JPH07169931A

JPH07169931A - 半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JPH07169931A
Application number: JP5316271A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Tsuji; 和隆辻; Kenji Samejima; 賢二鮫島; Yasushi Nakano; 泰中野; Tatsuo Makishima; 達男牧島; Tetsuya Oshima; 徹也大島; Setsu Kubota; 節久保田; Tsutomu Kato; 務加藤; Hirotaka Maruyama; 裕孝丸山
Original assignee: Hitachi Ltd; Nippon Hoso Kyokai NHK; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Hitachi Ltd; Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1993-12-16
Filing date: 1993-12-16
Publication date: 1995-07-04

Abstract

(57)【要約】【目的】別々のプロセスで作製された二つ以上の電子装
置部が電気的に接続されて一体化した構造の半導体装置
において、簡単な構造と作製法で良好な接合特性を得
る。【構成】例えば撮像装置の光電変換部となる第１の電子
装置部１０１と、走査回路部となる第２の電子装置部１
０３とを、多孔質または微粒子状の半導体層１０５を介
して電気的に接続した構造とする。接続方法としては、
接合部を構成する半導体層１０５を、これら何れか一方
の電子装置部の接続面上に形成しておき、相互の接続面
を対向させ押圧して圧着すれば良い。なお、多孔質また
は微粒子状の半導体層１０５としては、押圧により形状
変形を伴う、例えばＳｂ₂Ｔｅ₃、Ｓｂ₂Ｓ₃、Ｓｂ₂Ｓ
ｅ₃、Ａｓ₂Ｓ₃、Ａｓ₂Ｓｅ₃等のカルコゲン化合物を主
体とする半導体層が用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子装置部分がその機
能に応じて二つ以上の部分に分割され、これらの接続部
同士を相互に電気的に接続した構造の半導体装置に係わ
るもので、特に、予め別々に作製された電子装置部分を
相互に接合するハイブリッド型半導体装置に有効な接合
部を備えた半導体装置及びその製造方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】二つ以上の異なる電子装置部分が所定の
位置で電気的に接続された構造を有する半導体装置とし
ては大きく二つに分類できる。その一つは、一方の電子
装置部分上に直接又はバッファー層を介して他方の電子
装置部分を積層形成したいわゆる積層型であり、他の一
つは、予め別々に形成された二つの電子装置部分を相互
の接続部で接合したハイブリッド型である。

【０００３】一例として、入射光を信号電荷に変換する
光電変換部と信号電荷を順次読み取る走査回路部の二つ
の部分を有する撮像装置の場合について、以下、図７及
び図８にしたがって説明する。図７は、積層型の要部断
面構造を示したものであり、走査回路上に光導電性薄膜
を積層した撮像装置における１画素部分の基本構造を示
している。透明電極７０１を透過した入射光７０２によ
って光導電膜７０３中で電子・正孔対（図示せず）が発
生し、透明電極７０１と画素電極７０４の間に印加した
電界によって電子または正孔が画素電極まで光導電膜中
を走行して蓄積される。各画素には、ソース７０５、ド
レイン７０６及びゲート７０７より成るＭＯＳ型半導体
スイッチが設けられており、これを所定のタイミングで
ＯＮ/ＯＦＦすることによって蓄積された信号電荷が順
次出力線７０８に読み出される。なお、図７において７
０９はＳｉ基板、７１０及び７１１は絶縁層である。光
導電膜７０３には、光導電性が良くて暗抵抗が高く、膜
の形成が容易なことから、水素を含有する非晶質Ｓｉや
Ｓｅを主体とする非晶質半導体（ａ−Ｓｅ）等が用いら
れ、必要に応じて、透明電極７０１と光導電膜７０３と
の間や画素電極７０４と光導電膜７０３との間に、これ
ら電極から光導電膜に電荷が注入されるのを阻止するた
めの電荷注入阻止層が設けられる。また、走査回路とし
ては、ＭＯＳ型半導体スイッチと信号線より成るＭＯＳ
型の他、信号電荷をＣＣＤによって転送して外部回路に
読み出すＣＣＤ型のものも知られている。このような積
層型固体撮像素子は、光導電膜を有する光電変換部と、
半導体基板上に形成された走査回路部とを組み合せた構
造であることから、電子ビーム走査で信号を読み取る撮
像管に比べて素子の小型化が可能であり、耐久性や操作
性に優れるという特長を有している。また、光電変換部
が走査回路上の全面に設けられているので開口率がほぼ
１００％であり、半導体基板上の各画素ごとに設けられ
たフォトダイオードとこれと同一面内に形成された信号
走査部とを有する非積層型の固体撮像素子に比べて光利
用率が高いという特長を有している。なお、この種の技
術に関連するものとしては、例えば光導電膜積層型固体
撮像素子とも呼ばれるもので、特公昭５９-２６１５４
号公報が挙げられる。

【０００４】ところで、光電変換に光導電膜を用いる撮
像装置においては、通常良好な光応答特性を実現するた
め、光導電膜に対して、電荷の注入を阻止するような接
触を有する電極を用いる構造が採用されている。そのた
め、一般には入射光によって生成されたキャリア数以上
の信号電荷を取り出すことができず光電変換の利得は１
以下であるが、Ｓｅを主体とする非晶質光導電膜に高電
界を印加し、膜中でのアバランシェ現象を利用して信号
増幅を行う方式の撮像管は、光電変換の利得が１０を超
えるような高感度性と良好な光応答特性を有している。
この種の関連技術として、例えば特開昭６３-３０４５
５１号公報が挙げられる。

【０００５】次に、ハイブリッド型の例として、予め別
々の基板上に形成された光電変換部と走査回路部とを画
素ごとに導電性のマイクロバンプで接合した赤外線撮像
装置について図８を用いて説明する。本撮像装置は、図
８（ａ）の要部破断斜視図に示すように、赤外線８０１
の入射によって信号電荷を発生する光電変換部８０２
と、信号電荷を読み取るＣＣＤ走査回路部８０３とをマ
イクロバンプ８０４によって画素ごとに接続した構造と
なっている。図８（ｂ）はその部分拡大図である。光電
変換部８０２は、サファイア基板８０５上にＣｄＴｅ結
晶８０６とｐ型ＨｇＣｄＴｅ結晶８０７を形成した後、
イオン打ち込みによって、同一平面上に分離されたｎ型
ＨｇＣｄＴｅ領域８０８が形成されている。各画素に形
成されたフォトダイオード上には第１の画素電極８０９
とマイクロバンプ８０４とが形成される。一方、光電変
換部８０２とは別に作製された走査回路部８０３はＳｉ
基板上に通常の半導体プロセスによって形成されたＣＣ
Ｄより成っており、その表面には第２の画素電極８１０
が形成されている。本従来例の撮像装置は、以上のよう
にして形成された、マイクロバンプ８０４を有する光電
変換部８０２と走査回路部８０３とを圧着して、上記第
１、第２の画素電極を各画素ごとにマイクロバンプによ
って電気的に接続することによって得られる。図８にお
いて、８１１は絶縁層である。本従来技術例の場合、光
電変換部と走査回路基板部とを、それぞれ別個のプロセ
スで製作することが可能なので、各々の部分を最良の条
件で製作できるという特長を有している。なお、一般
に、マイクロバンプの製作には、既知のいくつかの方法
があり、メッキ法によるもの、フォトリソグラフィー法
によるもの等があるが、何れにしても各々の電極上に、
高さ数μｍから数１０μｍのバンプ（突起電極）を形成
するのが一般的である。また、導電性粒子を接着剤に混
ぜてペ−スト状にしたもの、例えばＡｇまたはＡｇ-Ｐ
ｄペ−ストを読み出し電極上に印刷するもの、Ａｕ、Ｉ
ｎ単体あるいはＩｎ合金など展性、密着性のよい金属を
読み出し電極上に柱状、あるいは円錐状に形成させるも
の、および導電性ペ−ストと併用するもの等が知られて
いる。なお、この種のマイクロバンプで二つの機能部を
接続するものとしては、例えば、特開昭６０-２２４２
６５号公報が挙げられる。

【０００６】以上のように、二つ以上の異なる電子装置
部分が所定の位置で電気的に接続された構造を有する半
導体装置では、機能が異なる複数の部分を一体化するこ
とによって、その両方の機能を有する小型の装置が得ら
れる。そして、撮像装置の例を用いて詳しく述べたよう
に、一方の部分上に他方の部分を形成した積層型のもの
と、別々に形成された二つの部分を接合したハイブリッ
ド型のものがある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術で説明
した半導体装置において、積層型の場合には、それぞれ
の部分の構造や作製法に単独で形成する場合と異なる新
たな制約が生じるという問題点がある。例えば、図７で
説明した上述の光導電膜積層型固体撮像素子の場合、良
好な光応答特性を有する撮像装置を得るためには、画素
電極７０４から光導電膜７０３への暗電流の注入を阻止
した構造にする必要があるが、一般に、暗電流阻止特性
は用いる電極材料に依存するため、画素電極７０４の材
料やその形成法を暗電流阻止構造の面から選択する必要
がある。また、走査回路の表面は出来るだけ平滑にする
ことが望ましく、そのために、走査回路の構造や、材
料、作製法に種々の制約が生じる。これらの走査回路作
製上の制約は、半導体プロセスの面からは、必ずしも望
ましくない場合が多く、素子作製のプロセスが複雑にな
ったり、製作歩留りが低下するという問題がある。

【０００８】一方、光電変換部である光導電膜について
も、例えば光導電型撮像管のように平滑なガラス基板上
に光導電膜を形成する場合と異なり、下地がＳｉ基板に
複雑なプロセスを経て形成された走査回路であり、表面
平滑化を充分に行なうことが極めて難しいことから暗電
流阻止構造を強化する必要がある。これは、例えば図７
に示したように、画素電極７０４自身や画素電極の境界
部に凹凸が存在するため、光導電膜の下地の凹凸に起因
する局所的な電界集中によって暗電流が増大したり、画
面に白点上の欠陥が発生し易いという問題が生じるから
である。特に、光導電膜中でのアバランシェ増倍現象を
用いて高い感度を得ようとする場合は、光導電膜に強い
電界を印加する必要があるため、電界の非一様性による
局所的暗電流注入やアバランシェブレークダウンが発生
し易くなる。

【０００９】また、光導電膜７０３上に良質な透光性電
極７０１を形成することが難しいという問題も生じる。
透光性電極としては、一般にＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎ等の酸化
物が用いられ、スパッタリングやＣＶＤ法、蒸着等によ
って形成するが、良好な光透過率と導電性を得るために
基板を加熱して成膜する場合が多い。光導電型撮像管の
場合には、ガラス基板上に透光性電極を形成するためこ
のような基板加熱を容易に行なうことができるが、積層
型撮像素子では走査回路上に光導電膜を形成した後にそ
の上から透光性導電膜を形成するためガラス基板の場合
のように加熱することができない。例えば、光導電膜７
０３として水素化非晶質Ｓｉを用いた場合、約２００℃
以上では膜中の水素が脱離して光導電膜の膜質が劣化し
てしまう。また、非晶質Ｓｅ系の光導電膜を用いる場合
には、約４０℃にガラス転移温度、約８０℃に結晶化温
度があり、実質的にほとんど加熱することが不可能であ
る。しかも、非晶質Ｓｅ系材料を用いた場合には、温度
を室温付近に保持したまま透光性電極を形成しても、比
較的構造が柔軟な非晶質Ｓｅ系薄膜の上に構造が強固な
酸化物を堆積するために、膜の変形が起こり易いという
問題もある。なお、光導電膜と透光性電極との間には電
極からの電荷注入を阻止するために電荷注入阻止層を設
ける場合が多いが、光導電膜上にそのような電荷注入阻
止層を形成する場合にも同様の問題がある。

【００１０】次に、それぞれの部分を別々に作製してマ
イクロバンプによって接合するハイブリッド型の場合に
は、それぞれの部分に対する上記のような制約はほとん
どないが、接合するためのマイクロバンプの形成プロセ
スが複雑であり多数のバンプ電極の形状を揃えて作製す
ることが困難であることや、接合されるそれぞれの部分
に電極を形成する必要があり、多数の電極どうしをマイ
クロバンプを介して接続するための精密な位置合わせが
必要であるという問題がある。

【００１１】例えば第２の従来技術例であるハイブリッ
ド型撮像装置の場合、図８で説明したように、光電変換
部８０２と走査回路部８０３との両方に対して各画素ご
とに電極を形成し、少なくとも一方の電極上にマイクロ
バンプ８０４を形成する必要があり、複雑な作製方法を
必要とする。また、形成された多数のバンプの形状にバ
ラつきがあるために、全ての電極を良好で均一な電気的
特性を持って接合することが困難であるという問題も有
る。

【００１２】以上のように、二つ以上の異なる電子装置
部分が所定の位置で電気的に接続された構造を有する半
導体装置の従来技術においては、一方の電子装置部分上
に他方の電子装置部分を形成した積層型のものでは、そ
れぞれの部分の構造や作製法に関して単独の場合と異な
る新たな制約が生じるという問題点があり、別々に形成
された二つの部分をマイクロバンプによって接合したハ
イブリッド型のものでは、接合部の構造や作製法が複雑
であり、精密な位置合わせが必要であるという問題点が
ある。

【００１３】したがって、本発明の目的は、上記従来の
問題点を解消することにあり、第１の目的は、改良され
た接合部を有する半導体装置を、第２の目的はそれを実
現する改良された半導体装置の製造方法を、それぞれ提
供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記本発明の第１の目的
は、少なくとも第１の機能を有する電子装置部と、第２
の機能を有する電子装置部との電気的接続部を相対向、
接続して成る半導体装置であって、前記相対向する電気
的接続部間に多孔質状もしくは微粒子状の半導体層を介
挿し、電気的接続部を押圧することにより断面圧縮さ
れ、緻密化された半導体層を介して複数の電子装置部間
を電気的に接続して成る半導体装置により、達成され
る。

【００１５】多孔質状もしくは微粒子状の半導体層とし
ては、電極等の剛体で押圧することにより、形状変化を
きたし或る程度の深さまでめり込み、押圧部の組織が緻
密化して抵抗変化する半導体層が好ましい。このような
材料としては、例えばＴｅ、Ｓｅの如きカルコゲン元素
単体、カルコゲン化合物、シリコン及びゲルマニウムの
群から選択される少なくとも１種の半導体層で構成する
ことが望ましい。カルコゲン化合物としては、Ｓｉ、Ｇ
ｅ、Ａｓ、Ｓｂ及びＢｉの群から選択される少なくとも
１種の元素のカルコゲン化合物が好ましい材料として挙
げられる。また、カルコゲン化合物の中でもとりわけ実
用的で好ましいものとして、Ｓｂ₂Ｔｅ₃、Ｓｂ₂Ｓ₃、Ｓ
ｂ₂Ｓｅ₃、Ａｓ₂Ｓ₃及びＡｓ₂Ｓｅ₃の群から選択される
少なくとも１種の材料が挙げられる。

【００１６】以下、図１を用いて本発明による半導体装
置の基本構成について具体的に説明する。同図におい
て、撮像装置を例にとれば１０１は光電変換部に相当す
る第１の電子装置部分、１０２は第１の電極であり、１
０３は走査回路部に相当する第２の電子装置部分、１０
４は第２の電極である。第１の電子装置部分１０１と第
２の電子装置部分１０３は、それぞれに形成された第１
及び第２の電極１０２、１０４の部分で多孔質状もしく
は微粒子状の半導体層１０５によって電気的に接続され
ている。

【００１７】本発明の半導体装置を作製するに当って
は、第１の電子装置部分１０１とその表面に形成された
第１の電極１０２の上に、多孔質状もしくは微粒子状の
半導体層１０５を形成しておき、別途作製された第２の
電子装置部分１０３とその表面に形成された第２の電極
１０４とに適当な外圧を加えて圧着（圧接）すればよ
い。なお、ここでは表現を簡略化するために、「多孔質
状もしくは微粒子状の半導体層」を以下、単に「多孔質
半導体層」と略称する。多孔質半導体層１０５は、導電
体や通常の半導体に比べて一般に高抵抗であるが発明者
らが種々の材料、条件で実験、検討した結果、多孔質半
導体層の材料と形状（多孔質度または粒径や充填率）に
応じて適当な厚さにすれば、二つの電子装置部分の電気
的接触が充分に行なわれることが判った。また、第１の
電極同士や第２の電極同士のリークはそれぞれの電極の
ピッチが第１と第２の電極間の距離と同程度以上であれ
ば問題にならない量に抑えることができる。これは、第
１の電子装置部分と第２の電子装置部分を圧着する際
に、当初ほぼ均一な厚さを有していた多孔質半導体層が
特に電極部分で圧縮されるために、第１、第２の電極間
の導電率が他に比べて高くなる効果によると考えられ
る。なお、この多孔質半導体層の多孔質度または粒径を
充填率で表示すると、実用的に好ましい充填率は２０〜
８０％である。

【００１８】さて、図１に基本構造を示した本発明によ
れば、第１の電子装置部分と第２の電子装置部分はそれ
ぞれ別々に作製されるので、上述の図７で説明した第１
の従来技術例である積層型の半導体装置と異なり、それ
ぞれの部分の構造や作製法に対して他の部分との接合型
半導体装置であるために特別な制約はなく、最適の材料
や構造及び作製法を採用することができる。また、接合
のために用いる多孔質半導体層は、必ずしも電極領域ご
とに分離して形成しなくても上述のように横方向のリー
クが小さい状態で第１、第２の部分の電気的接触をとる
ことができることから、図８で説明したマイクロバンプ
を用いたハイブリッド型半導体装置に比べて構造及び作
製法が非常に簡単になる。図１では第１、第２の電子装
置部分の両方に複数の電極群を形成してあるが、これら
の電極は必ずしも両方に形成する必要がなく、一方は平
坦で個別の電極がなく他方には多数の電極が形成されて
いる場合、両方共に平坦で個別の電極が形成されていな
い場合とがある。これらの場合には、特に構造が簡単で
あるばかりでなく、対応する電極同士が対向するように
精密な位置合わせを行なう必要がないので作製法も大幅
に簡単化される。逆に、必要に応じて多孔質半導体層を
分離して形成してもよい。また、多孔質半導体は圧縮に
よってその多孔質度を変化させることができるので、上
述の様に横方向に比べて電極部分の縦方向の導電率が高
くなる効果や、電極の形状や大きさの不均一を吸収して
全体にわたって良好で均一な電気的接触が得られるとい
う効果もある。

【００１９】また、上記本発明の第２の目的は、少なく
とも第１の機能を有する電子装置部と、第２の機能を有
する電子装置部との電気的接続面を互いに対向させて、
電気的に接続する工程を有して成る半導体装置の製造方
法であって、前記相対向する電気的接続面の少なくとも
一方の接続面上に多孔質半導体層を形成する工程と、他
方の接続面を前記半導体層側に押圧し、断面圧縮により
緻密化された半導体層を介して複数の電子装置部間を電
気的に接続する工程とを有して成る半導体装置の製造方
法により、達成される。すなわち、第１又は第２の電子
装置部分のどちらか一方に多孔質半導体層を形成して、
他方と圧着（押圧）してもよいが、第１、第２の電子装
置部分の両方に多孔質半導体層を形成してから接合して
もよく、多孔質半導体を形成してない二つの部分に、例
えば何等かの支持層の両面に貫通して形成された多孔質
半導体層を挟んで接合させてもよい。この接合において
重要なのは、両者の接続面間に介在する多孔質半導体層
を押圧して或る程度断面縮小させ、接続部における孔質
半導体層の組織を緻密化することである。なお、この種
の多孔質半導体層は、蒸着もしくはスパッタリング成膜
工程にて容易に形成することができる。ただし、押圧に
より或る程度断面縮小して形状変形可能な膜とするに
は、成膜雰囲気中の圧力制御が必要であり、余りにも低
圧過ぎると緻密な膜質となり目的とする多孔質とはなら
ず、また、高過ぎると成膜できないことから、実用的に
は１×１０~⁴〜１０Ｔorr、さらに好ましくは１０~²〜
１Ｔorrの圧力雰囲気中で蒸着もしくはスパッタリング
成膜することが望ましい。また、圧着（押圧）時の圧力
は、通常０．０１〜１０ｋｇ／ｃｍ²程度が望ましく、
より好ましくは、０．０５〜１ｋｇ／ｃｍ²である。

【００２０】

【作用】本発明は、多孔質半導体層を第１及び第２の電
子装置部分の接続手段として用いるものであり、そのた
めにそれぞれの電子装置部分は最適の製造条件下で独立
に形成することができる。また、接続に際しては、電子
装置部分の接続表面に多数の電極群が設けられて凹凸が
形成されていても、多孔質半導体層がこれらの凹凸面の
形状に応じた押圧を受けて形状変形することにより接続
面の凹凸を吸収してしまうため全体にわたって良好で均
一な電気的接触が得られる。それ故、接続された両電子
装置部分に大きな電界が印加されても、接続面での電界
集中の問題は解消される。したがって、例えば光電変換
部と走査回路部との接続面間をこの多孔質半導体層で接
続した撮像装置では、高電界条件で動作させることが可
能となる。そして、この多孔質半導体層を例えばＳｂ₂
Ｓ₃、Ａｓ₂Ｓｅ₃、Ａｓ₂Ｓ₃などで構成した場合には、
光電変換部と走査回路部とを電気的に接続する接合層と
しての役割の他に、走査回路部の画素電極から光導電膜
への電子注入を阻止する整流性接触を形成するという作
用をも有している。

【００２１】また、従来のマイクロバンプを接続手段と
した構造の場合には、両電子装置部における相互の接続
面の電極位置合わせを精密に行った上で接続せねばなら
ず、高度な位置合わせ技術が要求されたが、本発明の場
合、両者の接続面に多孔質半導体層を介在させ、これを
押圧するだけで良く、横方向に比べて電極部分の縦方向
の導電率が高くなることから同一平面上に隣接する電極
間のリークの問題も無視できる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の半導体装置を撮像装置とした
場合を一実施例として図面にしたがって具体的に説明す
る。〈実施例１〉図２は、本発明の第１の実施例となる撮像
装置の１画素部分の構成を示す断面図である。同図
（ａ）は第１の電子装置部に該当する光電変換部２０２
を、同図（ｂ）は第２の電子装置部に該当する走査回路
部２０３を、そして同図（ｃ）は、これら第１、第２の
電子装置部を多孔質半導体層で電気的に接続した後の状
態を、それぞれ示している。すなわち、本撮像装置の基
本構成は、図２（ｃ）に示すように、外部からの入射光
２０１に応じて信号電荷を生成して蓄積する光電変換部
２０２と、画素毎に蓄積された信号電荷を読み出すため
のＭＯＳ型走査回路部２０３を、多孔質半導体層２０４
を介して接続した構成となっている。

【００２３】先ず、光電変換部２０２の構造と作製法に
ついて図２（ａ）を用いて説明する。研磨、洗浄された
透光性ガラス基板２０５上に、錫を含有し酸化インジウ
ムを主体とする厚さ１５ｎｍの透光性電極２０６をスパ
ッタリングによって形成する。次に、ＣｅＯ₂、Ｓｅ、
及びＡｓ₂Ｓｅ₃を別々に制御される蒸着源として、各蒸
着源ごとに制御されるシャッターと試料が各蒸着源上を
通過する様に回転するターンテーブルを備えた回転蒸着
装置にこれを装着する。この回転蒸着装置中で、透光性
電極２０６から光導電膜２０８への正孔注入を阻止する
ための正孔注入阻止層として厚さ１０ｎｍのＣｅＯ₂層
２０７、光導電膜として厚さ４μｍの非晶質Ｓｅを主体
としてＡｓを１原子パーセント含有する非晶質半導体膜
２０８を形成する。Ａｓは、非晶質Ｓｅの構造を安定化
して耐熱性を向上させるために添加する不純物である。
なお、長波長の光に対する感度を高める目的で、ａ−Ｓ
ｅ膜の全体または一部に例えばＴｅなどを添加してもよ
い。次に、以上のようにして形成された光電変換部２０
２上に、０.２ＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気中で蒸着によ
り、厚さ１００ｎｍ、充填率４０％の多孔質半導体Ｓｂ
₂Ｓ₃層２０４を形成する。この多孔質半導体Ｓｂ₂Ｓ₃層
は、光電変換部２０２と走査回路部２０３とを電気的に
接合するための層である共に、走査回路部２０３の画素
電極２１２から光導電膜２０８への電子注入を阻止する
整流性接触をも形成する。この整流性接触が光導電膜２
０８と多孔質Ｓｂ₂Ｓ₃層２０４との接合だけでは不十分
な場合には、光導電膜２０８と多孔質Ｓｂ₂Ｓ₃層２０４
との間にさらに電子注入阻止層を設けてもよい。なお、
多孔質半導体層２０４としては、Ｓｂ₂Ｓ₃の代わりにＳ
ｂ₂Ｔｅ₃、Ｓｂ₂Ｓｅ₃、Ａｓ₂Ｓ₃、Ａｓ₂Ｓｅ₃等のカル
コゲン化物を主体とする半導体を形成しても同等の効果
が得られた。そして、このような多孔質半導体層２０４
は、１×１０~⁴〜１０Ｔorrの圧力雰囲気中で容易に形
成することができた。

【００２４】一方、図２（ｂ）に示す走査回路部２０３
は、Ｓｉ基板上にソース電極２０９、ゲート電極２１
０、ドレイン電極２１１よりなるＭＯＳ型スイッチを二
次元的に配列形成したＩＣ基板を用いる。このＩＣ基板
は従来の固体撮像素子と同様のプロセスで製作した。ド
レイン電極２１１には出力線２１３が接続されている。

【００２５】最後に、以上のようにしてそれぞれ別々に
作製された、多孔質半導体層２０４を形成してある光電
変換部２０２と、走査回路基板２０３とを押圧力０．５
ｋｇ／ｃｍ²で圧着して、図２（ｃ）に示すような本発
明の撮像装置を完成した。

【００２６】なお、さらに実用的には、光電変換部２０
２と走査回路部２０３との周辺を樹脂などで覆うこと
が、装置の構造を強化すると共に湿度などの周囲雰囲気
からの影響を防止する意味からも有用である。なお、図
２において２１６はＳｉ基板、２１４及び２１５は絶縁
層、２１２は画素電極でソース電極２０９に接続されて
いる。

【００２７】本実施例の撮像装置における光電変換部２
０２とその上に接続手段として形成された多孔質半導体
Ｓｂ₂Ｓ₃層２０４は、光導電型撮像管のターゲット構造
と全く同じ構造であり、撮像管ターゲットと同様に、例
えば十分研磨されたガラス基板を用いることによって、
非常に平坦な下地の上に光導電膜を形成することができ
る。従って、例えば光導電膜中でアバランシェ現象によ
る電荷増倍が起こるような高電界を印加して動作させて
も局所的電界集中による暗電流の増大やアバランシェブ
レークダウンが起こり難いと云う優れた効果を有してい
る。また、透光性電極２０６は、光導電膜２０８に先だ
って透光性基板２０５上に形成されるので、基板を充分
加熱して形成することも可能であり、良好な光透過率や
導電率を有する電極が容易に形成される。

【００２８】一方、走査回路部２０３は、光電変換部２
０２とは別に作製される。そして、画素電極２１２から
光導電膜２０８への電子注入は、多孔質Ｓｂ₂Ｓ₃層２０
４や必要に応じて光導電膜２０８と多孔質半導体Ｓｂ₂
Ｓ₃層２０４との間に形成される電子注入阻止層で阻止
されるので、走査回路上の画素電極２１２は、光導電膜
２０８との電気的接合特性を考慮することなく、材料を
選択することができる。即ち、光電変換部２０２と走査
回路部２０３に対しては、共に積層型撮像装置であるた
めの制約がなく、最適の材料や構造及び作製法を採用す
ることができる。

【００２９】走査回路部２０３の表面はなるべく平滑で
あることが望ましいが、多少の凹凸があっても、光電変
換部２０２と走査回路部２０３とを接合する際に多孔質
半導体Ｓｂ₂Ｓ₃層２０４の圧縮によってそれを吸収して
良好で均一な接合特性を得ることができる。また、本実
施例の様に光電変換部２０２と走査回路部２０３という
二つの部分のうち、一方の接続面上のみ（即ち走査回路
部のみ）に電極２１２を有する構造では、両者を接合す
る際に対応する電極を対向して配置するための精密な位
置合わせが必要ないことから、接合工程が大幅に簡単化
される。

【００３０】また、本実施例の様に、暗抵抗が大きい光
導電膜２０８を有する光電変換部と走査回路部とを接合
する場合には、多孔質半導体Ｓｂ₂Ｓ₃層のように比較的
高抵抗の材料を接合部に用いても実質的に接合部の抵抗
の影響がなく、逆に、多孔質半導体Ｓｂ₂Ｓ₃層が画素ご
とに分離されていなくても横方向のリークが少ないとい
う特長がある。実際、多孔質半導体Ｓｂ₂Ｓ₃層は光導電
型撮像管のビームランディング層として用いられている
ことからも明らかなように解像度の劣化をもたらすよう
な横方向のリークを引き起こすことはない。なお、本発
明者らの実験によれば、分離されていない多孔質半導体
Ｓｂ₂Ｓ₃層を用いることによる横方向の僅かな電気的リ
ークは、高解像度域における振幅変調度特性のなめらか
な低下を起こさせることから、撮像装置の限界解像度を
劣化させずに高周波雑音成分を低下させる働きのあるこ
とをも確認された。

【００３１】本実施例の撮像装置は、透光性導電膜２０
６が画素電極２１２に対して正電位となるような向きに
電界を印加して動作する。図３は、そのようにして動作
した場合における青色光照射時の信号電流の実効量子効
率と暗電流の印加電界依存性との関係を示した特性図で
ある。図中に示したように、実効量子効率（縦軸）と印
加電界（横軸）との関係はＡ、Ｂ、Ｃの３領域からなっ
ている。領域Ａでは、信号電流は電界の増加とともに増
大するが、電子・正孔の再結合の影響が大きく、受光素
子としての実効量子効率は１以下である。領域Ｂでは入
射光により発生した電子・正孔対のほとんどが電界によ
り分離し、それぞれがほとんど再結合することなく透明
導電膜側および多孔質Ｓｂ₂Ｓ₃層側に向けて走行する。
この領域では、信号電流が飽和する傾向を示すが、最大
となるのは、入射光子がすべて電子・正孔対に変換され
信号電流として取り出される場合であるから、光導電膜
の利得は最大でも１である。従来の積層型固体撮像素子
はこの領域Ｂで動作していた。これに対して本実施例の
撮像装置では、図３に示した領域Ｃの高電界域で動作す
る。この領域においては、入射光によって発生した電
子、正孔対のうち正孔が非晶質Ｓｅを主体とする光導電
膜内を走行する際に、高電界による連続的な衝突電離現
象が起こり、いわゆるアバランシェ現象によって次々に
新たな電子・正孔対が生成される。例えば、約１.２×
１０⁶Ｖ/ｃｍの電界で動作した場合のアバランシェ増倍
率は約３０倍であった。このような高電界域で動作が可
能なのは、上述の様に、光電変換部２０２と走査回路部
２０３とをそれぞれ別々に作製して多孔質半導体層２０
４で接合することから、光電変換部２０２を、従来技術
で述べたアバランシェ増倍型撮像管と全く同様にして形
成できるからであり、図３からも判るように、ａ−Ｓｅ
光導電膜中でアバランシェ現象が起こるような高電界下
でも暗電流の急増が起こらず、局所的暗電流の注入やア
バランシェブレークダウンが起こらない構造とすること
ができた。従って、本実施例の撮像装置は高感度でしか
も優れた応答特性を有している。なお、ａ−Ｓｅ中での
電荷倍増作用を用いる場合には、電荷増倍作用が正孔に
対しては非常に顕著であるのに対して、電子に対しては
僅かであることから、本実施例の様に、膜内を主として
正孔が走行する向きに電界を印加すれば、低雑音で、か
つ効率良く電荷の増倍を行うことができる。

【００３２】〈実施例２〉図４を用いて本発明の第２の
実施例を説明する。本実施例は、光電変換部４０１に非
晶質Ｓｉを主体として水素を含有する光導電層を用い、
走査回路部４０２にＣＣＤ型走査回路を用いて、それら
を多孔質半導体層４０３を介して接合したものである。

【００３３】光電変換部４０１を形成するにあたって
は、まず透光性ガラス基板４０４上に、１０％のＳｎを
含有するＩｎを蒸着源に用いて酸素雰囲気中で透光性電
極４０５を蒸着する。次に、電子注入阻止層４０６とし
て厚さ１５ｎｍのＳｉＯ₂を形成する。続いて、ＳｉＨ₄
とＨ₂希釈Ｂ₂Ｈ₆との混合ガス、ＳｉＨ₄、ＳｉＨ₄とＨ₂
希釈ＰＨ₃との混合ガスの高周波プラズマ分解により、
それぞれ、ｐ型の水素化非晶質Ｓｉ（ａ-Ｓｉ:Ｈ）層４
０７を３０ｎｍ、ｉ型ａ-Ｓｉ:Ｈ層４０８を１μｍ、ｎ
型ａ-Ｓｉ:Ｈ層４０９を５０ｎｍ、順次堆積する。

【００３４】一方走査回路部４０２は、電荷転送により
各電位井戸に蓄積された電荷担体を順次転送して外部回
路に読み出す方式のＣＣＤ型走査基板を用いており、通
常の半導体プロセスによって作製される。走査回路部４
０２の表面には画素電極４１０が形成されている。図４
において、４１１はアイソレーション電極、４１２はｐ
型Ｓｉ、４１３はｎ型Ｓｉ、４１４はＣＣＤ電極、４１
５はｎ-型Ｓｉ、４１６はｎ+型Ｓｉ、４１７はバッファ
電極である。以上のような構造に形成された走査回路部
４０２上に０．０５ＴｏｒｒのＮ₂ガス雰囲気中でＡｓ₂
Ｓ₃を蒸着することによって膜厚１００ｎｍ、充填率６
０％の多孔質半導体Ａｓ₂Ｓ₃層を形成する。このように
して走査回路部４０２に形成された多孔質半導体Ａｓ₂
Ｓ₃層４０３を接続手段とし、その上に光電変換部４０
１を対向させて実施例１と同様に両者を押圧して電気的
に接合した。

【００３５】本実施例において光導電膜４０８に用いた
ａ-Ｓｉ:Ｈは、例えば非晶質Ｓｅに比べて耐熱性に優
れ、赤色光感度が高いという利点を有している。なお、
ａ-Ｓｉ:Ｈは正孔に比べて電子の走行性が優れているこ
とから、本実施例では、透光性電極４０５の電位を画素
電極４１０に対して負にバイアスして動作を行なった。
また、本実施例で用いたＣＣＤ型走査回路は読み出し時
の付加雑音が小さいという利点を有している。

【００３６】〈実施例３〉図５を用いて本発明の第３の
実施例を説明する。本実施例は、従来技術の例として記
載したハイブリッド型赤外線撮像装置に本発明を適用し
たものである。即ち、図５（ａ）の要部破断斜視図に示
すように、本実施例では赤外線５０１の入射によって信
号電荷を発生する光電変換部５０２と信号電荷を読み取
るＣＣＤ走査回路部５０３を多孔質半導体層５０４を介
して接合した構造となっている。なお、図５（ｂ）はそ
の部分拡大図を示している。光電変換部５０２におい
て、サファイア基板５０５上に形成されたＣｄＴｅ結晶
５０６、ｐ型ＨｇＣｄＴｅ結晶５０７、各画素にフォト
ダイオードを形成するためのｎ型ＨｇＣｄＴｅ領域５０
８までは、基本的に図８に示した従来例と同様にして形
成する。続いて、そのようにして形成された光電変換部
５０２の上に多孔質度が高い膜厚５０ｎｍ、充填率７０
％のＳｉ層５０４をＡｒガス中のスパッタリングによっ
て形成した。この多孔質半導体Ｓｉ層５０４は、多孔質
状または微粒子状のＳｉが低い充填率で堆積した構造に
なっている。最後に、表面に画素電極５０９が形成され
ているＣＣＤ型走査回路部５０３と、多孔質半導体Ｓｉ
層５０４が形成された光電変換部５０２とを実施例１と
同様に圧着して本実施例の赤外線撮像装置を得る。

【００３７】本実施例の場合、多孔質半導体Ｓｉ層５０
４は、光電変換部５０２と走査回路５０３上に突出した
画素電極５０９に挟まれた部分で特に圧縮度が高い。そ
のため、画素電極５０９のピッチと形状や多孔質半導体
Ｓｉ層５０４の多孔質度と堆積厚さを調整することによ
って、横方向に比べて縦方向の抵抗を大幅に小さくする
ことができ、画素間のリークが小さくて、光電変換部と
走査回路部の電気的接触が良好な撮像装置が得られた。
しかも、マイクロバンプを用いた従来技術の場合に比べ
て、フォトダイオード上の画素電極やその分離のための
絶縁層を設ける必要がなく、構造や形成法が大幅に簡単
化されるという利点も有している。

【００３８】〈実施例４〉図６を用いて本発明の第４の
実施例を説明する。本実施例はファクシミリ等の画像入
力に用いられるラインセンサに本発明を適用したもので
あり、図６（ａ）はその光電変換部の基本構造を示す要
部平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）中の破線Ａー
Ａ’における断面構造を示す図である。図示のように、
このラインセンサは、ＣＣＤ型の走査回路部（図示せ
ず）に接続された画素電極６０１上に形成された非晶質
Ｓｅを主体とする光電変換部と、別の透光性基板６０２
上に形成された透光性電極部とを多孔質半導体層６０３
を介して接続した構造を有している。

【００３９】以下、製造工程にしたがって順次説明する
と、支持基板６０４上に形成され走査回路部に接続され
ている画素電極６０１は、マスク蒸着によって堆積した
Ａｕより成る。Ａｕは非晶質Ｓｅとの接合部に電子注入
を阻止する整流性接触を形成するが、本実施例では、電
子注入阻止特性をさらに強化するために画素電極６０１
と非晶質Ｓｅ層６０６の間にＡｓを２０％含有する非晶
質Ｓｅ層６０５を形成した。非晶質Ｓｅ層６０６の厚さ
は２μｍとし、その上にＬｉＦを０.５％添加した非晶
質Ｓｅ層６０７を形成する。ＬｉＦを添加した非晶質Ｓ
ｅ層は正孔捕獲層として働き、この層より正電極６０９
側の電界を弱めて正電極からの正孔注入を抑制する効果
があり、後述の正孔注入阻止層の働きを強化する。次
に、０.５ＴｏｒｒのＮ₂雰囲気中で蒸着により、膜厚約
５０ｎｍ、充填率４０％の多孔質半導体Ｓｅ層６０３を
形成する。一方、別の透光性ガラス基板６０２上には、
ＳｎＯ₂を主体とする厚さ１０ｎｍの透光性電極６０９
をＣＶＤ法によって形成する。次に、透光性電極６０９
からの正孔注入を阻止するための正孔注入阻止層として
厚さ１０ｎｍのＣｅＯ₂層６０８を蒸着法によって形成
する。最後に、以上の様にして別々に形成された、多孔
質半導体Ｓｅ層６０３が形成された光電変換部と透光性
電極部との接続面を相互に対向させ、実施例１と同様に
両者を押圧して接合することにより本実施例のラインセ
ンサを得る。なお、図６に於て６１０は絶縁層である。

【００４０】本実施例の場合、膜質の劣化のために加熱
ができない非晶質Ｓｅ系の光導電膜上に、加熱工程を伴
う透光性電極を形成する必要がなく、最適の基板温度で
透光性電極を形成することができる。また、比較的構造
が柔軟な非晶質Ｓｅの上に構造が強固な酸化物よりなる
正孔注入阻止層や透光性電極を形成する必要がないこと
から、それらのプロセスで膜の変形が生じ易いという問
題も回避できる。

【００４１】以上、光電変換部と走査回路部を接合した
構造の撮像装置を実施例に用いて本発明の半導体装置を
説明したが、本発明は必ずしも撮像装置に限られるもの
ではなく、例えば、液晶ディスプレイやプリンタヘッド
等やＬＳＩチップを基板に実装する場合等種々のハイブ
リッド型半導体装置に適用可能であることは云うまでも
ない。

【００４２】

【発明の効果】以上、詳述したように本発明により所期
の目的を達成することができた。すなわち、代表例とし
て示した撮像装置の説明から明らかなように、電気的に
接続されて一体化される二つ以上の部分を、それぞれ別
個のプロセスで製作することが可能であり、各々が最良
の条件で製作され、かつ特性が良好なものを予め選別し
てから接合することもできる。しかも、接合部の構造及
び作製法が簡単であり、均一で良好な接合特性が得られ
る。これにより、例えば小型、薄型で操作性に優れる固
体撮像素子の特徴と、開口率や解像度が高い撮像管の特
徴を合わせ持つ撮像装置を得ることができ、非晶質光導
電膜中でのアバランシェ増倍を利用して、阻止型構造の
優れた光応答特性を劣化させることなく、利得が１より
大の高感度な撮像装置を得ることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体装置の基本構造を模式的に
示す原理説明用の断面図。

【図２】本発明の第１の実施例となる光導電膜積層型撮
像装置の断面構造図。

【図３】同じく第１の実施例となる光導電膜積層型撮像
装置の特性を示すグラフ。

【図４】同じく第２の実施例となる光導電膜積層型撮像
装置の断面構造図。

【図５】同じく第３の実施例となる赤外線撮像装置の断
面構造図。

【図６】同じく第４の実施例となるラインセンサにおけ
る光電変換部の断面構造図。

【図７】従来技術による光導電膜積層型撮像装置の基本
構造を示す断面構造図。

【図８】同じく従来技術による赤外線撮像装置の基本構
造を示す断面構造図。

【符号の説明】

１０１…第１の電子装置部、１０２…第１の電
極、１０３…第２の電子装置部、１０４…第２
の電極、１０５…多孔質状または微粒子状の半導体層、
２０１…入射光、２０２…光電変換
部、２０３…ＭＯＳ型走査回路部、２０４…多孔
質半導体層、２０５…透光性ガラス基板、２０
６…透光性電極、２０７…正孔注入阻止層、
２０８…光導電膜、２０９…ソース電極、
２１０…ゲート電極、２１１…ドレイン電極、
２１２…画素電極、２１３…出力線、
２１４、２１５…絶縁層、２１６……Ｓｉ基
板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中野泰東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者牧島達男東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者大島徹也東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者久保田節東京都世田谷区砧一丁目10番11号日本放送協会技術研究所内 (72)発明者加藤務東京都世田谷区砧一丁目10番11号日本放送協会技術研究所内 (72)発明者丸山裕孝東京都世田谷区砧一丁目10番11号日本放送協会技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも第１の機能を有する電子装置部
と、第２の機能を有する電子装置部との電気的接続部を
相対向、接続して成る半導体装置であって、前記相対向
する電気的接続部間に多孔質状もしくは微粒子状の半導
体層を介挿し、電気的接続部を押圧することにより断面
圧縮され、緻密化された半導体層を介して複数の電子装
置部間を電気的に接続して成る半導体装置。
【請求項２】相対向する電気的接続部間に介挿する多孔
質状もしくは微粒子状の半導体層を、カルコゲン元素単
体、カルコゲン化合物、シリコン及びゲルマニウムの群
から選択される少なくとも１種の半導体層で構成して成
る請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】カルコゲン化合物を、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｓ、
Ｓｂ及びＢｉの群から選択される少なくとも１種の元素
のカルコゲン化合物で構成して成る請求項２記載の半導
体装置。
【請求項４】カルコゲン化合物を、Ｓｂ₂Ｔｅ₃、Ｓｂ₂
Ｓ₃、Ｓｂ₂Ｓｅ₃、Ａｓ₂Ｓ₃、Ａｓ₂Ｓｅ₃の群から選択
される少なくとも１種で構成して成る請求項２記載の半
導体装置。
【請求項５】複数の電子装置部の相対向する接続面の少
なくとも一方の面に、所定高さの突出した電極群が形成
されており、この突出した電極群が押圧されて多孔質状
もしくは微粒子状の半導体層中にめり込み、断面圧縮に
より緻密化された半導体層を介して複数の電子装置部間
が電気的に接続されて成る請求項１乃至４何れか記載の
半導体装置。
【請求項６】複数の電子装置部の相対向する接続面の少
なくとも一方の面に多孔質状もしくは微粒子状の半導体
層が形成されており、他方の面に所定高さに突出して設
けられた電極群が押圧されて多孔質状もしくは微粒子状
の半導体層中にめり込み、断面圧縮により緻密化された
半導体層を介して複数の電子装置部間が電気的に接続さ
れて成る請求項１乃至４何れか記載の半導体装置。
【請求項７】複数の電子装置部の何れか一方を、透光性
基板上に形成され、入射光によって信号電荷を発生する
光電変換部とし、他方の電子装置部を前記光電変換部に
発生した信号電荷を読み出すための走査回路部として構
成し、両者の電気的接続部間を多孔質状もしくは微粒子
状の半導体層によって電気的に接続して撮像装置として
成る請求項１乃至６何れか記載の半導体装置。
【請求項８】光電変換部を、入射光によって発生した信
号電荷が半導体内部で増倍される増倍型光電変換部とし
て成る請求項７記載の半導体装置。
【請求項９】光電変換部を、非晶質光導電膜で構成して
成る請求項７記載の半導体装置。
【請求項１０】非晶質光導電膜を、Ｓｅを主体とした光
導電膜で構成して成る請求項９記載の半導体装置。
【請求項１１】非晶質光導電膜を、Ｓｉを主体とし水素
を含有した光導電膜で構成して成る請求項９記載の半導
体装置。
【請求項１２】光電変換部を赤外光に感度を有するもの
で構成して成る請求項７乃至１１何れか記載の半導体装
置。
【請求項１３】光電変換部をＨｇＣｄＴｅ結晶を主体と
する光導電膜で構成して成る請求項１２記載の半導体装
置。
【請求項１４】少なくとも第１の機能を有する電子装置
部と、第２の機能を有する電子装置部との電気的接続面
を互いに対向させて、電気的に接続する工程を有して成
る半導体装置の製造方法であって、前記相対向する電気
的接続面の少なくとも一方の接続面上に多孔質状もしく
は微粒子状の半導体層を形成する工程と、他方の接続面
を前記半導体層側に押圧し、断面圧縮により緻密化され
た半導体層を介して複数の電子装置部間を電気的に接続
する工程とを有して成る半導体装置の製造方法。
【請求項１５】多孔質状または微粒子状の半導体層を形
成する工程を１×１０~⁴〜１０Ｔorrの圧力雰囲気中で
の蒸着もしくはスパッタリング成膜工程として成る請求
項１４記載の半導体装置の製造方法。