JP4167443B2 - Solid-state image sensor - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、積層型固体撮像素子として機能する半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
２つの素子を厚さ方向に上下に配設して電気的に接続する方法として、半田バンプあるいは金属バンプを用いて加熱や圧着により接続する方法や、異方導電性接着材料を用いて加熱接着により接続する方法が知られている。これらの接続方法は、フリップチップボンディング技術等として広く実用化されている。
【０００３】
しかしながら、これらの接続方法は、それぞれ以下のような問題点がある。
【０００４】
半田バンプを用いた半田付けによる接続方法は、半田の融点まで加熱して接続するため、素子が加熱に耐え得るものでなければならない。また、装置の小型化、高度集積化を図るために、半田バンプが接続される素子の電極が狭いピッチで高密度に配設されていると、半田バンプが溶融したときに、溶融した半田バンプが隣接する半田バンプに接触し、あるいは隣接する電極に接触する等して電極間が短絡するおそれがある。このため、現状では、電極ピッチが２０μｍ程度以下の素子を接続することはきわめて難しい。
【０００５】
また、金属バンプを用いた圧着による接続方法は、加熱操作を伴う場合、半田バンプの場合と同様に、素子が加熱に耐え得るものでなければならない。また、圧着により素子に応力がかかるため、装置の性能を劣化させたり、素子を損傷するおそれがある。特に、金属バンプの高さにバラツキがある場合は、高さの高い金属バンプ付近に応力が集中し、上記の問題が一層顕著になる。また、金属バンプが潰れることによって接続が行われるため、素子の電極が狭いピッチで配設されていると、潰れたバンプが隣接する金属バンプや隣接する電極に接触する等して、電極間が短絡するおそれがあり、上記半田バンプを用いた場合と同様に、現状では、電極ピッチが２０μｍ程度以下の素子を接続することはきわめて難しい。
【０００６】
また、異方導電性接着材料を用いた接着による接続方法は、通常、接着剤を硬化温度まで加熱して硬化させるため、他の接続方法の場合と同様に、素子が加熱に耐え得るものでなければならない。また、素子の電極が狭いピッチで配設されていると、隣接する電極間で異方導電性接着材料に含まれる導電性フィラーが接触する等して、電極間が短絡するおそれがあり、上記他の接続方法の場合と同様に、現状では、電極ピッチが２０μｍ程度以下の素子を接続することはきわめて難しい。
【０００７】
また、上記の３つの接続方法のいずれにおいても、半田バンプ等の接続部は２つの素子を電気的に接続する役割とともに、２つの素子を構造的（機械的あるいは物理的）に接続する役割を有するため、２つの素子の電極間は強固に接続されている。このため、２つの素子の熱膨張量に差がある場合、環境温度の変動によって接続部に熱応力による歪みが発生し、装置の性能を劣化させたり、接続部を破壊したりするおそれがある。
【０００８】
以上のことをまとめると、従来の上記の３つの接続方法は、いずれも以下の４つの問題点を同時に解決することができない。
▲１▼加熱に耐えられない素子の使用が制約される
▲２▼接続時の応力により装置の性能が劣化したり素子が損傷するおそれがある
▲３▼狭いピッチで電極が配設された素子を接続することができない
▲４▼環境温度の変動による歪みに起因して装置の性能劣化や接続部の破壊を生じるおそれがある
ところで、上記した３つの接続方法のいずれかの方法により２つの素子を接続した半導体装置の例として、積層型固体撮像素子を挙げることができる。
【０００９】
積層型固体撮像素子は、第１の素子が半導体基板上に画素ごとに電荷蓄積部および電荷読み出し部等を備えた走査回路部であり、第２の素子が光電変換部である。積層型固体撮像素子は、接続部を介して走査回路部上に光電変換部を接続することによって形成される。
【００１０】
上記積層型固体撮像素子は、一般的なＣＣＤ等の撮像素子に比べ、光の利用効率を上げることができるいくつかの利点を有する。第１に、構造的に、開口率を高くできる。第２に、光電変換部の光電変換膜を非晶質セレンを主体とする材料で形成したときに高い光電変換利得を得ることができる。すなわち、光電変換膜に１．２×１０６Ｖ／ｃｍ以上の電界を印加して光電変換膜をアバランシェモードで動作させることにより、入射光によって生成された電荷以上の増倍した電荷を光電変換膜から取り出すことができ、高い感度と高いＳ／Ｎ比を得ることができる。
【００１１】
積層型固体撮像素子について、図１を参照して具体的に説明する。なお、図１は、積層型固体撮像素子の２画素分の部分断面図である。以下に説明する他の従来例および本発明についても、特に断らない限り、図１と同様に表示する。
【００１２】
積層型固体撮像素子１は、走査回路部２の上に画素ごとに形成したインジウムバンプ３により、走査回路部２と光電変換部４とが圧着により接続されている。
【００１３】
走査回路部２は、半導体基板６の上に、電荷蓄積部２ａ、電荷読み出し部２ｂおよびゲート電極２ｃからなるＭＯＳトランジスタが各画素単位に形成されている。電荷蓄積部２ａは、第１電極２ｄ、画素電極２ｅおよびインジウムバンプ３を通じて光電変換部４に電気的に接続されている。また、インジウムバンプ３は、走査回路部２と光電変換部４とを構造的に接続する役割も担っている。なお、図１中、参照符号２ｆは第２電極を示し、参照符号５ａ、５ｂ、５ｃは絶縁層を示す。
【００１４】
光電変換部４は、透明基板（透明面板）４ａの上に、透明電極４ｂを介して非晶質セレンを主体とする光電変換膜４ｃと、画素ごとに区切られた光電変換部側電極４ｄとを備える。光電変換部４は、一般に、電荷注入阻止層等を含む多層構造である（図示せず。）。
【００１５】
上記のように構成された積層型固体撮像素子１は、透明電極４ｂと半導体基板６との間に電圧を印加することにより、光電変換膜４ｃ中に電界を発生させた状態で動作する。すなわち、透明基板４ａと透明電極４ｂとを透過した入射光は、光電変換膜４ｃ中で電荷を励起する。励起された電荷は、光電変換膜４ｃ中に発生させた電界によって光電変換部側電極４ｄまで走行し、さらに、インジウムバンプ３、画素電極２ｅ、第１電極２ｄを通じて移動し電荷蓄積部２ａに蓄積される。電荷蓄積部２ａに蓄積された電荷は、ＭＯＳトランジスタのスイッチングにより電荷読み出し部２ｂに移動し、さらに第２電極２ｆを通じて電気信号として出力される（読み出される）。
【００１６】
上記の積層型固体撮像素子１は、まず、走査回路部２と光電変換部４とを独立して別々に作製し、その後、走査回路部２上にインジウムバンプ３を形成し、光電変換部４と圧着することにより、走査回路部２と光電変換部４とを接続して、作製される。
【００１７】
しかしながら、この走査回路部２および光電変換部４の上記の接続方法においても、前記した素子の接続方法と同様の、以下の４つの問題点がある。
▲１▼非晶質セレンを主体とする光電変換膜は、加熱条件下で取り扱われるとき、約４０℃以上で非晶質セレンの結晶化が起こり、光電変換膜としての機能が損なわれる
▲２▼非晶質セレンを主体とする光電変換膜は柔らかいため、圧着する際に損傷し易い
▲３▼圧着により接続部が潰れたときに、隣接する接続部等が接触し、隣り合う画素が短絡するおそれがある
▲４▼走査回路部および光電変換部は異種材料により形成され熱膨張率が異なるため、環境温度の変動により、装置の機能が損なわれ、また、接続部が破壊するおそれがある
上記積層型固体撮像素子１の場合、上記のうち、▲１▼の加熱に伴う問題点については、接続部として室温で圧着が可能なインジウムバンプを用い、圧着を室温で行うことにより解消される。また、▲２▼の光電変換膜の特性に伴う問題点についても、接続部として柔らかいインジウムバンプを用いることで軽減される。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記▲２▼の光電変換膜の特性に伴う問題点については、インジウムバンプの高さにバラツキがある場合、高さの高いインジウムバンプ付近に応力が集中するため、光電変換膜の損傷を解消することができない。
【００１９】
また、上記▲３▼の接続部の潰れおよび▲４▼の２つの素子の熱膨張率の差に伴う問題点については、いずれも解決されていない。
【００２０】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、（１）接続する素子材料の耐熱性上の制約がなく、（２）接続の際の応力や環境温度の変化に起因する熱応力による装置の機能の劣化や素子の損傷のおそれがなく、（３）隣り合う接続部が接触して隣り合う電極間の短絡を生じるおそれがなく、（４）環境温度の変動による装置の機能の劣化や接続部の破壊のおそれがない固体撮像素子を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体撮像素子は、半導体基板上に画素ごとに形成された、電荷蓄積部、電荷読み出し部、および該電荷蓄積部に接続される画素電極を備えてなる走査回路部よりなる第１の素子と、非晶質セレンを主体とする光電変換膜と、該光電変換膜に画素ごとに形成された光電変換部側電極とを有する光電変換部よりなる第２の素子と、を有し、前記第１の素子と第２の素子が厚さ方向に上下に配設され、前記第１の素子上に設けられた変形可能なマイクロスプリングによって、前記画素電極と前記光電部側電極とが画素ごとに電気的に接続されており、前記第１の素子の周縁部に接続層が形成され、前記光電変換部側電極は前記光電変換膜の下面に画素ごとに突出するように形成されるとともに、前記接続層の上面に前記光電変換膜の下面が密着されることで、前記マイクロスプリングが押下されて撓んだ状態になっていることを特徴とする。ここで、マイクロスプリングの変形する範囲は、弾性変形領域とともに、ある程度の復元力を発揮して本発明の効果を奏することができる塑性変形領域の一部を含む。
【００２２】
これにより、第１の素子および第２の素子を接続する際、接続部としてのマイクロスプリングが加熱処理を受けることがないため、従来の接続部の加熱処理に起因した、接続する素子材料の耐熱性上の制約がない。このため、光電変換膜の機能を十全に発揮することができる。
【００２３】
また、第１の素子および第２の素子は、マイクロスプリングによって電気的に接続（導通）が可能な程度に接触しているだけである。したがって、接続部に生じる応力は微小であり、応力による歪みはマイクロスプリングの変形によって吸収される。このため、接続箇所に生じる応力や環境温度の変動に起因する熱応力による装置の機能の劣化や素子の損傷のおそれがない。また、マイクロスプリングの高さ寸法にバラツキを生じ、接続時に高さの高いマイクロスプリングに相対的に大きな応力がかかったとしても、応力の大きさ自体がもともと微小であり、高さ寸法のバラツキはマイクロスプリングの変形により吸収されるため、接続部の高さ寸法のバラツキによって生じていた従来の光電変換膜の損傷の問題も解決される。
【００２４】
また、接続部としてのマイクロスプリングは、２つの素子を接続する際に溶融や潰れ等による大幅な変形を伴うことがなく、僅かに変形するに止まるように調製することができるため、隣り合う接続部が接触して隣り合う電極間の短絡を生じるおそれがない。このため、素子の電極を狭いピッチで配設することができ、装置の小型化、高度集積化を図ることができる。
【００２５】
なお、マイクロスプリングの高さ寸法にバラツキを生じたとしても、マイクロスプリングの変形の範囲内で第１の素子および第２の素子を電気的に確実に接続することができる。また、第１の素子および第２の素子の熱膨張率の違いにより、環境温度の変化に伴い第１の素子および第２の素子の電極が相対的にずれを生じたとしても、マイクロスプリングの接点が滑り、あるいは変形して電極の動きに追随するため、第１の素子および第２の素子の電気的な接続が保持される。
【００２６】
この場合、前記マイクロスプリングが溶断可能に設けられてなると、一方の素子からマイクロスプリングに過大な電流が流れこんだときに、マイクロスプリングが溶断することにより他方の素子を保護することができる。このような溶断可能なマイクロスプリングは、半導体装置の使用条件等に応じて設定される所定の過大電流が流れこんだときにマイクロスプリングが溶断する程度にマイクロスプリングの断面積を小さくし、あるいは低融点の材料を用いてマイクロスプリングを形成することで、実現することができる。
【００２７】
また、この場合、前記マイクロスプリングが高抵抗に形成されてなると、一方の素子からマイクロスプリングに過大な電流が流れこんだときに許容最大電流値内に制限することができ、これにより、他方の素子を保護することができる。このような高抵抗のマイクロスプリングは、半導体装置の使用条件等に応じて設定される所定の許容最大電流に制限できる程度の抵抗値を有するようにマイクロスプリングの電流の流れる断面積を小さく形成し、あるいは比抵抗の高い材料でマイクロスプリングを形成することで、実現することができる。
【００２８】
また、本発明に係る半導体装置において、マイクロスプリングとは別に、前記第１の素子および前記第２の素子の間に接続層が設けられ、該接続層によって該第１の素子および該第２の素子を構造的（機械的あるいは物理的）に接続してなると、接続層により第１の素子および第２の素子の構造的な接続が確保される。言い換えれば、接続層は、密着により第１の素子および第２の素子を接続するときの各素子の意図しない変形を防止するためのストッパ層として機能し、各素子を確実に接続する。
【００２９】
この場合、前記接続層が紫外線硬化型接着剤で形成されてなると、加熱処理を伴うことなく第１の素子および第２の素子の構造的な接続を行うことができ、上記した加熱処理に伴う従来の問題点を生じることがない。
【００３０】
また、この場合、前記接続層が成膜材料を成膜して形成されてなると、第１の素子および第２の素子を密着等させて構造的に接続するときに、加える荷重がばらついたり荷重の分布が不均一であっても、接続層の剛性の範囲内であって均一な厚みに形成した接続層と第２の素子との密着が保たれる範囲内であれば、第１の素子と第２の素子とを確実に平行に配設することができる。
【００３１】
ここで、成膜材料とは、樹脂、無機材料あるいは金属材料等であって、塗布あるいは蒸着等により所定の剛性を有して均一な厚みに形成できるものをいう。
【００３２】
また、前記第１の素子の周縁部に接続層が形成され、前記光電変換部側電極は前記光電変換膜の下面に画素ごとに突出するように形成されるとともに、前記接続層の上面に前記光電変換膜の下面が密着されることで、前記マイクロスプリングが押下されて撓んだ状態になっていると、マイクロイスプリングが前記光電変換部側電極の厚みの分だけ変形された状態で前記光電変換部側電極に接続される。このため、前記光電変換部側電極の厚みを調整することにより、マイクロイスプリングの変形量を正確に制御することができ、変形量が不十分なときに生じ得るマイクロイスプリングと前記光電変換部側電極との接触不良や変形量が過剰なときに生じ得るマイクロイスプリングの破壊等のおそれがなく、好適である。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る半導体装置およびその製造方法の好適な実施の形態（以下、本実施の形態例という。）について、半導体装置として走査回路部と光電変換膜とを予め別々に形成した後、電気的に接続するように接合する積層型固体撮像素子（以下、単に固体撮像素子という。）を例にとり、図を参照して、以下に説明する。
【００３８】
まず、本実施の形態の第１の例に係る固体撮像素子について、図２および図３を参照して説明する。
【００３９】
本実施の形態の第１の例に係る固体撮像素子１０は、図２に示すように、走査回路部（第１の素子）１２と、光電変換部（第２の素子）１４と、走査回路部１２および光電変換部１４を電気的に接続するためのマイクロスプリング１６と、図３（Ｃ）に示す接続層１８とを有する。
【００４０】
走査回路部１２は、図１に示す従来の積層型固体撮像素子１の走査回路部２と同様に構成されている。すなわち、走査回路部１２は、半導体基板２０の上に、電荷蓄積部２２、電荷読み出し部２４およびゲート電極２６からなるＭＯＳトランジスタが各画素単位に形成されている。電荷蓄積部２２は、第１電極２８を介して画素電極３０に接続されている。一方、電荷読み出し部２４は、出力線である第２電極３２に接続されている。なお、図２中、参照符号３４ａ、３４ｂ、３４ｃは絶縁層を示す。
【００４１】
光電変換部１４は、図１に示す従来の積層型固体撮像素子１の光電変換部４と同様に構成されている。すなわち、光電変換部１４は、透明基板（透明面板）３６に例えばＩＴＯ薄膜等からなる透明電極３８を介して光電変換膜４０が形成され、さらに、光電変換部側電極４２が画素ごとに形成されている。なお、光電変換膜４０は従来例で説明したように、好ましくは電荷注入層を含む多層構造であり、例えば、酸化セリウム、非晶質セレンおよび三硫化アンチモンの３層構造に形成される（図示せず。）。
【００４２】
マイクロスプリング１６は、金属などの導電性材料により、走査回路部の画素電極３０の上に形成される。マイクロスプリング１６は、図２中上方に凸に湾曲した舌片状に形成され、下部が画素電極３０に固着されるとともに、圧縮された状態で上部が光電変換部側電極４２と接触している。マイクロスプリング１６は、従来例のバンプのような走査回路部１２および光電変換部１４を構造的に接続する役割は有していない。
【００４３】
接続層１８は、例えば紫外線硬化型の接着剤を材料として、走査回路部１２および光電変換部１４の周縁部を構造的に接続するように形成される。
【００４４】
上記のように構成される本実施の形態の第１の例に係る固体撮像素子１０の製造方法について、以下説明する。
【００４５】
走査回路部１２は、一般的な半導体集積回路プロセスにより、容易に作製することができる。作製方法の詳細は省略する。
【００４６】
光電変換部１４は、従来の積層型固体撮像素子と同様に、一般的な真空蒸着法やスパッタ法等により、透明基板３６上に、順次、透明電極３８、光電変換膜４０および光電変換部側電極４２を形成することで作製することができる。
【００４７】
ここで、マイクロスプリング１６の作製方法ならびに接続層１８を用いた走査回路部１２および光電変換部１４の接続方法について説明する。
【００４８】
まず、図３を参照して、走査回路部１２および光電変換部１４の接続方法から先に説明する。なお、図３では、走査回路部１２のＭＯＳトランジスタ等の一部の部材については図示を省いている。
【００４９】
前記の方法によって予め独立して作製された光電変換部１４を準備する（図３（Ａ））。
【００５０】
一方、同じく予め独立して作製された走査回路部１２を準備する（図３（Ｂ））。マイクロスプリング１６は、外力が作用していない図３（Ｂ）の状態において、頂部までの高さ寸法としてＨ１の寸法を有する。
【００５１】
走査回路部１２の周縁部に紫外線硬化型接着剤１８ａを塗布する（図３（Ｂ）参照）。そして、図示しないフリップチップボンダ等の装置を用いて走査回路部１２および光電変換部１４を厚み方向に上下に平行に重ね、全体に均一な荷重を加え、室温で紫外線硬化型接着剤を硬化させて、走査回路部１２および光電変換部１４の間に所定の厚みになるように接続層１８を形成する。これにより、走査回路部１２および光電変換部１４が接続される（図３（Ｃ））。この場合、接続層１８の厚み（高さ）を大きくする必要があるときは、適当なスペーサを併用してもよい。接着剤として室温で硬化するものを用いているため、加熱処理を伴うことなく接続することができ、走査回路部１２および光電変換部１４のそれぞれを構成する各部材が熱に曝されることがない。なお、必要に応じて紫外線硬化型以外の適宜の接着剤を用いることもできる。
【００５２】
接続状態において、マイクロスプリング１６は圧縮されて変形し、頂部までの高さ寸法がＨ２に変化している。このときの接続によるマイクロスプリング１６の変形量（Ｈ１−Ｈ２）は、マイクロスプリング１６の高さ寸法にバラツキがあるときの最も高さの低いマイクロスプリング１６が復元力によって光電変換部側電極４２に確実に当接する程度に変形し、一方、最も高さが高いマイクロスプリング１６が変形の限界を超えて破壊しない程度に、さらにまた、走査回路部１２、光電変換部１４およびマイクロスプリング１６の熱膨張率の違いにより、環境温度が変化したときに光電変換部側電極４２と画素電極３０が相対的に位置ずれを起こした場合にも、マイクロスプリング１６が追随して変形する余裕を持った状態の変形量に調製する。マイクロスプリング１６の高さ寸法Ｈ１は、例えば、５μｍ程度であり、高さ寸法Ｈ２は、例えば、４．５μｍ程度である。
【００５３】
つぎに、マイクロスプリング１６の作製方法について、図４を参照して説明する。なお、図４では、走査回路部１２のＭＯＳトランジスタ等の一部の部材については図示を省いている。
【００５４】
まず、感光性ポリイミド等の感光性樹脂を用い、例えばフォトリソグラフィ法により、走査回路部１２の画素電極３０の上に、画素電極３０の周縁を露出させた状態で、第１の犠牲層４４を形成する（図４（Ａ））。このとき、第１の犠牲層４４は、図４（Ａ）に示すように半割り円筒に近い形で形成することが好ましいが、これに限らず、段差状に上方に突出し、あるいは断面が矩形状であってもよい。第１の犠牲層４４を前者のように半割り円筒に近い形で形成するには、フォトリソグラフィ時の露光量を調節すればよい。
【００５５】
つぎに、例えばフォトレジストを用い、例えばフォトリソグラフィ法により、第１の犠牲層４４を略露出させた状態で、第１の犠牲層４４の周囲の半導体基板２０上に第２の犠牲層４６を形成する（図４（Ｂ））。このとき、第１の犠牲層４４の一側（図４（Ｂ）中矢印Ｘ１で示す。）を第２の犠牲層４６で覆うとともに、対向する一側（図４（Ｂ）中矢印Ｘ２で示す。）の第１の犠牲層４４を第２の犠牲層４６から露出させておく。また、この後の工程で第２の犠牲層４６をリフトオフして容易に除去できるように、第２の犠牲層４６は、断面形状が下方に向けて幅狭なテーパ状に形成することが望ましい。
【００５６】
つぎに、真空蒸着法やスパッタ法等により、マイクロスプリング１６の材料である金属１６ａを、第２の犠牲層４６ならびに第１の犠牲層４４および画素電極３０の露出部分の上に堆積する（図４（Ｃ））。なお、金属１６ａは、チタン、クロム、金等の金属を単独で堆積してもよく、また、これらの金属を積層して堆積してもよい。
【００５７】
つぎに、ウエット法等により、堆積した金属１６ａごと第２の犠牲層４６をリフトオフして取り除く（図４（Ｄ））。
【００５８】
最後に、プラズマアッシング法等により、第１の犠牲層４４を除去することで、画素電極３０に一端が固着され、舌片状に屈曲して上方に突出したマイクロスプリング１６が完成する（図４（Ｅ））。
【００５９】
上記のように構成された本実施の形態例に係る固体撮像素子１０の作用は、基本的には従来例の積層型固体撮像素子１と同様である。透明基板３６を介して透明電極３８を透過した入射光によって光電変換膜４０の中に電荷が発生し、透明電極３８に電圧を印加することにより光電変換膜４０中に生じた電界によって電荷が光電変換用電極４２まで走行する。さらに、マイクロスプリング１６、画素電極３０、第１電極２８を介して電荷蓄積部２２まで移動し、電荷蓄積部２２に電荷が蓄積される。電荷蓄積部２２に蓄積された電荷は、ＭＯＳトランジスタのスイッチングにより電荷読み出し部２４に移動し、さらに第２電極３２を介して電気信号として出力される（読み出される）。
【００６０】
本実施の形態例に係る固体撮像素子１０は、走査回路部１２および光電変換部１４を接続する際、接続部としてのマイクロスプリング１６が加熱処理を受けることがないため、従来の接続部の加熱処理に起因した、接続する走査回路部１２および光電変換部１４の材料の耐熱性上の制約がない。このため、非晶質セレンを主体とする光電変換膜４０の機能を十全に発揮することができる。
【００６１】
また、走査回路部１２および光電変換部１４が、マイクロスプリング１６によって電気的に接続可能な程度に接触しているだけであるため、接続箇所の応力による固体撮像素子１０の機能の劣化や走査回路部１２および光電変換部１４の損傷のおそれがなく、また、環境温度の変動による固体撮像素子１０の機能の劣化や走査回路部１２および光電変換部１４の損傷のおそれもない。さらにまた、マイクロスプリング１６の高さ寸法にバラツキを生じ、接続時に高さの高いマイクロスプリング１６の部分に相対的に大きな応力がかかったとしても、応力の大きさ自体が微小であり、マイクロスプリング１６の高さ寸法のバラツキはマイクロスプリング１６の変形により吸収されるため、接続部の高さ寸法のバラツキによって生じていた従来の光電変換膜の損傷の問題が一層軽減される。
【００６２】
また、接続部としてのマイクロスプリング１６が走査回路部１２および光電変換部１４を接続する際に溶融や潰れ等による大幅な変形を伴うことがなく、僅かに変形するに止まるように形成することができるため、隣り合う接続部としてのマイクロスプリング１６が接触して隣り合う電極間の短絡を生じるおそれがない。このため、走査回路部１２の画素電極３０および光電変換部１４の光電変換部側電極４２を狭いピッチで配設することができ、固体撮像素子１０の小型化、高度集積化（高精細化）を図ることができる。
【００６３】
また、接続層１８により、加熱処理を伴うことなく走査回路部１２および光電変換部１４が構造的に接続されているため、上記した加熱処理に伴う従来の問題点を生じることがない。
【００６４】
なお、マイクロスプリング１６の高さ寸法にバラツキを生じたとしても、マイクロスプリング１６の変形の範囲内で走査回路部１２および光電変換部１４を電気的に確実に接続することができる。また、環境温度の変化に伴い、走査回路部１２および光電変換部１４の熱膨張率の違いにより画素電極３０と光電変換部側電極４２が相対的にずれを生じたとしても、マイクロスプリング１６の接点が滑り、あるいは変形して追随するため、走査回路部１２および光電変換部１４の電気的な接続が保持される。
【００６５】
つぎに、本実施の形態の第１の例に係る固体撮像素子１０において、マイクロスプリング１６が溶断可能に設けられると、光電変換部１４からマイクロスプリング１６に過大な電流が流れこんだときに、マイクロスプリング１６が溶断することにより、走査回路部１２を保護することができる。このような溶断可能なマイクロスプリング１６は、固体撮像素子１０の使用条件等に応じて設定される所定の過大電流が流れこんだときにマイクロスプリング１６が溶断する程度にマイクロスプリング１６の断面積を小さくし、あるいは低融点の材料を用いてマイクロスプリング１６を形成することで、実現することができる。
【００６６】
また、本実施の形態の第１の例に係る固体撮像素子１０において、マイクロスプリング１６が高抵抗に形成されると、光電変換部１４からマイクロスプリング１６に過大な電流が流れこんだときに許容最大電流値内に制限することができ、これにより、走査回路部１２を保護することができる。このような高抵抗のマイクロスプリング１６は、固体撮像素子１０の使用条件等に応じて設定される所定の許容最大電流に制限できる程度の抵抗値を有するようにマイクロスプリング１６の電流の流れる断面積を小さく形成し、あるいは比抵抗の高い材料でマイクロスプリング１６を形成することで、実現することができる。
【００６７】
つぎに、マイクロスプリング１６の変形例について、図５、図６を参照して説明する。
【００６８】
第１の変形例に係るマイクロスプリング４６は、図５に示すように、半割り円筒に近い形状に形成され、両側が画素電極３０に固着されている。この構造では、マイクロスプリング４６は両側で画素電極３０に固着されているため、マイクロスプリング１６に比べて画素電極３０との接続の信頼性がより高い。
【００６９】
第２の変形例に係るマイクロスプリング４８は、図６に示すように、湾曲した２足を有するテーブル状に形成され、天地逆にして２足を上方に向けて画素電極３０に固着されている。この構造では、マイクロスプリング４８は、光電変換部側電極４２との接点を２つ有するため、マイクロスプリング１６に比べて光電変換部側電極４２との接続の信頼性がより高い。
【００７０】
上記第１の変形例に係るマイクロスプリング４６および第２の変形例に係るマイクロスプリング４８は、本実施の形態の第１の例に係るマイクロスプリング１６と同様の方法によって作製することができる。
【００７１】
なお、本発明のマイクロスプリングは、その機能を損なわない範囲で上記マイクロスプリング１６、４６、４８以外の自由な形状とすることができる。
【００７２】
つぎに、本実施の形態の第２の例に係る固体撮像素子およびその製造方法について、図７および図８を参照して説明する。
【００７３】
本実施の形態の第２の例に係る固体撮像素子は、接続層の構成が本実施の形態の第１の例の接続層１８と異なる点を除くと、本実施の形態の第１の例に係る固体撮像素子１０と同じ構成を有し、基本的に同じ作用を奏する。そのため、以下の説明において、本実施の形態の第１および第２の例の固体撮像素子の同一の構成要素については同一の参照符号を付すとともに、特に説明を加えるものを除き重複する説明を省く。なお、以下の他の実施例についても同様である。
【００７４】
まず、本実施の形態の第２の例に係る固体撮像素子について、図７の走査回路部と光電変換部との接続方法の手順に沿って説明する。
【００７５】
まず、予め独立して作製された光電変換部１４を準備する（図７（Ａ））。
【００７６】
光電変換部１４は、両面が平面に研磨された光学ガラス等で作製された透明基板３６上に、透明電極３８および光電変換膜４０が順次真空蒸着法やスパッタ法等により形成され、さらに光電変換部側電極４２が真空蒸着法等により光電変換膜４０上に厚みＴ１だけ突設して形成されている。このため、光電変換部１４の下面、言い換えれば光電変換膜４０の下面４０ａは平面性よく作製されている。また、同様に、光電変換部側電極４２は厚みＴ１が０．１〜１μｍ程度に制御性よく形成されている。
【００７７】
一方、同じく予め独立して作製された走査回路部（第１の素子）５０を準備する（図７（Ｂ））。
【００７８】
走査回路部５０は、画素電極３０の上にマイクロスプリング１６が形成されるとともに、周縁部に接続層５２が形成されている。
【００７９】
接続層５２は、例えばポリイミド等の感光性樹脂を材料として半導体基板２０の周縁部の上に形成された第１層（下層）５４と、前記したチタン等の金属を材料として第１層５４の上に形成された、厚みの薄い第２層５６とで構成される。第１層５４および第２層５６はそれぞれ均一な厚みで形成されており、このため接続層５２の上面（第２層の上面５６ａ）は平面性がよく、また、接続層５２は所定の剛性を持って形成されている。
【００８０】
接続層５２は、第２層５６の上面５６ａがマイクロスプリング１６の上端と、図７（Ｂ）中、Ｓ−Ｓ´で示す同一平面上に形成される。
【００８１】
走査回路部５０および光電変換部１４を厚み方向に上下に重ね、走査回路部５０上に形成した接続層５２に光電変換部１４の光電変換膜４０を密着させる。この状態で、光電変換部１４の周縁部分と接続層５２とに例えば紫外線硬化型接着剤５８を塗布し、室温で紫外線硬化型接着剤５８を接着、硬化させて、走査回路部５０および光電変換部１４を固定する。
【００８２】
このとき、接続層５２に光電変換部１４の光電変換膜４０を密着させた際に、光電変換部側電極４２によってマイクロスプリング１６が押下され、マイクロスプリング１６は光電変換部側電極４２の厚みＴ１の分だけ図７（Ｃ）中下方に撓んで変形した状態となる。
【００８３】
これにより、本実施の形態の第２の例に係る固体撮像素子６０が完成する（図７（Ｃ））。
【００８４】
本実施の形態の第２の例に係る固体撮像素子６０は、接続層５２の上面（第２層５６の上面５６ａ）が平面性よく形成されており、また、真空蒸着法等により形成した光電変換部１４の下面（光電変換膜４０の下面４０ａ）も平面性よく形成されているので、接続層５２に光電変換部１４の光電変換膜４０を密着させただけで、走査回路部５０および光電変換部１４を確実に平行に配設することができる。このため、高精度のフリップチップボンダ等の特別の装置を使用する必要がない。また、走査回路部５０および光電変換部１４を接続するために加える荷重がばらついたり荷重の分布が不均一になったとしても、光電変換部４０の下面および接続層５２の上面の密着性が保たれる限り、言い換えれば接続層５２の剛性が維持され、接続層５２が変形しない限り、走査回路部５０および光電変換部１４は平行に保持される。
【００８５】
また、固体撮像素子６０は、接続層５２に光電変換部１４の光電変換膜４０を密着させた状態で走査回路部５０および光電変換部１４が接続されるため、光電変換部側電極４２の厚みＴ１を制御することによりマイクロスプリング１６に加わる力が過不足のないように制御することができ、光電変換部側電極４２とマイクロスプリング１６との電気的接続の不良や、マイクロスプリング１６の破壊等を招くことがない。さらに、接続層５２の第２層５６の上面５６ａがマイクロスプリング１６の上端と同一平面上に形成されているため、接続層５２に光電変換部１４の光電変換膜４０を密着させただけで、マイクロスプリング１６を所定量正確に変形させることができる。
【００８６】
つぎに、本実施の形態の第２の例に係る固体撮像素子６０のマイクロスプリング１６および接続層５２の作製方法について、図８を参照して説明する。なお、図８では、走査回路部５０のＭＯＳトランジスタ等の一部の部材については図示を省いている。
【００８７】
本実施の形態の第２の例に係る固体撮像素子６０のマイクロスプリング１６および接続層５２の作製方法は、基本的には、前記した本実施の形態の第１の例に係る固体撮像素子１０のマイクロスプリング１６の作製方法をそのまま用いることができる。
【００８８】
まず、感光性ポリイミド等の感光性樹脂を用い、例えばスピンコーティング法等により塗布して、走査回路部５０上の全面に３〜１０μｍ程度の厚みの樹脂膜６２を成膜する（図８（Ａ））。このとき、走査回路部５０の表面には画素電極３０をはじめ半導体プロセスに起因する凹凸があるが、スピンコーティング法等により上記の厚みに塗布することにより、樹脂膜６２の表面は略平坦な面に形成される。
【００８９】
つぎに、フォトリソグラフィ法により、樹脂膜６２をパターニングし、マイクロスプリング形成箇所に第１の犠牲層６４を、また、マイクロスプリング形成箇所の外周の接続層形成箇所に第１層相当部５４ａを、それぞれ形成する（図８（Ｂ））。このとき、パターニング前の樹脂膜６２の表面が平坦であるため、第１の犠牲層６４の上端と第１層相当部５４ａの上面とは、図８（Ｂ）中Ｓ１−Ｓ１´で示す同一平面上に形成される。
【００９０】
つぎに、フォトレジストを用い、フォトリソグラフィ法により、樹脂膜６６を形成する（図８（Ｃ））。樹脂膜６６は、マイクロスプリング形成箇所および接続層形成箇所を開口しておくとともに、リフトオフを行うのに適するように断面形状が下方に向けて幅狭なテーパ状に形成しておく。
【００９１】
つぎに、真空蒸着法やスパッタ法等により、マイクロスプリング１６の材料である金属１６ａを、樹脂膜６６、第１の犠牲層６４および第１層相当部５４ａの上に均一な厚みに堆積する（図８（Ｄ））。なお、金属１６ａは、チタン、クロム、金等の金属を単独で堆積してもよく、また、これらの金属を積層して堆積してもよい。
【００９２】
つぎに、ウエット法等により、堆積した金属１６ａごと樹脂膜６６をリフトオフして取り除く（図８（Ｅ））。
【００９３】
最後に、プラズマアッシング法等により、第１の犠牲層６４を除去することで、マイクロスプリング１６および第１層５４および第２層５６からなる接続層５２を備えた走査回路部５０が完成する（図４（Ｆ））。マイクロスプリング１６の上端と接続層の上面とは、図８（Ｆ）中Ｓ２−Ｓ２´で示す同一平面上に形成される。このとき、第１層５４の側面５４ｂがオーバーエッチングされるが機能的には問題を生じない。
【００９４】
上記のマイクロスプリング１６および接続層５２の作製方法は、接続層５２を形成するための特別の工程を付加することなくマイクロスプリング１６の作製と同時に接続層５２を作製することができ、マイクロスプリング１６の上端と接続層５２の上面とを容易にかつ確実に同一平面上に形成することができる。
【００９５】
つぎに、固体撮像素子６０の変形例について、図９を参照して説明する。
【００９６】
固体撮像素子６８は、図９に示すように、透明電極７０および光電変換膜７２が接続層７４の内側の領域に形成され、接続層７４が透明基板３６に直接接する構造となっている点が固体撮像素子６０と異なる。
【００９７】
上記のように構成した固体撮像素子６８は、透明電極７０が接続層７４にかからない（覆わない）ので、透明電極７０に高電圧を印加した場合であっても接続層７４が絶縁破壊を起こすおそれがない。
【００９８】
以上、本実施の形態の第２の例およびその変形例について説明したが、本実施の形態の第２の例およびその変形例に係る固体撮像素子の接続層は、各実施例のように電気的接続部としてのマイクロスプリングと組み合わせるのみでなく、電気的接続部としての従来のマイクロバンプと組み合わせてもよい。
【００９９】
マイクロバンプと接続層を組み合わせた固体撮像素子の参考例について、図１０を参照して説明する。
【０１００】
走査回路部１００に形成されたマイクロバンプ１０２は、ポリイミド樹脂を心材１０４ａとし、表面は金属層１０６ａで覆われている。一方、接続層１０８も、マイクロバンプ１０２と同様に、ポリイミド樹脂で形成した第１層１０４ｂおよび金属層からなる第２層１０６ｂにより構成されている（図１０（Ａ））。この場合、心材１０４ａおよび第１層１０４ｂはそれぞれの表面が同一平面上に形成され、さらに金属層１０６ａおよび第２層１０６ｂが同一の厚みで、それぞれの表面が同一平面上に形成される。これらマイクロバンプ１０２および接続層１０８は、本実施の形態の第２の例と略同様の作製手順で形成される。すなわち、マイクロバンプ１０２の心材１０４ａとなる樹脂層の開口部を変更するとともにマイクロスプリングの第１犠牲層を除去する工程を省略する点のみが本実施の形態の第２の例と異なる。
【０１０１】
そして、本実施の形態の第２の例と同様の方法により、走査回路部１００の上に光電変換部１４を重ねて、接続し、固定して、固体撮像素子１１０が完成する（図１０（Ｂ））。
【０１０２】
上記参考例においても、接続層１０８の効果が発揮され、マイクロバンプ１０２の変形量を一定に制御することができる。
【０１０３】
【発明の効果】
本発明に係る半導体装置によれば、第１の素子および第２の素子を厚さ方向に上下に配設して電気的に接続してなる半導体装置であって、第１の素子上に変形可能なマイクロスプリングが設けられ、マイクロスプリングによって第１の素子および第２の素子を電気的に接続してなるため、従来の接続部の加熱処理に起因した接続する素子材料の耐熱性上の制約がない。また、接続箇所の応力による装置の機能の劣化や素子の損傷のおそれがなく、さらにまた、環境温度の変動による装置の機能の劣化や素子の損傷のおそれもない。またさらに、接続部の高さ寸法のバラツキによって生じていた従来の光電変換膜の損傷の問題が一層軽減される。さらに、隣り合う接続部が接触して隣り合う電極間の短絡を生じるおそれがない。このため、素子の電極を狭いピッチで配設することができ、装置の小型化、高度集積化を図ることができる。
【０１０４】
また、本発明に係る半導体装置によれば、マイクロスプリングが溶断可能に設けられてなるため、一方の素子からマイクロスプリングに過大な電流が流れこんだときに、他方の素子を保護することができる。
【０１０５】
また、本発明に係る半導体装置によれば、マイクロスプリングが高抵抗に形成されてなるため、一方の素子からマイクロスプリングに過大な電流が流れこんだときに他方の素子を保護することができる。
【０１０６】
また、本発明に係る半導体装置によれば、第１の素子および第２の素子の間に接続層が設けられ、接続層によって第１の素子および第２の素子を構造的に接続してなるため、接続層により第１の素子および第２の素子の構造的な接続が確保される。
【０１０７】
また、本発明に係る半導体装置によれば、接続層が紫外線硬化型接着剤で形成されたものであるため、加熱処理を伴うことなく第１の素子および第２の素子の構造的な接続を行うことができ、加熱処理に伴う従来の問題点を生じることがない。
【０１０８】
また、本発明に係る半導体装置によれば、接続層が成膜材料を成膜して形成されたものであるため、第１の素子および第２の素子を密着させて構造的に接続するときに加える荷重がばらついたりあるいは荷重の分布が不均一であっても、接続層の剛性の範囲内であって均一な厚みに形成した接続層と第２の素子との密着が保たれる範囲内であれば、第１の素子と第２の素子とを確実に平行に配設することができる。
【０１０９】
また、本発明に係る半導体装置によれば、第２の素子の下面に突出して電極が形成され、接続層の上面とマイクロスプリングの上端とが同一平面上に形成され、第２の素子の下面および接続層の上面が密着されて配設されることにより電極が該マイクロスプリングの上端に接するように配設されてなるため、電極の厚みを調整することにより、マイクロイスプリングの変形量を正確に制御することができ、変形量が不十分なときに生じ得るマイクロイスプリングと電極との接触不良や変形量が過剰なときに生じ得るマイクロイスプリングの破壊等のおそれがない。
【０１１０】
また、本発明に係る半導体装置によれば、第１の素子が、半導体基板上に画素ごとに電荷蓄積部、電荷読み出し部を備えてなる走査回路部であり、第２の素子が、光電変換部であり、走査回路部および光電変換部を電気的に接続することにより固体撮像素子として機能するものであるため、上記の本発明の効果を好適に得ることができる。
【０１１１】
また、本発明に係る半導体装置によれば、光電変換部が非晶質セレンを主体とする光電変換膜を有するため、光電変換膜の機能を十全に発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の積層型固体撮像素子の２画素分の断面図である。
【図２】 本実施の形態の第１の例に係る積層型固体撮像素子の２画素分の断面図である。
【図３】 走査回路部と光電変換部とを接続して本実施の形態の第１の例に係る積層型固体撮像素子を作製するときの接続方法を説明するためのものであり、（Ａ）は準備した光電変換部を示す図であり、（Ｂ）は準備した走査回路部を示す図であり、（Ｃ）は接続層を介して走査回路部と光電変換部とを接続した状態を示す図である。
【図４】 本実施の形態の第１の例に係る積層型固体撮像素子のマイクロスプリングの作製方法を説明するためのものであり、（Ａ）は第１の犠牲層を形成した状態を示す図であり、（Ｂ）は第２の犠牲層を形成した状態を示す図であり、（Ｃ）は金属を成膜した状態を示す図であり、（Ｄ）は第２の犠牲層を除去した状態を示す図であり、（Ｅ）は第１の犠牲層を除去してマイクロスプリングを完成した状態を示す図である。
【図５】 本実施の形態の第１の例に係る積層型固体撮像素子のマイクロスプリングの第１の変形例を示す図である。
【図６】 本実施の形態の第１の例に係る積層型固体撮像素子のマイクロスプリングの第２の変形例を示す図である。
【図７】 走査回路部と光電変換部とを接続して本実施の形態の第２の例に係る積層型固体撮像素子を作製するときの接続方法を説明するためのものであり、（Ａ）は準備した光電変換部を示す図であり、（Ｂ）は準備した走査回路部を示す図であり、（Ｃ）は接続層を介して走査回路部と光電変換部とを接続した状態を示す図である。
【図８】 本実施の形態の第２の例に係る積層型固体撮像素子のマイクロスプリングおよび接続層の作製方法を説明するためのものであり、（Ａ）はマイクロスプリングの第１の犠牲層および接続層の第１層のもととなる樹脂層を形成した状態を示す図であり、（Ｂ）は第１の犠牲層および第１層を形成した状態を示す図であり、（Ｃ）はマイクロスプリングの第２の犠牲層および接続層の第２層のもととなる樹脂層を形成した状態を示す図であり、（Ｄ）は金属を成膜した状態を示す図であり、（Ｅ）は第２の犠牲層を除去した状態を示す図であり、（Ｆ）は第１の犠牲層を除去してマイクロスプリングおよび接続層を完成した状態を示す図である。
【図９】 本実施の形態の第２の例に係る積層型固体撮像素子の変形例を示す図である。
【図１０】 本実施の形態の第２の例の接続層を用いた参考例の積層型固体撮像素子を説明するためのものであり、（Ａ）はマイクロバンプおよび接続層が形成された走査回路部を示す図であり、（Ｂ）は完成した参考例の積層型固体撮像素子を示す図である。
【符号の説明】
１０、６０、６８ 固体撮像素子
１２、５０ 走査回路部
１４ 光電変換部
１６、４６、４８ マイクロスプリング
１６ａ 金属
１８、５２、７４ 接続層
１８ａ、５８ 紫外線硬化型接着剤
２０ 半導体基板
２２ 電荷蓄積部
２４ 電荷読み出し部
２６ ゲート電極
２８ 第１電極
３０ 画素電極
３２ 第２電極
３６ 透明基板
３８、７０ 透明電極
４０、７２ 光電変換膜
４２ 光電変換部側電極
４４、６４ 第１の犠牲層
４６ 第２の犠牲層
５４ 第１層
５４ａ 第１層相当部
５６ 第２層
６２、６６ 樹脂膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device that functions as a stacked solid-state imaging device and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
As a method of electrically connecting two elements vertically in the thickness direction, they can be connected by heating or pressure bonding using solder bumps or metal bumps, or heat bonded using anisotropic conductive adhesive material. The method of connecting by is known. These connection methods have been widely put into practical use as flip chip bonding technology and the like.
[0003]
However, these connection methods have the following problems.
[0004]
Since the connection method by soldering using the solder bump is performed by heating to the melting point of the solder, the element must be able to withstand the heating. Also, if the electrodes of the elements to which the solder bumps are connected are arranged at a high density with a narrow pitch in order to reduce the size and highly integrate the device, when the solder bumps melt, May come into contact with adjacent solder bumps, or may contact with adjacent electrodes, causing a short circuit between the electrodes. Therefore, at present, it is extremely difficult to connect elements having an electrode pitch of about 20 μm or less.
[0005]
Moreover, the connection method by the crimping | compression-bonding using a metal bump must be able to endure an element like a solder bump, when a heating operation is accompanied. In addition, since stress is applied to the element by pressure bonding, the performance of the apparatus may be deteriorated or the element may be damaged. In particular, when there are variations in the height of the metal bumps, stress concentrates in the vicinity of the metal bumps with a high height, and the above problem becomes more prominent. In addition, since the connection is made by collapsing the metal bumps, if the electrodes of the element are arranged at a narrow pitch, the crushed bumps contact the adjacent metal bumps or adjacent electrodes, etc. There is a risk of short-circuiting, and it is extremely difficult to connect elements having an electrode pitch of about 20 μm or less under the present circumstances as in the case of using the solder bump.
[0006]
In addition, since the connection method by bonding using an anisotropic conductive adhesive material is usually cured by heating the adhesive to the curing temperature, the element can withstand heating as in the case of other connection methods. There must be. In addition, when the electrodes of the element are arranged at a narrow pitch, there is a possibility that the conductive filler contained in the anisotropic conductive adhesive material contacts between adjacent electrodes, and the electrodes may be short-circuited. As in the case of other connection methods, at present, it is extremely difficult to connect elements having an electrode pitch of about 20 μm or less.
[0007]
In any of the above three connection methods, the connection portion such as a solder bump has a role of electrically connecting the two elements and a role of structurally (mechanically or physically) connecting the two elements. Therefore, the electrodes of the two elements are firmly connected. For this reason, when there is a difference in the amount of thermal expansion between the two elements, distortion due to thermal stress occurs in the connection part due to fluctuations in the environmental temperature, which may deteriorate the performance of the device or destroy the connection part. .
[0008]
To summarize the above, none of the above-described conventional three connection methods can simultaneously solve the following four problems.
(1) Use of elements that cannot withstand heating is restricted
(2) The device performance may be degraded or the device may be damaged due to stress at the time of connection.
(3) Elements with electrodes arranged at a narrow pitch cannot be connected
(4) There is a possibility of causing performance deterioration of the device or destruction of the connection part due to distortion due to fluctuation of the environmental temperature.
Incidentally, as an example of a semiconductor device in which two elements are connected by any one of the three connection methods described above, a stacked solid-state imaging element can be cited.
[0009]
In the stacked solid-state imaging device, a first element is a scanning circuit unit including a charge storage unit and a charge readout unit for each pixel on a semiconductor substrate, and a second element is a photoelectric conversion unit. A stacked solid-state imaging device is formed by connecting a photoelectric conversion unit on a scanning circuit unit via a connection unit.
[0010]
The stacked solid-state imaging device has several advantages that can increase the light use efficiency as compared with a general imaging device such as a CCD. First, the aperture ratio can be increased structurally. Second, a high photoelectric conversion gain can be obtained when the photoelectric conversion film of the photoelectric conversion portion is formed of a material mainly composed of amorphous selenium. That is, 1.2 × 10 6 is applied to the photoelectric conversion film. 6 By applying an electric field of V / cm or more and operating the photoelectric conversion film in the avalanche mode, it is possible to take out a charge more than the charge generated by the incident light from the photoelectric conversion film, and to achieve high sensitivity and high S / N ratio can be obtained.
[0011]
The stacked solid-state imaging device will be specifically described with reference to FIG. FIG. 1 is a partial cross-sectional view of two pixels of a stacked solid-state imaging device. Other conventional examples and the present invention described below are displayed in the same manner as in FIG. 1 unless otherwise specified.
[0012]
In the multilayer solid-state imaging device 1, the scanning circuit unit 2 and the photoelectric conversion unit 4 are connected by pressure bonding by indium bumps 3 formed on the scanning circuit unit 2 for each pixel.
[0013]
In the scanning circuit unit 2, a MOS transistor including a charge storage unit 2a, a charge readout unit 2b, and a gate electrode 2c is formed on a semiconductor substrate 6 for each pixel. The charge storage unit 2 a is electrically connected to the photoelectric conversion unit 4 through the first electrode 2 d, the pixel electrode 2 e, and the indium bump 3. The indium bump 3 also plays a role of structurally connecting the scanning circuit unit 2 and the photoelectric conversion unit 4. In FIG. 1, reference numeral 2f indicates a second electrode, and reference numerals 5a, 5b, and 5c indicate insulating layers.
[0014]
The photoelectric conversion unit 4 includes, on a transparent substrate (transparent surface plate) 4a, a photoelectric conversion film 4c mainly composed of amorphous selenium via a transparent electrode 4b, and a photoelectric conversion unit side electrode 4d divided for each pixel. Is provided. The photoelectric conversion unit 4 generally has a multilayer structure including a charge injection blocking layer and the like (not shown).
[0015]
The stacked solid-state imaging device 1 configured as described above operates in a state where an electric field is generated in the photoelectric conversion film 4c by applying a voltage between the transparent electrode 4b and the semiconductor substrate 6. That is, the incident light transmitted through the transparent substrate 4a and the transparent electrode 4b excites charges in the photoelectric conversion film 4c. The excited charge travels to the photoelectric conversion unit side electrode 4d by the electric field generated in the photoelectric conversion film 4c, and further moves through the indium bump 3, the pixel electrode 2e, and the first electrode 2d and accumulates in the charge storage unit 2a. Is done. The charge accumulated in the charge accumulation unit 2a moves to the charge readout unit 2b by switching of the MOS transistor, and is output (read out) as an electric signal through the second electrode 2f.
[0016]
In the stacked solid-state imaging device 1, first, the scanning circuit unit 2 and the photoelectric conversion unit 4 are independently manufactured separately, and then the indium bump 3 is formed on the scanning circuit unit 2, and the photoelectric conversion unit 4. The scanning circuit unit 2 and the photoelectric conversion unit 4 are connected to each other by pressure bonding.
[0017]
However, the above-described connection method of the scanning circuit unit 2 and the photoelectric conversion unit 4 also has the following four problems similar to the above-described element connection method.
(1) When a photoelectric conversion film mainly composed of amorphous selenium is handled under heating conditions, crystallization of amorphous selenium occurs at about 40 ° C. or more, and the function as a photoelectric conversion film is impaired.
(2) Since the photoelectric conversion film mainly composed of amorphous selenium is soft, it is easily damaged when it is pressure-bonded.
(3) When a connection part is crushed by crimping, adjacent connection parts may come into contact with each other, and adjacent pixels may be short-circuited.
(4) Since the scanning circuit section and the photoelectric conversion section are formed of different materials and have different coefficients of thermal expansion, the function of the apparatus may be impaired due to environmental temperature fluctuations, and the connection section may be destroyed.
In the case of the multilayer solid-state imaging device 1, the problem associated with the heating in the above (1) can be solved by using an indium bump that can be crimped at room temperature as the connection portion and performing the crimping at room temperature. . Also, the problem (2) associated with the characteristics of the photoelectric conversion film can be alleviated by using a soft indium bump as the connection portion.
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
However, regarding the problem with the characteristics of the photoelectric conversion film of the above (2), when the height of the indium bump varies, the stress concentrates in the vicinity of the high height indium bump. It cannot be resolved.
[0019]
In addition, none of the problems associated with the collapse of the connecting portion in (3) and the difference in the coefficient of thermal expansion between the two elements in (4) have been solved.
[0020]
The present invention has been made in view of the above problems, and (1) there is no restriction on the heat resistance of the element material to be connected, and (2) the thermal stress resulting from the stress at the time of connection and the change in the environmental temperature. There is no risk of deterioration of the function of the device or damage of the element due to (3) there is no possibility of causing a short circuit between adjacent electrodes due to contact between adjacent connections, and (4) the function of the device due to fluctuations in environmental temperature. No risk of deterioration or damage to connections Solid-state image sensor The purpose is to provide.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
A solid-state imaging device according to the present invention is connected to a charge accumulation unit, a charge readout unit, and the charge accumulation unit that are formed for each pixel on a semiconductor substrate. Pixel electrode A photoelectric conversion unit including a first element including a scanning circuit unit, a photoelectric conversion film mainly composed of amorphous selenium, and a photoelectric conversion unit side electrode formed on the photoelectric conversion film for each pixel; And a second element And The first element and the second element are arranged vertically in the thickness direction, and the pixel electrode and the photoelectric unit side electrode are connected to the pixel by a deformable microspring provided on the first element. Each is electrically connected, A connection layer is formed on a peripheral edge of the first element, and the photoelectric conversion unit side electrode is formed on the lower surface of the photoelectric conversion film so as to protrude for each pixel, and the photoelectric conversion is performed on the upper surface of the connection layer. The lower surface of the membrane is in close contact so that the microspring is pressed and bent. . Here, the range in which the microspring is deformed includes a part of the plastic deformation region in which a certain degree of restoring force can be exerted together with the elastic deformation region to achieve the effect of the present invention.
[0022]
Thereby, when the first element and the second element are connected, the microspring as the connection portion is not subjected to the heat treatment. Therefore, the heat resistance of the element material to be connected due to the heat treatment of the conventional connection portion. There are no sexual restrictions. others Light The function of the electric conversion film can be fully exhibited.
[0023]
The first element and the second element are only in contact with each other to the extent that they can be electrically connected (conducted) by the microspring. Therefore, the stress generated in the connecting portion is very small, and the strain due to the stress is absorbed by the deformation of the microspring. For this reason, there is no possibility of deterioration of the function of the apparatus or damage to the element due to thermal stress caused by the stress generated at the connection location or the fluctuation of the environmental temperature. In addition, even if there is a variation in the height dimension of the microspring, and a relatively large stress is applied to the microspring with a high height during connection, the magnitude of the stress itself is originally very small. Since it is absorbed by the deformation of the microspring, the problem of damage to the conventional photoelectric conversion film caused by the variation in the height of the connecting portion is also solved.
[0024]
In addition, since the microspring as the connection part can be prepared so that it does not undergo significant deformation due to melting, crushing, etc. when connecting two elements, but only slightly deforms. There is no risk of short circuiting between adjacent electrodes due to contact of the parts. For this reason, the electrode of an element can be arrange | positioned with a narrow pitch, and size reduction and high integration of an apparatus can be achieved.
[0025]
Even if the height of the microspring varies, the first element and the second element can be electrically connected reliably within the range of deformation of the microspring. Even if the electrodes of the first element and the second element are relatively displaced due to a change in the environmental temperature due to the difference in thermal expansion coefficient between the first element and the second element, Since the contact slips or deforms to follow the movement of the electrode, the electrical connection between the first element and the second element is maintained.
[0026]
In this case, if the microspring is provided so as to be meltable, when an excessive current flows from one element to the microspring, the other element can be protected by melting the microspring. Such a microspring that can be melted down reduces or reduces the cross-sectional area of the microspring to such an extent that the microspring melts when a predetermined excessive current set according to the use conditions of the semiconductor device flows. This can be realized by forming a microspring using a melting point material.
[0027]
In this case, if the microspring is formed with a high resistance, when an excessive current flows from one element to the microspring, the microspring can be limited to an allowable maximum current value. The element can be protected. Such a high resistance microspring has a small cross-sectional area through which the current of the microspring flows so as to have a resistance value that can be limited to a predetermined allowable maximum current set according to the use conditions of the semiconductor device. Alternatively, it can be realized by forming a microspring with a material having a high specific resistance.
[0028]
In the semiconductor device according to the present invention, a connection layer is provided between the first element and the second element separately from the microspring, and the first element and the second element are provided by the connection layer. When the elements are structurally (mechanically or physically) connected, the connection layer ensures the structural connection between the first element and the second element. In other words, the connection layer functions as a stopper layer for preventing unintentional deformation of each element when the first element and the second element are connected by close contact, and reliably connects each element.
[0029]
In this case, when the connection layer is formed of an ultraviolet curable adhesive, the first element and the second element can be structurally connected without any heat treatment, and the heat treatment is accompanied by the heat treatment described above. The conventional problem does not occur.
[0030]
Further, in this case, if the connection layer is formed by depositing a film forming material, the load applied when the first element and the second element are structurally connected to each other by close contact or the like varies. Even if the distribution of the first element is not uniform, the first element is within the rigidity range of the connection layer and within the range in which the connection layer formed with a uniform thickness and the second element can be kept in close contact with each other. And the second element can be reliably arranged in parallel.
[0031]
Here, the film-forming material refers to a resin, an inorganic material, a metal material, or the like that has a predetermined rigidity and can be formed to have a uniform thickness by coating or vapor deposition.
[0032]
In addition, a connection layer is formed at a peripheral portion of the first element, and the photoelectric conversion unit side electrode is formed on the lower surface of the photoelectric conversion film so as to protrude for each pixel, and on the upper surface of the connection layer When the lower surface of the photoelectric conversion film is in close contact, the microspring is pressed and bent. And the micro spring is The photoelectric conversion unit side In a state of being deformed by the thickness of the electrode The photoelectric conversion unit side Connected to the electrode. For this reason, The photoelectric conversion unit side By adjusting the thickness of the electrode, the amount of deformation of the micro spring can be accurately controlled, and the micro spring that can occur when the amount of deformation is insufficient The photoelectric conversion unit side There is no risk of breakage of the micro spring or the like that may occur when the contact with the electrode is excessive or the amount of deformation is excessive.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Regarding a preferred embodiment (hereinafter referred to as this embodiment) of a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to the present invention, a scanning circuit portion and a photoelectric conversion film are separately formed in advance as a semiconductor device, and then electrically An example of a stacked solid-state imaging device (hereinafter simply referred to as a solid-state imaging device) that is joined so as to be connected to is described below with reference to the drawings.
[0038]
First, a solid-state imaging device according to a first example of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0039]
As shown in FIG. 2, the solid-state imaging device 10 according to the first example of the present embodiment includes a scanning circuit unit (first element) 12, a photoelectric conversion unit (second element) 14, and a scanning circuit. The microspring 16 for electrically connecting the portion 12 and the photoelectric conversion portion 14 and the connection layer 18 shown in FIG.
[0040]
The scanning circuit unit 12 is configured in the same manner as the scanning circuit unit 2 of the conventional multilayer solid-state imaging device 1 shown in FIG. In other words, in the scanning circuit unit 12, a MOS transistor including a charge storage unit 22, a charge readout unit 24, and a gate electrode 26 is formed on a semiconductor substrate 20 for each pixel unit. The charge storage unit 22 is connected to the pixel electrode 30 through the first electrode 28. On the other hand, the charge readout unit 24 is connected to the second electrode 32 which is an output line. In FIG. 2, reference numerals 34a, 34b, and 34c denote insulating layers.
[0041]
The photoelectric conversion unit 14 is configured in the same manner as the photoelectric conversion unit 4 of the conventional stacked solid-state imaging device 1 shown in FIG. That is, in the photoelectric conversion unit 14, a photoelectric conversion film 40 is formed on a transparent substrate (transparent face plate) 36 via a transparent electrode 38 made of, for example, an ITO thin film, and a photoelectric conversion unit side electrode 42 is formed for each pixel. ing. As described in the conventional example, the photoelectric conversion film 40 preferably has a multilayer structure including a charge injection layer, and is formed in, for example, a three-layer structure of cerium oxide, amorphous selenium, and antimony trisulfide (see FIG. Not shown.)
[0042]
The microspring 16 is formed on the pixel electrode 30 of the scanning circuit unit by a conductive material such as metal. The microspring 16 is formed in a tongue-like shape that is convex upward in FIG. 2, the lower part is fixed to the pixel electrode 30, and the upper part is in contact with the photoelectric conversion unit side electrode 42 in a compressed state. . The microspring 16 does not have a role of structurally connecting the scanning circuit unit 12 and the photoelectric conversion unit 14 like the bumps of the conventional example.
[0043]
The connection layer 18 is formed so as to structurally connect the peripheral portions of the scanning circuit unit 12 and the photoelectric conversion unit 14 using, for example, an ultraviolet curable adhesive.
[0044]
A method for manufacturing the solid-state imaging device 10 according to the first example of the present embodiment configured as described above will be described below.
[0045]
The scanning circuit unit 12 can be easily manufactured by a general semiconductor integrated circuit process. Details of the manufacturing method are omitted.
[0046]
Similar to the conventional stacked solid-state imaging device, the photoelectric conversion unit 14 is sequentially formed on the transparent substrate 36 on the transparent electrode 38, the photoelectric conversion film 40, and the photoelectric conversion unit side by a general vacuum deposition method, a sputtering method, or the like. It can be manufactured by forming the electrode 42.
[0047]
Here, a method for manufacturing the microspring 16 and a method for connecting the scanning circuit unit 12 and the photoelectric conversion unit 14 using the connection layer 18 will be described.
[0048]
First, the connection method between the scanning circuit unit 12 and the photoelectric conversion unit 14 will be described first with reference to FIG. In FIG. 3, illustration of some members such as MOS transistors of the scanning circuit unit 12 is omitted.
[0049]
A photoelectric conversion unit 14 prepared independently in advance by the above method is prepared (FIG. 3A).
[0050]
On the other hand, a scanning circuit unit 12 that is also prepared independently in advance is prepared (FIG. 3B). The microspring 16 has a dimension of H1 as a height dimension to the top in the state of FIG. 3B where no external force is applied.
[0051]
An ultraviolet curable adhesive 18a is applied to the peripheral edge of the scanning circuit unit 12 (see FIG. 3B). Then, using a device such as a flip chip bonder (not shown), the scanning circuit unit 12 and the photoelectric conversion unit 14 are stacked vertically in the thickness direction, a uniform load is applied to the whole, and the ultraviolet curable adhesive is cured at room temperature. Then, the connection layer 18 is formed between the scanning circuit unit 12 and the photoelectric conversion unit 14 so as to have a predetermined thickness. Thereby, the scanning circuit unit 12 and the photoelectric conversion unit 14 are connected (FIG. 3C). In this case, when it is necessary to increase the thickness (height) of the connection layer 18, an appropriate spacer may be used in combination. Since an adhesive that cures at room temperature is used as an adhesive, it can be connected without heat treatment, and each member constituting each of the scanning circuit unit 12 and the photoelectric conversion unit 14 may be exposed to heat. Absent. An appropriate adhesive other than the ultraviolet curing type can be used as necessary.
[0052]
In the connected state, the microspring 16 is compressed and deformed, and the height to the top is changed to H2. The deformation amount (H1-H2) of the microspring 16 due to the connection at this time is that the microspring 16 having the lowest height when the height dimension of the microspring 16 varies is applied to the photoelectric conversion unit side electrode 42 by the restoring force. Further, the thermal expansion of the scanning circuit unit 12, the photoelectric conversion unit 14, and the microspring 16 is further performed so that the microspring 16 having the highest height is deformed so as to be surely contacted, and the microspring 16 having the highest height is not destroyed beyond the deformation limit. Due to the difference in rate, even when the photoelectric conversion unit side electrode 42 and the pixel electrode 30 are displaced relative to each other when the environmental temperature changes, the microspring 16 has a margin to be deformed by following. Adjust to the amount of deformation. The height dimension H1 of the microspring 16 is about 5 μm, for example, and the height dimension H2 is about 4.5 μm, for example.
[0053]
Next, a manufacturing method of the microspring 16 will be described with reference to FIG. In FIG. 4, some members such as MOS transistors of the scanning circuit unit 12 are not shown.
[0054]
First, using a photosensitive resin such as photosensitive polyimide, the first sacrificial layer 44 is formed on the pixel electrode 30 of the scanning circuit unit 12 with the periphery of the pixel electrode 30 exposed by, for example, photolithography. It forms (FIG. 4 (A)). At this time, the first sacrificial layer 44 is preferably formed in a shape close to a half cylinder as shown in FIG. 4A. However, the present invention is not limited to this, and the first sacrificial layer 44 protrudes upward in a step shape or has a rectangular cross section. It may be a shape. In order to form the first sacrificial layer 44 in a shape close to a half cylinder as in the former, the exposure amount at the time of photolithography may be adjusted.
[0055]
Next, the second sacrificial layer 46 is formed on the semiconductor substrate 20 around the first sacrificial layer 44 in a state where the first sacrificial layer 44 is substantially exposed by, for example, photolithography using, for example, a photoresist. It is formed (FIG. 4B). At this time, one side of the first sacrificial layer 44 (indicated by an arrow X1 in FIG. 4B) is covered with the second sacrificial layer 46, and the opposite side (indicated by an arrow X2 in FIG. 4B). The first sacrificial layer 44 is exposed from the second sacrificial layer 46. Further, it is desirable that the second sacrificial layer 46 be formed in a tapered shape having a narrow cross-sectional shape downward so that the second sacrificial layer 46 can be easily removed by lift-off in a subsequent process. .
[0056]
Next, the metal 16a, which is the material of the microspring 16, is deposited on the second sacrificial layer 46, the first sacrificial layer 44, and the exposed portion of the pixel electrode 30 by vacuum deposition, sputtering, or the like (see FIG. 4 (C)). In addition, the metal 16a may deposit metal, such as titanium, chromium, gold | metal | money alone, and may laminate and deposit these metals.
[0057]
Next, the second sacrificial layer 46 is lifted off together with the deposited metal 16a by a wet method or the like (FIG. 4D).
[0058]
Finally, the first sacrificial layer 44 is removed by a plasma ashing method or the like, whereby one end of the first sacrificial layer 44 is fixed to the pixel electrode 30, and the microspring 16 bent upward and protruding upward is completed (FIG. 4). (E)).
[0059]
The operation of the solid-state imaging device 10 according to the present embodiment configured as described above is basically the same as that of the multilayer solid-state imaging device 1 of the conventional example. Charges are generated in the photoelectric conversion film 40 by incident light transmitted through the transparent electrode 38 through the transparent substrate 36, and the electric charges are photoelectrically generated by the electric field generated in the photoelectric conversion film 40 by applying a voltage to the transparent electrode 38. Travel to the conversion electrode 42. Further, it moves to the charge storage unit 22 through the microspring 16, the pixel electrode 30, and the first electrode 28, and charges are stored in the charge storage unit 22. The charge accumulated in the charge accumulation unit 22 moves to the charge readout unit 24 by switching of the MOS transistor, and is further output (read out) as an electrical signal via the second electrode 32.
[0060]
In the solid-state imaging device 10 according to the present embodiment, when the scanning circuit unit 12 and the photoelectric conversion unit 14 are connected, the microspring 16 as the connection unit is not subjected to heat treatment, so that the conventional heating of the connection unit is performed. There is no restriction on heat resistance of the materials of the scanning circuit unit 12 and the photoelectric conversion unit 14 to be connected due to the processing. For this reason, the function of the photoelectric conversion film 40 mainly composed of amorphous selenium can be fully exhibited.
[0061]
In addition, since the scanning circuit unit 12 and the photoelectric conversion unit 14 are only in contact with each other to such an extent that they can be electrically connected by the microspring 16, the deterioration of the function of the solid-state imaging device 10 due to the stress at the connection point or the scanning circuit. There is no risk of damage to the unit 12 and the photoelectric conversion unit 14, and there is no risk of deterioration of the function of the solid-state imaging device 10 due to fluctuations in the environmental temperature and damage to the scanning circuit unit 12 and the photoelectric conversion unit 14. Furthermore, even if a variation occurs in the height dimension of the microspring 16 and a relatively large stress is applied to the portion of the microspring 16 having a high height at the time of connection, the magnitude of the stress is very small. Since the variation in the height dimension of 16 is absorbed by the deformation of the microspring 16, the problem of damage to the conventional photoelectric conversion film caused by the variation in the height dimension of the connection portion is further reduced.
[0062]
Further, the microspring 16 as a connecting portion is formed so as not to be deformed slightly but without being greatly deformed due to melting or crushing when the scanning circuit portion 12 and the photoelectric conversion portion 14 are connected. Therefore, there is no possibility that the microsprings 16 as the adjacent connecting portions come into contact with each other to cause a short circuit between the adjacent electrodes. For this reason, the pixel electrode 30 of the scanning circuit unit 12 and the photoelectric conversion unit side electrode 42 of the photoelectric conversion unit 14 can be arranged at a narrow pitch, and the solid-state imaging device 10 can be downsized and highly integrated (high definition). Can be achieved.
[0063]
Moreover, since the scanning circuit unit 12 and the photoelectric conversion unit 14 are structurally connected by the connection layer 18 without any heat treatment, the conventional problems associated with the heat treatment described above do not occur.
[0064]
Even if the height of the microspring 16 varies, the scanning circuit unit 12 and the photoelectric conversion unit 14 can be electrically and reliably connected within the range of deformation of the microspring 16. Further, even if the pixel electrode 30 and the photoelectric conversion unit side electrode 42 are relatively displaced due to the difference in thermal expansion coefficient between the scanning circuit unit 12 and the photoelectric conversion unit 14 due to a change in the environmental temperature, the microspring 16 Since the contact follows the sliding or deformation, the electrical connection between the scanning circuit unit 12 and the photoelectric conversion unit 14 is maintained.
[0065]
Next, in the solid-state imaging device 10 according to the first example of the present embodiment, when the microspring 16 is provided so as to be blown, when an excessive current flows from the photoelectric conversion unit 14 to the microspring 16, When the microspring 16 is melted, the scanning circuit unit 12 can be protected. Such a meltable microspring 16 has a cross-sectional area of the microspring 16 to such an extent that the microspring 16 is melted when a predetermined excessive current set according to the use conditions of the solid-state imaging device 10 flows. This can be realized by making the microspring 16 small or using a material having a low melting point.
[0066]
Further, in the solid-state imaging device 10 according to the first example of the present embodiment, if the microspring 16 is formed with a high resistance, it is acceptable when an excessive current flows from the photoelectric conversion unit 14 to the microspring 16. The scanning circuit unit 12 can be protected by limiting to the maximum current value. Such a high-resistance microspring 16 has a cross-sectional area through which the current of the microspring 16 flows so as to have a resistance value that can be limited to a predetermined allowable maximum current that is set according to the use conditions of the solid-state imaging device 10. This can be realized by forming the microspring 16 with a small material or a material having a high specific resistance.
[0067]
Next, a modification of the microspring 16 will be described with reference to FIGS.
[0068]
As shown in FIG. 5, the microspring 46 according to the first modification is formed in a shape close to a half cylinder, and both sides are fixed to the pixel electrode 30. In this structure, since the microspring 46 is fixed to the pixel electrode 30 on both sides, the reliability of the connection with the pixel electrode 30 is higher than that of the microspring 16.
[0069]
As shown in FIG. 6, the microspring 48 according to the second modification is formed in a table shape having two curved legs, and is fixed to the pixel electrode 30 with the two legs facing upside down. . In this structure, since the microspring 48 has two contact points with the photoelectric conversion unit side electrode 42, the reliability of the connection with the photoelectric conversion unit side electrode 42 is higher than that of the microspring 16.
[0070]
The microspring 46 according to the first modification and the microspring 48 according to the second modification can be manufactured by the same method as the microspring 16 according to the first example of the present embodiment.
[0071]
In addition, the microspring of this invention can be made into free shapes other than the said microspring 16, 46, 48 in the range which does not impair the function.
[0072]
Next, a solid-state imaging device and a method for manufacturing the same according to a second example of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0073]
The solid-state imaging device according to the second example of the present embodiment is the first example of the present embodiment, except that the configuration of the connection layer is different from the connection layer 18 of the first example of the present embodiment. The solid-state imaging device 10 according to the present invention has the same configuration and basically exhibits the same action. Therefore, in the following description, the same constituent elements of the solid-state imaging devices of the first and second examples of the present embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted except for those that are specifically described. . The same applies to other embodiments described below.
[0074]
First, the solid-state imaging device according to the second example of the present embodiment will be described along the procedure of the method for connecting the scanning circuit unit and the photoelectric conversion unit in FIG.
[0075]
First, a photoelectric conversion unit 14 that is independently prepared in advance is prepared (FIG. 7A).
[0076]
In the photoelectric conversion unit 14, a transparent electrode 38 and a photoelectric conversion film 40 are sequentially formed by a vacuum deposition method, a sputtering method, or the like on a transparent substrate 36 made of optical glass or the like whose surfaces are polished to a flat surface. The part-side electrode 42 is formed so as to protrude by a thickness T1 on the photoelectric conversion film 40 by a vacuum deposition method or the like. For this reason, the lower surface of the photoelectric conversion part 14, in other words, the lower surface 40 a of the photoelectric conversion film 40 is manufactured with good planarity. Similarly, the photoelectric conversion portion side electrode 42 is formed with good controllability so that the thickness T1 is about 0.1 to 1 μm.
[0077]
On the other hand, a scanning circuit unit (first element) 50, which is also independently prepared in advance, is prepared (FIG. 7B).
[0078]
In the scanning circuit unit 50, the microspring 16 is formed on the pixel electrode 30, and the connection layer 52 is formed on the peripheral portion.
[0079]
The connection layer 52 includes, for example, a first layer (lower layer) 54 formed on the peripheral portion of the semiconductor substrate 20 using a photosensitive resin such as polyimide, and a first layer 54 using a metal such as titanium as described above. It is comprised by the 2nd layer 56 with a thin thickness formed on the top. The first layer 54 and the second layer 56 are each formed with a uniform thickness. Therefore, the upper surface of the connection layer 52 (the upper surface 56a of the second layer) has good flatness, and the connection layer 52 has a predetermined rigidity. Is formed.
[0080]
In the connection layer 52, the upper surface 56a of the second layer 56 is formed on the same plane as S-S ′ in FIG.
[0081]
The scanning circuit unit 50 and the photoelectric conversion unit 14 are vertically stacked in the thickness direction, and the photoelectric conversion film 40 of the photoelectric conversion unit 14 is brought into close contact with the connection layer 52 formed on the scanning circuit unit 50. In this state, for example, an ultraviolet curable adhesive 58 is applied to the peripheral portion of the photoelectric conversion unit 14 and the connection layer 52, and the ultraviolet curable adhesive 58 is adhered and cured at room temperature, so that the scanning circuit unit 50 and the photoelectric conversion are performed. The part 14 is fixed.
[0082]
At this time, when the photoelectric conversion film 40 of the photoelectric conversion unit 14 is brought into close contact with the connection layer 52, the microspring 16 is pressed down by the photoelectric conversion unit side electrode 42, and the microspring 16 has a thickness T1 of the photoelectric conversion unit side electrode 42. This is a state of bending and deforming downward in FIG.
[0083]
Thereby, the solid-state imaging device 60 according to the second example of the present embodiment is completed (FIG. 7C).
[0084]
In the solid-state imaging device 60 according to the second example of the present embodiment, the upper surface of the connection layer 52 (the upper surface 56a of the second layer 56) is formed with good planarity, and the photoelectric imaging formed by a vacuum deposition method or the like. Since the lower surface of the conversion unit 14 (the lower surface 40a of the photoelectric conversion film 40) is also formed with good planarity, the scanning circuit unit 50 and the photoelectric conversion unit 50 can be obtained simply by bringing the photoelectric conversion film 40 of the photoelectric conversion unit 14 into close contact with the connection layer 52. The conversion part 14 can be reliably arrange | positioned in parallel. For this reason, it is not necessary to use a special apparatus such as a high-precision flip chip bonder. Further, even when the load applied to connect the scanning circuit unit 50 and the photoelectric conversion unit 14 varies or the load distribution becomes non-uniform, the adhesion between the lower surface of the photoelectric conversion unit 40 and the upper surface of the connection layer 52 is maintained. In other words, in other words, the rigidity of the connection layer 52 is maintained, and unless the connection layer 52 is deformed, the scanning circuit unit 50 and the photoelectric conversion unit 14 are held in parallel.
[0085]
Further, since the scanning circuit unit 50 and the photoelectric conversion unit 14 are connected in the state where the photoelectric conversion film 40 of the photoelectric conversion unit 14 is in close contact with the connection layer 52, the solid-state imaging device 60 has a thickness of the photoelectric conversion unit side electrode 42. By controlling T1, the force applied to the microspring 16 can be controlled so as not to be excessive or deficient, the electrical connection between the photoelectric conversion unit side electrode 42 and the microspring 16 is poor, the microspring 16 is broken, or the like. Is not invited. Furthermore, since the upper surface 56 a of the second layer 56 of the connection layer 52 is formed on the same plane as the upper end of the microspring 16, the photoelectric conversion film 40 of the photoelectric conversion unit 14 is simply adhered to the connection layer 52. The microspring 16 can be accurately deformed by a predetermined amount.
[0086]
Next, a method for manufacturing the microspring 16 and the connection layer 52 of the solid-state imaging device 60 according to the second example of the present embodiment will be described with reference to FIGS. In FIG. 8, illustration of some members such as MOS transistors of the scanning circuit unit 50 is omitted.
[0087]
The manufacturing method of the microspring 16 and the connection layer 52 of the solid-state image sensor 60 according to the second example of the present embodiment is basically the solid-state image sensor 10 according to the first example of the present embodiment described above. The manufacturing method of the microspring 16 can be used as it is.
[0088]
First, a photosensitive resin such as photosensitive polyimide is used and applied by, for example, a spin coating method to form a resin film 62 having a thickness of about 3 to 10 μm on the entire surface of the scanning circuit portion 50 (FIG. 8A). )). At this time, the surface of the scanning circuit unit 50 has irregularities due to the semiconductor process including the pixel electrode 30, but the surface of the resin film 62 is a substantially flat surface by applying the above thickness by a spin coating method or the like. Formed.
[0089]
Next, the resin film 62 is patterned by a photolithography method, the first sacrificial layer 64 is formed at the microspring formation location, and the first layer equivalent portion 54a is formed at the connection layer formation location on the outer periphery of the microspring formation location. Each is formed (FIG. 8B). At this time, since the surface of the resin film 62 before patterning is flat, the upper end of the first sacrificial layer 64 and the upper surface of the first layer equivalent portion 54a are the same as indicated by S1-S1 ′ in FIG. 8B. It is formed on a plane.
[0090]
Next, a resin film 66 is formed by photolithography using a photoresist (FIG. 8C). The resin film 66 is formed to have a microtaper forming portion and a connection layer forming portion having an opening and a tapered shape having a narrow cross section downward so as to be suitable for lift-off.
[0091]
Next, the metal 16a, which is the material of the microspring 16, is deposited on the resin film 66, the first sacrificial layer 64, and the first layer equivalent portion 54a with a uniform thickness by vacuum deposition, sputtering, or the like ( FIG. 8D). In addition, the metal 16a may deposit metal, such as titanium, chromium, gold | metal | money alone, and may laminate and deposit these metals.
[0092]
Next, the resin film 66 together with the deposited metal 16a is lifted off and removed by a wet method or the like (FIG. 8E).
[0093]
Finally, the first sacrificial layer 64 is removed by a plasma ashing method or the like, thereby completing the scanning circuit unit 50 including the connection layer 52 including the microspring 16 and the first layer 54 and the second layer 56 ( FIG. 4 (F)). The upper end of the microspring 16 and the upper surface of the connection layer are formed on the same plane indicated by S2-S2 ′ in FIG. At this time, the side surface 54b of the first layer 54 is over-etched, but there is no functional problem.
[0094]
The manufacturing method of the microspring 16 and the connection layer 52 described above can manufacture the connection layer 52 at the same time as the microspring 16 without adding a special process for forming the connection layer 52. And the upper surface of the connection layer 52 can be easily and reliably formed on the same plane.
[0095]
Next, a modification of the solid-state imaging device 60 will be described with reference to FIG.
[0096]
As shown in FIG. 9, the solid-state imaging device 68 has a structure in which the transparent electrode 70 and the photoelectric conversion film 72 are formed in a region inside the connection layer 74, and the connection layer 74 is in direct contact with the transparent substrate 36. Different from the solid-state image sensor 60.
[0097]
In the solid-state imaging device 68 configured as described above, since the transparent electrode 70 does not cover (not cover) the connection layer 74, the connection layer 74 may cause dielectric breakdown even when a high voltage is applied to the transparent electrode 70. There is no.
[0098]
As described above, the second example of the present embodiment and the modification thereof have been described. However, the connection layer of the solid-state imaging device according to the second example of the present embodiment and the modification is electrically connected as in each example. It may be combined with a conventional micro bump as an electrical connection as well as a micro spring as an electrical connection.
[0099]
A reference example of a solid-state imaging device in which micro bumps and connection layers are combined will be described with reference to FIG.
[0100]
The micro bumps 102 formed on the scanning circuit unit 100 have polyimide resin as a core material 104a and the surface is covered with a metal layer 106a. On the other hand, the connection layer 108 is also composed of a first layer 104b made of polyimide resin and a second layer 106b made of a metal layer, like the microbump 102 (FIG. 10A). In this case, the surfaces of the core material 104a and the first layer 104b are formed on the same plane, and further, the metal layer 106a and the second layer 106b are formed with the same thickness and the respective surfaces are formed on the same plane. The micro bumps 102 and the connection layer 108 are formed by a manufacturing procedure substantially similar to that of the second example of the present embodiment. That is, the only difference from the second example of the present embodiment is that the opening of the resin layer serving as the core material 104a of the micro bump 102 is changed and the step of removing the first sacrificial layer of the micro spring is omitted.
[0101]
Then, by the same method as in the second example of the present embodiment, the photoelectric conversion unit 14 is overlaid on the scanning circuit unit 100, connected, and fixed to complete the solid-state imaging device 110 (FIG. 10 ( B)).
[0102]
Also in the above reference example, the effect of the connection layer 108 is exhibited, and the deformation amount of the microbump 102 can be controlled to be constant.
[0103]
【The invention's effect】
The semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device in which the first element and the second element are arranged in the vertical direction in the thickness direction and are electrically connected to each other, and are deformed on the first element. Since a possible microspring is provided and the first element and the second element are electrically connected by the microspring, restrictions on the heat resistance of the element material to be connected due to the heat treatment of the conventional connection portion There is no. In addition, there is no risk of device function deterioration or element damage due to stress at the connection point, and there is no risk of device function deterioration or element damage due to environmental temperature fluctuations. Furthermore, the problem of damage to the conventional photoelectric conversion film caused by the variation in the height dimension of the connection portion is further reduced. Further, there is no possibility that adjacent connecting portions come into contact with each other to cause a short circuit between adjacent electrodes. For this reason, the electrode of an element can be arrange | positioned with a narrow pitch, and size reduction and high integration of an apparatus can be achieved.
[0104]
Further, according to the semiconductor device of the present invention, since the microspring is provided so as to be meltable, when an excessive current flows from one element to the microspring, the other element can be protected. .
[0105]
Further, according to the semiconductor device of the present invention, since the microspring is formed with high resistance, the other element can be protected when an excessive current flows from one element to the microspring.
[0106]
According to the semiconductor device of the present invention, the connection layer is provided between the first element and the second element, and the first element and the second element are structurally connected by the connection layer. Therefore, structural connection between the first element and the second element is ensured by the connection layer.
[0107]
In addition, according to the semiconductor device of the present invention, since the connection layer is formed of an ultraviolet curable adhesive, structural connection between the first element and the second element can be performed without heat treatment. It can be performed and the conventional problems associated with heat treatment are not caused.
[0108]
Further, according to the semiconductor device of the present invention, since the connection layer is formed by forming the film forming material, when the first element and the second element are brought into close contact with each other, the connection is structurally made. Even if the load applied to the electrode varies or the distribution of the load is non-uniform, it is within the range of rigidity of the connection layer and within the range in which the connection layer formed with a uniform thickness and the second element can be kept in close contact with each other. If so, the first element and the second element can be reliably arranged in parallel.
[0109]
In addition, according to the semiconductor device of the present invention, the electrode is formed to protrude from the lower surface of the second element, the upper surface of the connection layer and the upper end of the microspring are formed on the same plane, and the lower surface of the second element. In addition, since the electrode is disposed so that the upper surface of the connection layer is in close contact with the upper end of the microspring, the amount of deformation of the microspring can be accurately adjusted by adjusting the thickness of the electrode. There is no risk of contact failure between the micro spring and the electrode that may occur when the amount of deformation is insufficient, or destruction of the micro spring that may occur when the amount of deformation is excessive.
[0110]
According to the semiconductor device of the present invention, the first element is a scanning circuit unit including a charge storage unit and a charge readout unit for each pixel on the semiconductor substrate, and the second element is a photoelectric conversion unit. Since it functions as a solid-state imaging device by electrically connecting the scanning circuit unit and the photoelectric conversion unit, the effects of the present invention can be suitably obtained.
[0111]
In addition, according to the semiconductor device of the present invention, since the photoelectric conversion part has the photoelectric conversion film mainly composed of amorphous selenium, the function of the photoelectric conversion film can be fully exhibited.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of two pixels of a conventional stacked solid-state imaging device.
FIG. 2 is a cross-sectional view of two pixels of a stacked solid-state imaging device according to a first example of the present embodiment.
FIG. 3 is a diagram for explaining a connection method when a scanning solid-state imaging device according to a first example of the present embodiment is manufactured by connecting a scanning circuit unit and a photoelectric conversion unit; ) Is a diagram showing the prepared photoelectric conversion unit, (B) is a diagram showing the prepared scanning circuit unit, and (C) is a state in which the scanning circuit unit and the photoelectric conversion unit are connected via the connection layer. FIG.
FIG. 4 is a view for explaining a method of manufacturing a microspring of the stacked solid-state imaging device according to the first example of the present embodiment, and (A) shows a state in which a first sacrificial layer is formed. (B) is a diagram showing a state in which a second sacrificial layer is formed, (C) is a diagram showing a state in which a metal film is formed, and (D) is a diagram showing how the second sacrificial layer is removed. (E) is a diagram showing a state in which the first sacrificial layer is removed and the microspring is completed.
FIG. 5 is a diagram showing a first modification of the microspring of the multilayer solid-state imaging device according to the first example of the present embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing a second modification of the microspring of the multilayer solid-state imaging device according to the first example of the embodiment.
FIG. 7 is a diagram for explaining a connection method when a scanning solid-state imaging device according to a second example of the present embodiment is manufactured by connecting a scanning circuit unit and a photoelectric conversion unit; ) Is a diagram showing a prepared photoelectric conversion unit, (B) is a diagram showing a prepared scanning circuit unit, and (C) is a diagram showing a state in which the scanning circuit unit and the photoelectric conversion unit are connected via a connection layer. FIG.
FIG. 8 is a view for explaining a method for manufacturing a microspring and a connection layer of a stacked solid-state imaging device according to a second example of the present embodiment, and (A) shows a first sacrificial layer of the microspring. And (B) is a diagram showing a state in which a first sacrificial layer and a first layer are formed, and (C). (A) is a figure which shows the state which formed the resin layer used as the 2nd sacrificial layer of a microspring, and the 2nd layer of a connection layer, (D) is a figure which shows the state which formed the metal film, (E) is a view showing a state in which the second sacrificial layer is removed, and (F) is a view showing a state in which the first sacrificial layer is removed and the microspring and the connection layer are completed.
FIG. 9 is a diagram illustrating a modification of the stacked solid-state imaging device according to the second example of the embodiment.
FIG. 10 is a view for explaining a stacked solid-state imaging device of a reference example using the connection layer of the second example of the present embodiment, and FIG. 10A is a scan in which a microbump and a connection layer are formed. It is a figure which shows a circuit part, (B) is a figure which shows the lamination type solid-state image sensor of the completed reference example.
[Explanation of symbols]
10, 60, 68 Solid-state image sensor
12, 50 Scanning circuit section
14 Photoelectric converter
16, 46, 48 Microspring
16a metal
18, 52, 74 Connection layer
18a, 58 UV curable adhesive
20 Semiconductor substrate
22 Charge storage unit
24 Charge readout section
26 Gate electrode
28 First electrode
30 pixel electrodes
32 Second electrode
36 Transparent substrate
38, 70 Transparent electrode
40, 72 photoelectric conversion film
42 Photoelectric conversion part side electrode
44, 64 first sacrificial layer
46 Second Sacrificial Layer
54 1st layer
54a First layer equivalent part
56 2nd layer
62, 66 Resin film

Claims (1)

半導体基板上に画素ごとに形成された、電荷蓄積部、電荷読み出し部、および該電荷蓄積部に接続される画素電極を備えてなる走査回路部よりなる第１の素子と、
非晶質セレンを主体とする光電変換膜と、該光電変換膜に画素ごとに形成された光電変換部側電極とを有する光電変換部よりなる第２の素子と、を有し、
前記第１の素子と第２の素子が厚さ方向に上下に配設され、
前記第１の素子上に設けられた変形可能なマイクロスプリングによって、前記画素電極と前記光電部側電極とが画素ごとに電気的に接続されている固体撮像素子であって、
前記第１の素子の周縁部に接続層が形成され、
前記光電変換部側電極は前記光電変換膜の下面に画素ごとに突出するように形成されるとともに、前記接続層の上面に前記光電変換膜の下面が密着されることで、前記マイクロスプリングが押下されて撓んだ状態になっていることを特徴とする固体撮像素子。 A first element comprising a charge storage unit, a charge readout unit, and a scanning circuit unit including a pixel electrode connected to the charge storage unit, which are formed for each pixel on a semiconductor substrate;
Possess a photoelectric conversion film mainly made of amorphous selenium, and a second element comprising a photoelectric conversion unit having a photoelectric conversion film to be formed for each pixel photoelectric conversion portion side electrode,
The first element and the second element are arranged vertically in the thickness direction,
A solid-state imaging device in which the pixel electrode and the photoelectric unit side electrode are electrically connected to each pixel by a deformable microspring provided on the first element ,
A connection layer is formed on the peripheral edge of the first element;
The photoelectric conversion unit side electrode is formed on the lower surface of the photoelectric conversion film so as to protrude for each pixel, and the lower surface of the photoelectric conversion film is in close contact with the upper surface of the connection layer, so that the microspring is pressed down. The solid-state imaging device is characterized by being bent.
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