(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023183538
(43)【公開日】2023-12-28
(54)【発明の名称】撮像素子及び撮像素子の製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 27/146 20060101AFI20231221BHJP
【FI】
H01L27/146 E
H01L27/146 D
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022097107
(22)【出願日】2022-06-16
(71)【出願人】
【識別番号】000004352
【氏名又は名称】日本放送協会
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】難波 正和
(72)【発明者】
【氏名】為村 成亨
(72)【発明者】
【氏名】宮川 和典
(72)【発明者】
【氏名】峰尾 圭忠
(72)【発明者】
【氏名】相原 聡
【テーマコード(参考)】
4M118
【Fターム(参考)】
4M118AA10
4M118AB01
4M118BA07
4M118CA14
4M118CB05
4M118CB14
4M118EA14
4M118GC20
4M118GD04
4M118HA24
4M118HA25
4M118HA27
(57)【要約】
【課題】応用範囲を拡大することができる撮像素子及び撮像素子の製造方法を提供する。
【解決手段】撮像素子は、信号読み出し回路を有する基板と、前記基板の上に設けられたセレン膜と、前記セレン膜の上に設けられたナノ構造体と、を有する。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
信号読み出し回路を有する基板と、
前記基板の上に設けられたセレン膜と、
前記セレン膜の上に設けられたナノ構造体と、
を有する撮像素子。
【請求項2】
前記セレン膜は、多結晶セレンから構成される請求項1に記載の撮像素子。
【請求項3】
前記セレン膜と前記ナノ構造体との間に設けられた酸化シリコン膜を有し、
前記ナノ構造体は、窒化シリコン、アモルファスシリコン、酸化チタン、金及び銀からなる群から選択された少なくとも一種を含有する請求項1又は2に記載の撮像素子。
【請求項4】
信号読み出し回路を有する基板の上に第1アモルファスセレン膜を形成する工程と、
シリコン基板の上に透光性膜を形成する工程と、
前記透光性膜の上にナノ構造体を形成する工程と、
前記ナノ構造体に支持基板を貼り付ける工程と、
前記支持基板を貼り付ける工程の後に、前記シリコン基板を除去する工程と、
前記透光性膜の前記ナノ構造体が形成された面とは反対の面の上に第2アモルファスセレン膜を形成する工程と、
前記第1アモルファスセレン膜と前記第2アモルファスセレン膜とを接合して接合体を形成する工程と、
前記接合体を形成する工程の後に、前記支持基板を除去する工程と、
を有する撮像素子の製造方法。
【請求項5】
前記シリコン基板を除去する工程は、二フッ化キセノンガス、六フッ化硫黄ガス及び四フッ化炭素からなる群から選択された少なくとも一種のガスを用いて前記シリコン基板のドライエッチングを行う工程を有する請求項4に記載の撮像素子の製造方法。
【請求項6】
前記シリコン基板を除去する工程は、前記シリコン基板の機械加工を行う工程を有する請求項4又は5に記載の撮像素子の製造方法。
【請求項7】
前記接合体を形成する工程と前記シリコン基板を除去する工程との間に、前記接合体を結晶化させて結晶セレン膜を形成する工程を有する請求項4又は5に記載の撮像素子の製造方法。
【請求項8】
前記接合体を形成する工程において、加圧接合を行う請求項4又は5に記載の撮像素子の製造方法。
【請求項9】
前記透光性膜は、酸化シリコンを含有する請求項4又は5に記載の撮像素子の製造方法。
【請求項10】
前記ナノ構造体は、窒化シリコン、アモルファスシリコン、酸化チタン、金及び銀からなる群から選択された少なくとも一種を含有する請求項4又は5に記載の撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、撮像素子及び撮像素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
結晶セレン(Se)膜を光電変換部に用いることで、可視光の広い波長帯域で高感度が得られることが知られている(非特許文献1)。更に、結晶セレン膜を含む撮像素子の製造方法として、結晶セレン膜の平坦性の向上を図った方法が提案されている(特許文献1)。この製造方法では、信号読み出し回路基板の上に第1アモルファスセレン膜を形成し、透明基板の上に第2アモルファスセレン膜を形成し、第1アモルファスセレン膜と第2アモルファスセレン膜とを加圧接合し、その後に、第1アモルファスセレン膜及び第2アモルファスセレン膜を結晶化させている。
【0003】
また、メタサーフェスとよばれる高屈折率の材料のナノ構造体(微小光学素子)が光入射面に設けられた撮像素子が提案されている(非特許文献2-4)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】ITE Transactions on Media and Applications, Vol. 10, No. 2, 52-58 (2022)
【非特許文献2】Optica, Vol. 8, No. 12, 1596-1604 (2021)
【非特許文献3】Science, Vol. 352 Issue 6290, 1190-1194 (2016)
【非特許文献4】Nature Nanotechnology, Vol. 10, 937-944 (2015)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
結晶セレン膜を光電変換部に用いた従来の撮像素子の応用範囲の拡大は困難である。仮に、結晶セレン膜を含む撮像素子の応用範囲の拡大のためにメタサーフェスを組み合わせようとしても、下記の理由により実現は困難である。セレンの融点が220℃であるのに対し、従来のメタサーフェスの形成方法は、光の透過特性をよくするためにセレンの融点よりもはるかに高い温度(例えば800℃)での化学気相成長(Chemical Vapor Deposition:CVD)等の処理を含む。このため、結晶セレン膜の形成後にメタサーフェスを形成することはできない。また、結晶セレン膜の形成後に、別途作製しておいたナノ構造体を結晶セレン膜に近接配置することも考えられる。しかしながら、結晶セレン膜が多結晶構造を有するため、結晶セレン膜の表面には結晶粒に伴う多数の凹凸が存在する。従って、ナノ構造体を結晶セレン膜に近接配置した場合、ナノ構造体と結晶セレン膜との間での光線の進行方向の制御(光線制御)の精度が低下するおそれがある。
【0007】
本開示は、応用範囲を拡大することができる撮像素子及び撮像素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本開示の撮像素子は、信号読み出し回路を有する基板と、前記基板の上に設けられたセレン膜と、前記セレン膜の上に設けられたナノ構造体と、を有する。
【発明の効果】
【0009】
本開示によれば、応用範囲を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【
図1】実施形態に係る撮像素子を示す断面図である。
【
図2】実施形態に係る撮像素子の製造方法を示す断面図(その1)である。
【
図3】実施形態に係る撮像素子の製造方法を示す断面図(その2)である。
【
図4】実施形態に係る撮像素子の製造方法を示す断面図(その3)である。
【
図5】実施形態に係る撮像素子の製造方法を示す断面図(その4)である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。
【0012】
図1は、実施形態に係る撮像素子を示す断面図である。
【0013】
図1に示すように、実施形態に係る撮像素子1は、信号読み出し回路基板11と、電子ブロッキング膜12と、結晶セレン膜13と、正孔ブロッキング膜14と、透光性導電膜15と、酸化シリコン膜21と、ナノ構造体22とを有する。
【0014】
信号読み出し回路基板11は、シリコン(Si)基板にCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor、相補型金属酸化膜半導体)構造が形成されて構成されている。信号読み出し回路基板11の上面には、光電変換膜から画素ごとに信号を読み出すための複数の下部電極11aが設けられている。
【0015】
電子ブロッキング膜12は、各下部電極11aを覆うように、信号読み出し回路基板11の上に設けられている。電子ブロッキング膜12の材料としては、例えば酸化ニッケル及び酸化モリブデン膜が挙げられる。電子ブロッキング膜12の膜厚は、例えば5nm~50nmとする。
【0016】
結晶セレン膜13は電子ブロッキング膜12の上に設けられている。結晶セレン膜13は、p型半導体層として機能し、光電変換部を構成する。結晶セレン膜13の膜厚は、例えば20nm~1000nmである。
【0017】
正孔ブロッキング膜14は結晶セレン膜13の上に設けられている。結晶セレン膜13は、電子ブロッキング膜12及び正孔ブロッキング膜14により挟まれている。正孔ブロッキング膜14の材料としては、酸化ガリウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化セリウム、酸化イットリウム、酸化インジウム及び酸化インジウム亜鉛(IZO)が挙げられる。正孔ブロッキング膜14の膜厚は、例えば2nm~2μmである。
【0018】
透光性導電膜15は正孔ブロッキング膜14の上に設けられている。透光性導電膜15の材料としては、例えば酸化インジウムスズ(ITO)、Alドープ酸化亜鉛(AZO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、酸化インジウム亜鉛(IZO)及び酸化インジウム亜鉛スズ(IZTO)が挙げられる。透光性導電膜15の膜厚は、例えば5nm~200nmである。
【0019】
酸化シリコン膜21は透光性導電膜15の上に設けられている。詳細は後述するが、酸化シリコン膜21はナノ構造体22の製造時にエッチングストッパとして機能する。酸化シリコン膜21の膜厚は、ナノ構造体22の光線制御に応じて、適宜設定される。酸化シリコン膜21は透光性膜の一例である。
【0020】
ナノ構造体22は酸化シリコン膜21の上に設けられている。ナノ構造体22はメタサーフェスを構成する。ナノ構造体22の材料としては、金属及び誘電体が挙げられる。金属の例としては金及び銀が挙げられる。誘電体の例としては窒化シリコン、アモルファスシリコン及び酸化チタンが挙げられる。ナノ構造体22は、窒化シリコン、アモルファスシリコン、酸化チタン、金及び銀からなる群から選択された少なくとも一種を含有してもよい。撮像素子1に適用する観点からは透過率の点で、ナノ構造体22の材料としては窒化シリコン及びアモルファスシリコンが特に好適である。
【0021】
ここで、実施形態に係る撮像素子1の製造方法を示す断面図について説明する。
図2~
図5は、実施形態に係る撮像素子の製造方法を示す断面図である。
【0022】
まず、
図2(a)に示すように、信号読み出し回路基板11の上に、例えば真空蒸着法又はスパッタ法により電子ブロッキング膜12を形成する。次いで、電子ブロッキング膜12の上に、例えば真空蒸着法により第1アモルファスセレン膜13aを形成する。第1アモルファスセレン膜13aの膜厚は、例えば10nm~500nmとする。
【0023】
また、
図2(b)に示すように、シリコン基板25の上に酸化シリコン膜21を形成する。酸化シリコン膜21は、例えば、シリコン基板25となるシリコン基板の熱酸化により形成する。シリコン基板の熱酸化法には、乾式及び湿式の方法があるが、光学特性の面から緻密な酸化膜ができる湿式が望ましい。次いで、酸化シリコン膜21の上に窒化シリコン膜22aを形成する。窒化シリコン膜22aは、例えばCVD法により形成する。
【0024】
次いで、
図2(c)に示すように、窒化シリコン膜22aを加工することにより、窒化シリコン膜22aからナノ構造体22を形成する。窒化シリコン膜22aの加工では、例えば、リソグラフィ法によりエッチングマスクを形成し、エッチングマスクを用いた窒化シリコン膜22aのエッチングを行う。このエッチングでは、酸化シリコン膜21がエッチングストッパとして機能する。
【0025】
次いで、
図3(a)に示すように、ナノ構造体22に支持基板31を貼り付ける。支持基板31は、例えば接着剤32を用いてナノ構造体22に貼り付ける。支持基板31は、例えばシリコン基板である。接着剤32としては、例えば、溶液で溶けるもの、紫外線の照射により接着力が低下するもの、又は、90℃~170℃の温度下で接着力が低下するもの等が用いられる。
【0026】
次いで、
図3(b)に示すように、シリコン基板25を除去する。シリコン基板25は、二フッ化キセノン(XeF
2)ガスを用いたドライエッチングにより除去することができる。二フッ化キセノンガスを用いたドライエッチングでは、シリコン基板25と酸化シリコン膜21との間に大きなエッチング選択比があるため、酸化シリコン膜21がエッチングストッパとして機能する。二フッ化キセノンガスに代えて、六フッ化硫黄(SF
6)ガス又は四フッ化炭素(CF
4)ガスを用いてもよい。ドライエッチングには、二フッ化キセノンガス、六フッ化硫黄ガス及び四フッ化炭素からなる群から選択された少なくとも一種のガスを用いることが好ましい。また、ドライエッチングに代えて、研削又は化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)等の機械加工によりシリコン基板25を除去してもよい。また、機械加工によりシリコン基板25を10μm~20μm程度の厚さまで薄化した後に、ドライエッチングを行ってもよい。
【0027】
次いで、
図3(c)に示すように、酸化シリコン膜21のナノ構造体22が形成された面21aとは反対の面21bの上に、例えば真空蒸着法又はスパッタ法により透光性導電膜15を形成する。次いで、透光性導電膜15の上に、例えばパルスレーザ蒸着(Pulse Laser Deposition:PLD)法により正孔ブロッキング膜14を形成する。次いで、正孔ブロッキング膜14の上に、例えば真空蒸着法により第2アモルファスセレン膜13bを形成する。第2アモルファスセレン膜13bの膜厚は、第1アモルファスセレン膜13aの膜厚と略同一とすることが好ましい。第2アモルファスセレン膜13bの膜厚は、例えば10nm~500nmとする。
【0028】
次いで、
図4(a)に示すように、第1アモルファスセレン膜13aと第2アモルファスセレン膜13bとを接合して接合体13cを形成する。具体的には、第1アモルファスセレン膜13aと第2アモルファスセレン膜13bとを接触させた後、0.01MPa~100MPaの圧力で加圧接合する。第1アモルファスセレン膜13a及び第2アモルファスセレン膜13bを軟化させるため、加圧前にセレンのガラス転移温度近辺に加熱してもよい。ただし、このときの加熱温度は50℃以下とすることが好ましい。
【0029】
次いで、
図4(b)に示すように、第1アモルファスセレン膜13a及び第2アモルファスセレン膜13bの接合体13cを結晶化させることにより結晶セレン膜13を形成する。具体的には、例えば信号読み出し回路基板11を、100℃~200℃に、より具体的には160℃程度に設定したホットプレートの上に載置することで、接合体13cを結晶化させて結晶セレン膜13とする。この時加圧したまま加熱し、結晶化させてもよい。
【0030】
次いで、
図5に示すように、接着剤32及び支持基板31を除去する。接着剤32及び支持基板31では、例えば、溶液を用いて接着剤32を溶かすか、紫外線の照射により接着剤32の接着力を低下させて接着剤32をナノ構造体22から剥離するか、又は、90℃~170℃の温度での加熱により接着剤32の接着力を低下させて接着剤32をナノ構造体22から剥離する。接着剤32として、160℃以下の温度下で接着力が低下するものが用いられている場合、接合体13cの結晶化により結晶セレン膜13を形成する際に、接着剤32をナノ構造体22から剥離することで接着剤32及び支持基板31を除去することができる。
【0031】
このようにして、撮像素子1を製造することができる。
【0032】
撮像素子1の使用時には、
図1に示すように、複数の下部電極11aと透光性導電膜15との間に、電源17が接続される。電源17の正極が透光性導電膜15に接続され、電源17の負極が下部電極11aに接続される。この場合、透光性導電膜15が上部電極として機能する。
【0033】
結晶セレン膜13は、p型半導体層として機能し、光電変換部を構成する。また、正孔ブロッキング膜14は、n型半導体層として機能する。従って、結晶セレン膜13と正孔ブロッキング膜14との境界に空乏層(図示せず)が形成される。透光性導電膜15側(
図1中の上側)から結晶セレン膜13に向けて光が入射すると、光によって空乏層に多数のキャリアが生成され、キャリアのうち正孔が、電源17に接続された信号読み出し回路基板11側に向かって結晶セレン膜13中を走行する。この時、正孔が結晶セレン膜13中のセレン原子に衝突することで、正孔が増倍される所謂キャリア増倍作用が生じる。そして、信号読み出し回路基板11に正孔が到達すると、画素毎に発生した正孔の量に応じた電圧が発生し、増幅器で増幅され、外部の電子機器の信号処理部に送信される。また、キャリア増倍作用を生じさせるためには、高い電圧印加を要するが、低い電圧印加で増倍作用を用いなくても、結晶セレンは、通常の撮像デバイスに用いられるフォトダイオードのシリコンに比べ、光吸収特性が良いため、高感度化を図ることができる。
【0034】
また、結晶セレン膜13に向けて入射する光には、ナノ構造体22を通過する際に、ナノ構造体22の形状に応じた屈折、干渉等の光学的作用が生じる。例えば、撮像素子1に入射する光が複数の色を含んでいる場合、ナノ構造体22により波長毎に進行方向を制御して、色分離を行うことができる。本実施形態に係る撮像素子1は、ナノ構造体22の構造に応じて応用範囲を拡大することができる。ナノ構造体22がレンズ等であってもよい。
【0035】
本実施形態では、シリコン基板25を用いてナノ構造体22を形成し、ナノ構造体22を支持基板31に支持させた後でシリコン基板25を除去し、その後に、セレンを含む接合体13cを形成している。このため、ナノ構造体22の形成時に高温下での処理が行われても、ナノ構造体22の形成時にセレンの溶融は生じない。また、接合体13cの結晶化の前にナノ構造体22が接合体13cと一体化されているため、結晶セレン膜13のナノ構造体22側の面は実質的に平坦となり、ナノ構造体22と結晶セレン膜13との間での光線の進行方向に高い精度を得ることができる。
【0036】
なお、第1アモルファスセレン膜13aと第2アモルファスセレン膜13bとの接合では、必ずしも加圧が必要とはされない。例えば、第1アモルファスセレン膜13a及び第2アモルファスセレン膜13bの表面清浄度が良好であれば、加圧を行わずに接合することも可能である。また、接合体13cを結晶化により結晶セレン膜13とせずに、そのまま用いてもよい。
【0037】
信号読み出し回路基板11がシリコン基板を用いて構成されている必要はない。例えば、信号読み出し回路基板11がフレキシブル配線基板を用いて構成されていてもよい。ナノ構造体22の設計等により酸化シリコン膜21を薄くできる場合、例えば酸化シリコン膜21の厚さを10nm以下程度に薄くできる場合には、可撓性を備えた撮像素子1を得ることができる。信号読み出し回路基板11がシリコン基板を用いて構成されている場合は、CMOSの形成等のために成膜が繰り返し行われているため、信号読み出し回路基板11に歪が生じやすく、接合の際には歪を矯正するために加圧を行うことが好ましい。これに対し、信号読み出し回路基板11がフレキシブル配線基板を用いて構成されている場合には、歪を矯正するための加圧を省略できる。
【0038】
以上、実施形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【0039】
1:撮像素子
11:信号読み出し回路基板
13:結晶セレン膜
13a:第1アモルファスセレン膜
13b:第2アモルファスセレン膜
13c:接合体
15:透光性導電膜
21:酸化シリコン膜
22:ナノ構造体
22a:窒化シリコン膜
25:シリコン基板
31:支持基板
32:接着剤