができ、光電変換部側電極４２とマイクロスプリング１６との電気的接続の不良や、マイクロスプリング１６の破壊等を招くことがない。さらに、接続層５２の第２層５６の上面５６ａがマイクロスプリング１６の上端と同一平面上に形成されているため、接続層５２に光電変換部１４の光電変換膜４０を密着させただけで、マイクロスプリング１６を所定量正確に変形させることができる。
【００８６】
つぎに、本実施の形態の第２の例に係る固体撮像素子６０のマイクロスプリング１６および接続層５２の作製方法について、図８を参照して説明する。なお、図８では、走査回路部５０のＭＯＳトランジスタ等の一部の部材については図示を省いている。
【００８７】
本実施の形態の第２の例に係る固体撮像素子６０のマイクロスプリング１６および接続層５２の作製方法は、基本的には、前記した本実施の形態の第１の例に係る固体撮像素子１０のマイクロスプリング１６の作製方法をそのまま用いることができる。
【００８８】
まず、感光性ポリイミド等の感光性樹脂を用い、例えばスピンコーティング法等により塗布して、走査回路部５０上の全面に３〜１０μｍ程度の厚みの樹脂膜６２を成膜する（図８（Ａ））。このとき、走査回路部５０の表面には画素電極３０をはじめ半導体プロセスに起因する凹凸があるが、スピンコーティング法等により上記の厚みに塗布することにより、樹脂膜６２の表面は略平坦な面に形成される。
【００８９】
つぎに、フォトリソグラフィ法により、樹脂膜６２をパターニングし、マイクロスプリング形成箇所に第１の犠牲層６４を、また、マイクロスプリング形成箇所の外周の接続層形成箇所に第１層相当部５４ａを、それぞれ形成する（図８（Ｂ））。このとき、パターニング前の樹脂膜６２の表面が平坦であるため、第１の犠牲層６４の上端と第１層相当部５４ａの上面とは、図８（Ｂ）中Ｓ１−Ｓ１´で示す同一平面上に形成される。
【００９０】
つぎに、フォトレジストを用い、フォトリソグラフィ法により、樹脂膜６６を形成する（図８（Ｃ））。樹脂膜６６は、マイクロスプリング形成箇所および接続層形成箇所を開口しておくとともに、リフトオフを行うのに適するように断面形状が下方に向けて幅狭なテーパ状に形成しておく。
【００９１】
つぎに、真空蒸着法やスパッタ法等により、マイクロスプリング１６の材料である金属１６ａを、樹脂膜６６、第１の犠牲層６４および第１層相当部５４ａの上に均一な厚みに堆積する（図８（Ｄ））。なお、金属１６ａは、チタン、クロム、金等の金属を単独で堆積してもよく、また、これらの金属を積層して堆積してもよい。
【００９２】
つぎに、ウエット法等により、堆積した金属１６ａごと樹脂膜６６をリフトオフして取り除く（図８（Ｅ））。
【００９３】
最後に、プラズマアッシング法等により、第１の犠牲層６４を除去することで、マイクロスプリング１６および第１層５４および第２層５６からなる接続層５２を備えた走査回路部５０が完成する（図４（Ｆ））。マイクロスプリング１６の上端と接続層の上面とは、図８（Ｆ）中Ｓ２−Ｓ２´で示す同一平面上に形成される。このとき、第１層５４の側面５４ｂがオーバーエッチングされるが機能的には問題を生じない。
【００９４】
上記のマイクロスプリング１６および接続層５２の作製方法は、接続層５２を形成するための特別の工程を付加することなくマイクロスプリング１６の作製と同時に接続層５２を作製することができ、マイクロスプリング１６の上端と接続層５２の上面とを容易にかつ確実に同一平面上に形成することができる。
【００９５】
つぎに、固体撮像素子６０の変形例について、図９を参照して説明する。
【００９６】
固体撮像素子６８は、図９に示すように、透明電極７０および光電変換膜７２が接続層７４の内側の領域に形成され、接続層７４が透明基板３６に直接接する構造となっている点が固体撮像素子６０と異なる。
【００９７】
上記のように構成した固体撮像素子６８は、透明電極７０が接続層７４にかからない（覆わない）ので、透明電極７０に高電圧を印加した場合であっても接続層７４が絶縁破壊を起こすおそれがない。
【００９８】
以上、本実施の形態の第２の例およびその変形例について説明したが、本実施の形態の第２の例およびその変形例に係る固体撮像素子の接続層は、各実施例のように電気的接続部としてのマイクロスプリングと組み合わせるのみでなく、電気的接続部としての従来のマイクロバンプと組み合わせてもよい。
【００９９】
マイクロバンプと接続層を組み合わせた固体撮像素子の参考例について、図１０を参照して説明する。
【０１００】
走査回路部１００に形成されたマイクロバンプ１０２は、ポリイミド樹脂を心材１０４ａとし、表面は金属層１０６ａで覆われている。一方、接続層１０８も、マイクロバンプ１０２と同様に、ポリイミド樹脂で形成した第１層１０４ｂおよび金属層からなる第２層１０６ｂにより構成されている（図１０（Ａ））。この場合、心材１０４ａおよび第１層１０４ｂはそれぞれの表面が同一平面上に形成され、さらに金属層１０６ａおよび第２層１０６ｂが同一の厚みで、それぞれの表面が同一平面上に形成される。これらマイクロバンプ１０２および接続層１０８は、本実施の形態の第２の例と略同様の作製手順で形成される。すなわち、マイクロバンプ１０２の心材１０４ａとなる樹脂層の開口部を変更するとともにマイクロスプリングの第１犠牲層を除去する工程を省略する点のみが本実施の形態の第２の例と異なる。
【０１０１】
そして、本実施の形態の第２の例と同様の方法により、走査回路部１００の上に光電変換部１４を重ねて、接続し、固定して、固体撮像素子１１０が完成する（図１０（Ｂ））。
【０１０２】
上記参考例においても、接続層１０８の効果が発揮され、マイクロバンプ１０２の変形量を一定に制御することができる。
【０１０３】
【発明の効果】
本発明に係る半導体装置によれば、第１の素子および第２の素子を厚さ方向に上下に配設して電気的に接続してなる半導体装置であって、第１の素子上に変形可能なマイクロスプリングが設けられ、マイクロスプリングによって第１の素子および第２の素子を電気的に接続してなるため、従来の接続部の加熱処理に起因した接続する素子材料の耐熱性上の制約がない。また、接続箇所の応力による装置の機能の劣化や素子の損傷のおそれがなく、さらにまた、環境温度の変動による装置の機能の劣化や素子の損傷のおそれもない。またさらに、接続部の高さ寸法のバラツキによって生じていた従来の光電変換膜の損傷の問題が一層軽減される。さらに、隣り合う接続部が接触して隣り合う電極間の短絡を生じるおそれがない。このため、素子の電極を狭いピッチで配設することができ、装置の小型化、高度集積化を図ることができる。
【０１０４】
また、本発明に係る半導体装置によれば、マイクロスプリングが溶断可能に設けられてなるため、一方の素子からマイクロスプリングに過大な電流が流れこんだときに、他方の素子を保護することができる。
【０１０５】
また、本発明に係る半導体装置によれば、マイクロスプリングが高抵抗に形成されてなるため、一方の素子からマイクロスプリングに過大な電流が流れこんだときに他方の素子を保護することができる。
【０１０６】
また、本発明に係る半導体装置によれば、第１の素子および第２の素子の間に接続層が設けられ、接続層によって第１の素子および第２の素子を構造的に接続してなるため、接続層により第１の素子および第２の素子の構造的な接続が確保される。
【０１０７】
また、本発明に係る半導体装置によれば、接続層が紫外線硬化型接着剤で形成されたものであるため、加熱処理を伴うことなく第１の素子および第２の素子の構造的な接続を行うことができ、加熱処理に伴う従来の問題点を生じることがない。
【０１０８】
また、本発明に係る半導体装置によれば、接続層が成膜材料を成膜して形成されたものであるため、第１の素子および第２の素子を密着させて構造的に接続するときに加える荷重がばらついたりあるいは荷重の分布が不均一であっても、接続層の剛性の範囲内であって均一な厚みに形成した接続層と第２の素子との密着が保たれる範囲内であれば、第１の素子と第２の素子とを確実に平行に配設することができる。
【０１０９】
また、本発明に係る半導体装置によれば、第２の素子の下面に突出して電極が形成され、接続層の上面とマイクロスプリングの上端とが同一平面上に形成され、第２の素子の下面および接続層の上面が密着されて配設されることにより電極が該マイクロスプリングの上端に接するように配設されてなるため、電極の厚みを調整することにより、マイクロイスプリングの変形量を正確に制御することができ、変形量が不十分なときに生じ得るマイクロイスプリングと電極との接触不良や変形量が過剰なときに生じ得るマイクロイスプリングの破壊等のおそれがない。
【０１１０】
また、本発明に係る半導体装置によれば、第１の素子が、半導体基板上に画素ごとに電荷蓄積部、電荷読み出し部を備えてなる走査回路部であり、第２の素子が、光電変換部であり、走査回路部および光電変換部を電気的に接続することにより固体撮像素子として機能するものであるため、上記の本発明の効果を好適に得ることができる。
【０１１１】
また、本発明に係る半導体装置によれば、光電変換部が非晶質セレンを主体とする光電変換膜を有するため、光電変換膜の機能を十全に発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の積層型固体撮像素子の２画素分の断面図である。
【図２】  本実施の形態の第１の例に係る積層型固体撮像素子の２画素分の断面図である。
【図３】  走査回路部と光電変換部とを接続して本実施の形態の第１の例に係る積層型固体撮像素子を作製するときの接続方法を説明するためのものであり、（Ａ）は準備した光電変換部を示す図であり、（Ｂ）は準備した走査回路部を示す図であり、（Ｃ）は接続層を介して走査回路部と光電変換部とを接続した状態を示す図である。
【図４】  本実施の形態の第１の例に係る積層型固体撮像素子のマイクロスプリングの作製方法を説明するためのものであり、（Ａ）は第１の犠牲層を形成した状態を示す図であり、（Ｂ）は第２の犠牲層を形成した状態を示す図であり、（Ｃ）は金属を成膜した状態を示す図であり、（Ｄ）は第２の犠牲層を除去した状態を示す図であり、（Ｅ）は第１の犠牲層を除去してマイクロスプリングを完成した状態を示す図である。
【図５】  本実施の形態の第１の例に係る積層型固体撮像素子のマイクロスプリングの第１の変形例を示す図である。
【図６】  本実施の形態の第１の例に係る積層型固体撮像素子のマイクロスプリングの第２の変形例を示す図である。
【図７】  走査回路部と光電変換部とを接続して本実施の形態の第２の例に係る積層型固体撮像素子を作製するときの接続方法を説明するためのものであり、（Ａ）は準備した光電変換部を示す図であり、（Ｂ）は準備した走査回路部を示す図であり、（Ｃ）は接続層を介して走査回路部と光電変換部とを接続した状態を示す図である。
【図８】  本実施の形態の第２の例に係る積層型固体撮像素子のマイクロスプリングおよび接続層の作製方法を説明するためのものであり、（Ａ）はマイクロスプリングの第１の犠牲層および接続層の第１層のもととなる樹脂層を形成した状態を示す図であり、（Ｂ）は第１の犠牲層および第１層を形成した状態を示す図であり、（Ｃ）はマイクロスプリングの第２の犠牲層および接続層の第２層のもととなる樹脂層を形成した状態を示す図であり、（Ｄ）は金属を成膜した状態を示す図であり、（Ｅ）は第２の犠牲層を除去した状態を示す図であり、（Ｆ）は第１の犠牲層を除去してマイクロスプリングおよび接続層を完成した状態を示す図である。
【図９】  本実施の形態の第２の例に係る積層型固体撮像素子の変形例を示す図である。
【図１０】  本実施の形態の第２の例の接続層を用いた参考例の積層型固体撮像素子を説明するためのものであり、（Ａ）はマイクロバンプおよび接続層が形成された走査回路部を示す図であり、（Ｂ）は完成した参考例の積層型固体撮像素子を示す図である。
【符号の説明】
１０、６０、６８  固体撮像素子
１２、５０  走査回路部
１４  光電変換部
１６、４６、４８  マイクロスプリング
１６ａ  金属
１８、５２、７４  接続層
１８ａ、５８  紫外線硬化型接着剤
２０  半導体基板
２２  電荷蓄積部
２４  電荷読み出し部
２６  ゲート電極
２８  第１電極
３０  画素電極
３２  第２電極
３６  透明基板
３８、７０  透明電極
４０、７２  光電変換膜
４２  光電変換部側電極
４４、６４  第１の犠牲層
４６  第２の犠牲層
５４  第１層
５４ａ  第１層相当部
５６  第２層
６２、６６  樹脂膜
【図１】
0004167443.tif 000002
【図２】
0004167443.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004167443.tif 000008
【図８】
0004167443.tif 000009
【図９】
0004167443.tif 000010
【図１０】
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