JP5054509B2 - 光検出装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサのような感光部品および電子回路部品を具備する光検出装置の製造に関する。
こうした光検出装置は、通常、行と列に配列されている複数のピクセルとも称する光検出素子ユニットを具備している。各光検出素子ユニットは、
−受け取った光子を電子信号に変換し得る、該光検出素子ユニットの表面に設けたフォトダイオードのような感光部品と、
−感光部品に電気的に接続されたトランジスタのような少なくとも一つの電子部品であって、かつ一旦「オン」指令を受信すると、感光部品から別の部品（増幅器、スイッチ等）に送出された蓄積された電子電荷を処理して、読み出し手段（より詳細については、欧州特許第１２５６９８４号明細書の§２および§３にある事例を参照のこと）に伝えることができるもの、
とを具備している。
この技術の主要な利点の一つは、光をさまざまな素子ユニットにわたって並列に受光するため、光情報を急速に読み出し得る点にある。
−受け取った光子を電子信号に変換し得る、該光検出素子ユニットの表面に設けたフォトダイオードのような感光部品と、
−感光部品に電気的に接続されたトランジスタのような少なくとも一つの電子部品であって、かつ一旦「オン」指令を受信すると、感光部品から別の部品（増幅器、スイッチ等）に送出された蓄積された電子電荷を処理して、読み出し手段（より詳細については、欧州特許第１２５６９８４号明細書の§２および§３にある事例を参照のこと）に伝えることができるもの、
とを具備している。
この技術の主要な利点の一つは、光をさまざまな素子ユニットにわたって並列に受光するため、光情報を急速に読み出し得る点にある。
光検出装置に対しては、いくつかの構成が提案されてきている。
たとえば、米国特許第６，３８０，５６８号明細書に開示されているように、最初の既知の光検出装置は水平構成を有している。すなわち、各感光素子ユニット（すなわちピクセル）は、その表面に並べられ、かつフィールドアイソレーション層によって分離された感光要素と電子要素とを具備している。
図１ａは、このようなピクセル１００を図解したものであって、受け取った光子（ｈν）を電子電荷に変換することができるフォトダイオード１０（たとえばここでは、ｐタイプ層１０ａとｎタイプ層１０ｂからなる）を有し、これとは別に、フォトダイオード１０ａから電子電荷を受け取ることができるトランジスタ２０（フィールドアイソレーション層３０によって取り囲まれている）を有する。
受光ピクセル１００の表面の正面図を表す図１ｂに示すように、ピクセル表面は、感光部分１０と非感光部分２５からなる。
代表的には、感光表面は、ピクセル全表面の３０％から６０％を占める。
したがって、感光を最適化することはできないが、それはピクセルに到着する光子の一部が喪失されるためである。
一つの解決策は、電子部品２０のサイズを小さくすることであろう。
しかし、こうした小型化にはそれ自体技術的限界が存在する。さらに、たとえ電子部品を徹底的に小型化したとしても、このような水平構成ではピクセル１００の表面を１００％感光に利用することはできないのである。
そこで、米国特許第６，０４０，５９１号の明細書に開示されているように、ピクセルに到着する全ての光の焦点を合わせるため、各ピクセルそれぞれを覆うレンズを感光要素に追加する案が提案されている。
しかし、この解決策は、費用がかかる上、効率が十分ではないため、望ましくない。
二番目の既知の感光装置は、いわゆる「後部照明」装置である。
図２ａは、最初にドーピング（たとえばｐ＋タイプ）を施した基板を具備するこの装置を図解したものであり、その基板は、別の種類のドーピング（たとえばｐ−タイプ）を施した基板を有する上部層１ａと、電子回路層２（複数のトランジスタ２０を含む）とで覆われている。次いで基板は、周辺部１ｂを保存するように選択的にバックエッチングして、中央開口部１５を形成する。基板の周辺部１ａは、上部層１ａと回路層２とを具備する薄膜構造を保持する。
この構造により、薄い上部層１ａが、「後部」から（すなわち開口部１５を通じて）来て、この光子照明に関連した電子信号を、上部に横たわる回路層２に含まれるトランジスタ２０に送出する光子を受け取ることができる。
それぞれピクセル１００の表面の正面図および反対側の表面の正面図を示した図２ｂおよび図２ｃから、この装置には前記第一の感光装置の欠陥が存在しないことが分かるのであり、それは、トランジスタ２０が受光表面にはなく、そのため受光表面が１００％近く感光に寄与するためである。
しかし、この二番目の感光装置の製造は費用がかかり、また、エッチバックプロセス中に後部基板のかなりの部分が喪失されることを意味する。
三番目の既知の光検出装置は垂直構成を有しているのであり、それは、すなわち、たとえば欧州特許第１２５６９８４号明細書、欧州特許第１０２６７４７号明細書、欧州特許第９６４５７０号明細書、および米国特許第５，０８４，７４７号明細書に開示されているように、電子部品は感光部品に埋め込まれている。
図３は、電子回路層２を形成する（結晶成長、ドーピング、メッキ、蒸着などによって）元となる基板９から製作した、この種の感光装置を図解したものである。この回路層２は、各ピクセルのトランジスタ２０を含む回路中央部２２と、アドレッシング（すなわちピクセルからの信号を収集して読み出し手段に送信する）に寄与する電子部品を具備する周辺部２１とを通常具備している。回路層２は、フィールドアイソレーション層３で覆われており、一方このフィールドアイソレーション層は、周辺部２１を照明から保護するため周辺部に遮蔽３１を備えた誘電材料によって主に構成されている。フィールドアイソレーション層３は、いわゆる「ビアホール」と称する導電体の通路（図示せず）を具備しており、それにより感光部品を電子部品に電気的に接続している。フィールドアイソレーション層３の上部には、ドーピングを施した感光層１（たとえばｐタイプ層１ａ、真性層１ｂ、およびｎタイプ層１ｃからなるＰｉＮ構造）を形成する。
フィールドアイソレーション層３が非結晶性であるため、感光層１の結晶成長は不可能である。そこで、感光層１を蒸着によって形成するため、アモルファス構造となる。
欧州特許第１２５６９８４号明細書
米国特許第６，３８０，５６８号明細書
米国特許第６，０４０，５９１号明細書
欧州特許第１０２６７４７号明細書
欧州特許第９６４５７０号明細書
米国特許第５，０８４，７４７号明細書
ここで、アモルファス層は、いわゆる「弛緩時間」と称する時間の間に電子およびホールを不動化させ得る多数の電荷トラップを有している。こうして捕捉されたこれらの電荷は受信を遅らせ、また次の検出と干渉する。
そこで非結晶性層の場合、進入して来る電子によって発生する電子の平均個数は少なくなり、そのためこの種の装置の効率は低下し、また低感度の光検出装置となる。
本発明は、前述した光検出装置を改善することを目指すものであり、その第一の特徴として、光検出装置の製造方法であって、
（ａ）半導体材料から選定した材料からなる感光層を具備する第一のウエハーと、電子部品を含む回路層を具備する第二のウエハーとがあり、かつ感光層と回路層の一つがフィールドアイソレーション層によって覆われているものを供給する段階と、
（ｂ）回路層、フィールドアイソレーション層及び感光層を連続的に具備する構造を形成するように、第一のウエハーと第二のウエハーをボンディングする段階と、
（ｃ）感光層を、回路層のいくつかの電子部品の入力に電気的に接続するように、導電性ビアを形成する段階と、
からなる製造方法を提案するものである。
（ａ）半導体材料から選定した材料からなる感光層を具備する第一のウエハーと、電子部品を含む回路層を具備する第二のウエハーとがあり、かつ感光層と回路層の一つがフィールドアイソレーション層によって覆われているものを供給する段階と、
（ｂ）回路層、フィールドアイソレーション層及び感光層を連続的に具備する構造を形成するように、第一のウエハーと第二のウエハーをボンディングする段階と、
（ｃ）感光層を、回路層のいくつかの電子部品の入力に電気的に接続するように、導電性ビアを形成する段階と、
からなる製造方法を提案するものである。
本発明のその他の特徴は、次のとおりである。
−段階（ｂ）が分子付着を含むこと。
−段階（ｂ）が分子付着の後に熱処理を含むこと。なおフィールドアイソレーション域を構成する材料としては、この熱処理の進行中にボンディングを改善し得るようなものを選定すること。
フィールドアイソレーション域のために選定した材料が、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4またはＳｉｘＯｙＮｚのような誘電体であること。
第一の方法が、段階（ａ）の前にさらに、
−第一の基板上に感光層を形成する段階と、
−石英またはガラスのような透明な材料からなる支持基板に、感光層の受光側から感光層をボンディングする段階と、
−第一の基板を除去する段階と、
からなる第一のウエハーの形成を含むものであって、
−かつこうすることにより、前記第一のウエハーが感光層と支持基板を具備するようになること。
−第一の基板上に感光層を形成する段階と、
−石英またはガラスのような透明な材料からなる支持基板に、感光層の受光側から感光層をボンディングする段階と、
−第一の基板を除去する段階と、
からなる第一のウエハーの形成を含むものであって、
−かつこうすることにより、前記第一のウエハーが感光層と支持基板を具備するようになること。
前記第一の方法がさらに、
−感光層を形成する段階の前に、導電性材料からなる第一の電極層を第一の基板上に形成する段階と、
−感光層を形成する段階の後で、かつ支持基板とボンディングする段階の前に、ＩＴＯのような透明な導電性材料からなる第二の電極層を感光層上に形成する段階と、
−前記第一のウエハーが、さらに第一及び第二の電極層を具備するようになる段階と、
を含むこと。
−感光層を形成する段階の前に、導電性材料からなる第一の電極層を第一の基板上に形成する段階と、
−感光層を形成する段階の後で、かつ支持基板とボンディングする段階の前に、ＩＴＯのような透明な導電性材料からなる第二の電極層を感光層上に形成する段階と、
−前記第一のウエハーが、さらに第一及び第二の電極層を具備するようになる段階と、
を含むこと。
前記第一の方法が、さらに、
−段階（ａ）の前に、前記回路層を第二の基板上に形成し、それにより前記第二のウエハーを形成する段階と、
−段階（ｂ）の後に、前記第二の基板を除去する段階と、
を含むこと。
−段階（ａ）の前に、前記回路層を第二の基板上に形成し、それにより前記第二のウエハーを形成する段階と、
−段階（ｂ）の後に、前記第二の基板を除去する段階と、
を含むこと。
この第一の方法の期間中で、かつ段階（ｃ）の期間中に、回路層の表面を通り、回路層のいくつかの電子部品の入力を通過して、感光層に至るビアホールを形成すること。
第二の方法が、
−段階（ａ）の前に、第一の基板上に感光層を形成し、それにより前記第一のウエハーの少なくとも一部を形成する段階と、
−段階（ｂ）の後に、第一の基板を除去する段階と、
を含むこと。
−段階（ａ）の前に、第一の基板上に感光層を形成し、それにより前記第一のウエハーの少なくとも一部を形成する段階と、
−段階（ｂ）の後に、第一の基板を除去する段階と、
を含むこと。
第二の方法が、さらに、
−段階（ｂ）の前に、導電性材料からなる第一の電極層を感光層上に形成する段階と、
−第一の基板を除去する段階の後に、ＩＴＯのような透明な導電性材料からなる第二の電極層を感光層上に形成する段階とを含み、かつ
前記第一のウエハーがさらに第一及び第二の電極層を具備すること。
−段階（ｂ）の前に、導電性材料からなる第一の電極層を感光層上に形成する段階と、
−第一の基板を除去する段階の後に、ＩＴＯのような透明な導電性材料からなる第二の電極層を感光層上に形成する段階とを含み、かつ
前記第一のウエハーがさらに第一及び第二の電極層を具備すること。
この第二の方法の期間中、段階（ｃ）を通じて、感光層の表面を通り、回路層のいくつかの電子部品の入力に至るビアホールを形成すること。
基板を除去する段階が、以下の技術、すなわち化学的エッチング、選択的な化学的エッチング、研削、研摩、ＣＭＰの内の少なくとも一つを用いて実施されること。
基板を除去する段階が、前もって前記基板に形成されていた脆化域にわたる前記基板を取り外すためのエネルギーの入力を含むこと。
該方法が、さらに、水素および／またはヘリウムのような原子種の移植による、前記基板への前記脆化域の形成を含むこと。
該方法が、さらに、
−第三および第四のウエハーを供給する段階と、
−第三および第四のウエハーの少なくとも一つの表面をエッチングして、表面粗度を高める段階と、
−粗い表面に第三および第四のウエハーをボンディングして前記基板を形成し、かつ粗い界面が前記脆化域となる段階と、
による前記脆化域の形成を含むこと。
−第三および第四のウエハーを供給する段階と、
−第三および第四のウエハーの少なくとも一つの表面をエッチングして、表面粗度を高める段階と、
−粗い表面に第三および第四のウエハーをボンディングして前記基板を形成し、かつ粗い界面が前記脆化域となる段階と、
による前記脆化域の形成を含むこと。
該方法が、さらに、以下の技術、すなわち選択的な化学的エッチング、研摩、ＣＭＰ、酸化、および熱的焼き戻しの内の少なくとも一つを採用することにより、取り外した表面の表面仕上げを含むこと。
第一の基板上への感光層の形成が、結晶成長およびドーピングを含むこと。
該方法がさらに、段階（ａ）の前に、感光層または回路層の上にフィールドアイソレーション層を形成する段階を含むこと。
フィールドアイソレーション層の形成が、一定の幅にわたるフィールドアイソレーション層周辺における光子への遮蔽の形成を含むこと。
回路層が複数のトランジスタを具備し、かつそのトランジスタ中に回路層のパターンが形成され、それにより、一旦段階（ｃ）が実施されると、感光層のいくつかの部分がいくつかの導電性ビアによっていくつかのトランジスタに電気的に接続され、また複数の光検出素子ユニット（いわゆるピクセル）が形成されること。
ピクセルによる電子部品が、ＣＭＯＳ部品を具備すること。
第二の特徴として、本発明は、前述した項目のいずれか一つに記載の感光装置の製造方法によって製造した感光装置であって、かつ、
−電子部品を具備する回路層と、
−感光層と、
−感光層と回路層の間にあるフィールドアイソレーション層と、
さらに、回路層のいくつかの電子部品の入力に感光層を電気的に接続する導電性ビアと、を具備すると共に、
該感光層が結晶質半導体材料によって作られることを特徴とする感光装置を提案する。
−電子部品を具備する回路層と、
−感光層と、
−感光層と回路層の間にあるフィールドアイソレーション層と、
さらに、回路層のいくつかの電子部品の入力に感光層を電気的に接続する導電性ビアと、を具備すると共に、
該感光層が結晶質半導体材料によって作られることを特徴とする感光装置を提案する。
前記光検出装置の特定の特徴は、前記感光層が埋め込まれており、かつ光子に対して透明な材料からなる支持基板が感光層の受光側に位置しているということになるものである。
本発明のその他の特徴、目的および利点については、本発明に関して以下の図面で図解する次の詳細な説明によって明らかとなるものである。
図１ａは、第一の従来技術による光検出装置の断面の概略図である。
図１ｂは、第一の従来技術による、光子を検出する光検出装置表面の正面の概略図である。
図２ａは、第二の従来技術による光検出装置の断面の概略図である。
図２ｂおよび図２ｃは、それぞれ、第二の従来技術による光子を検出する光検出装置の表面の正面、および反対側の表面の概略図である。
図３は、第三の従来技術による光検出装置の断面の概略図である。
図４は、本発明に係る第一の検出装置の断面の概略図である。
図５は、本発明に係る第二の検出装置の断面の概略図である。
図６ａ〜６ｍは、本発明に係る第一の光検出装置に対する第一の製造方法のさまざまな段階である。
図７ａ〜７ｈは、本発明に係る第二の光検出装置に対する第二の製造方法のさまざまな段階である。
図１ａは、第一の従来技術による光検出装置の断面の概略図である。
図１ｂは、第一の従来技術による、光子を検出する光検出装置表面の正面の概略図である。
図２ａは、第二の従来技術による光検出装置の断面の概略図である。
図２ｂおよび図２ｃは、それぞれ、第二の従来技術による光子を検出する光検出装置の表面の正面、および反対側の表面の概略図である。
図３は、第三の従来技術による光検出装置の断面の概略図である。
図４は、本発明に係る第一の検出装置の断面の概略図である。
図５は、本発明に係る第二の検出装置の断面の概略図である。
図６ａ〜６ｍは、本発明に係る第一の光検出装置に対する第一の製造方法のさまざまな段階である。
図７ａ〜７ｈは、本発明に係る第二の光検出装置に対する第二の製造方法のさまざまな段階である。
本発明の第一の目的は、結晶質半導体材料からなる感光層を具備し、かつ垂直構成を有する光検出装置を製造することにある。
本発明の第二の目的は、こうした光検出装置を製造する方法を実施し、それにより、感光表面の１００％あるいは１００％近くが感光に寄与するようにすることにある。
図４および図５が示すのは、それぞれ、本発明に係る第一および第二の光検出装置であって、
−感光層１と、
−電子回路層２と、
−感光層１と電子回路層２とを隔てるフィールドアイソレーション層３と、
を具備する。
−感光層１と、
−電子回路層２と、
−感光層１と電子回路層２とを隔てるフィールドアイソレーション層３と、
を具備する。
感光層１は、なるべく、Ｓｉ、ＳｉｘＧｅ１−ｘ、あるいはＩＩＩ−ＶまたはＩＩ−ＶＩ合金のいくつかのような単結晶質の半導体材料からなることが好ましい。
感光層１は、フォトダイオードとして機能するため、少なくとも一つの電気的接合を有しており、またその性質および／または濃度が感光層１の厚さによって急激に変化するドーピング要素を構成する。
そこで感光層１は、ＰＮタイプ接合、ＰＰ＋タイプ接合、ＮＮ−タイプ接合、ＰｉＮタイプ接合、またはその他のタイプの接合となることがある。
受け取った光子の電子電荷への変換を容易にするため、あるいは可能にするため、感光層１をそれぞれ電極層８および７で覆い、その間に介在させ、バイアスさせることが好ましい。
感光層１の受光側に位置した一つの電極層８は透明にして、それにより、少なくとも一部の光子が電極層を横断し、下に横たわっている感光層１が光子を受け取ることができるようにしなければならない。
この電極層８は、たとえば、ＩＴＯ（インジウム・チタン酸化物）で作ることができる。もう一つの電極層７は、アルミニウムやＴｉＷのようないかなる導電性材料でも良い。
回路層２は、感光層１から発せられる電子電荷を受け取り、次いでそれを随意的に増幅し、切り替え、また指令する全ての電子部品を含む。
回路層２は、好ましくは、
−ピクセル１００の電子部品を含む中央領域２２と、
−中央領域２２に位置したさまざまなピクセル電子部品に対するアドレッシングプロセスに寄与する電子部品を含む周辺領域２１との二つの領域を有する。
−ピクセル１００の電子部品を含む中央領域２２と、
−中央領域２２に位置したさまざまなピクセル電子部品に対するアドレッシングプロセスに寄与する電子部品を含む周辺領域２１との二つの領域を有する。
各光検出素子ユニット１００（すなわちピクセル１００）は、少なくとも一つの電子部品２０（図４および５ではトランジスタとして示してある）と、前記少なくとも一つの電子部品２０の真上にある感光層１の一部とを具備している。
ピクセル１００において、感光層１の一部および少なくとも一つの電子部品２０は、ビアホール４０によって電子的に結合されており、そのためにビアホール４０は導電性通路となっている。
ビアホール４０は、たとえばＡｌまたはＴｉＷ、あるいはその他の導電性材料で充満することができる。
ビアホール４０は、感光層１と、少なくとも一つの電子部品２０（図４および図５では、トランジスタ２０のソースとして示してある）との結合を可能にする。
フィールドアイソレーション層３は、感光層１を電子回路層２から隔てると共に、回路層２の周辺領域２１（および含まれているアドレッシング部品）を外部照明から保護することを機能とする遮蔽をその周辺部３１に具備する。遮蔽のために選定する材料は、考慮対象としている波長に対して非透明な全ての材料、たとえばタングステンやニッケルのような材料とすることができる。
フィールドアイソレーション層３の中央領域３２は、通過するビアホール４０を除き、感光層１から回路層２を電気的に分離する。
中央領域３２は、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉｘＯｙＮｚのような誘電材料とすることができる。
前述したこれら三つの層（すなわち感光層１、電子回路層２およびフィールドアイソレーション層３）に加えて、光検出装置は、装置全体を機械的に強固にする支持基板を具備することが好ましい。
図４は、本発明に係る第一の光検出装置を示したもので、この場合、支持基板６は感光層１の側面に位置している。
光子が感光層１に到着し得るようにするため、この支持基板６は、ガラスあるいは石英のように光子に対して透明な材料、あるいは当該波長に対して透明なその他の材料で作らなければならない。
次いで、この第一の光検出装置を「後部から」照明する。
さらに、この光検出装置では、被覆されていない回路層２の電子部品２０に直接電気的に接触することができる。
図５は、本発明に係る第二の光検出装置を示したもので、この場合、支持基板９は回路層２の側面に位置している。
支持基板９は、Ｓｉのような半導体材料であれば、何れの材料でも作ることができる。
次いで、この第二の光検出装置を「前面から」照明する。
本発明に係る光検出装置は、必ずしもアモルファス半導体材料中に感光層１を具備するとは限らず、たとえ介在する層（電極層７または８、および／またはフィールドアイソレーション層３）が結晶質材料でない場合であっても、結晶質半導体材料による感光層１を具備することができるのであり、このことは、非結晶質の表面からは結晶質材料を成長させることはできないため、感光層１がアモルファス材料中に存在しなければならない従来技術による光検出装置とは対照的である。
本発明に係る光検出装置は、感光層１の信頼性と効率を向上させるものであり、それは、結晶質半導体材料がアモルファス材料におけるように電荷トラップを有しておらず、したがってアモルファスにおけるように入射光子によって発生する電子の平均個数が少ないという問題を呈することがなく、そのためより感度の高い検出装置をもたらすからである。
図６ａ〜６ｍは、光検出装置に対する第一の製造方法のいくつかの段階を示したものである（前記第一の光検出装置については図４を参照）。
図６ａを参照し、第一の段階は、半導体基板５を供給するもので、その上に感光層１を成長させるのであり、これは、ドナー基板ＩＩＩを製作するためである。
第一の基板５は、できれば、単結晶質基板であることが好ましいのであり、この基板は、バルク材料（ＳｉまたはＡｓＧａのような）で製作するか、あるいはバルク基板Ｓｉと、ＳｉＧｅ中のバッファ構成（塑性欠陥を閉じ込めると共に、格子パラメータを適合させる）とを具備する第一の基板５のような異なった種類の材料で製作することができる。
いずれにしても、第一の基板５は、好ましくは塑性欠陥がほとんどない単結晶質の上部表面を呈する。
次いで感光層１は、ＰＥＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、ＬＥＰＣＶＤなどのようなＣＶＤ技術のような既知のエピタキシアル技術によって成長する。
ある変形においては、アモルファス構造のような非結晶質の感光層１を製作するために、感光層１は蒸着によって形成する。
感光層１に電気的な接合を作るため、成長段階の後にドーピング段階が続き、それにより、感光層１は、ドーピング要素の濃度および／または性質が互いに異なる少なくとも二つのレベルのドーピング領域を有するようになる。
こうして感光層１は、要求に応じて、ＰＮ接合、ＮＮ−接合、ＰＰ＋接合、ＰｉＮ接合などを呈することができる。
図６ｂを参照し、第一の電極層８は感光層１の上に随意的に形成する。この電極層８はＩＴＯのような透明な導電層で作る。
図６ｃを参照し、移植段階は、ドナー基板ＩＩＩの上部表面を通過しての水素および／またはヘリウムイオンのような原子種の移植からなり、それにより、第一の基板５に脆化域４を作る。
原子種の濃度およびエネルギーについては、脆化域４が第一の基板５の中に位置すると共に、ドナー基板ＩＩＩのその他の部分に比して若干機械的な弱さを呈するように選定する。
図６ｄを参照し、支持基板６を供給し、ドナー基板ＩＩＩにボンディングする。
この支持基板６は、光検出装置が受け取る光子に対して透明なガラスまたは石英のような材料で作る。
ボンディングする前に、粗さを低減するため、ドナー基板ＩＩＩおよび／または支持基板６を研摩またはクリーニングすることができる。
ボンディングは、主にボンディングすべき表面の親水性に依拠する分子付着によって実現し得る。
ボンディングすべき表面の準備は、支持基板６とドナー基板ＩＩＩの間の結合エネルギーを高めるため、たとえばプラズマ（たとえば酸素の）照射、クリーニング、ブラシ研磨などのような方法を用いて随意的に実施することがある。
採用し得る結合技術のさらなる詳細については、Ｑ−Ｙ ＴｕｎｇおよびＵ．Ｇｏｅｓｅｌｅ（Ｗｉｌｅｙ Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ，Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．）の「半導体ウエハー結合の科学と技術（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｗａｆｅｒ ｂｏｎｄｉｎｇ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）」を参照することができる。
ボンディング界面については、たとえば６００℃から９００℃のような低いボンディング温度で１時間熱処理を行なうことにより随意的に強化することがある。さらにプラズマ活性化によってボンディングを促進することがある。
図６ｅを参照し、第一の基板５の主要な部分を切り離すため、脆化域４に若干のエネルギーを導入して第一の基板５を減じる。
供給するエネルギーは、たとえば機械的エネルギーおよび／または熱的エネルギーあるいはその他の種類のエネルギーとすることできる。
供給するエネルギーは、たとえば機械的エネルギーおよび／または熱的エネルギーあるいはその他の種類のエネルギーとすることできる。
第一の基板５を減じる第一の代替策は、原子種の移植（図６ｃで図解したような）とは異なる方法で、すなわち感光層１を形成する（図６ａを参照）前に、以下の各段階を実施することにより脆化域４を形成する方法によって処理することができる。
ここで各段階とは、
−二つのウエハーを供給する段階と、
−表面粗度を高めるため、二つのウエハーの少なくとも一つの表面にエッチングを施す段階と、
−二つのウエハーをボンディングする段階と、
であって、こうして前記第一の基板５を形成すると共に、粗い界面が前記脆化域４となることである。
ここで各段階とは、
−二つのウエハーを供給する段階と、
−表面粗度を高めるため、二つのウエハーの少なくとも一つの表面にエッチングを施す段階と、
−二つのウエハーをボンディングする段階と、
であって、こうして前記第一の基板５を形成すると共に、粗い界面が前記脆化域４となることである。
ボンディングエネルギーを制御することにより「取り外し可能な基板」とも称するこうした第一の基板５の製造については、たとえば仏国特許第２８２３５９９号の明細書に記述されており、その原理は、互いにボンディングした前記二つのウエハー間のボンディング力を最適ボンディング力に比して低減させるというものである。
次いで、図６ｄを参照して上述したように、第一の基板５の主要な部分の取り外し作業を実質的に処理する。
第一の基板５を減じる第二の代替策は、エッチバック技術（すなわち第一の基板５の背後から化学的エッチングを施すこと）である。
第一の基板５を減じるためにどのような技術を採用しようとも、第一の基板５を減じた後、第一の基板５の残存部分５’（図６ｅを参照）はそこに留まっており、それを研摩、選択的な化学的エッチング、ＣＭＰ、酸化などのような主に仕上げ手段によって除去し、それによって、図６ｆに示すように、支持構造６、随意的で透明な第一の電極層８、および感光層１からなる構造を得るようにする。
図６ｇを参照し、感光層１の上に随意的な第二の電極層７を形成するが、この第二の電極層７は、ＡｌやＴｉＷのような導電性材料で作成する。
この第二の電極層７を形成する技術は、電気メッキとすることができる。
図６ｈを参照し、第二の基板９を供給することによって、その上に回路層２を形成し、第二のウエハーＩＩを形成する。
第二の基板９は、Ｓｉのようなバルク材料のような単結晶質材料か、あるいは、たとえば、バッファ構造をなす複合構造で製作することが好ましい。
第二の基板９の上に、電子回路層２を形成し、それによって、中央部２２がさまざまなピクセル１００の電子部品全てを含み、一方、周辺部２１がアドレッシングに寄与する電子部品を含むようにする。
これらの部品を製造するために採用する技術は、たとえば、エピタキシー、ドーピング、蒸着、電気メッキなどのような通常の技術である。
回路層２のレイアウトは、感光層１（この感光層は次いで回路層２の上の横たわる）から来る電子電荷を処理するように選定して、回路層２の内部に回路構成および金属トラックの経路を選定する。
たとえば、各ピルセル１００内にＣＭＯＳ回路を製造することができる。
次いで回路層２の上にフィールドアイソレーション層３を形成するが、このフィールドアイソレーション層３は、下に横たわる回路層２の周辺部２１を保護する遮蔽となる周辺部３１と、回路層２の中央部２２を覆う中央部３２とを具備する。
フィールドアイソレーション層３の周辺部３１のために選定する遮蔽材は、考慮対象としている波長に対して非透明なあらゆる材料、たとえば、タングステンやニッケルのような材料とすることができる。
フィールドアイソレーション層３の中央部３２のために選定する材料は、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉｘＯｙＮｚなどのような誘電材料とすることが好ましい。
次いでこのフィールドアイソレーション層３は、感光層１（この感光層は次いでフィールドアイソレーション層３に横たわる）から回路層２を電気的に分離することになる。
図６ｉを参照し、第二の基板９の中で移植段階を処理し（上述した基板５の中での移植段階のように、図６ｃを参照）、それにより、第二の基板９の中に第二の脆化域４’を作成する。
図６ｊを参照し、次いで第二のウエハーＩＩと第一のウエハーＩをボンディングする。
この段階で用いるボンディング技術は、図６ｄを参照した（かつ上述した）段階で用いるボンディング技術と同様のものである。
第二の基板９の主要な部分を切り離すため、若干のエネルギーを供給する、なおこのエネルギーは、たとえば機械的エネルギーおよび／または熱的エネルギーあるいはその他の種類のエネルギーでも構わない。
第一の基板５を減じるための上述した二つのその他の代替策は、また、第二の基板９を減じるために適合することができる。
図６ｋおよび６ｌを参照し、第二の基板９を減じた後、その残存部分９’を、研摩、選択的エッチング、ＣＭＰ、酸化、熱的焼戻しのようないくつかの表面仕上げ技術によって除去する。
図６ｍを参照し、最後に光検出装置を達成するが、それは、回路層２の表面から感光層１に向けて（回路層２のマスクしていない表面を通じて行なうマスクとエッチングの技術によって）ビアホールを形成し、次いでそれをＡｌやＴｉＷのような導電層またはその他の材料で充満する方法によって達成するのであるが、こうすることにより、回路層２の中央部２２に含まれるいくつかの電子部品の入力と感光層１の間に導電性ビアホール４０を形成し、こうして前記第一の光検出装置を形成する（図４を参照）。
図７ａ〜７ｈを参照し、本発明に係る光検出装置に対する第二の製造方法（前記第二の光検出装置を得るためのもの、図５を参照）を提案する。
第一のウエハーＩを形成するため、感光層１および第一の基板５を形成した後（図７ａを参照）、感光層１の上に第一の電極層７を形成する（図７ｂを参照）。
この第一の電極層７は、光子に対して非透過である（このことは、本発明に係る前記第一の製造方法における第一の電極層８とは対照的である、図６ｂを参照）。
第一のウエハーＩに原子種を移植した後で、かつ支持基板９を含む第二のウエハーＩＩを形成した後、回路層２およびフィールドアイソレーション層３を形成する（図６ｃおよび図６ｈを参照しながら上述した技術にそれぞれ実質的に同様の技術を用いて）。
次いで、図７ｅを参照すると、第一のウエハーＩを第二のウエハーＩＩに直接ボンディングし、順次、回路層２、フィールドアイソレーション層３、随意的な第一の電極層７および感光層１を具備する構造を得る。
ここで注目すべき点は、光検出装置に対する前記第一の製造方法とは対照的に、この第二の方法には、第一のウエハーＩと第二のウエハーＩＩとの間のボンディング（図６ｄを参照）に先立ち、透明な支持基板６を供給し、ボンディングする段階が存在しないこということである。
第一の基板５を減じた（図６ｃおよび図６ｄを参照して上述したのと同一の技術、または光検出装置の前記第一の製造方法に対して上述したような前記代替技術の一つを用いて）後で、かつ第一の基板５の残存部分５’を除去した後、感光層１の表面から感光層２の中央部２２のいくつかの電子部品の入力にかけて、随意的な第一の電極層７とフィールドアイソレーション層３を通過するビアホール４０を形成する（図６ｍを参照して使用した技術と同様な技術を使用して）。
図７ｈを参照し、感光層１の上にＩＴＯのような透明な導電性材料を用いて随意的な第二の電極層８を形成して、受け取るべき光子の少なくとも一部が電極層を横切るようにする。
次いで前記第二の検出装置（図５を参照）を形成する。
１ 感光層
２ 回路層
３ フィールドアイソレーション層
４ 脆化域
５ 基板
６ 支持基板
７ 電極層
８ 電極層
９ 基板
２０ 電子部品
４０ ビアホール
１００ ピクセル
Ｉ 第一のウエハー
ＩＩ 第二のウエハー
ＩＩＩ ドナー基板
２ 回路層
３ フィールドアイソレーション層
４ 脆化域
５ 基板
６ 支持基板
７ 電極層
８ 電極層
９ 基板
２０ 電子部品
４０ ビアホール
１００ ピクセル
Ｉ 第一のウエハー
ＩＩ 第二のウエハー
ＩＩＩ ドナー基板
Claims (18)
- （ａ） 第一の基板（５）に半導体材料から選定した単結晶材料からなる感光層（１）をエピタキシャル技術によって成長させることと、
感光層（１）に導電性材料で作成された電極層を形成することとを実行することにより、第一のウエハー（Ｉ）を供給する段階であって、
感光層（１）に透明な導電材からなる第一の電極層（８）を形成し、
第一の電極層（８）を透明な材料の支持基板（６）とボンディングし、
第一の基板（５）を除去し、
第一の基板（５）を減じた後、感光層（１）上に導電材からなる第二の電極層（７）を形成し、
したがって、前記第一のウエハー（Ｉ）が、順次、第二の電極層（７）、感光層（１）、第一の電極層（８）、支持基板（６）を構成する段階と、
（ｂ） 第二の基板（９）に電子部品を含む回路層（２）を具備する第二のウエハー（ＩＩ）を供給する段階と、
（ｃ） フィールドアイソレーション層（３）を回路層（２）に形成する段階と、
（ｄ） 前記第一のウエハー（Ｉ）と前記第二のウエハー（ＩＩ）をボンディングして、順次、回路層（２）、フィールドアイソレーション層（３）、第二の電極層（７）、感光層（１）、第一の電極層（８）からなる構造を形成する段階と、
（ｅ） 感光層（１）を、回路層（２）のいくつかの電子部品の入力に電気的に接続するように、該回路層（２）の表面から該感光層（１）に向けて、導電性ビア（４０）を形成する段階とを備える
段階とを含むことを特徴とする、光検出装置の製造方法。 - さらに、
−段階（ｃ）の前に、前記回路層（２）を第二の基板（９）上に形成し、それにより前記第二のウエハー（ＩＩ）の少なくとも一部を形成する段階と、
−段階（ｄ）の後に、前記第二の基板（９）を除去する段階と、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の光検出装置の製造方法。 - 段階（ｅ）の期間中に、回路層（２）の表面を通り、回路層（２）のいくつかの電子部品の入力から、感光層（１）に至るビアホールを形成することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の光検出装置の製造方法。
- （ａ） 第一の基板（５）に半導体材料から選定した単結晶材料からなる感光層（１）をエピタキシャル技術によって成長させることと、
感光層（１）に導電性材料で作成された電極層（７）を形成することとを実行することにより、第一のウエハー（Ｉ）を供給する段階と、
（ｂ） 第二の基板（９）に電子部品を含む回路層（２）を具備する第二のウエハー（ＩＩ）を供給する段階と、
（ｃ） フィールドアイソレーション層（３）を回路層（２）に形成する段階と、
（ｄ） 前記第一のウエハー（Ｉ）と前記第二のウエハー（ＩＩ）をボンディングして、順次、回路層（２）、フィールドアイソレーション層（３）、感光層（１）からなる構造を形成する段階と、
（ｅ）第一の基板を除去する段階と、
（ｆ） 感光層（１）を、回路層（２）のいくつかの電子部品の入力に電気的に接続するように、該感光層（１）の表面から該回路層（２）に向けて、導電性ビア（４０）を形成する段階と，
（ｇ）感光層（１）上に透明な導電性材料で作成された第二の電極層（８）を形成する段階とを含むことを特徴とする、光検出装置の製造方法。 - 段階（ｇ）の期間中、感光層（１）の表面を通り、回路層（２）のいくつかの電子部品の入力に至る導電性ビアホールを形成することを特徴とする、請求項４に記載の光検出装置の製造方法。
- 段階（ｄ）が分子付着を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の光検出装置の製造方法。
- 段階（ｄ）が分子付着の後に熱処理を含み、かつフィールドアイソレーション層（３）を構成する材料の少なくとも一つが、この熱処理の進行中にボンディングを改善し得るように選定されることを特徴とする、請求項６に記載の光検出装置の製造方法。
- フィールドアイソレーション層（３）のために選定した材料が、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4またはＳｉｘＯｙＮｚから選ばれる誘電体であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の光検出装置の製造方法。
- 基板を除去する段階が、化学的エッチング、選択的な化学的エッチング、研削、研摩、ＣＭＰの内の少なくとも一つを用いて実施されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つに記載の光検出装置の製造方法。
- 基板を除去する段階が、前もって前記基板（５、９）に形成されていた脆化域（４、４’）にわたる前記基板（５、９）を取り外すためのエネルギーの入力を含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つに記載の光検出装置の製造方法。
- さらに、水素および／またはヘリウムのような原子種の移植による、前記基板（５、９）への前記脆化域（４、４’）の形成を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の光検出装置の製造方法。
- さらに、
−第三および第四のウエハーを供給する段階と、
−第三および第四のウエハーの少なくとも一つの表面をエッチングして、表面粗度を高める段階と、
−粗い表面に第三および第四のウエハーを接合して前記基板（５、９）を形成し、かつ粗い界面が前記脆化域（４、４’）となる段階と、
による前記脆化域（４、４’）の形成を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の光検出装置の製造方法。 - さらに、選択的な化学的エッチング、研摩、ＣＭＰ、酸化、および熱的焼き戻しの内の少なくとも一つを採用することにより、取り外した表面（５’、９’）の表面仕上げを含むことを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一つに記載の光検出装置の製造方法。
- フィールドアイソレーション層（３）の形成が、一定の幅にわたるフィールドアイソレーション層（３）周辺における光子への遮蔽の形成を含むことを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一つに記載の光検出装置の製造方法。
- 回路層（２）が複数のトランジスタ（２０）を具備し、かつそのトランジスタ中に回路層（２）のパターンが形成され、それにより、一旦段階（ｅ）が実施されると、感光層（１）のいくつかの部分がいくつかの導電性ビアによっていくつかのトランジスタに電気的に接続され、また複数の光検出素子ユニット（１００）が形成されることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一つに記載の光検出装置の製造方法。
- ピクセル（１００）による電子部品（２０）がＣＭＯＳ部品を具備することを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一つに記載の光検出装置の製造方法。
- 請求項１〜１６のいずれか一つに記載の光検出装置の製造方法によって製造した光検出装置であって、かつ、
−電子部品を具備する回路層（２）と、
−フィールドアイソレーション層（３）と、
−単結晶半導体材料からなる感光層（１）と、
−導電性材料から作られる電極層とを具備するとともに、
回路層（２）のいくつかの電子部品の入力に感光層（１）を電気的に接続する導電性ビア（４０）を具備することを特徴とする光検出装置。 - 感光層（１）が埋め込まれており、かつ光子に対して透明な材料からなる支持基板（６）が感光層（１）の受光側に位置していることを特徴とする、請求項１７に記載の光検出装置。
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