JP2023069531A - Manufacturing method for solid state imaging element, and solid state imaging element - Google Patents
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本発明は、固体撮像素子の製造方法および固体撮像素子に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device manufacturing method and a solid-state imaging device.
近年、固体撮像素子が多画素化したことに伴い、画素面積が縮小したため、固体撮像素子の感度が低下するという課題がある。そこで、光電変換膜を構成するp型半導体膜として、結晶Se膜を使用する積層型固体撮像素子が検討されている(非特許文献1、2参照)。積層型固体撮像素子は、信号読み出し回路を有する基板上に、Ga2O3膜(n型半導体膜)、Te膜、結晶Se膜およびITO膜が順次積層されている。ここで、結晶Se膜は、アモルファスSe膜を結晶化させることにより形成されるが、下地膜として、Te膜を挿入する必要がある。 In recent years, as the number of pixels of a solid-state image pickup device has increased, the pixel area has been reduced, so there is a problem that the sensitivity of the solid-state image pickup device is lowered. Therefore, a stacked solid-state imaging device using a crystalline Se film as a p-type semiconductor film constituting a photoelectric conversion film has been studied (see Non-Patent Documents 1 and 2). The stacked solid-state imaging device has a Ga 2 O 3 film (n-type semiconductor film), a Te film, a crystalline Se film and an ITO film which are sequentially stacked on a substrate having a signal readout circuit. Here, the crystalline Se film is formed by crystallizing an amorphous Se film, but it is necessary to insert a Te film as a base film.
しかしながら、信号読み出し回路を有する基板に向かって走行するキャリアが電子であることや、透明電極の側から入射された可視光が空乏層まで到達する前に結晶Se膜中で吸収されることで、十分な感度を得ることができない。 However, because the carriers traveling toward the substrate having the signal readout circuit are electrons, and the visible light incident from the transparent electrode side is absorbed in the crystalline Se film before reaching the depletion layer, Inability to obtain sufficient sensitivity.
そこで、信号読み出し回路を有する基板上に、Te膜および第1アモルファスSe膜を形成し、透明基板上に、透明電極、金属酸化物膜および第2アモルファスSe膜を形成し、第1アモルファスSe膜および第2アモルファスSe膜を加圧接合した後に、第1アモルファスSe膜および第2アモルファスSe膜を加熱して結晶Se膜を形成する方法が知られている(特許文献1参照)。 Therefore, a Te film and a first amorphous Se film are formed on a substrate having a signal readout circuit, a transparent electrode, a metal oxide film and a second amorphous Se film are formed on a transparent substrate, and a first amorphous Se film is formed. and a second amorphous Se film are pressure-bonded, and then the first amorphous Se film and the second amorphous Se film are heated to form a crystalline Se film (see Patent Document 1).
しかしながら、結晶Se膜は、接合界面を有するため、結晶欠陥(ボイド)が発生し、その結果、暗電流が増加する。 However, since the crystalline Se film has a bonding interface, crystal defects (voids) occur, resulting in an increase in dark current.
本発明は、暗電流を低減させることが可能な固体撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a solid-state imaging device capable of reducing dark current.
本発明の一態様は、固体撮像素子の製造方法において、信号読み出し回路を有する基板上に、Te膜および第1アモルファスSe膜を順次形成する工程と、透明基板上に、透明電極、金属酸化物膜および第2アモルファスSe膜を順次形成する工程と、前記第1アモルファスSe膜および前記第2アモルファスSe膜を加圧接合する工程と、を含み、前記金属酸化物は、n型半導体であり、前記加圧接合する際に、前記第1アモルファスSe膜および前記第2アモルファスSe膜を加熱して結晶Se膜を形成する。 According to one aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a solid-state imaging device, in which a step of sequentially forming a Te film and a first amorphous Se film on a substrate having a signal readout circuit; sequentially forming a film and a second amorphous Se film; and pressure bonding the first amorphous Se film and the second amorphous Se film, wherein the metal oxide is an n-type semiconductor; During the pressure bonding, the first amorphous Se film and the second amorphous Se film are heated to form a crystalline Se film.
上記の固体撮像素子の製造方法は、前記金属酸化物膜および前記第2アモルファスSe膜の間にTe膜をさらに形成してもよい。 In the solid-state imaging device manufacturing method described above, a Te film may be further formed between the metal oxide film and the second amorphous Se film.
上記の固体撮像素子の製造方法は、前記透明基板上に、透明電極、金属酸化物膜および第2アモルファスSe膜を順次形成する代わりに、金属酸化物基板の一方の面に前記透明電極を形成し、前記金属酸化物基板の他方の面に前記第2アモルファスSe膜を形成してもよい。 In the method for manufacturing a solid-state imaging device, instead of sequentially forming a transparent electrode, a metal oxide film and a second amorphous Se film on the transparent substrate, the transparent electrode is formed on one surface of the metal oxide substrate. and the second amorphous Se film may be formed on the other surface of the metal oxide substrate.
上記の固体撮像素子の製造方法は、前記金属酸化物基板および前記第2アモルファスSe膜の間にTe膜をさらに形成してもよい。 In the solid-state imaging device manufacturing method described above, a Te film may be further formed between the metal oxide substrate and the second amorphous Se film.
本発明の他の一態様は、固体撮像素子において、上記の固体撮像素子の製造方法により製造されている。 Another aspect of the present invention is a solid-state imaging device manufactured by the method for manufacturing a solid-state imaging device described above.
本発明によれば、暗電流を低減させることが可能な固体撮像素子の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a solid-state imaging device capable of reducing dark current.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に、本実施形態の固体撮像素子の製造方法の一例を示す。 FIG. 1 shows an example of a method for manufacturing the solid-state imaging device of this embodiment.
まず、信号読み出し回路を有する基板11上に、Te(テルル)膜12および第1アモルファスSe(セレン)膜13aを順次形成し(図1(a)参照)、透明基板16上に、透明電極15、金属酸化物膜14および第2アモルファスSe膜13bを順次形成する(図1(b)参照)。ここで、金属酸化物膜14を構成する金属酸化物は、n型半導体である。次に、第1アモルファスSe膜13aおよび第2アモルファスSe膜13bを加圧接合する(図1(c)参照)。ここで、第1アモルファスSe膜13aおよび第2アモルファスSe膜13bを加圧接合する際に、第1アモルファスSe膜13aおよび第2アモルファスSe膜13bを加熱して結晶Se膜13を形成する(図1(d)参照)。ここで、結晶Se膜13を構成する結晶Seは、p型半導体である。
First, a Te (tellurium)
なお、Te膜12は、アモルファスSeが結晶化する時の剥離を防止することに加え、Se結晶が成長する起点となる。
Note that the Te
本実施形態の固体撮像素子の製造方法は、第1アモルファスSe膜13aおよび第2アモルファスSe膜13bを加圧接合する際に、第1アモルファスSe膜13aおよび第2アモルファスSe膜13bを加熱して結晶Se膜13を形成するため、結晶Se膜13は、ボイドの発生が抑制され、欠陥準位から発生する暗電流が低減する。
In the manufacturing method of the solid-state imaging device of the present embodiment, the first
これに対して、第1アモルファスSe膜および第2アモルファスSe膜を加圧接合した後に、第1アモルファスSe膜および第2アモルファスSe膜を加熱して結晶Se膜を形成すると、結晶Se膜は、接合界面を有するため、ボイドが発生する。 On the other hand, when the first amorphous Se film and the second amorphous Se film are pressure-bonded and then the first amorphous Se film and the second amorphous Se film are heated to form a crystalline Se film, the crystalline Se film is Since it has a bonding interface, voids are generated.
また、本実施形態の固体撮像素子の製造方法は、信号読み出し回路を有する基板11上に、Te膜12および第1アモルファスSe膜13aを順次形成し、透明基板16上に、金属酸化物膜14および第2アモルファスSe膜13bを順次形成するため、結晶Se膜13中のTeの量が低減する。その結果、結晶Se膜13中の結晶Seに効率的に電圧を印加することが可能となり、増倍率が向上する。
Further, in the manufacturing method of the solid-state imaging device of this embodiment, the Te
Te膜12の形成方法としては、特に限定されないが、例えば、加熱蒸着法等が挙げられる。
A method for forming the
アモルファスSe膜13aおよび13bの形成方法としては、特に限定されないが、例えば、加熱蒸着法等が挙げられる。
A method for forming the
透明電極15の形成方法としては、特に限定されないが、例えば、スパッタリング法等が挙げられる。
A method for forming the
第1アモルファスSe膜13aおよび第2アモルファスSe膜13bを加圧接合する際の加圧圧力は、特に限定されないが、例えば、1kN以上30kN以下である。
The pressure applied to pressure-bond the first
第1アモルファスSe膜13aおよび第2アモルファスSe膜13bを加熱する温度は、特に限定されないが、例えば、100℃以上200℃以下である。
Although the temperature for heating the first
なお、金属酸化物膜14および第2アモルファスSe膜13bの間にTe膜をさらに形成してもよい。
A Te film may be further formed between the
また、第1アモルファスSe膜13aおよび第2アモルファスSe膜13bを加圧接合する際に、加熱せずに、第1アモルファスSe膜13aおよび第2アモルファスSe膜13bの温度を所定時間維持した後に、第1アモルファスSe膜13aおよび第2アモルファスSe膜13bを加熱してもよい。この場合、第1アモルファスSe膜13aおよび第2アモルファスSe膜13bの温度を維持する際の加圧圧力は、第1アモルファスSe膜13aおよび第2アモルファスSe膜13bを加熱する際の加圧圧力と同一であってもよいし、異なっていてもよい。
Further, when the first amorphous Se
図2に、図1の固体撮像素子の製造方法により製造される固体撮像素子を示す。 FIG. 2 shows a solid-state imaging device manufactured by the solid-state imaging device manufacturing method of FIG.
固体撮像素子10は、信号読み出し回路を有する基板11上に、Te膜12、結晶Se膜13、金属酸化物膜14、透明電極15および透明基板16が順次積層されている。
The solid-
信号読み出し回路を有する基板11は、特に限定されないが、例えば、CMOS(相補型金属酸化膜半導体)構造が形成されているSi基板であり、電極が形成されている。電極は、電源17の負極と接続されている。
The
電極は、透明電極であってもよいし、不透明電極であってもよい。 The electrodes may be transparent electrodes or opaque electrodes.
透明電極を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、ITO(酸化インジウムスズ)、IZO(酸化インジウム亜鉛)、AZO(アルミニウムドープ酸化亜鉛)等が挙げられる。 The material forming the transparent electrode is not particularly limited, but examples thereof include ITO (indium tin oxide), IZO (indium zinc oxide), and AZO (aluminum-doped zinc oxide).
不透明電極を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、Au(金)、Cu(銅)、Al(アルミニウム)、W(タングステン)、Mo(モリブデン)等が挙げられる。 The material forming the opaque electrode is not particularly limited, but examples thereof include Au (gold), Cu (copper), Al (aluminum), W (tungsten), Mo (molybdenum), and the like.
電極の膜厚は、特に限定されないが、例えば、10nm以上100nm以下である。 The film thickness of the electrode is not particularly limited, but is, for example, 10 nm or more and 100 nm or less.
電極の形成方法としては、特に限定されないが、例えば、スパッタリング法等が挙げられる。 A method for forming the electrodes is not particularly limited, but examples thereof include a sputtering method.
Te膜12の膜厚は、特に限定されないが、例えば、0.1nm以上10nm以下である。
Although the film thickness of the Te
結晶Se膜13の膜厚は、特に限定されないが、例えば、100nm以上5μm以下である。
Although the film thickness of the
金属酸化物膜14は、n型半導体膜であるため、p型半導体である結晶Se膜13との間に、空乏層が形成される。このため、透明基板16の側から入射される光によって、空乏層に多数のキャリアが生成し、基板11に向かって、正孔が走行する。また、正孔が結晶Se膜13中でSe原子に衝突することで、正孔が増倍される。
Since the
金属酸化物膜14を構成する金属酸化物としては、n型半導体であれば、特に限定されないが、例えば、Ga2O3(酸化ガリウム)、ZnO(酸化亜鉛)、CeO2(酸化セリウム)、Y2O3(酸化イットリウム)、In2O3(酸化インジウム)等が挙げられる。これらの中でも、Ga2O3が好ましい。
The metal oxide forming the
金属酸化物膜14の膜厚は、特に限定されないが、例えば、1nm以上100nm以下である。
Although the film thickness of the
金属酸化物膜14の形成方法としては、特に限定されないが、例えば、スパッタリング法等が挙げられる。
A method for forming the
透明電極15は、電源17の正極と接続されている。
The
透明電極15を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、ITO(酸化インジウムスズ)、IZO(酸化インジウム亜鉛)、AZO(アルミニウムドープ酸化亜鉛)等が挙げられる。
The material forming the
透明電極15の膜厚は、特に限定されないが、例えば、10nm以上100nm以下である。
Although the film thickness of the
透明基板16を構成する材料としては、特に限定されないが、サファイア、ソーダライムガラス、石英、無アルカリガラス、ケイホウ酸ガラス等が挙げられる。
The material forming the
本実施形態の固体撮像素子の製造方法においては、透明基板16上に、透明電極15、金属酸化物膜14および第2アモルファスSe膜13bを順次形成する代わりに、金属酸化物基板の一方の面に透明電極を形成し、金属酸化物基板の他方の面に第2アモルファスSe膜を形成してもよい。この場合、金属酸化物基板および第2アモルファスSe膜の間にTe膜をさらに形成してもよい。
In the manufacturing method of the solid-state imaging device of this embodiment, instead of sequentially forming the
(実施例1)
以下に示す方法により、固体撮像素子の評価試料を作製した。具体的には、シリコン基板上に、スパッタリング法により、膜厚20nmのITO膜を成膜した後、真空蒸着法により、膜厚0.2nmのTe膜および膜厚150nmのアモルファスSe膜を順次成膜した。次に、サファイア基板上に、スパッタリング法により、膜厚20nmのITO膜および膜厚20nmのGa2O3膜を順次成膜した後、真空蒸着法により、膜厚150nmのアモルファスSe膜を成膜した。次に、アモルファスSe膜同士を向き合わせ、加圧圧力2kNで加圧接合した。このとき、加圧圧力2kNで加圧を開始してから1分間室温で維持した後に、約10分間で160℃まで昇温し、約1時間で室温まで降温した。
(Example 1)
An evaluation sample of the solid-state imaging device was produced by the method described below. Specifically, after forming an ITO film with a thickness of 20 nm on a silicon substrate by a sputtering method, a Te film with a thickness of 0.2 nm and an amorphous Se film with a thickness of 150 nm were sequentially formed by a vacuum deposition method. filmed. Next, an ITO film with a thickness of 20 nm and a Ga 2 O 3 film with a thickness of 20 nm were sequentially formed on the sapphire substrate by sputtering, and then an amorphous Se film with a thickness of 150 nm was formed by vacuum deposition. bottom. Next, the amorphous Se films were faced to each other and pressure-bonded with a pressure of 2 kN. At this time, pressurization was started at a pressurization pressure of 2 kN and then maintained at room temperature for 1 minute, then the temperature was raised to 160° C. in about 10 minutes, and the temperature was lowered to room temperature in about 1 hour.
(実施例2)
Ga2O3膜および第2アモルファスSe膜の間に、真空蒸着法により、膜厚0.2nmのTe膜をさらに形成した以外は、実施例1と同様にして、固体撮像素子の評価試料を作製した。
(実施例3)
Te膜の膜厚を0.4nmに変更した以外は、実施例1と同様にして、固体撮像素子の評価試料を作製した。
(Example 2)
A solid-state imaging device evaluation sample was prepared in the same manner as in Example 1, except that a Te film having a thickness of 0.2 nm was further formed between the Ga 2 O 3 film and the second amorphous Se film by vacuum deposition. made.
(Example 3)
An evaluation sample of a solid-state imaging device was produced in the same manner as in Example 1, except that the thickness of the Te film was changed to 0.4 nm.
(比較例1)
アモルファスSe膜同士を向き合わせ、加圧圧力2kNで加圧を開始してから1分間室温で維持し、加圧接合した後に、加圧を停止して、約10分間で160℃まで昇温し、約1時間で室温まで降温した以外は、実施例2と同様にして、固体撮像素子の評価試料を作製した。
(Comparative example 1)
Amorphous Se films were faced to each other, and after starting pressurization with a pressurization pressure of 2 kN, it was maintained at room temperature for 1 minute. A solid-state imaging device evaluation sample was prepared in the same manner as in Example 2, except that the temperature was lowered to room temperature in about 1 hour.
(比較例2)
アモルファスSe膜同士を向き合わせ、加圧圧力2kNで加圧を開始してから1分間室温で維持し、加圧接合した後に、加圧を停止して、加熱しなかった以外は、実施例2と同様にして、固体撮像素子の評価試料を作製した。
(Comparative example 2)
Example 2 except that the amorphous Se films were opposed to each other, the pressure was started at a pressure of 2 kN, the pressure was maintained at room temperature for 1 minute, and after pressure bonding, the pressure was stopped and no heating was performed. An evaluation sample of the solid-state imaging device was produced in the same manner as in the above.
(断面観察)
電子顕微鏡を用いて、固体撮像素子の評価試料の断面を観察した。
(cross-section observation)
Using an electron microscope, the cross section of the evaluation sample of the solid-state imaging device was observed.
図3~6に、それぞれ実施例1、2、比較例1、2の固体撮像素子の評価試料の断面の電子顕微鏡像を示す。なお、図4、5の電子顕微鏡像の倍率は、記載されていないが、図3、6の電子顕微鏡像の倍率と同一である。 3 to 6 show cross-sectional electron microscope images of evaluation samples of the solid-state imaging devices of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, respectively. Although the magnification of the electron microscope images in FIGS. 4 and 5 is not shown, it is the same as the magnification of the electron microscope images in FIGS.
実施例1の固体撮像素子の評価試料は、アモルファスSe膜を加圧接合する際に、片側に形成されているTe膜を起点として、Se結晶が成長したため、結晶Se膜中にボイドは見られない(図3参照)。 In the evaluation sample of the solid-state imaging device of Example 1, voids were not observed in the crystalline Se film because Se crystals grew starting from the Te film formed on one side when the amorphous Se film was pressure-bonded. No (see Figure 3).
実施例2の固体撮像素子の評価試料は、アモルファスSe膜を加圧接合する際に、両側に形成されているTe膜を起点として、Se結晶が成長したため、結晶Se膜中にボイドは見られない(図4参照)。 In the evaluation sample of the solid-state imaging device of Example 2, voids were not observed in the crystalline Se film because Se crystals grew starting from the Te films formed on both sides when the amorphous Se film was pressure-bonded. No (see Figure 4).
比較例1の固体撮像素子の評価試料は、アモルファスSe膜を加圧接合した後に、両側に形成されているTe膜を起点として、Se結晶が成長したため、中間地点でボイドが見られる(図5参照)。 In the evaluation sample of the solid-state imaging device of Comparative Example 1, after the amorphous Se film was press-bonded, the Se crystals grew from the Te films formed on both sides as starting points, so voids were observed at intermediate points (FIG. 5). reference).
比較例2の固体撮像素子の評価試料は、アモルファスSe膜を加圧接合した後に、加熱しなかったため、アモルファスSeが結晶化していない(図6参照)。 The evaluation sample of the solid-state imaging device of Comparative Example 2 was not heated after the amorphous Se film was pressure-bonded, so the amorphous Se was not crystallized (see FIG. 6).
以上のことから、アモルファスSe膜を加圧接合する際に、Te膜を起点として、Se結晶が成長することで、ボイドの発生が抑制されることがわかる。 From the above, it can be seen that when the amorphous Se film is pressure-bonded, the generation of voids is suppressed by the growth of Se crystals starting from the Te film.
(暗電流密度および光電流密度)
シリコン基板側のITO膜に負の電圧を印加し、サファイア基板側のITO膜に正の電圧を印加し、電流-電圧特性を測定した。
(dark current density and photocurrent density)
A negative voltage was applied to the ITO film on the silicon substrate side, a positive voltage was applied to the ITO film on the sapphire substrate side, and current-voltage characteristics were measured.
図7に、逆バイアス電圧に対する暗電流密度の絶対値の関係を示す。また、図8に、逆バイアス電圧に対する光電流密度の絶対値の関係を示す。 FIG. 7 shows the relationship between the absolute value of the dark current density and the reverse bias voltage. Also, FIG. 8 shows the relationship between the absolute value of the photocurrent density and the reverse bias voltage.
実施例2の固体撮像素子の評価試料は、アモルファスSe膜を加圧接合した後に、加熱した以外は、同一の条件で製造した比較例1の固体撮像素子の評価試料と対比して、暗電流密度が低い(図7参照)。 The evaluation sample of the solid-state imaging device of Example 2 was compared with the evaluation sample of the solid-state imaging device of Comparative Example 1 manufactured under the same conditions except that the amorphous Se film was pressure-bonded and then heated. Low density (see Figure 7).
実施例1の固体撮像素子の評価試料は、Te膜を両側に形成する以外は、同一の条件で製造した実施例2の固体撮像素子の評価試料と対比して、結晶Se膜中のTeの濃度が低く、抵抗が高いため、結晶Se膜中の結晶Seに効率的に電圧を印加することができ、増倍率が高い(図8参照)。 The evaluation sample of the solid-state imaging device of Example 1 was compared with the evaluation sample of the solid-state imaging device of Example 2, which was manufactured under the same conditions except that Te films were formed on both sides. Since the concentration is low and the resistance is high, a voltage can be efficiently applied to the crystalline Se in the crystalline Se film, resulting in a high multiplication factor (see FIG. 8).
また、実施例1の固体撮像素子の評価試料は、Te膜の膜厚が2倍である以外は、同一の条件で製造した実施例3の固体撮像素子の評価試料と対比して、結晶Se膜中のTeの濃度が低く、抵抗が高いため、結晶Se膜中の結晶Seに効率的に電圧を印加することができ、増倍率が高い(図8参照)。 Further, the evaluation sample of the solid-state imaging device of Example 1 was compared with the evaluation sample of the solid-state imaging device of Example 3 manufactured under the same conditions except that the thickness of the Te film was doubled. Since the Te concentration in the film is low and the resistance is high, a voltage can be efficiently applied to the crystalline Se in the crystalline Se film, resulting in a high multiplication factor (see FIG. 8).
以上のことから、アモルファスSe膜を加圧接合する際に、Te膜を起点として、Se結晶が成長することで、暗電流が低減することがわかる。さらに、Te膜を片側に形成することで、増倍率が向上することがわかる。 From the above, it can be seen that when the amorphous Se film is pressure-bonded, dark current is reduced by the growth of Se crystals starting from the Te film. Furthermore, it can be seen that the multiplication factor is improved by forming the Te film on one side.
10 固体撮像素子
11 信号読み出し回路を有する基板
12 Te膜
13 結晶Se膜
13a 第1アモルファスSe膜
13b 第2アモルファスSe膜
14 金属酸化物膜
15 透明電極
16 透明基板
17 電源
REFERENCE SIGNS
Claims (5)
透明基板上に、透明電極、金属酸化物膜および第2アモルファスSe膜を順次形成する工程と、
前記第1アモルファスSe膜および前記第2アモルファスSe膜を加圧接合する工程と、を含み、
前記金属酸化物は、n型半導体であり、
前記加圧接合する際に、前記第1アモルファスSe膜および前記第2アモルファスSe膜を加熱して結晶Se膜を形成する、固体撮像素子の製造方法。 sequentially forming a Te film and a first amorphous Se film on a substrate having a signal readout circuit;
sequentially forming a transparent electrode, a metal oxide film and a second amorphous Se film on a transparent substrate;
pressure bonding the first amorphous Se film and the second amorphous Se film,
the metal oxide is an n-type semiconductor,
A method for manufacturing a solid-state imaging device, wherein the first amorphous Se film and the second amorphous Se film are heated to form a crystalline Se film when the pressure bonding is performed.
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