JP2021190478A - 固体撮像素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】性能を低下させることなく、製造工程の簡略化および低コスト化が可能な固体撮像素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】固体撮像素子１００は、複数の画素電極２０が設けられた信号読み出し回路基板１０と、画素電極２０間および画素電極２０を覆い、上面が平坦であり下面が画素電極２０および信号読み出し回路基板１０と接する電荷注入阻止層３０と、上面と接する増倍層４０と、を備える。【選択図】図１
Description
本発明は、固体撮像素子およびその製造方法に関し、特に、電荷増倍型光電変換層を備える積層型の固体撮像素子およびその製造方法に関する。
近年、テレビ用カメラ、デジタルカメラなどに用いられるイメージセンサは、画素サイズが小さくなってきており、１画素当たりの光の利用効率が低下し、感度不足が問題となってきている。イメージセンサは、シリコン基板を用いた固体撮像素子が主流となっているが、光電変換を行うシリコンフォトダイオードの限界が近づいていると言える。
一方で、アモルファス状態のセレンが基板上に成膜された後、加熱されることで多結晶化した結晶セレン膜は、光吸収率が高く、可視光における分光感度の帯域を拡げられることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。また、結晶セレン膜は、光吸収率が高いため、膜厚を薄くすることができ、印加電圧を信号読み出し回路の動作電圧（５Ｖ〜２５Ｖ）以下に抑えても、膜内で発生した信号電荷を、アバランシェ増倍現象により、強電界（１×１０７Ｖ／ｍ以上）で増倍させられることが知られている（例えば、非特許文献２参照）。
ところで、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor：相補型金属酸化膜半導体）構造が形成された信号読み出し回路基板上に、電荷増倍型光電変換層（以下、増倍層と称する）および電荷注入阻止層などが積層された積層型の固体撮像素子において、高感度化を目指す取り組みがなされている。
図４Ａに示すように、通常、信号読み出し回路基板１０Ａには信号読み出し回路１１Ａが形成されており、信号読み出し回路基板１０Ａには、絶縁層１２Ａと金属の貫通電極１３Ａから成る接続層１４Ａが形成され、その上に金属からなる複数の画素電極２０Ａが画素ごとに分離して設けられている。また、画素電極２０Ａは貫通電極１３Ａを介してそれぞれが信号読み出し回路１１Ａ内の図示しない画素回路に接続されている。画素電極２０Ａ間には、空隙Ｈが形成されている。すなわち、信号読み出し回路基板１０Ａの上面Ｓ１と画素電極２０Ａの上面Ｓ２との間には、約２００ｎｍ〜約１μｍの段差Ｄが生じている。この状態で、増倍層４０Ａおよび透明電極５０Ａが積層されると、図４Ｂに示すように、増倍層４０Ａおよび透明電極５０Ａは、凹凸を有する形状となる。この状態で、透明電極５０Ａに電圧が印加されると、画素電極２０Ａの角（丸印参照）に局所的な電界集中が生じ、この結果、増倍層４０Ａは、破壊され特性を損なう。
このような弊害を防ぐため、図５に示すように、画素電極２０Ｂ間に、ＳｉＯｘなどの絶縁物からなる絶縁層６０Ｂを埋め込み、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨）法などにより、画素電極２０Ｂの上面Ｓ２および絶縁層６０Ｂの上面Ｓ３を平坦化することが行われている。
具体的には、図６Ａに示すように、信号読み出し回基板１０Ｂ上に複数の画素電極２０Ｂを形成し、図６Ｂに示すように、画素電極２０Ｂ間を埋め込む絶縁層６０Ｂを形成し、図６Ｃに示すように、画素電極２０Ｂの上面Ｓ２を露出させ、図６Ｄに示すように、画素電極２０Ｂおよび絶縁層６０Ｂ上に電荷注入阻止層３０Ｂを形成し、図６Ｅに示すように、電荷注入阻止層３０Ｂ上に増倍層４０Ｂを形成し、図６Ｆに示すように、増倍層４０Ｂ上に透明電極５０Ｂを形成する。
ここで、図６Ｃに示すように、画素電極２０Ｂの上面Ｓ２と絶縁層６０Ｂの上面Ｓ３との間に生じる段差は、約５ｎｍ以下と極力小さくなるように平坦化される。これにより、図６Ｅに示すように、増倍層４０Ｂは、平坦な（凹凸を有さない）形状となるため、上述のような弊害を防ぎ、特性を維持することができる。
IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, Vol. 63, No. 1, pp.86-91 Jan. (2016)
映像情報メディア学会技術報告 Vol. 40, No. 12, pp.14-16 Mar. (2016)
しかしながら、ＣＭＰ法により、硬度および化学的特性の異なる金属と絶縁物という異種材料を平坦化しようとすると、それぞれの研磨速度が異なるため平坦化工程が複雑化し、コストが増大する。
具体的には、第１研磨剤を用いて絶縁層を研磨する工程と、第１研磨剤より電極材料の研磨レートが高く、絶縁層材料の研磨レートが低い第２研磨剤を用いて画素電極を研磨する工程と、を交互に繰り返さなければならず、研磨剤の適切な選定、研磨中における圧力の段階的な調整など高度な技術が必要になる。また、研磨剤のｐＨ値によって、異種材料の界面で電位差が生じて腐食が進み、数ｎｍ程度の溝Ｃが発生する場合がある（図７参照）。このため、研磨剤のｐＨ値を厳しく管理することが必要となるが、ｐＨ値の変更は、研磨速度にも影響を及ぼすため、各種条件の設定が複雑となる。
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、性能を低下させることなく、製造工程の簡略化および低コスト化が可能な固体撮像素子およびその製造方法を提供することにある。
一実施形態に係る固体撮像素子は、複数の画素電極が設けられた信号読み出し回路基板と、前記画素電極間および前記画素電極を覆い、上面が平坦であり下面が前記画素電極および前記信号読み出し回路基板と接する電荷注入阻止層と、前記上面と接する増倍層と、を備えることを特徴とする。
さらに、一実施形態に係る固体撮像素子において、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）測定により得られる前記電荷注入阻止層の表面粗さが、１ｎｍ以下である、ことを特徴とする。
さらに、一実施形態に係る固体撮像素子において、前記信号読み出し回路基板と、前記画素電極と、前記電荷注入阻止層と、前記増倍層と、透明電極と、をこの順に備える、ことを特徴とする。
一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法は、信号読み出し回路基板上に、複数の画素電極を形成する工程と、前記画素電極間および前記画素電極を覆い、前記画素電極および前記信号読み出し回路基板と接する電荷注入阻止層を形成する工程と、前記前記電荷注入阻止層を平坦化する工程と、前記電荷注入阻止層上に、増倍層を形成する工程と、前記増倍層上に、透明電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、性能を低下させることなく、製造工程の簡略化および低コスト化が可能な固体撮像素子およびその製造方法を提供することができる。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、重複する説明を省略する。各図において、説明の便宜上、各構成の縦横の比率を実際の比率から誇張して示している。
また、以下、説明の便宜上、「上」とは、図面に描かれた光の入射側を意味するものとし、「下」とは、図面に描かれた基板側を意味するものとする。ただし、「上」、「下」とは、便宜的に定められたものに過ぎず、限定的に解釈すべきものではない。
＜固体撮像素子＞
図１を参照して、本実施形態に係る固体撮像素子１００の構成の一例について説明する。
図１を参照して、本実施形態に係る固体撮像素子１００の構成の一例について説明する。
固体撮像素子１００は、信号読み出し回路基板１０と、複数の画素電極２０と、電荷注入阻止層３０と、増倍層４０と、透明電極５０と、をこの順に備える。例えば、複数の画素電極２０には信号読み出し回路を介して電源の負極に相当する電位が、透明電極５０には電源の正極が、接続される。光は、透明電極５０側から入射する。
信号読み出し回路基板１０は、例えば、シリコン基板上にＣＭＯＳ構造の回路が形成された基板である。信号読み出し回路基板１０には、信号読み出し回路１１が設けられ、その上に絶縁層１２と金属の貫通電極１３から成る接続層１４が設けられ、その上に貫通電極１３を介して信号読み出し回路１１内の図示しない各画素回路に接続される複数の画素電極２０が設けられ、上面Ｔ１が電荷注入阻止層３０と接している。
画素電極２０は、信号読み出し回路基板１０上に、画素ごとに分離して設けられている。画素電極２０は、上面Ｔ２および側面Ｔ３が、電荷注入阻止層３０と接している。光の入射により増倍層４０で発生・増倍した信号電荷は、画素電極２０を介して、信号読み出し回路で読み出される。
画素電極２０は、例えば、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）などの金属膜で形成される。画素電極２０の膜厚は、必要な導電性が得られる厚さであればよく、例えば、２００ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。画素電極２０は、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法などで成膜したのち、ドライエッチング法などでパターニングするという公知の半導体製造プロセスにより形成される。
電荷注入阻止層３０は、暗電流（ノイズ）の要因となる画素電極２０から増倍層４０への電荷注入を阻止する機能を有する。また、電荷注入阻止層３０は、画素電極２０同士を絶縁する機能を有する。
電荷注入阻止層３０は、画素電極２０間および画素電極２０を覆うように設けられている。また、電荷注入阻止層３０は、上面Ｔ４が、平坦化されている。また、電荷注入阻止層３０は、下面が、信号読み出し回路基板１０の上面Ｔ１、画素電極２０の上面Ｔ２、および、画素電極２０の側面Ｔ３と接している。
電荷注入阻止層３０が、画素電極２０間を覆い、且つ、下面が信号読み出し回路基板１０の上面Ｔ１および画素電極２０の側面Ｔ３と接することで、従来における画素電極２０Ｂ間を埋め込む絶縁層６０Ｂを形成する工程（図６Ｂ参照）を省略できる。これにより、工程数を減らすことができ、且つ、固体撮像素子１００の構成要素を減らすことができる。
また、電荷注入阻止層３０が、画素電極２０を覆い、且つ、下面が画素電極２０の上面Ｔ２と接することで、従来における画素電極２０Ｂの上面Ｓ２を露出させ、画素電極２０Ｂおよび絶縁層６０Ｂを平坦化する工程（図６Ｃ参照）が不要となる。すなわち、異種材料に対する平坦化工程が不要となるため、研磨剤の適切な選定、研磨中における圧力の段階的な調整、研磨剤のｐＨ値の厳しい管理などを行わずに済む。これにより、ＣＭＰ法による平坦化工程を簡略化し、コストを低減させることができる。
また、電荷注入阻止層３０の上面Ｔ４が、平坦化されていることで、後に形成される増倍層４０との界面、並びに増倍層４０自体を平坦な（凹凸を有さない）形状とすることができる。これにより、増倍層４０の特性を良好とすることができる。
電荷注入阻止層３０は、増倍層４０内の信号電荷を電子とするか、あるいは、増倍層４０内の信号電荷を正孔とするかに応じて、適宜、材料が選定されることが好ましい。
例えば、増倍層４０内の信号電荷を電子とする場合、電荷注入阻止層３０は、複数の画素電極２０から増倍層４０への正孔注入を阻止可能な材料で形成されることが好ましい。このような材料としては、例えば、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）などのｎ型ワイドバンドギャップ半導体などが挙げられる。
例えば、増倍層４０内の信号電荷を正孔とする場合、電荷注入阻止層３０は、複数の画素電極２０から増倍層４０への電子注入を阻止可能な材料で形成されることが好ましい。このような材料としては、例えば、三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）などのｐ型ワイドバンドギャップ半導体などが挙げられる。
また、増倍層４０内の信号電荷を電子・正孔のいずれの場合においても、図示はしないが増倍膜４０と透明電極５０の間には、透明電極５０からの電荷の注入を阻止する膜を挿入することが望ましい。これらの材料としては、信号電荷が電子の場合、例えば、三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）などのｐ型ワイドバンドギャップ半導体などが挙げられ、信号電荷が正孔の場合、例えば、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）などのｎ型ワイドバンドギャップ半導体などが挙げられる。
電荷注入阻止層３０の膜厚は、少なくとも、信号読み出し回路基板１０の上面Ｔ１と画素電極２０の上面Ｔ２との間に生じる段差をカバーできる厚さであればよい。画素電極２０の上面Ｔ２と電荷注入阻止層３０の上面Ｔ４との間の厚さはＣＭＰによる平坦化で制御され、その厚さが、１０ｎｍ以上であれば、画素電極２０から増倍層４０への電荷注入を効率良く阻止することができる。また、画素電極２０の上面Ｔ２と電荷注入阻止層３０の上面Ｔ４との間の厚さは、増倍層４０の膜厚の１／６以下であれば、外部印加電圧が効率良く増倍層４０側に加わることとなる。
増倍層４０は、光の照射により信号電荷を発生・増倍させる機能を有する。増倍層４０は、電荷注入阻止層３０と透明電極５０との間に設けられている。増倍層４０は、下面が、電荷注入阻止層３０の上面Ｔ４と接している。
増倍層４０は、例えば、結晶セレン膜であることが好ましい。増倍層４０の膜厚は、例えば、１５０ｎｍ以上であることが好ましく、３００ｎｍであることが特に好ましい。増倍層４０の膜厚が１５０ｎｍ以上であれば、その膜厚は十分であるため、固体撮像素子１００は可視光全域で十分な感度を得ることができる。膜厚の上限値は、信号読み出し回路の耐電圧特性によって決まる。
電荷注入阻止層３０の上面Ｔ４は、ＡＦＭ測定により得られる表面粗さＲａが、増倍層４０の膜厚を３００ｎｍとしたときに、１ｎｍ以下であることが好ましく、０．７ｎｍ以下であることがより好ましい。電荷注入阻止層３０の表面粗さは、電荷注入素子特性に大きく関係し、当該範囲を満たすことで、固体撮像素子１００において良好な暗電流特性を得ることができる。
従来に係るＣＭＰ法による平坦化工程により、金属と絶縁物という異種材料に対する研磨を行った後では増倍層と接する面の表面粗さは、約５ｎｍの段差が残る。これは、わずかではあるが、局所的な電界集中を増倍層にもたらし、電荷注入阻止性能を低下させる要因となる。これ以下の段差に研磨するためには、高度な制御を要し膨大な製造コストとなる。一方、本実施形態に係るＣＭＰ法による平坦化工程により、電荷注入阻止材料に対する研磨を行った後、増倍層４０に接する電荷注入阻止層３０の表面粗さは、１ｎｍ以下となる。すなわち、単一材料に対する研磨は、異種材料に対する研磨と比較して、安価に平坦化精度を高められることになる。増倍層４０と接する電荷注入阻止層３０の上面Ｔ４の平坦化精度が高いことで、増倍層４０への電荷注入阻止特性を良好とし、固体撮像素子１００の性能を向上させることができる。
透明電極５０は、光の入射側に設けられている。また、透明電極５０は、増倍層４０を介して、画素電極２０と対向する位置に設けられている。
透明電極５０は、透光性を有する材料で形成されることが好ましい。このような材料としては、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛スズ（ＩＺＯ）、アルミニウム添加酸化亜鉛（ＡＺＯ）などの透明酸化物導電材料が挙げられる。透明電極５０の膜厚は、特に制限されないが、光透過率と抵抗値の観点から５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。
本実施形態に係る固体撮像素子１００は、画素電極２０間および画素電極２０を覆い、上面が平坦であり下面が画素電極２０および信号読み出し回路基板１０と接する電荷注入阻止層３０と、上面と接する増倍層４０と、を少なくとも備える。これにより、工程数を減らすことができ、且つ、固体撮像素子１００の構成要素を減らすことができる。また、ＣＭＰ法による平坦化工程を簡略化し、コストを低減させることができる。また、増倍層４０の特性を良好とし、固体撮像素子１００の性能を向上させることができる。すなわち、性能を低下させることなく、製造工程の簡略化および低コスト化が可能な固体撮像素子１００を実現できる。
＜固体撮像素子の製造方法＞
図２および図３Ａ〜図３Ｅを参照して、本実施形態に係る固体撮像素子１００の製造方法の一例について説明する。
図２および図３Ａ〜図３Ｅを参照して、本実施形態に係る固体撮像素子１００の製造方法の一例について説明する。
固体撮像素子１００の製造方法は、信号読み出し回路１１上に、絶縁層１２を形成し、信号読み出し回路１１の図示しない画素回路へ接続される貫通電極１３を絶縁層１２中に形成し、絶縁層１２および貫通電極１３を含む接続層１４を形成する工程（Ｓ１０１）と、接続層１４上に、複数の画素電極２０を形成する工程（Ｓ１０２）と、画素電極２０間および画素電極２０を覆い、画素電極２０および信号読み出し回路基板１０と接する電荷注入阻止層３０を形成する工程（Ｓ１０３）と、電荷注入阻止層３０を平坦化する工程（Ｓ１０４）と、電荷注入阻止層３０上に、増倍層４０を形成する工程（Ｓ１０５）と、増倍層４０上に、透明電極５０を形成する工程（Ｓ１０６）と、を含む。
以下、各工程の詳細を順次説明する。なお、同一の構成要素に同一の参照番号を付しており、各構成要素の材料、膜厚などの説明は既述のとおりであり、重複する説明を省略する。
〔接続層１４の形成工程：ステップＳ１０１〕
まず、図３Ａに示すように、信号読み出し回路１１上に、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法などにより、酸化シリコン、窒化シリコンなどから成る絶縁層１２を形成し、次に、例えば、フォトリソグラフィを用いたドライエッチングにより、信号読み出し回路１１内の図示しない各画素回路に接続するための貫通孔を形成し、例えば、ダマシン法を用いて貫通孔内を銅などの金属で充填する。
まず、図３Ａに示すように、信号読み出し回路１１上に、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法などにより、酸化シリコン、窒化シリコンなどから成る絶縁層１２を形成し、次に、例えば、フォトリソグラフィを用いたドライエッチングにより、信号読み出し回路１１内の図示しない各画素回路に接続するための貫通孔を形成し、例えば、ダマシン法を用いて貫通孔内を銅などの金属で充填する。
〔複数の画素電極２０の形成工程：ステップＳ１０２〕
次に、図３Ａに示すように、信号読み出し回路１１上に形成された接続層１４上に、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法などにより、金属材料を用いて金属膜を成膜し、例えば、エッチング法などにより、金属膜を分離することで、膜厚が２００ｎｍ以上１μｍ以下の金属膜を形成する。画素電極２０間には、空隙Ｈが形成される。
次に、図３Ａに示すように、信号読み出し回路１１上に形成された接続層１４上に、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法などにより、金属材料を用いて金属膜を成膜し、例えば、エッチング法などにより、金属膜を分離することで、膜厚が２００ｎｍ以上１μｍ以下の金属膜を形成する。画素電極２０間には、空隙Ｈが形成される。
〔電荷注入阻止層３０の形成工程：ステップＳ１０３〕
次に、図３Ｂに示すように、複数の画素電極２０が設けられた信号読み出し回路基板１０上に、例えば、スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法、真空蒸着法などにより、電荷注入阻止材料を用いて電荷注入阻止層３０を成膜する。電荷注入阻止層３０は、信号読み出し回路基板１０の上面Ｔ１と画素電極２０の上面Ｔ２との間に生じる段差に起因して、凹凸を有する形状となる。この時点での電荷注入阻止層３０の厚みは、信号読み出し回路基板１０の上面Ｔ１と画素電極２０の上面Ｔ２との間に生じる段差を十分埋め込むとともに、ＣＭＰで研磨して平坦化したのちのＴ２上の電荷注入阻止層３０の膜厚が所望の厚さになるよう、信号読み出し回路基板１０の上面Ｔ１と画素電極２０の上面Ｔ２との間に生じる段差の２〜３倍以上の厚さにすることが好ましい。
次に、図３Ｂに示すように、複数の画素電極２０が設けられた信号読み出し回路基板１０上に、例えば、スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法、真空蒸着法などにより、電荷注入阻止材料を用いて電荷注入阻止層３０を成膜する。電荷注入阻止層３０は、信号読み出し回路基板１０の上面Ｔ１と画素電極２０の上面Ｔ２との間に生じる段差に起因して、凹凸を有する形状となる。この時点での電荷注入阻止層３０の厚みは、信号読み出し回路基板１０の上面Ｔ１と画素電極２０の上面Ｔ２との間に生じる段差を十分埋め込むとともに、ＣＭＰで研磨して平坦化したのちのＴ２上の電荷注入阻止層３０の膜厚が所望の厚さになるよう、信号読み出し回路基板１０の上面Ｔ１と画素電極２０の上面Ｔ２との間に生じる段差の２〜３倍以上の厚さにすることが好ましい。
本工程により、画素電極２０間を覆い、且つ、下面が信号読み出し回路基板１０の上面Ｔ１および画素電極２０の側面Ｔ３と接する電荷注入阻止層３０を形成することで、従来における画素電極２０Ｂ間を埋め込む絶縁層６０Ｂを形成する工程（図６Ｂ参照）を省略できる。これにより、工程数を減らすことができ、且つ、固体撮像素子１００の構成要素を減らすことができる。
また、本工程により、画素電極２０を覆い、且つ、下面が画素電極２０の上面Ｔ２と接する電荷注入阻止層３０を形成することで、従来における画素電極２０Ｂの上面Ｓ２を露出させる工程（図６Ｃ参照）が不要となる。これにより、次工程であるＣＭＰ法による平坦化工程を簡略化し、コストを低減させることができる。
〔電荷注入阻止層３０の平坦化工程：ステップＳ１０４〕
次に、図３Ｃに示すように、凹凸を有する電荷注入阻止層３０の上面を、例えば、ＣＭＰ法などにより、電荷注入阻止層３０の膜厚が適切な厚さとなるように平坦化する。この際、画素電極２０の上面Ｔ２と電荷注入阻止層３０の上面Ｔ４との距離Ｘが、約２０ｎｍとなることが好ましい。
次に、図３Ｃに示すように、凹凸を有する電荷注入阻止層３０の上面を、例えば、ＣＭＰ法などにより、電荷注入阻止層３０の膜厚が適切な厚さとなるように平坦化する。この際、画素電極２０の上面Ｔ２と電荷注入阻止層３０の上面Ｔ４との距離Ｘが、約２０ｎｍとなることが好ましい。
研磨剤としては、公知の材料を用いることができ、例えば、コロイダルシリカ、酸化チタン、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、酸化鉄、酸化マンガンなどが挙げられる。
次に、電荷注入阻止層３０の上面Ｔ４に対して、例えば、精密洗浄処理などの表面処理を施す。これにより、電荷注入阻止層３０の上面Ｔ４から、汚れ、残留物などを除去することができる。精密洗浄用の溶液としては、公知の溶液を用いることができ、例えば、純水、超純水などの水、フッ酸、硫酸、炭酸、アンモニアなどの水溶液、イソプロピルアルコール、テトラヒドロフラン、グリコールエーテルなどの有機溶媒が挙げられる。
前工程および本工程により、画素電極２０から増倍層４０への電荷注入を阻止する機能、および画素電極２０同士を絶縁する機能を兼ねる電荷注入阻止層３０を形成することができる。
また、前工程および本工程により、画素電極２０間および画素電極２０を覆い、上面が平坦であり下面が画素電極２０および信号読み出し回路基板１０と接する電荷注入阻止層３０を形成することができる。
異種材料に対する研磨が不要となり、単一材料に対する研磨を行うことで、従来のような研磨剤の適切な選定、研磨中における圧力の段階的な調整、研磨剤のｐＨ値の厳しい管理などが不要となる。また、異種材料の界面で電位差が生じて腐食が進み、数ｎｍ程度の溝Ｃが発生するという従来の問題を回避できるため、ＣＭＰ法による平坦化工程における各種条件を簡易な設定とすることができる。これにより、ＣＭＰ法による平坦化工程を簡略化し、コストを低減させることができる。
また、本工程により、電荷注入阻止層３０の上面Ｔ４を、平坦化することで、後に形成される増倍層４０の電荷注入阻止層３０側の面と増倍層の膜自体を平坦な（凹凸を有さない）形状とすることができる。これにより、増倍層４０の特性を良好とすることができる。
〔増倍層４０の形成工程：ステップＳ１０５〕
次に、図３Ｄに示すように、電荷注入阻止層３０上に、膜厚が１５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の増倍層４０を形成する。例えば、増倍層４０として、結晶セレン膜を形成する。
次に、図３Ｄに示すように、電荷注入阻止層３０上に、膜厚が１５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の増倍層４０を形成する。例えば、増倍層４０として、結晶セレン膜を形成する。
結晶セレン膜を形成するためには、まず、電荷注入阻止層３０上に、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法などにより、アモルファスセレン膜を形成する。次に、アモルファスセレン膜に対して、１００℃〜２２０℃の温度で、３０秒〜１時間の熱処理を施す。当該熱処理により、アモルファスセレン膜は、結晶化する。なお、熱処理温度および熱処理時間は、一例であり、この条件に限られないが、上記範囲内とすることで結晶性の良好な結晶セレン膜を形成することができる。また、図示はしないが、増倍層４０は結晶セレンの上にさらに電荷注入阻止層３０とは、逆の特性の電荷注入阻止層を形成しヘテロPN接合させたものであってもよい。
〔透明電極５０の形成工程：ステップＳ１０６〕
次に、図３Ｅに示すように、増倍層４０上に、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法などにより、膜厚が５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の透明電極５０を形成する。
次に、図３Ｅに示すように、増倍層４０上に、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法などにより、膜厚が５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の透明電極５０を形成する。
なお、上述の各工程における成膜時の雰囲気は、特に制限されることはなく、一般的な成膜条件を用いることができる。
以上の任意工程を含む各工程を経ることにより、本実施形態に係る固体撮像素子１００を製造することができる。すなわち、性能を低下させることなく、製造工程の簡略化および低コスト化が可能な固体撮像素子１００を実現できる。
また、本実施形態に係る固体撮像素子１００は、従来のように、絶縁層を備えないため、ＣＭＰ法による平坦化工程において絶縁層と画素電極との間に発生する溝に起因する不具合が生じない。これにより、不良箇所の少ない固体撮像素子１００を製造できるため、歩留まりを向上させることができる。また、画素欠陥、ホワイトスポットなどを低減させた高性能な固体撮像素子１００を実現できる。
＜変形例＞
Ｓ１０５以降の工程は、増倍層４０、透明電極５０のように順に積んでいく形でなくてもよい。例えば、あらかじめ透光性基板（単結晶サファイア、ガラスなど）６０に透明電極５０と、その上に形成したアモルファスセレン４０Ａと、電荷注入阻止層３０に形成したアモルファスセレン４０Ｂとを向かい合わせて（図８Ａ参照）、接着・接合したのち加熱して結晶セレン化して増倍層４０を形成する工程でもよい（図８Ｂ参照）。
Ｓ１０５以降の工程は、増倍層４０、透明電極５０のように順に積んでいく形でなくてもよい。例えば、あらかじめ透光性基板（単結晶サファイア、ガラスなど）６０に透明電極５０と、その上に形成したアモルファスセレン４０Ａと、電荷注入阻止層３０に形成したアモルファスセレン４０Ｂとを向かい合わせて（図８Ａ参照）、接着・接合したのち加熱して結晶セレン化して増倍層４０を形成する工程でもよい（図８Ｂ参照）。
上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨および範囲内で、多くの変更および置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、実施形態のフローチャートに記載の各工程の順序は、上記に限定されず適宜変更可能である。また、複数の工程を１つに組み合わせたり、あるいは１つの工程を分割したりすることが可能である。
１０ 信号読み出し回路基板
１０Ａ 信号読み出し回路基板
１０Ｂ 信号読み出し回路基板
１１ 信号読み出し回路
１２ 絶縁層
１３ 貫通電極
１４ 接続層
２０ 画素電極
２０Ａ 画素電極
２０Ｂ 画素電極
３０ 電荷注入阻止層
３０Ｂ 電荷注入阻止層
４０ 増倍層
４０Ａ 増倍層
４０Ｂ 増倍層
５０ 透明電極
５０Ａ 透明電極
５０Ｂ 透明電極
６０Ｂ 絶縁層
１００ 固体撮像素子
１００Ｂ 固体撮像素子
１０Ａ 信号読み出し回路基板
１０Ｂ 信号読み出し回路基板
１１ 信号読み出し回路
１２ 絶縁層
１３ 貫通電極
１４ 接続層
２０ 画素電極
２０Ａ 画素電極
２０Ｂ 画素電極
３０ 電荷注入阻止層
３０Ｂ 電荷注入阻止層
４０ 増倍層
４０Ａ 増倍層
４０Ｂ 増倍層
５０ 透明電極
５０Ａ 透明電極
５０Ｂ 透明電極
６０Ｂ 絶縁層
１００ 固体撮像素子
１００Ｂ 固体撮像素子
Claims (4)
- 複数の画素電極が設けられた信号読み出し回路基板と、
前記画素電極間および前記画素電極を覆い、上面が平坦であり下面が前記画素電極および前記信号読み出し回路基板と接する電荷注入阻止層と、
前記上面と接する増倍層と、
を備えることを特徴とする固体撮像素子。 - ＡＦＭ測定により得られる前記電荷注入阻止層の表面粗さが、１ｎｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。 - 前記信号読み出し回路基板と、前記画素電極と、前記電荷注入阻止層と、前記増倍層と、透明電極と、をこの順に備える、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像素子。 - 信号読み出し回路基板上に、複数の画素電極を形成する工程と、
前記画素電極間および前記画素電極を覆い、前記画素電極および前記信号読み出し回路基板と接する電荷注入阻止層を形成する工程と、
前記前記電荷注入阻止層を平坦化する工程と、
前記電荷注入阻止層上に、増倍層を形成する工程と、
前記増倍層上に、透明電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020091707A JP2021190478A (ja) | 2020-05-26 | 2020-05-26 | 固体撮像素子およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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ID=78847393
Family Applications (1)
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| JP2020091707A Pending JP2021190478A (ja) | 2020-05-26 | 2020-05-26 | 固体撮像素子およびその製造方法 |
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|---|---|
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-
2020
- 2020-05-26 JP JP2020091707A patent/JP2021190478A/ja active Pending
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