JP4784757B2 - 人工網膜およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、人工網膜およびその製造方法に関する。

従来、網膜色素変性症や黄斑変性症等の疾病によって損傷した網膜に替わって光の信号を検出し、視神経に情報を伝達する人工網膜（人工臓器の１種）の開発が検討されている。例えば、網膜は眼底部の非常に薄い部分の中に複数の機能を有する細胞（視細胞、水平細胞、双極細胞、神経節細胞）から構成されているため、これらの細胞の生理学的な研究等によって明らかにされたメカニズムを取り入れた新しい情報処理システムをＬＳＩチップによって細胞と同様の機能別に実現し、これらＬＳＩチップを３次元的に積層することで人工網膜を製造することが提案されている。

しかし、ＬＳＩチップを３次元的に積層するには、シリコンウエハを貫通する埋め込み配線の形成、シリコンウエハの薄膜化のための研磨、積層基板間の接続のための微細なバンプ形成、ＬＳＩチップの張り合わせにおける精密な位置合わせ、製造工程に耐えられる接着技術の確立など種々の技術が要求される。

さらに、眼球底部に人工網膜を埋め込むには、曲面状の可撓性材質に人工網膜を形成する技術が必要である。しかし、可撓性材質に通常の半導体プロセスを適用して人工網膜を形成することは困難である。そのため、特許文献１には、人工網膜を構成する複数の薄膜デバイスを曲面状の可撓性材質上に剥離転写しながら順次積層し、人工網膜を製造する製造方法が開示されている。
特開２００６−５１１６４号公報（２００６年２月２３日公開）

しかしながら、特許文献１に開示の製造方法は、非常に複雑なプロセスであり容易に実現することが困難である。具体的には、上下の層間での導通を確保することおよび大面積の転写が困難である。そのため、簡便に製造することができ、製造コストの低下を実現できるよう人工網膜の製造方法の改善が望まれている。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、活性層となる半導体層が３次元に積層されてなる人工網膜を簡便な方法で製造することができる人工網膜およびその製造方法を提供することにある。

本発明に係る人工網膜の製造方法は、
（ａ）基板を準備する工程と、
（ｂ）前記基板の上方に第１非晶質層を形成する工程と、
（ｃ）前記第１非晶質層の上方に絶縁層を形成する工程と、
（ｄ）フォトダイオードを形成するため第１導電型および第２導電型の不純物をそれぞれ前記第１非晶質層の所定の領域に注入する工程と、
（ｅ）前記絶縁層の上方に第２非晶質層を形成する工程と、
（ｆ）前記第１非晶質層および前記第２非晶質層をレーザー照射により結晶化し、第１半導体層および第２半導体層を形成する工程と、
（ｇ）前記第２半導体層にＭＩＳトランジスタを形成する工程と、を含み、
前記工程（ｆ）において使用される前記レーザーは、前記第２半導体層を通過し、前記第１非晶質層を結晶化することができる波長のレーザーであることを特徴とする。

本発明に係る人工網膜の製造方法では、複数層の非晶質層（非晶質半導体層）が絶縁層を介して積層された後に、一の結晶化処理で結晶化される。これにより、各種素子が形成される半導体層の積層構造が得られ３次元構造を有する人工網膜を簡便な方法で製造することができる。３次元構造を実現するためには、特許文献１に記載の剥離転写技術が開示されているが、この製造方法は、発明が解決しようとする課題の欄で述べたように実際に適用するには課題が多い。しかしながら、本発明に係る製造方法によれば、複数の非晶質層を積層した後に所望の特性を発揮できる波長のレーザーにより結晶化を行うことで、簡便に３次元構造を実現することができる。また、本発明に係る人工網膜の製造方法により形成される第２半導体層は、高品質な層であるため特性の良好なＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタを形成することができる。このＭＩＳトランジスタは、フォトダイオードが変換した電気信号を生体網膜でもおこなわれている画像処理をしながら視神経に伝達する役割を果たすため、特性が良好なＭＩＳトランジスタを形成できることで高性能な人工網膜を製造することができる。

なお、本発明において、「Ａの上方にＢを形成する」とは、Ａの上に直接Ｂを形成する場合と、Ａの上に他の層を介してＢを形成する場合とを含む。

本発明に係る人工網膜の製造方法において、前記工程（ｃ）の前に、前記第１非晶質層をパターニングすること、を含むことが好ましい。上記構成によれば、第１非晶質層のパターニングを行うことで、フォトダイオードのサイズを最適化することができる。

本発明に係る人工網膜の製造方法は、
（ａ）基板を準備する工程と、
（ｂ）前記基板の上方に第１非晶質層を形成する工程と、
（ｃ）フォトダイオードを形成するため第１導電型および第２導電型の不純物をそれぞれ前記第１非晶質層の所定の領域に注入する工程と、
（ｄ）前記第１非晶質層の上方に絶縁層を形成する工程と、
（ｅ）前記絶縁層の上方に第２非晶質層を形成する工程と、
（ｆ）前記第１非晶質層および前記第２非晶質層をレーザー照射により結晶化し、第１半導体層および第２半導体層を形成する工程と、
（ｇ）前記第２半導体層にＭＩＳトランジスタを形成する工程と、を含み、
前記工程（ｆ）において使用される前記レーザーは、前記第２半導体層を通過し、前記第１非晶質層を結晶化することができる波長のレーザーであることを特徴とする。

本発明に係る人工網膜の製造方法において、
前記工程（ｃ）の前または前記工程（ｄ）の前に、前記第１非晶質層をパターニングすること、を含むことが好ましい。

本発明に係る人工網膜の製造方法によれば、上記製造方法と同様の作用効果を有し、高性能である人工網膜を製造することができる。

本発明に係る人工網膜の製造方法において、前記レーザーの波長は、５００ｎｍ〜１６００ｎｍであることが好ましい。この構成によれば、２層の非晶質層の結晶化を良好に行うことができる。

本発明に係る人工網膜の製造方法において、前記レーザーは、ＹＡＧレーザーの二倍波であることが好ましい。この構成によれば、絶縁層を介して積層した複数の半導体層の結晶化をより確実に行うことができる。

本発明に係る人工網膜の製造方法において、前記工程（ｆ）は、前記第１非晶質層に注入された不純物を活性化すること、を含むことが好ましい。この構成によれば、結晶化工程が、不純物の活性化工程を含むため、活性化工程を別に設ける必要がなく、製造に要する時間およびコストの削減を図ることができる。

本発明に係る人工網膜は、上述した本発明の人工網膜の製造方法により製造されたことを特徴とする。

本発明に係る人工網膜によれば、簡便な製造方法により製造されるため、コストの削減が図られた人工網膜を提供することができる。また、上記の製造方法により形成される第２半導体層は、高品質な層であるため、特性の良好なＭＩＳトランジスタ（薄膜トランジスタ）を形成することができる。その結果、高性能な人工網膜を提供することができる。

本発明に係る人工網膜の製造方法によれば、複数の非晶質層を積層した後に所望の特性を発揮できる波長のレーザーにより結晶化を行うことで、３次元構造が実現された人工網膜を簡便に製造することができる。

以下、本発明の一実施形態について説明する。

１．人工網膜
まず、本発明の実施形態に係る人工網膜の製造方法により製造される人工網膜について図１および図２を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態の製造方法により製造される人工網膜を示す分解斜視図である。図２は、本実施形態に係る人工網膜を示す断面図である。

図１に示すように、本実施形態の人工網膜１００は、フォトダイオードが形成された第１層１００Ａと、薄膜トランジスタが形成された第２層１００Ｂとを含む。第２層１００Ｂは、第１層１００Ａの上に形成され、３次元構造が実現されている。第１層１００Ａは、受けた光を電気信号に変換する役割を果たす。第２層１００Ｂは、ＭＩＳトランジスタ（以下、「薄膜トランジスタ」と称する）で構成された各種素子および回路を含み、第１層１００Ａで変換された電気信号を視神経に伝達する役割を果たす。具体的には、第１層１００Ａに形成されたフォトダイオードを駆動するための画素回路（図示せず）、前記フォトダイオードにより光電変換された電気信号をパルス変調して人体の視神経にパルス信号を供給するためのパルス変調回路（図示せず）を構成している。さらに、フォトダイオードにより光電変換された電気信号を増幅するための増幅素子（回路）を含んでいてもよい。

次に、図２を参照しつつ、本実施形態に係る人工網膜１００についてより詳細に説明する。図２に示すように、人工網膜１００は、基板１０と、基板１０の上に設けられた第１半導体層１２と、第１半導体層１２の上に設けられた絶縁層１４と、絶縁層１４の上に設けられた薄膜トランジスタ５０とを、含む。第１半導体層１２は、例えば多結晶シリコン膜であり、絶縁層１４は、酸化シリコンであることができる。第１半導体層１２には、ＰＩＮ型のフォトダイオード４０が形成されている。具体的には、第１導電型領域（Ｐ型領域）４２、第２導電型領域（Ｎ型領域）４４および真性領域（Ｉ層）４６とからなる。真性領域４６は、第１導電型領域４２と第２導電型領域４４とを分離するように、これらの間に設けられ、図１に参照されるように、第１半導体層１２の面内においてくし型のパターンを有している。

薄膜トランジスタ５０は、絶縁層１４の上に形成された第２半導体層５２と、第２半導体層５２の上に形成されたゲート絶縁層５４と、ゲート絶縁層５４の上に形成されたゲート電極５６と、第２半導体層５２中に形成されたソース領域またはドレイン領域となる不純物領域５８と、を含む。

薄膜トランジスタ５０およびフォトダイオード４０を覆うように、基板１０の上方には、層間絶縁層１６が設けられている。本実施形態では、層間絶縁層１６として、複数の層が積層されている場合を示す。具体的には、第１絶縁層１６ａと、第２絶縁層１６ｂとが積層されている。第１絶縁層１６ａおよび第２絶縁層としては、酸化シリコン、窒化シリコン、各種の有機絶縁材料を用いることができる。

層間絶縁層１６には、薄膜トランジスタ５０の不純物領域５８の上に形成されたコンタクトホール６０と、フォトダイオードの４０上に形成されたコンタクトホール４８とを有する。コンタクトホール６０と、コンタクトホール４８とを接続するために、導電層２０が形成されている。また、隣接する薄膜トランジスタ５０同士のコンタクトホール６０同士を接続するように、導電層２２が形成されている。

本実施形態に係る人工網膜１００によれば、簡便な製造方法により製造されるため、コストの削減が図られた人工網膜１００を提供することができる。また、後述するが本実施形態に係る製造方法により形成される第２半導体層５２は、高品質な層であるため、特性が良好な薄膜トランジスタ５０を形成することができる。その結果、高性能な人工網膜１００を提供することができる。

２．人工網膜の製造方法
以下、本発明に係る人工網膜の製造方法の実施形態について、図３を参照しつつ説明する。図３（ａ）〜図３（ｄ）は、本実施形態に係る人工網膜の製造工程を示す図である。

まず、図３（ａ）に示すように、基板１０を準備する。基板１０としては、石英ガラス、無アルカリガラス、通常のガラス、プラスチックフィルムや樹脂膜、たとえば、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンテレフタレ−ト（ＰＥＴ）、ポリエ−テルサルフォン（ＰＥＳ）などを用いることができる。

次に、基板１０の全面に、第１非晶質層１２ａを形成する。具体的には、アモルファスシリコンを形成することができる。この第１非晶質層１２ａは、後述する結晶化処理で結晶化され、第１半導体層１２となる。ついで、第１非晶質層１２ａの上に絶縁層１４を形成する。絶縁層１４としては、例えば酸化シリコンを公知のＣＶＤ法により形成することができる。また、絶縁層１４を形成する前に、必要に応じて第１非晶質層１２ａをパターニングしてもよい。

次に、フォトダイオード４０を形成するために不純物を注入する。具体的には、図３（ａ）に示すように、絶縁層１４の上に所定のパターンの開口を有するマスクＭ１を形成する。このとき、マスクＭ１は、真性領域４６および第２導電型領域４４が形成されるパターンを覆っている。その後、第１導電型（Ｐ型またはＮ型）の不純物を第１非晶質層１２ａに注入する。これにより、第１非晶質層１２ａの所定領域に第１導電型注入領域１３ａが形成される。

次に、図３（ｂ）に示すように、マスクＭ１を除去し、所定パターンの開口を有するマスクＭ２を形成する。このとき、マスクＭ２は真性領域４６および第１導電型領域４２となる領域を覆っている。その後、第２導電型（Ｎ型またはＰ型）の不純物を第１非晶質１２ａに注入する。これにより、第１非晶質層１２ａの所定領域に第２導電型注入領域１３ｂが形成される。後述の工程で不純物の活性化工程を経ることで、ＰＩＮ型のフォトダイオード４０が形成される。

次に、図３（ｃ）に示すように、絶縁層１４の上に、第２非晶質層５２ａが形成される。第２非晶質層５２ａは、後述する結晶化処理で結晶化され、第２半導体層５２となる層である。第２非晶質層５２ａとしては、例えば、アモルファスシリコンを形成することができる。

次に、第１非晶質層１２ａおよび第２非晶質層５２ａの結晶化を行う。結晶化処理は、レーザー照射により行われる。以下に、第１非晶質層１２ａおよび第２非晶質層５２ａがアモルファスシリコンである場合を例として使用するレーザーの特徴点について説明する。レーザーの波長としては、５００ｎｍ〜１６００ｎｍであることが好ましい。つまり、照射するレーザーのエネルギーが、上層の第２非晶質層５２ａの結晶化において全て吸収されるのではなく、下層の第１非晶質層１２ａにも吸収されるエネルギーの大きさであることが好ましい。より具体的には、レーザーは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（基本波長：１０６４ｎｍ）の二倍波（波長５３２ｎｍ）である緑色レーザーを用いることがよい。

緑色レーザーは、エキシマレーザーに比べて多結晶シリコンに対する光吸収係数が小さいため、レーザーエネルギーの一部が透過する。このため、第１非晶質層１２ａに対してレーザーのエネルギーを到達させることが可能となり、２層ないしは多層構造化したシリコン薄膜基板を用いた結晶化を行うことができるのである。

このように、複数層の非晶質層を積層した状態で、結晶化を行うことにより、特に上層の半導体層として高品質な半導体層が得られるという利点がある。その作用を以下に説明する。結晶化の際には、上層の第２半導体層５２を透過したレーザーエネルギーが下層の第１非晶質層１２ａに吸収されることによって熱が生じる。そのため、下層が熱浴として働き、上層の第２半導体層５２（多結晶シリコン）に対して緩やかなアニール効果が生じることとなる。これにより、第２半導体層５２の結晶粒内欠陥の低減や結晶粒界の高品質化が図られるのである。このことは、第２半導体層５２に形成される薄膜トランジスタの特性の向上にも寄与することとなる。

また、このレーザー照射は、第１非晶質層１２ａに注入された不純物の活性化処理を兼ねることができる。そのため、不純物の活性化のために別の工程を設ける必要がなく、製造時間および製造コストの削減を図ることができる。

この工程により、図３（ｄ）に示すように、第１半導体層１２および第２半導体層５２を形成することができる。第１非晶質層１２ａおよび第２非晶質層５２ａがアモルファスシリコンであるとき、第２半導体層５２は、多結晶シリコンとなり、第１半導体層１２は、微結晶シリコンとなる。また、同時に、第１導電型注入領域１３ａおよび第２導電型注入領域１３ｂでは、不純物が活性化（半導体層の格子中に入り込む）され、第１導電型領域４２、第２導電型領域４４が形成される。

次に、第２半導体層５２をパターニングし、図２に参照されるように所望のパターンの第２半導体層５２を形成する。パターニングは、公知の技術により行うことができる。この第２半導体層５２に薄膜トランジスタ５０を形成する。薄膜トランジスタ５０は、公知の形成方法に従って形成することができる。以下に、薄膜トランジスタ５０の形成方法の一例を説明する。

まず、第２半導体層５２の上に、酸化シリコンなどからなる絶縁層（図示せず）を形成する。ついで、絶縁層の上に、ゲート電極となる導電層（図示せず）を形成し、この導電層および絶縁層をパターニングする。これにより、図２に参照されるように、第２半導体層５２の上に、ゲート絶縁層５４およびゲート電極５６を形成することができる。ゲート絶縁層５４およびゲート電極５６としては、公知の材質を適宜用いることができる。

ついで、ソース領域またはドレイン領域となる不純物領域５８を形成する。この工程では、不純物領域５８を形成したい領域以外を覆うマスク（図示せず）を形成し、所定の導電型の不純物を注入し、必要に応じて活性化のための熱処理を施すことで形成される。以上の工程により、薄膜トランジスタ５０を形成することができる。

次に、図２に参照されるように、薄膜トランジスタ５０を覆い、第１半導体層１２の上方に層間絶縁層１６を形成する。本実施形態では、層間絶縁層１６として、第１絶縁層１６ａおよび第２絶縁層１６ｂを積層する場合を図示する。ついで、コンタクトホール４８およびコンタクトホール６０を形成する。コンタクトホール４８およびコンタクトホール６０は、公知のリソグラフィおよびエッチング技術により形成されることができる。その後、コンタクトホール４８、６０に導電層２０、２２を形成する。以上の工程により、本実施形態に係る人工網膜１００を形成することができる。

本実施形態に係る人工網膜１００の製造方法によれば、第１非晶質層１２ａ、第２非晶質層５２ａを絶縁層１４を介して積層した後に、所望の特性を発揮できる波長のレーザーにより結晶化が行われる。これにより、素子が形成される第１半導体層１２および第２半導体層５２の積層構造からなる３次元構造を有する人工網膜１００を簡便な方法で製造することができる。また、本実施形態に係る人工網膜１００の製造方法により形成された第２半導体層５２は、高品質な層であり特性の良好な薄膜トランジスタ５０を形成することができる。薄膜トランジスタ５０は、フォトダイオード４０が変換した電気信号を視神経に伝達する役割を果たすため、特性の良好な薄膜トランジスタ５０を形成できることで高性能な人工網膜１００を製造することができる。

本実施形態に係る人工網膜１００の製造方法によれば、３次元構造を実現できるため、フォトダイオード４０を広い面積に形成することができる。そのため、薄膜トランジスタとフォトダイオードとを同一平面内に形成する場合に比べて、広い面積にフォトダイオードを形成することができる。その結果、光の吸収効率が向上し、より多くの情報を視神経に伝達することができる人工網膜１００を製造することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、種々の疾病によって損傷した網膜の代替となる人工網膜に利用することができる。

本実施形態に係る製造方法により製造される人工網膜を示す分解斜視図である。 本実施形態に係る製造方法により製造される人工網膜を示す断面図である。 本実施形態に係る人工網膜の製造方法を説明する断面図である。

符号の説明

１０ 基板
１２ 第１半導体層
１２ａ 第１非晶質層
１３ａ 第１導電型注入領域
１３ｂ 第２導電型注入領域
１４ 絶縁層
１６ 層間絶縁層
４０ フォトダイオード
４２ 第１導電型領域
４４ 第２導電型領域
４６ 真性領域
５０ ＭＩＳトランジスタ（薄膜トランジスタ）
５２ 第２半導体層
５２ａ 第２非晶質層
５４ ゲート絶縁層
５６ ゲート電極
５８ 不純物領域
４８、６０ コンタクトホール
１００ 人工網膜
１００Ａ 第１層
１００Ｂ 第２層

Claims (8)

1. （ａ）基板を準備する工程と、
   （ｂ）前記基板の上方に第１非晶質層を形成する工程と、
   （ｃ）前記第１非晶質層の上方に絶縁層を形成する工程と、
   （ｄ）フォトダイオードを形成するため第１導電型および第２導電型の不純物をそれぞれ前記第１非晶質層の所定の領域に注入する工程と、
   （ｅ）前記絶縁層の上方に第２非晶質層を形成する工程と、
   （ｆ）前記第１非晶質層および前記第２非晶質層をレーザー照射により結晶化し、第１半導体層および第２半導体層を形成する工程と、
   （ｇ）前記第２半導体層にＭＩＳトランジスタを形成する工程と、を含み、
   前記工程（ｆ）において使用される前記レーザーは、前記第２半導体層を通過し、前記第１非晶質層を結晶化することができる波長のレーザーであることを特徴とする人工網膜の製造方法。
2. 前記工程（ｃ）の前に、前記第１非晶質層をパターニングすること、を含むことを特徴とする請求項１に記載の人工網膜の製造方法。
3. （ａ）基板を準備する工程と、
   （ｂ）前記基板の上方に第１非晶質層を形成する工程と、
   （ｃ）フォトダイオードを形成するため第１導電型および第２導電型の不純物をそれぞれ前記第１非晶質層の所定の領域に注入する工程と、
   （ｄ）前記第１非晶質層の上方に絶縁層を形成する工程と、
   （ｅ）前記絶縁層の上方に第２非晶質層を形成する工程と、
   （ｆ）前記第１非晶質層および前記第２非晶質層をレーザー照射により結晶化し、第１半導体層および第２半導体層を形成する工程と、
   （ｇ）前記第２半導体層にＭＩＳトランジスタを形成する工程と、を含み、
   前記工程（ｆ）において使用される前記レーザーは、前記第２半導体層を通過し、前記第１非晶質層を結晶化することができる波長のレーザーであることを特徴とする人工網膜の製造方法。
4. 前記工程（ｃ）の前、または前記工程（ｄ）の前に、前記第１非晶質層をパターニングすること、を含むことを特徴とする請求項３に記載の人工網膜の製造方法。
5. 前記レーザーの波長は、５００ｎｍ〜１６００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の人工網膜の製造方法。
6. 前記レーザーは、ＹＡＧレーザーの二倍波であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の人工網膜の製造方法。
7. 前記工程（ｆ）は、前記第１非晶質層に注入された不純物を活性化すること、を含むことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の人工網膜の製造方法。
8. 請求項１〜７の少なくとも何れか１項に記載の製造方法により製造されることを特徴とする人工網膜。

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