JPS5928065B2 - 固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （ハ 発明の利用分野 本発明は半導体基板上に走査回路および光電変換膜を集
積化した固体撮像素子の製造方法に関するものである。

（２）従来技術 固体撮像素子を構成する有力な担体としてＣＣＤ（Ｃｈ
ａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅｓ）およびＭＯＳ
型（絶縁ゲート形電界効果トランジスタスイッチのソー
ス接合を光ダイオードとして利用する素子）の２種類が
考えられてきた。

これらの素子はいずれも集積度の高いＭＯＳプロセス技
術を用いて製作できるという利点を有している。しかし
乍ら、感光部が電極の下（ＣＣＤの場合）または走査ス
イッチおよび信号出力線と同一平面上（ＭＯＳ型の場合
）にあるため、電極やスイッチ部により光の入射がさま
たげられる領域が多く、すなわち光損失が大きいという
欠点がある。さら■ｑ感光部と走査部が前述のように同
一平面上にあるため絵素の占有面積が大きくなる、すな
わち絵素の集積度を上げることが出来なくて解像度を上
げることができないという問題点を有している。これら
問題点（光感度、解像度）を解決する構造として、発明
者らは走査部の上に感光用の光電変換膜を設ける二階建
構造の固体撮像素子を出願した（特開昭５１−１０７１
５）。この二階建固体撮像素子をＭＯＳ型素子で構成し
た場合を例にとり、素子構造の概略を第１図に示す。１
は第１導伝型の半導体基板、２は走査回路（図示せず）
あるいは走査回路の出力によつて開閉するスイッチ素子
を構成する絶縁ゲート形電解効果トランジスタ（以下Ｍ
ＯＳＴ）であり、ソース３、ドレイン４、ゲート５にか
ら成る。

６は感光材料となる光電変換膜、またＴは光電変換膜を
駆動する電圧印加用の透明電極である。

この図から分るように、半導体基板１と走査回路および
スイツチ素子２を集積化した走査１Ｃ基板と６および７
から成る光電変換部とが二階建構造になつてい妬したが
つて、面積利用率が高く絵素当りの寸法９が小さくなる
、すなわち解像度が高い。光電変換部が入射光１０に対
して上部にあるため光損失がなく、光感度が高い。さら
に、光電変換膜を選択することにより所望の分光感度を
得ることができる等、従来の固体撮像素子に較べて極め
て優れた性能を期待することができるものである。反面
、この二階建素子は光電変換膜に使用する材料を加工す
るエツチング液が未だ見つかつていない、あるいは将来
見つかつたとしても、これらの材料は耐薬品性が極めて
乏しい（換言すれば化学反応性が強い）ためエツチング
液の中に浸すことができないという製作上の問題があり
、事実上二階建素子の実現をはばんでいる。この種材料
には撮像用電子管で使われているＳｅ−Ａｓ−Ｔｅ，Ｐ
ｂＯ，ＣｄＴｅ，ＣｄＳ等幾多の光導電体物質があるが
、撮像用電子管に於てはガラスの面板上にこれらの材料
を蒸看する工程だけで済み、形状加工（不要な領域の材
料を除去する）という工程は必要としなかつた。したが
つて、上記の問題は固体素子（二階建素子）を製作する
場合特有の難点である。（３）発明の目的 本発明の目的は前述の製作加工上の問題点を解決する二
階建状の固体撮像素子の製造方法を提供することにある
。

（４）発明の総括説明 本発明は、上記目的を達成するため、光電変換膜の加工
を一般に集積回路の製作加工に使用されているホトエツ
チング技術を使用しないで行うようにしたものである。

具体的には光電変換膜を形成したい領域に相当する開口
部を設けたしやへい板を走査用Ｃの上部に設置し光電変
換膜の製作を行うようにしたものである。（５）実施例 以下、本発明を実施例を参照して詳細に説明する。

第２図および第３図は本発明による二階建撮像素子の製
作工程を示す図である。ここでは、走査用Ｃ基板の構成
素子としてはＭＯＳＴを使用しているが、ＣＣＤを使用
した走査用Ｃ基板であつてもよく、本発明の製作工程は
いずれの走査Ｃ基板でも全く同様である。製作方法はＳ
ｌ半導体ウエーハ上に多数の走査用１Ｃ基板が未だ配列
されている状態と走査用Ｃ基板をウエーハから個別に切
り出した状態（チツプ状にした場合）の二種類が考えら
れるので、各各について説明する。

但し、製作加工法の本質はいずれの場合においても変わ
らない。（ｉ）チツプ状の場合 製作工程を第２図に示す。

ａにおいて、１２は二次元状に配列された絵素用電極の
形成まで完了した半導体ウエーハ基板であり、１３は本
ウエーハ状に多数集積化された個々の走査用Ｃである。

ｂにおいて、ウエーハの切断により多数配列されていた
走査用１Ｃを別々のｂに示したようなＩＣチツプ１４に
分離するチツプの断面構造をｃに示す。

ここで、１５は走査回路を構成するＭＯＳＴｌ６および
スイツチ素子となるＭＯＳＴｌ７を集積化した第１導電
型の半導体基板、１８はＭＯＳＴを形成するゲート電極
、１９，２０は第２導電型の不純物拡散層からなるソー
スおよびドレインである。また、２１は絶縁膜（一般に
ＳｌＯ２が利用される）、２２は二次元状に配列された
電極パターンで、本パターンが１絵素のサイズを決定す
る。２３は走査回路領域（ここでは、次に示す垂直走査
回路を示している）、２４は電極２２を二次元状に配列
した光電変換領域となるべき領域を示している。

第２図ｄはチツプ１４を上から見た平面図で、２３−１
はＹ方向の走査を行う垂直走査回路領域、２３−２はＸ
方向の走査を行ら水平走査回路領域（第２図ｃでは省略
した）、また２４は電極２２のマトリツクス状パターン
（最初の２列を示し、後は点状の矢印で示した）からな
る光電変換領域である。

第２図ｅにおいて、本チツプの上部に光電変換領域だけ
窓２５のあいたしやへい板（マスク板）２６を密着して
のせる（第２図ｅ）。

あるいは、第２図ｆのようにスペーサ２７などをチツプ
の周辺にあたる部分にチツプとマスクの間に挿入し若干
の間隙を持たせてのせる。後者の間隙はトランジスタ等
が集積化された走査用１Ｃ基板を損傷しないための配慮
である。しやへい板の平面図を第２図ｇに示す。次に、
この状態で光電変換材料となるＳｅ−Ａｓ−Ｔｅ，Ｐｂ
Ｏ等の光電変換膜２８を蒸着法あるいはスパツタリング
法２９によつて光電変換領域の上部に０．５〜５μｍ程
度形成する（第２図ｈ）。本蒸看の際、チツプは使用用
する材料によづては５０℃〜数１００℃に加熱必要があ
る。したがつて、蒸看あるいはスパツタのの際の遮蔽３
０の役割を果すマスク板２６は耐熱性のあるものがよく
、例えば金属波（ステンレス、銅、鉄、アルミ等）を用
いるのが望ましい。また、本金属マスクの厚みｔはチツ
プ領域内で凹凸を生じない程度であればよく、例えばス
テンレス板の場合などは数百μｍの厚みがあればよい。
第２図ｅの場合でも、マスクとチツプを完全に密看する
ことは難かしい。

したがつて、現実には蒸着が開口部より内側まで広がる
ことになる（第２図ｈ）。この広がり寸法Ｄｓは発明者
らの測定によれば密着の場合、すなわへ第２図ｅの場合
１００〜２００μｍ程度、第２図ｆの場合はＤｓはスペ
ーサの寸法ｈに依存するが、２００Ｉｔｍ以上となる。
したがつて、開口部の寸法設計値は光電変換領域となる
べき領域２４の寸法（ＤＨ，ｄｖ）よりＤ８だけ小さく
し（ＤＨ−Ｄｓ，ｄｖ−Ｄｓ）とする等の配慮が必要で
ある。開口部を小さくしない場合は走査Ｃ基板の設計の
際、光電変換領域からあらかじめＤ８以上の寸法だけ水
平および垂直走査回路を離しておくことが望ましい。一
方、各領域の間にＤｓの余裕を取らなかつた場合は、光
電変換膜は走査回路領域の一部にも蒸着されることにな
るが、この場合でも光電変換膜と走査回路とは前記酸化
膜によつて絶縁されているので動作上の問題はない。但
し、この膜の上部には後で述べるように電圧が印加され
るので、酸化膜中にピンホール等が存在すると本電圧が
走査回路に伝達され（いわゆるシヨート）、回路動作を
不可能にする危険性があるので、上記のように広がりＤ
ｓを考慮した設計を行うのが望ましい。第２図１の様に
光電変換膜２８を形成した後、第２図Ｅ，ｆと同様の開
口部を有する金属マスク板を用いて、光電変換膜２８の
上部に光電変換膜を１駆動するための電圧を印加する透
明電極３１を形成する。

ここで、金属マスク板は第２図Ｅ，ｆと同一のマスク板
２６を用いてもよいし、開口寸法の異なる別のマスク板
を使用してもよい。前者の場合は、マスク板を取りはず
す（至）ことなくそのまま透明電極の蒸着に進めばよく
、後者の場合は金属マスク板の取り替えが必要となる。

ここで、開口寸法の異なる別のマスク板を用いる理由は
透明電極が下層の光電変換膜を十分覆うようにする、あ
るいは透明電極の蒸看あるいはスパツタ時の広がり（前
術のＤｓ）が透明電極と光電変換膜と異なるためで、開
口寸法は光電変換膜形成用マスク板より大きくする場合
と小さくする場合が考えられる。一方、透明電極の材料
としては一般によく知られているＳｎＯ２，ｎＯ２など
、あるいは透明度は若干低下するが５０〜２００人程度
の薄い金属膜、１００〜１０００Ａ程度の多結晶シリコ
ン膜などを使用することができる。

また、透明電極の蒸着あるいはスパツタの際、使用する
材料によつては、光電変換膜蒸看時と同様チツプの温度
を１００光−５００℃まで上げることが必要となる。透
明電極の形成まで完了したチツプをパツケージに取り付
け、チツプ周辺に置かれたボンデイグ用のパツドにワイ
ヤボンデイングを施すことにより二階建撮像素子の製作
が完了する（図示せず）。上記の実施例においてはチツ
プに金属マスク板を重ねる製作方法について述べたが、
第３図に示すようにチツプ１４をパツケージ３２に取り
付けた後、金属マスク板２６を重ね合せて製作すること
も出来る。

（ここでは密着の場合について示した）。本法について
も製作工程は第２図の実施例と全く同様である。１１）
ウエーハ状の場合 この場合も製作工程は第２図の実施例と同じである。

但し、走査用１Ｃが個別のチツプではなく同一ウエーハ
上に並んでいるため、光電変換膜および透明電極の蒸着
マスクに使用する金属マスク板が異つてくる。第４図は
ウエーハ状の場合に用いる金属マスク板２６′の平面図
（最初の３行３列を図示した）であり、マスク内には第
２図で説明した開口部２５′がウエーハ上における走査
用Ｃの配列ピツチと同じピツチでウエーハ上の配列個数
と同一の数だけ設けられている。本法の利点は多数（Ｎ
＞＜Ｍ個）の二階建素子が同時に出来上るため量産性が
良いことである、反面、ウエーハは現実には屈曲してい
る、金属マスク自体も寸法が大きいのでたわむ、等の問
題があり前述の広がり寸法Ｄｓがウエーハ内の各素子で
異なる等の問題がある。

したがつて、広がり寸法Ｄｓのばらつきを考慮した開口
部の設計あるいは走査用１Ｃ自体の設計が必要となる。
上記の実施例においては透明電極も金属マスクを用いて
形成する方法を述べたが、透明導電性材料については、
エツチング液が開発されている材料もあるので通常のＣ
と同様のホトエツチング技術を用いて加工することも可
能である。但し、下層の光電変換材料は前述のように耐
薬品性に乏しいので、金属マスク板による加工の方がよ
り望ましいと考えられる。以上、実施例を用いて詳細に
説明したように、本発明によれば光電変換膜の加工ある
いは光電変換膜およびその上部の透明電極の加工に蒸看
しやへい用あるいはスパツタしやへい用の金属マスク板
を走査用１Ｃの上部に設定することにより、二階建撮像
素子の製作を簡単に行うことができる。

本発明の利点は次に示す通りである。（１）薬品を使用
しないので光電変換膜の劣化を生ずることがない。

（２）金属マスクは通常のＩＣで使用するホトマスクに
較べて安価である、摩耗、損傷がないので半永久的に使
用できる、さらに薬品の消費もないので本発明の製造方
法は極めて安価である。

発明者らは本発明の製造方法によつて、二階建撮像素子
を高歩留りで製作することができ、第５図に示すような
撮像例を得ることができた。本素子の特性評価を通して
本発明は実用上極めて大きな価値を有していることを確
認した。なお、二階建撮像素子の走査用１Ｃの構成素子
として前に述べたＭＯＳＴ，ＣＣＤの他に接合型電界効
果トランジスタ、バイポーラトランジスタ、さらには近
年報告されているＣＩＤ（℃ＨａｒｇｅＪｎ一Ｊｅｃｔ
ｉＯｎＤｅｖｉｃｅｓ）を採用した場合も本発明と全く
同じ製造方法で二階建撮像素子を製作することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は二階建固体撮像素子の構造の概略を示す図、第
２図は本発明の二階建固体撮像素子の製造方法の実施例
の工程を示す図、第３図および第４図は本発明の二階建
固体撮像素子の製造方法の別の実施例を示す図である。 １５・・・・・・半導体基板、１６・・・・・・走査回
路のＭＯＳＴｌｌ７・・・・・・スイツチ用ＭＯＳＴｌ
ｌ８・・・・・・ＭＯＳＴのゲート電極、１９，２０・
・・・・・ＭＯＳＴのソース、 ドレイン、２１・・・
・・・絶縁膜、２２・・・電極パターン、２３．・・．
・・走査回路領域、２４・・・・・・光電変換領域、２
５・・・・・・マスク板の窓、２６・・・・・化やへい
板（マスク板）、２７・・・・・・スペーサ、２８・・
・・・・光電変換膜（光導電膜）、３１・・・・・・透
明電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 二次元状に配列したスイッチ素子、該スイッチ素子
   を介して取出した光学像に相当する光電荷を転送する走
   査素子を集積化した走査用半導体基板の上部に、該光電
   荷を発生する光電変換用光導伝性膜および透明状の電極
   を積層した二階建構造の固体撮像素子の製造方法におい
   て、光導伝性薄膜を形成する領域のみ開口したしやへい
   板を走査用半導体基板の上部に若干の間隙を設けて保持
   し、光導伝性物質を堆積し、続いて前記しやへい板と同
   一あるいは開口寸法および形状が若干異なるしやへい板
   を用いて前記透明電極の材料となる物質を堆積すること
   を特徴とする固体撮像素子の製造方法。