JP2015060980A - 積層型撮像素子の製造方法および積層型撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】単結晶材料からなる光電変換膜を形成する場合であっても、信号読み出し回路部に影響を与えることなく効率よく形成でき、しかも適切な厚み、かつ均一な膜厚の光電変換膜を形成できる積層型撮像素子の製造方法を提供する。
【解決手段】光電変換材料８の表面から水素イオンまたはヘリウムイオンを注入して、イオンリッチ層を形成する注入工程と、イオンリッチ層を形成した光電変換材料８を、表面を信号読み出し回路部１に向けて信号読み出し回路部１上に配置し、信号読み出し回路部１と光電変換材料８とを接合する接合工程と、光電変換材料８をイオンリッチ層において分離して、信号読み出し回路部１上に光電変換材料８の表層からなる光電変換膜５を形成する分離工程とを有する積層型撮像素子の製造方法とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、積層型撮像素子の製造方法および積層型撮像素子に関する。

積層型撮像素子は、半導体の設けられた信号読み出し回路部と光電変換部とを積層してなるものである。従来、積層型撮像素子に用いられる光電変換膜としては、アモルファス材料が用いられている。アモルファス材料としては、アモルファスセレン（ａ−Ｓｅ）を主材料とするＨＡＲＰ（High-gain Avalanche Rushing amorphous Photoconductor）膜（例えば、特許文献１参照。）や水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）膜（例えば、特許文献２参照。）などが挙げられる。

特開２００２−３３４９８３号公報 特開平５−１５２５５４号公報 特開平５−２１１１２８号公報

一般的に、アモルファス材料の衝撃イオン化率は、単結晶材料のそれと比較して、小さい。このため、アバランシェ増倍型の光電変換膜として単結晶材料を用いた場合、アモルファス材料を用いた場合と比較して、光電変換膜に印加する電界が小さくなる。したがって、アバランシェ増倍現象を用いた積層型撮像素子では、光電変換膜として単結晶材料を用いることが望ましい。

しかしながら、以下に示すように、単結晶材料からなる光電変換膜を信号読み出し回路部上に形成することは困難であった。
すなわち、積層型撮像素子の信号読み出し回路部には、半導体に接続された配線パターンが存在している。配線パターンは、アルミニウムなどを主材料とする導電材料を用いて形成されている。このため、信号読み出し回路部が、４００℃以上の温度に加熱されると、回路が破壊される恐れがある。したがって、信号読み出し回路部上で光電変換部を形成する場合には、光電変換部の形成に伴う加熱温度を４００℃未満に抑える必要がある。

一般に、光電変換膜は、蒸着法やスパッタ法を用いて形成されている。蒸着法やスパッタ法を用いる場合、４００℃未満の加熱温度で信号読み出し回路部上に単結晶材料からなる光電変換膜を形成することは困難である。
分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により、信号読み出し回路部上で原子レベルの膜成長を行うことで、４００℃未満の温度で信号読み出し回路部上に単結晶材料からなる光電変換膜を形成できる。しかし、ＭＢＥ法を用いる場合、光電変換膜の形成に非常に時間がかかるし、コストもかかる。
このため、従来、光電変換膜として、単結晶材料を用いず、単結晶材料と比較して衝撃イオン化率の小さいアモルファス材料、微結晶材料もしくは多結晶材料が用いられていた。

また、高感度の積層型撮像素子を得るためには、積層型撮像素子の検出する波長域に対応する適切な厚み、かつ均一な膜厚の光電変換膜を形成する必要がある。
しかし、従来、適切な厚みかつ均一な膜厚の光電変換膜を、効率よく形成できる方法はなかった。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、単結晶材料からなる光電変換膜を形成する場合であっても、信号読み出し回路部に影響を与えることなく効率よく形成でき、しかも適切な厚み、かつ均一な膜厚の光電変換膜を形成できる積層型撮像素子の製造方法を提供することを課題とする。
また、容易に製造でき、適切な厚み、かつ均一な膜厚の光電変換膜を有する高感度の積層型撮像素子を提供することを課題とする。

本発明者は、上記課題を解決するために、鋭意検討を重ねた。その結果、積層型撮像素子の光電変換膜として、以下に示すように、スマートカット法により薄膜化した光電変換材料を適用すればよいことを見出し、本発明を想到した。

スマートカット法は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を製造する際に使われている（例えば、特許文献３参照）。スマートカット法では、まず、図１（ａ）に示すように、バルク材料１０の表面１０ａから所定の深さに、水素イオンまたはヘリウムイオンをイオン注入して、脆化されたバルク材料からなるイオンリッチ層１１を形成する。そして、図１（ｂ）に示すように、バルク材料１０を加熱することにより、図１（ｃ）に示すように、イオンリッチ層１１において分離し、バルク材料１０の表層１２からなる薄膜を剥離する。バルク材料１０の分離は、ナイフエッジを用いて行う場合もある。
スマートカット法では、水素イオンまたはヘリウムイオンをイオン注入する深さによって、剥離される表層１２の膜厚を高精度で制御できる。

本発明者は、スマートカット法により得られた光電変換材料の薄膜を、光電変換膜として用いるために、検討した。まず、光電変換材料の表面から水素イオンまたはヘリウムイオンを注入して、イオンリッチ層を形成した。続いて、イオンリッチ層の形成された光電変換材料を、表面を信号読み出し回路部に向けて信号読み出し回路部上に配置し、これらを接合した。そして、信号読み出し回路部上に接合された光電変換材料を、イオンリッチ層において分離することで、信号読み出し回路部上に光電変換材料の表層からなる光電変換膜を形成した。

すなわち、本発明は、以下の発明に関わるものである。
（１）信号読み出し回路部を形成する工程と、光電変換材料の表面から水素イオンまたはヘリウムイオンを注入して、イオンリッチ層を形成する注入工程と、前記イオンリッチ層の形成された光電変換材料を、前記表面を前記信号読み出し回路部に向けて前記信号読み出し回路部上に配置し、前記信号読み出し回路部と前記光電変換材料とを接合する接合工程と、前記光電変換材料を前記イオンリッチ層において分離して、前記信号読み出し回路部上に前記光電変換材料の表層からなる光電変換膜を形成する分離工程とを有することを特徴とする積層型撮像素子の製造方法。

（２）前記光電変換材料が、単結晶材料であることを特徴とする（１）に記載の積層型撮像素子の製造方法。
（３）前記接合工程において、前記信号読み出し回路部と前記光電変換材料とをバンプを介して接合することを特徴とする（１）または（２）に記載の積層型撮像素子の製造方法。
（４）前記接合工程において、前記信号読み出し回路部と前記光電変換材料とを直接接触させて接合することを特徴とする（１）または（２）に記載の積層型撮像素子の製造方法。

（５）前記分離工程において、前記光電変換材料を４００〜６００℃に加熱することにより分離する、またはナイフエッジを用いて分離することを特徴とする（１）〜（４）のいずれか一項に記載の積層型撮像素子の製造方法。
（６）前記注入工程において、前記光電変換材料の表面側の前記イオンリッチ層の界面から前記光電変換材料の表面までの距離が０．５〜１０μｍとなるように、前記水素イオンまたは前記ヘリウムイオンを注入することを特徴とする（１）〜（５）のいずれか一項に記載の積層型撮像素子の製造方法。
（７）前記分離工程の後に、前記光電変換膜の表面を熱処理する熱処理工程を有することを特徴とする（１）〜（６）のいずれか一項に記載の積層型撮像素子の製造方法。
（８）前記分離工程の後に、前記光電変換膜上に残留するイオンリッチ層をエッチング除去するエッチング工程を有することを特徴とする（１）〜（７）のいずれか一項に記載の積層型撮像素子の製造方法。

（９）信号読み出し回路部と、前記信号読み出し回路部上に接合された光電変換膜とを有し、前記光電変換膜の厚みが、０．５〜１０μｍであることを特徴とする積層型撮像素子。

本発明の積層型撮像素子の製造方法によれば、単結晶材料からなる光電変換膜を形成する場合であっても、信号読み出し回路部に影響を与えることなく効率よく形成できる。しかも、本発明の積層型撮像素子の製造方法によれば、検出する波長域に対応する適切な厚み、かつ均一な膜厚の光電変換膜を有する積層型撮像素子が得られる。

図１は、スマートカットの手法を説明するための工程図である。 図２は、本発明の積層型撮像素子の一例を示した断面図である。 図３は、図２に示す積層型撮像素子の製造方法の一例を説明するための工程図である。 図４は、図２に示す積層型撮像素子の製造方法の一例を説明するための工程図である。 図５は、本発明の積層型撮像素子の他の例を示した断面図である。 図６は、図５に示す積層型撮像素子の製造方法の一例を説明するための工程図である。 図７は、図５に示す積層型撮像素子の製造方法の一例を説明するための工程図である。

以下、本発明の積層型撮像素子の製造方法および積層型撮像素子について、例を挙げて詳細に説明する。
（第１実施形態）
図２は、本発明の積層型撮像素子の一例を示した断面図である。
図２に示す積層型撮像素子１００は、信号読み出し回路部１と、信号読み出し回路部１上に接合された光電変換膜５と、信号読み出し回路部１と光電変換膜５とを接合する接合部４１と、光電変換膜５上に設けられた透明電極７とを有している。

信号読み出し回路部１は、シリコン基板などからなる基板（不図示）上に形成された回路（不図示）と、信号読み出し回路部１上に突出して設けられた複数の第１画素電極２とを有している。第１画素電極２は、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕなどの金属またはその合金からなるものである。また、回路は、複数のトランジスタと、アルミニウムなどの導電材料からなる配線パターンとを有している。

光電変換膜５の材料は、積層型撮像素子１００の検出する波長域に応じて決定することができる。光電変換膜５の材料は、後述するスマートカットにより分離できるものであり、単結晶材料、アモルファス材料、微結晶材料、多結晶材料のいずれであってもよい。積層型撮像素子１００が、電荷の雪崩現象を利用して信号電荷を増幅するアバランシェ増倍型のものである場合には、光電変換膜５は、衝撃イオン化率の大きい単結晶材料からなるものであることが好ましい。光電変換膜５として単結晶材料を用いた場合、単結晶材料でないものを用いた場合と比較して、光電変換膜５に印加する電界を抑制できる。光電変換膜５として用いることのできる単結晶材料としては、例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＣｄＴｅ、ＣＩＳ、ＣＩＧＳなどが挙げられる。

光電変換膜５の厚みは、０．５〜１０μｍであることが好ましい。光電変換膜５の厚みが、０．５〜１０μｍの範囲内であると、後述するスマートカット法を用いて容易に、かつ均一な厚みで形成できる。

光電変換膜５の厚みは、光電変換膜５に使用する材料の光吸収係数と、積層型撮像素子の検出する波長域とに基づいて選択することが好ましい。
例えば、光電変換膜５に使用する材料がＳｉ単結晶であって、積層型撮像素子の検出する波長域が４５０ｎｍ〜５５０ｎｍである場合、光電変換膜５の厚みは、４〜５μｍであることが好ましい。このような光電変換膜５とすることで、より感度の高い積層型撮像素子１００となる。さらに、検出する波長域が５００ｎｍ程度である場合、Ｓｉ単結晶からなる光電変換膜５の厚みは、４．６μｍ程度であることが好ましい。このような光電変換膜５では、９９％以上の光吸収効率が得られるので、より高感度の積層型撮像素子１００となる。

また、光電変換膜５に使用する材料が、ＧａＡｓ単結晶，ＩｎＰ単結晶，ＣｄＴｅ単結晶などの直接遷移型の化合物半導体の単結晶であって、積層型撮像素子の検出する波長域が７３０ｎｍ〜８３０ｎｍである場合、光電変換膜５の厚みは２〜３μｍであることが好ましい。このような光電変換膜５とすることで、より感度の高い積層型撮像素子１００となる。さらに、波長域が７８０ｎｍ程度である場合、ＧａＡｓ単結晶からなる光電変換膜５の厚みは、２．３μｍ程度であることが好ましい。このような光電変換膜５では、９９％以上の光吸収効率が得られるので、より高感度の積層型撮像素子１００となる。

また、光電変換膜５に使用する材料がＣＩＳ単結晶である場合、３８０ｎｍ〜１０００ｎｍの波長範囲における光吸収係数は、略一定である。光電変換膜５に使用する材料がＣＩＳ単結晶であって、積層型撮像素子の検出する波長域が３８０ｎｍ〜１０００ｎｍである場合、光電変換膜５の厚みは０．５〜１μｍであることが好ましい。このような光電変換膜５とすることで、より感度の高い積層型撮像素子１００となる。さらに、波長域が１０００ｎｍ程度である場合、ＣＩＳ単結晶からなる光電変換膜５の厚みは、０．５μｍ程度であることが好ましい。このような光電変換膜５では、９９％以上の光吸収効率が得られるので、より高感度の積層型撮像素子１００となる。

光電変換膜５の信号読み出し回路部１側の面には、信号読み出し回路部１に向かって突出して設けられた第２画素電極６が設けられている。第２画素電極６は、Ｉｎ、Ａｕ、半田などの金属からなるものである。
第２画素電極６の平面視での面積は、積層型撮像素子１００の画素開口面積となっている。したがって、高感度の積層型撮像素子１００を得るためには、第２画素電極６の平面視での面積がなるべく大きくなるように、第２画素電極６を配置することが好ましい。また、図２に示すように、第１画素電極２と第２画素電極６のピッチは同一となっており、第１画素電極２と第２画素電極６とは、対向して配置されている。

光電変換膜５上（信号読み出し回路部１と反対側の面）には、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）などからなる透明電極７が形成されている。

接合部４１は、図２に示すように、バンプ３とアンダーフィル剤４とからなる。図２に示す積層型撮像素子１００では、接合部４１によって、光電変換膜５と信号読み出し回路部１とが接合されて一体化されている。
バンプ３は、対向する第１画素電極２と第２画素電極６との間に、それぞれ配置されている。バンプ３としては、従来公知の導電材料を用いることができ、例えば、半田材料やインジウムなどの金属を使用できる。バンプ３の材料は、光電変換膜５および信号読み出し回路部１に用いられている材料の耐熱性に応じて、選択することが好ましい。例えば、光電変換膜５として、高温で変性しやすい材料が用いられている場合には、バンプ３としては、インジウムや、Ｓｎ−Ｉｎ合金，Ｓｎ−Ｐｂ合金，Ｓｎ−Ｂｉ合金などの低温で接合できる材料を使用することが好ましい。

アンダーフィル剤４は、光電変換膜５と信号読み出し回路部１との間のバンプ３の配置されている領域以外の空間に充填されている。アンダーフィル剤４は、樹脂などからなるものである。本実施形態においては、光電変換膜５と信号読み出し回路部１との間に、アンダーフィル剤４を含む接合部４１が形成されている。このため、光電変換膜５と信号読み出し回路部１との接合強度が高いものになるとともに、アンダーフィル剤４によって光電変換膜５が補強されたものとなる。なお、アンダーフィル剤４は、設けられていることが好ましいが、設けられていなくてもよい。

「製造方法」
次に、本発明の積層型撮像素子の製造方法の一例として、図３および図４を用いて、図２に示す積層型撮像素子１００の製造方法を説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、従来公知の方法により、信号読み出し回路部１を形成する。具体的には、例えば、シリコン基板などからなる基板（不図示）上に、従来公知の方法により、複数のトランジスタと、アルミニウムなどの導電材料からなる配線パターンとを含む回路を形成する。

その後、従来公知の方法により、信号読み出し回路部１上に突出して、所定のピッチおよび形状の第１画素電極２を形成する。
次に、図３（ｂ）に示すように、第１画素電極２上に、それぞれバンプ３を形成する。次いで、信号読み出し回路部１上の全面に、アンダーフィル剤４を塗布する。

また、図３（ｃ）に示すように、光電変換材料８の表面８ａから水素イオンまたはヘリウムイオンを注入して、イオンリッチ層９を形成する（注入工程）。注入工程においては、水素イオンまたはヘリウムイオンを３．５×１０^１６〜１．０×１０^１７ｉｏｎ／ｃｍ^２の濃度で注入することが好ましい。水素イオンまたはヘリウムイオンの濃度を上記範囲内とすることで、後述する分離工程を行うことによりイオンリッチ層９において容易に分離できる光電変換材料８となる。

注入工程においては、光電変換材料８の表面８ａ側のイオンリッチ層９の界面から光電変換材料８の表面８ａまでの距離が０．５〜１０μｍとなるように、水素イオンまたはヘリウムイオンを注入することが好ましい。
水素イオンまたはヘリウムイオンを注入する方法としては、特に限定されないが、例えば、イオンビームを用いて、所定の入射エネルギーで水素イオンまたはヘリウムイオンを注入する方法を用いることが好ましい。このことにより、水素イオンまたはヘリウムイオンを、光電変換材料８の表面８ａから１０μｍ程度までの任意の深さに均一に注入し、分布させることができる。また、イオンビームを用いて水素イオンまたはヘリウムイオンを注入する場合、注入する表面８ａからの深さは、水素イオンまたはヘリウムイオンの入射エネルギーにより制御できる。例えば、入射エネルギーを１ＭｅＶの高エネルギーとすることで、水素イオンまたはヘリウムイオンを、表面８ａから１０μｍ程度の深さに注入できる。

水素イオンまたはヘリウムイオンを注入する際の表面８ａからの深さによって、イオンリッチ層９の表面８ａからの深さ位置が決定され、光電変換材料８の表面８ａ側のイオンリッチ層９の界面から光電変換材料８の表面８ａまでの距離が決定される。この距離は、光電変換膜５の厚みに対応する寸法である。したがって、イオンリッチ層９の表面８ａからの深さ位置によって、積層型撮像素子１００の光電変換膜５の厚みが変化する。光電変換膜５の厚みは、上述したように、積層型撮像素子１００の分光感度特性に関係する。

次に、従来公知の方法により、図３（ｄ）に示すように、光電変換材料８の表面８ａに突出して、第１画素電極２と同一のピッチで、所定の形状を有する第２画素電極６を形成する。

次に、図３（ｅ）に示すように、イオンリッチ層９を形成した光電変換材料８を、表面８ａを信号読み出し回路部１に向けて、信号読み出し回路部１上に配置する。この際、光電変換材料８に形成されている第２画素電極６が、信号読み出し回路部１上に形成されている第１画素電極２と、平面視で重なり合うように位置合わせを行う。
その後、信号読み出し回路部１と光電変換材料８とを圧着してバンプ３を介して接合する（接合工程）。その結果、第１画素電極２と第２画素電極６とが電気的に接続されるとともに、光電変換材料８と信号読み出し回路部１とが接合されて一体化される。

接合工程は、常温で行ってもよいし、加熱しながら行ってもよい。接合工程を加熱しながら行う場合には、４００℃未満に加熱することが好ましく、バンプ３、アンダーフィル剤４、光電変換材料８、信号読み出し回路部１に用いられている材料に応じて、適切な加熱温度を決定することが好ましい。
また、本実施形態においては、接合前の信号読み出し回路部１上の全面にアンダーフィル剤４が塗布されている（図３（ｂ）参照）。このため、接合工程を行うことで、図３（ｅ）に示すように、光電変換材料８と信号読み出し回路部１との間のバンプ３の配置されている領域以外の空間に、アンダーフィル剤４が充填される。

次に、図４（ａ）に示すように、光電変換材料８をイオンリッチ層９において分離（スマートカット）する。このことにより、光電変換材料８から表層を剥離して、信号読み出し回路部１上に光電変換材料８の表層からなる光電変換膜５を形成する（分離工程）。
分離工程においては、光電変換材料８を４００〜６００℃に加熱することにより分離する、またはナイフエッジを用いて分離することが好ましい。

光電変換材料８を加熱することにより分離する場合には、光電変換材料８および信号読み出し回路部１に用いられている材料に応じて、適切な加熱温度を決定することが好ましい。分離工程において、光電変換材料８を加熱する温度は、信号読み出し回路部１の回路が破壊されることを防止するために低いほど好ましく、具体的には、４００〜４２０℃の範囲であることが好ましい。光電変換材料８を４００〜４２０℃に加熱した場合、分離工程を行うことにより信号読み出し回路部１の回路が破壊されることを防止しつつ、効率よく光電変換材料８から表層を剥離できる。
また、分離工程において光電変換材料８を加熱する場合、レーザーアニールやラピッドサーマルアニールなど、イオンリッチ層９のみを局所的に加熱できる方法を用いることが好ましい。これらの方法を用いることにより、光電変換材料８を４００〜６００℃に加熱した場合に、信号読み出し回路部１の回路が破壊されることを防止できる。

分離工程においてナイフエッジを用いて分離する場合には、低温で分離工程を行うことができる。したがって、光電変換材料８および信号読み出し回路部１が、分離工程における熱による影響を受けることがなく、好ましい。

次に、図４（ｂ）に示すように、必要に応じて、光電変換膜５の表面を熱処理する（熱処理工程）。熱処理工程を行うことで、水素イオンまたはヘリウムイオンを注入したことによる結晶欠陥を修復することができ、好ましい。熱処理工程における熱処理方法としては、光電変換膜５の表面のみを熱処理できる方法であることが好ましい。例えば、熱処理方法として、レーザーアニールやフラッシュランプアニールなどを用いることができる。これらの熱処理方法を用いることにより、光電変換膜５の下層に配置された信号読み出し回路部１などの部材が、熱処理工程における熱による影響を受けることがなく、好ましい。

熱処理工程における熱処理温度は、８００〜１０００℃であることが好ましい。熱処理温度を上記範囲内とすることで、熱処理を行うことによる効果がより一層高まるとともに、光電変換膜５の下層に配置された部材が、熱処理工程における熱による影響を受けることを効果的に防止できる。

次に、図４（ｃ）に示すように、従来公知の方法により、光電変換膜５上に残留するイオンリッチ層９ａをエッチング除去する（エッチング工程）ことが好ましい。エッチング工程を行うことで、残留するイオンリッチ層９ａにより生じる暗電流を防止できる。イオンリッチ層９ａをエッチング除去する方法としては、例えば、イオンエッチング法などのドライエッチング法を用いることが好ましい。

エッチング工程は、熱処理工程後に行ってもよいし、熱処理工程前に行ってもよい。
エッチング工程後、イオンリッチ層９ａの除去された光電変換膜５上に、スパッタ法や蒸着法などにより透明電極７を成膜する。
以上の工程により、図２に示す積層型撮像素子１００が完成する。

本実施形態の積層型撮像素子１００の製造方法は、信号読み出し回路部１を形成する工程と、光電変換材料８の表面８ａから水素イオンまたはヘリウムイオンを注入して、イオンリッチ層９を形成する注入工程と、イオンリッチ層９の形成された光電変換材料８を、表面８ａを信号読み出し回路部１に向けて信号読み出し回路部１上に配置し、信号読み出し回路部１と光電変換材料８とを接合する接合工程と、光電変換材料８をイオンリッチ層９において分離して、信号読み出し回路部１上に光電変換材料８の表層からなる光電変換膜５を形成する分離工程とを有している。

すなわち、本実施形態の製造方法によれば、信号読み出し回路部１上に接合した光電変換材料８を分離して、光電変換材料８の表層を剥離することにより、表層からなる光電変換膜５が信号読み出し回路部１上に形成される。
したがって、本実施形態の製造方法では、光電変換膜５の材料である光電変換材料８の製造時の条件が、信号読み出し回路部１に影響を与えることはない。よって、光電変換材料８を製造する際の条件に関わらず、光電変換膜５として積層型撮像素子１００の検出する波長域に対応する適切な材料を選択できる。また、本実施形態の製造方法によれば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いる場合と比較して、容易に効率よく信号読み出し回路部１上に光電変換膜５を形成できる。

さらに、本実施形態の製造方法によれば、光電変換材料８の表面８ａから水素イオンまたはヘリウムイオンを注入してイオンリッチ層９を形成し、光電変換材料８をイオンリッチ層９において分離するスマートカット法を用いて光電変換膜５を形成している。このため、厚みの均一性に優れた光電変換膜５が得られ、高感度の積層型撮像素子１００が得られる。具体的に、スマートカット法を用いて形成した光電変換膜５の厚みのばらつきは４ｎｍ以下となる。また、水素イオンまたはヘリウムイオンを注入する深さを制御して、イオンリッチ層９の表面８ａからの深さ位置を変化させることによって、検出する波長域に応じた適切な厚みを有する光電変換膜５が得られる。

なお、本実施形態の製造方法に代えて、例えば、信号読み出し回路部１上に光電変換材料８を接合し、化学機械研磨（ＣＭＰ）を用いて光電変換材料８を薄膜化することにより、光電変換材料８の薄膜からなる光電変換膜５を信号読み出し回路部１上に形成できる。しかし、この方法を用いた場合、得られた光電変換膜５に研磨疵が存在していたり、光電変換膜５の厚みの均一性が不十分であったりすることにより、十分な感度が得られない場合がある。

また、本実施形態の製造方法においては、光電変換材料８として単結晶性材料を用いることで、信号読み出し回路部１に光電変換材料８の製造に伴う熱による負荷を与えることなく、信号読み出し回路部１上に単結晶性材料からなる光電変換膜５を形成できる。
また、本実施形態の製造方法においては、接合工程において、信号読み出し回路部１と光電変換材料８とをバンプを介して接合するので、信号読み出し回路部１と光電変換材料８とを容易に接続できる。

また、本実施形態の積層型撮像素子１００は、信号読み出し回路部１上に光電変換膜５が接合されたものであるため、信号読み出し回路部１上で光電変換膜５を形成する必要がなく、容易に製造できる。

（第２実施形態）
図５は、本発明の積層型撮像素子の一例を示した断面図である。
図５に示す積層型撮像素子２００は、信号読み出し回路部２１と、信号読み出し回路部２１上に直接接触させて接合された光電変換膜５と、光電変換膜５上に設けられた透明電極７とを有している。図５に示す積層型撮像素子２００において、光電変換膜５および透明電極７は、図２に示す積層型撮像素子１００と同じであるので、同じ符号を付し、説明を省略する。

信号読み出し回路部２１は、シリコン基板などからなる基板（不図示）上に形成された回路（不図示）と、信号読み出し回路部２１上に埋め込まれるように設けられた複数の画素電極２２とを有している。画素電極２２は、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕなどの金属またはその合金からなるものである。また、回路は、図２に示す積層型撮像素子１００の信号読み出し回路部１の回路と同様に、複数のトランジスタと、アルミニウムなどの導電材料からなる配線パターンとを有している。

図２に示す積層型撮像素子１００では、信号読み出し回路部１と光電変換膜５とがバンプ３を介して接合されている。これに対し、図５に示す積層型撮像素子２００では、図２に示す積層型撮像素子１００と異なり、信号読み出し回路部２１上と光電変換膜５とが直接接触して接合されている。
また、図５に示す積層型撮像素子２００では、図２に示す積層型撮像素子１００と異なり、画素開口面積が、信号読み出し回路部２１の画素電極２２の面積に依存している。すなわち、図５に示す積層型撮像素子２００では、各画素電極２２と光電変換膜５との接触面積を均一にすることができるため、均一に画素開口面積を作製することができる。

「製造方法」
次に、図６および図７を用いて、図５に示す積層型撮像素子２００の製造方法を説明する。
まず、上述した第１実施形態と同様に、図６（ａ）に示すように、従来公知の方法により、信号読み出し回路部２１を形成する。

その後、従来公知の方法により、信号読み出し回路部２１上に埋め込むように、所定のピッチおよび形状の画素電極２２を形成する。次いで、画素電極２２の形成された信号読み出し回路部２１上を、化学機械研磨（ＣＭＰ）を用いて平坦化する。このようにして得られた信号読み出し回路部２１上の表面粗さは、数十ｎｍ以下であることが望ましい。

また、上述した第１実施形態と同様に、図６（ｂ）に示すように、光電変換材料８の表面８ａから水素イオンまたはヘリウムイオンを注入して、イオンリッチ層９を形成する（注入工程）。

次に、図６（ｃ）に示すように、信号読み出し回路部２１と光電変換材料８とを直接接触させて接合する（接合工程）。信号読み出し回路部２１と光電変換材料８とを直接接触させて接合することで、各画素電極２２を光電変換材料８に均一に接触させることができる。その結果、各画素電極２２と光電変換膜５との接触面積が均一となり、画素開口面積が均一な積層型撮像素子２００が得られる。

本実施形態における接合工程では、以下に示す方法を用いることが好ましい。まず、光電変換材料８の表面８ａおよび信号読み出し回路部２１上を真空中でプラズマ活性化する。次いで、イオンリッチ層９を形成した光電変換材料８を、表面８ａを信号読み出し回路部２１に向けて、信号読み出し回路部２１上に配置して、信号読み出し回路部２１と光電変換材料８とを積層し、加圧する。その結果、光電変換材料８と信号読み出し回路部２１とが一体化される。

また、本実施形態における接合工程においては、常温で接合する手法を用いてもよい。この場合、接合工程の後に、接合工程における加熱温度に依存した内部応力が残ることがなく、接合後の光電変換材料８にひずみなどの影響が生じることがなく好ましい。

また、接合工程において、上述した図２に示す第１実施形態の積層型撮像素子１００においては、光電変換材料８に形成されている第２画素電極６が、信号読み出し回路部１上に形成されている第１画素電極２と、平面視で重なり合うように位置合わせを行う。これに対し、図５に示す本実施形態の積層型撮像素子２００においては、光電変換膜５の信号読み出し回路部２１側の面に、画素電極が設けられていない。したがって、図５に示す積層型撮像素子２００を製造する際の接合工程では、図２に示す積層型撮像素子１００を製造する場合のように、高精度で位置合わせを行う必要はなく、容易に効率よく接合できる。また、図５に示す積層型撮像素子２００では、画素電極２２のピッチを、位置合わせに必要なマージンの寸法分、図２に示す積層型撮像素子１００の画素電極よりも細かくでき、好ましい。

また、本実施形態の接合工程において、信号読み出し回路部２１と光電変換材料８とを積層し、加圧する工程は、常温で行ってもよいし、加熱しながら行ってもよい。加熱しながら行う場合には、４００℃未満に加熱することが好ましく、光電変換材料８、信号読み出し回路部２１に用いられている材料に応じて、適切な加熱温度を決定することが好ましい。

次に、図７（ａ）に示すように、上述した第１実施形態と同様にして、光電変換材料８をイオンリッチ層９において分離（スマートカット）する。このことにより、光電変換材料８から表層を剥離して、信号読み出し回路部２１上に光電変換材料８の表層からなる光電変換膜５を形成する（分離工程）。

次に、図７（ｂ）に示すように、上述した第１実施形態と同様にして、必要に応じて、光電変換膜５の表面を熱処理する（熱処理工程）。
次に、図７（ｃ）に示すように、上述した第１実施形態と同様にして、光電変換膜５上に残留するイオンリッチ層９ａをエッチング除去する（エッチング工程）。

その後、上述した第１実施形態と同様にして、イオンリッチ層９ａの除去された光電変換膜５上に、スパッタ法などにより透明電極７を成膜する。
以上の工程により、図５に示す積層型撮像素子２００が完成する。

図５に示す積層型撮像素子２００の製造方法においても、上述した第１実施形態と同様に、信号読み出し回路部２１上に接合した光電変換材料８を分離して、光電変換材料８の表層を剥離することにより、表層からなる光電変換膜５を信号読み出し回路部２１上に形成できる。
したがって、図５に示す積層型撮像素子２００の製造方法においても、上述した第１実施形態と同様に、検出する波長域に応じた適切な厚みを有し、均一性に優れた光電変換膜５が得られる。

また、本実施形態の製造方法の接合工程において、光電変換材料８の表面８ａおよび信号読み出し回路部２１上を真空中でプラズマ活性化する工程と、信号読み出し回路部２１と光電変換材料８とを積層して加圧する工程とを行うことにより、接合部を設けることなく、信号読み出し回路部２１と光電変換材料８とを容易かつ確実に接合できる。

また、本実施形態の積層型撮像素子２００は、上述した第１実施形態と同様に、信号読み出し回路部２１上に光電変換膜５が接合されたものであるため、信号読み出し回路部２１上で光電変換膜５を形成する必要がなく、容易に製造できる。また、本実施形態の積層型撮像素子２００の光電変換膜５は、厚みが０．５〜１０μｍであるためスマートカット法を用いて容易に、かつ均一な厚みで形成できる。

なお、本発明の積層型撮像素子は、上述した図２および図５に示す積層型撮像素子に限定されるものではない。
例えば、図５に示す積層型撮像素子２００を製造する際の接合工程を行う前に、光電変換材料８の表面８ａに埋め込むように画素電極を設けてもよい。この場合、光電変換膜５の信号読み出し回路部２１側の面に、画素電極を有する積層型撮像素子が得られる。このような積層型撮像素子を製造する場合においても、図５に示す積層型撮像素子２００の上述した接合工程と同様にして、信号読み出し回路部２１と光電変換材料８とを直接接合できる。なお、光電変換材料８の信号読み出し回路部２１側の面に画素電極を設けた場合、接合工程において、光電変換材料８に形成されている画素電極が、信号読み出し回路部２１上に形成されている画素電極２２と、平面視で重なり合うように位置合わせを行う。

１、２１：信号読み出し回路部、２：第１画素電極、３：バンプ、４：アンダーフィル剤、５：光電変換膜、６：第２画素電極、７：透明電極、８：光電変換材料、８ａ：表面、９：イオンリッチ層、１０：バルク材料、１０ａ：表面、１１：イオンリッチ層、１２：表層、２２：画素電極、４１：接合部、１００、２００：積層型撮像素子。

Claims (9)

1. 信号読み出し回路部を形成する工程と、
   光電変換材料の表面から水素イオンまたはヘリウムイオンを注入して、イオンリッチ層を形成する注入工程と、
   前記イオンリッチ層の形成された光電変換材料を、前記表面を前記信号読み出し回路部に向けて前記信号読み出し回路部上に配置し、前記信号読み出し回路部と前記光電変換材料とを接合する接合工程と、
   前記光電変換材料を前記イオンリッチ層において分離して、前記信号読み出し回路部上に前記光電変換材料の表層からなる光電変換膜を形成する分離工程とを有することを特徴とする積層型撮像素子の製造方法。
2. 前記光電変換材料が、単結晶性材料であることを特徴とする請求項１に記載の積層型撮像素子の製造方法。
3. 前記接合工程において、前記信号読み出し回路部と前記光電変換材料とをバンプを介して接合することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層型撮像素子の製造方法。
4. 前記接合工程において、前記信号読み出し回路部と前記光電変換材料とを直接接触させて接合することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層型撮像素子の製造方法。
5. 前記分離工程において、前記光電変換材料を４００〜６００℃に加熱することにより分離する、またはナイフエッジを用いて分離することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の積層型撮像素子の製造方法。
6. 前記注入工程において、前記光電変換材料の表面側の前記イオンリッチ層の界面から前記光電変換材料の表面までの距離が０．５〜１０μｍとなるように、前記水素イオンまたは前記ヘリウムイオンを注入することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の積層型撮像素子の製造方法。
7. 前記分離工程の後に、前記光電変換膜の表面を熱処理する熱処理工程を有することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の積層型撮像素子の製造方法。
8. 前記分離工程の後に、前記光電変換膜上に残留するイオンリッチ層をエッチング除去するエッチング工程を有することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の積層型撮像素子の製造方法。
9. 信号読み出し回路部と、前記信号読み出し回路部上に接合された光電変換膜とを有し、
   前記光電変換膜の厚みが、０．５〜１０μｍであることを特徴とする積層型撮像素子。

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