JP6190915B2 - Detector, PET apparatus and X-ray CT apparatus - Google Patents

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本発明は、検出器及びこれを用いたPET装置及びX線CT装置に関するものである。   The present invention relates to a detector, a PET apparatus using the same, and an X-ray CT apparatus.

X線CT(Computed Tomography)装置は、X線を生体の外部から照射し、生体内を透過したX線を検出器で検出する。CT装置は、リング状のガントリ(架台)、クレードル(寝台)、操作用のコンピュータを備えている。ガントリの内部には、X線源と複数の検出器が配置されており、これらがガントリ内で回転を行いながら、撮影が行われる。   An X-ray CT (Computed Tomography) apparatus irradiates X-rays from the outside of a living body and detects X-rays transmitted through the living body with a detector. The CT apparatus includes a ring-shaped gantry (stand), a cradle (bed), and a computer for operation. An X-ray source and a plurality of detectors are arranged inside the gantry, and imaging is performed while these rotate in the gantry.

一方、ポジトロンCT装置(Positron Emission Tomography:PET装置)は、ポジトロン(陽電子)を放出するアイソトープで標識された薬剤を生体内に導入し、薬剤に起因するγ線を複数の検出器で検出する。PET装置も、リング状のガントリ(架台)、クレードル(寝台)、操作用のコンピュータを備えおり、ガントリ内部には、生体周囲に配置される複数の検出器が内蔵されている。   On the other hand, a positron CT device (Positron Emission Tomography: PET device) introduces a drug labeled with an isotope that emits positrons (positrons) into a living body, and detects γ rays resulting from the drug with a plurality of detectors. The PET apparatus also includes a ring-shaped gantry (stand), a cradle (sleeper), and a computer for operation, and a plurality of detectors arranged around the living body are built in the gantry.

X線又はγ線の効率的な検出器は、シンチレータと光検出器とを組み合わせることで構成することができる。   An efficient detector of X-rays or γ-rays can be configured by combining a scintillator and a photodetector.

なお、X線CT装置とPET装置とを組み合わせたCT/PET装置や、これらにMRI(磁気共鳴画像診断)装置を組み合わせた複合診断装置も考えられている。   Note that a CT / PET apparatus in which an X-ray CT apparatus and a PET apparatus are combined, and a combined diagnostic apparatus in which an MRI (magnetic resonance imaging diagnosis) apparatus is combined with them are also considered.

上述のような診断装置に適用される光検出器(フォトダイオードアレイ)は、例えば、特許文献1及び特許文献2に記載されている。   The photodetector (photodiode array) applied to the diagnostic apparatus as described above is described in Patent Document 1 and Patent Document 2, for example.

SiPM(Silicon Photo Multiplier)又はPPD(Pixelated Photon Detector)などのフォトダイオードアレイでは、APD(アバランシェフォトダイオード)をマトリックス状に配置し、複数のAPDを並列に接続し、APD出力の和を読み出す構成を有している。APDをガイガーモードで動作させると、微弱な光を検出することができる。   In a photodiode array such as SiPM (Silicon Photo Multiplier) or PPD (Pixelated Photon Detector), APDs (avalanche photodiodes) are arranged in a matrix, a plurality of APDs are connected in parallel, and the sum of APD outputs is read. Have. When the APD is operated in the Geiger mode, weak light can be detected.

すなわち、光子(フォトン)がAPDに入射した場合、APD内部で発生したキャリアは、クエンチング抵抗及び信号読出用の配線パターンを介して外部に出力される。   That is, when photons (photons) enter the APD, carriers generated inside the APD are output to the outside through a quenching resistor and a signal readout wiring pattern.

APDにおける電子雪崩の発生した画素には、電流が流れるが、画素に直列接続された数百kΩ程度のクエンチング抵抗において、電圧降下が発生する。   A current flows through a pixel where an avalanche occurs in the APD, but a voltage drop occurs in a quenching resistance of about several hundred kΩ connected in series to the pixel.

この電圧降下により、APDの増幅領域への印加電圧が低下して、電子雪崩による増倍作用は終息する。このように、1つの光子の入射により、1つのパルス信号がAPDから出力される。フォトダイオードの構造については、幾つかの改良が行われている(非特許文献1参照)。   Due to this voltage drop, the voltage applied to the amplification region of the APD is lowered, and the multiplication action due to the electron avalanche is terminated. Thus, one pulse signal is output from the APD by the incidence of one photon. Several improvements have been made on the structure of the photodiode (see Non-Patent Document 1).

欧州特許出願公開1755171号公報European Patent Application Publication No. 1755171 米国特許出願公開2006/175529号公報US Patent Application Publication No. 2006/175529

”Improvementof Multi-PixelPhoton Counter (MPPC)”, T. Nagano, K. Yamamoto, K.Sato, N.Hosokawa, A. Ishida, T. Baba, IEEE Nuclear Science Symposium andMedical ImagingConference, ConferencePublications, p.1657-1659, 2011"Improvementof Multi-PixelPhoton Counter (MPPC)", T. Nagano, K. Yamamoto, K. Sato, N. Hosokawa, A. Ishida, T. Baba, IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, Conference Publications, p.1657-1659, 2011

しかしながら、従来の検出器においては、検出器全体における時間分解能等の特性が不十分であるという問題があった。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、上記特性を改善可能な検出器及びこれを用いたPET装置及びX線CT装置を提供することを目的とする。   However, the conventional detector has a problem that characteristics such as time resolution in the whole detector are insufficient. The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a detector capable of improving the above characteristics, and a PET apparatus and an X-ray CT apparatus using the detector.

本発明の検出器は、半導体チップと配線基板との間に配置された第1及び第2バンプ電極を備えた検出器であって、前記半導体チップは、二次元状に配置された複数の光検出部を有する半導体基板と、前記半導体基板の表面上に形成された絶縁層と、を備え、個々の前記光検出部は、クエンチング抵抗を備え、前記絶縁層上に前記クエンチング抵抗は配置され、前記クエンチング抵抗は、前記半導体基板の貫通孔を介して、前記半導体基板の裏面に延びた貫通電極に電気的に接続され、個々の前記光検出部は、第1導電型の第1半導体領域、及び、前記第1半導体領域とpn接合を構成し、キャリアを出力する第2導電型の第2半導体領域を備え、ガイガーモードで動作するAPDと、前記APDの前記第2半導体領域に電気的に直列に接続された前記クエンチング抵抗と、を備え、前記第1バンプ電極は、前記貫通電極と前記配線基板とを電気的に接続しており、前記第2バンプ電極は、前記APDの前記第1半導体領域と前記配線基板とを電気的に接続しており、前記クエンチング抵抗は、SiCrを備える、ことを特徴とする。 A detector according to the present invention is a detector including first and second bump electrodes disposed between a semiconductor chip and a wiring board, and the semiconductor chip includes a plurality of light beams arranged in a two-dimensional manner. A semiconductor substrate having a detection unit; and an insulating layer formed on a surface of the semiconductor substrate. Each of the light detection units includes a quenching resistor, and the quenching resistor is disposed on the insulating layer. The quenching resistor is electrically connected to a through electrode extending on the back surface of the semiconductor substrate through a through hole of the semiconductor substrate, and each of the photodetecting portions is a first conductivity type first electrode. A semiconductor region and a second semiconductor region of a second conductivity type that forms a pn junction with the first semiconductor region and outputs carriers, and operates in Geiger mode, and the second semiconductor region of the APD Electrically connected in series The quenching resistor, wherein the first bump electrode electrically connects the through electrode and the wiring board, and the second bump electrode is the first semiconductor region of the APD. And the wiring board are electrically connected, and the quenching resistor comprises SiCr.

個々の光検出部に含まれるAPD(アバランシェフォトダイオード)の両端には、第1及び第2バンプ電極を介して、バイアス電圧が与えられる。光(エネルギー線)の入射により、複数のAPDにおいて発生したキャリアは、それぞれのクエンチング抵抗を介して、外部に取り出される。   A bias voltage is applied to both ends of an APD (avalanche photodiode) included in each light detection unit via first and second bump electrodes. Carriers generated in a plurality of APDs due to the incidence of light (energy rays) are taken out to the outside through respective quenching resistors.

当該構造のAPDにおいては、貫通電極等を用いたキャリア伝達経路短縮化構造を有しているため、配線抵抗が減少している。   Since the APD having this structure has a carrier transmission path shortening structure using a through electrode or the like, the wiring resistance is reduced.

しがたって、APDからのキャリアの伝達速度、すなわち、時間分解能が向上する。当該APDを複数備えた1つの半導体チップに、複数の光子が入射した場合、時間分解能が向上することで、より高精度の光子検出を行うことができるようになる。   Therefore, the transmission speed of the carrier from the APD, that is, the time resolution is improved. When a plurality of photons are incident on a single semiconductor chip having a plurality of APDs, the time resolution is improved, so that more accurate photon detection can be performed.

また、前記半導体チップの表面上には、絶縁体を介して、シンチレータが位置していることを特徴とする。   Further, a scintillator is located on the surface of the semiconductor chip via an insulator.

シンチレータは、これに入射したX線又はγ線等の放射線の入射に応じて、これらよりも長波長の光を発生する。可視光や赤外光がSiに入射した場合には、Si内部において効率的に光電変換が生じる。   The scintillator generates light having a wavelength longer than these in response to incidence of radiation such as X-rays or γ-rays incident thereon. When visible light or infrared light is incident on Si, photoelectric conversion occurs efficiently inside Si.

APDをSiから構成する場合には、可視光や赤外光の感度を向上させることができる。絶縁体は、ガラス板や樹脂からなり、APDの表面を保護すると共に、シンチレータからの光が、APDに到達するまでに、これを若干拡散させることができる。樹脂は、シンチレータと半導体チップとの接着機能を有することもできる。   When the APD is made of Si, the sensitivity of visible light and infrared light can be improved. The insulator is made of a glass plate or a resin and protects the surface of the APD, and the light from the scintillator can be slightly diffused before reaching the APD. The resin can also have an adhesion function between the scintillator and the semiconductor chip.

また、前記光検出部は、前記第2半導体領域に電気的に接続され、且つ、その外縁に沿って前記第2半導体領域を囲む表面電極を備えていることを特徴とする。   In addition, the photodetecting portion includes a surface electrode that is electrically connected to the second semiconductor region and surrounds the second semiconductor region along an outer edge thereof.

PET装置は、クレードルと、前記クレードルが位置する開口を有するガントリと、を備え、上述のいずれかの検出器を、前記ガントリの開口を囲むように複数配置してなることを特徴とする。クレードルには被検体が配置される。ガントリの開口を囲むように、検出器が配置されているため、被検体から出射されたγ線は、複数の検出器にて検出することができ、検出信号を画像処理することで、被検体の内部情報に関する画像を得ることができる。このPET装置においては、検出器の全体特性が著しく改善されているので、高品質な画像を取得することが可能である。   The PET apparatus includes a cradle and a gantry having an opening in which the cradle is located, and a plurality of any of the above-described detectors are arranged so as to surround the opening of the gantry. A subject is placed in the cradle. Since the detector is arranged so as to surround the opening of the gantry, the γ rays emitted from the subject can be detected by a plurality of detectors, and the subject is processed by image processing of the detection signal. It is possible to obtain an image related to the internal information. In this PET apparatus, since the overall characteristics of the detector are remarkably improved, it is possible to acquire a high-quality image.

X線CT装置は、クレードルと、前記クレードルが位置する開口を有し、前記開口内にX線を出射するX線源を内蔵するガントリと、を備え、前記X線源からのX線が入射する位置に、上述のいずれかの検出器を、複数配置してなることを特徴とする。ガントリの開口内に位置するクレードルには被検体が配置され、被検体にはX線源からX線が照射される。被検体を透過したX線は、複数の検出器にて検出することができ、検出信号を画像処理することで、被検体の内部情報に関する画像を得ることができる。このX線CT装置においては、検出器の全体特性が著しく改善されているので、高品質な画像を取得することが可能である。   The X-ray CT apparatus includes a cradle and a gantry having an opening in which the cradle is positioned and having an X-ray source that emits X-rays in the opening, and the X-ray from the X-ray source is incident A plurality of the above-described detectors are arranged at a position to be operated. A subject is placed in a cradle located within the opening of the gantry, and the subject is irradiated with X-rays from an X-ray source. X-rays transmitted through the subject can be detected by a plurality of detectors, and an image relating to the internal information of the subject can be obtained by subjecting the detection signal to image processing. In this X-ray CT apparatus, since the overall characteristics of the detector are remarkably improved, it is possible to acquire a high-quality image.

本発明の検出器全体の時間分解能等の特性は向上可能であり、これを用いたPET装置及びX線CT装置では高品質な画像を得ることができるため、その装置特性を向上させることが可能となる。   Characteristics of the entire detector of the present invention such as time resolution can be improved, and a PET apparatus and an X-ray CT apparatus using the detector can obtain a high-quality image, so that the apparatus characteristics can be improved. It becomes.

PET装置・CT装置などの被検体診断装置の概略図である。1 is a schematic view of a subject diagnostic apparatus such as a PET apparatus / CT apparatus. PET装置のブロック図である。It is a block diagram of a PET apparatus. X線CT装置のブロック図である。It is a block diagram of an X-ray CT apparatus. 検出器Dの斜視図である。2 is a perspective view of a detector D. FIG. 検出器Dにおける検出チップSの間隔を説明するための図である。4 is a diagram for explaining an interval between detection chips S in a detector D. FIG. 検出器D’の斜視図である。It is a perspective view of detector D '. 検出器D”の斜視図である。It is a perspective view of detector D ''. 検出チップSの斜視図である。2 is a perspective view of a detection chip S. FIG. 検出チップSの斜視図である。2 is a perspective view of a detection chip S. FIG. 半導体チップS1の平面図である。It is a top view of semiconductor chip S1. 半導体チップS1の共通電極周辺部の拡大図である。It is an enlarged view of the common electrode peripheral part of semiconductor chip S1. 検出器の回路図である。It is a circuit diagram of a detector. 共通電極周辺部の光検出部の平面図である。It is a top view of the photon detection part of a common electrode peripheral part. 共通電極周辺部の断面図である。It is sectional drawing of a common electrode peripheral part. 図14の半導体チップS1の底面図である。It is a bottom view of semiconductor chip S1 of FIG. 改良に係る半導体チップS1の底面図である。It is a bottom view of semiconductor chip S1 concerning improvement. 配線基板の基本構成要素の斜視図(A)、底面図(B)である。It is the perspective view (A) of the basic component of a wiring board, and a bottom view (B). 配線基板の平面図(A)と、底面図(B)である。It is the top view (A) and bottom view (B) of a wiring board. 配線基板の平面図(A)と、底面図(B)である。It is the top view (A) and bottom view (B) of a wiring board. 共通電極周辺部の断面図である。It is sectional drawing of a common electrode peripheral part. 図20の半導体チップS1の底面図である。FIG. 21 is a bottom view of the semiconductor chip S1 of FIG. 20. 改良に係る半導体チップS1の底面図である。It is a bottom view of semiconductor chip S1 concerning improvement. 配線基板の基本構成要素の斜視図(A)、底面図(B)である。It is the perspective view (A) of the basic component of a wiring board, and a bottom view (B). 配線基板の平面図(A)と、底面図(B)である。It is the top view (A) and bottom view (B) of a wiring board. 配線基板の底面図である。It is a bottom view of a wiring board. 配線基板の平面図(A)と、底面図(B)である。It is the top view (A) and bottom view (B) of a wiring board. 半導体チップS1の平面図である。It is a top view of semiconductor chip S1. 図27に示した半導体チップS1の底面図である。FIG. 28 is a bottom view of the semiconductor chip S1 shown in FIG. 27. 改良に係る半導体チップS1の底面図である。It is a bottom view of semiconductor chip S1 concerning improvement. 検出器の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a detector. 検出器の製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a detector. 同時に入射する光子の数と信号強度(a.u.)の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the number of photons which enter simultaneously, and signal intensity (au). 動作電圧のばらつきΔV(V)と相対頻度(製品数比率)Fの関係を示すグラフ((A)ディスクリートアレイ、(B)モノリシックアレイ)である。Operating voltage graph showing the variation ΔV (V) and the relationship between the relative frequency (product number ratio) F R of ((A) discrete arrays, (B) a monolithic array) is. フォトダイオードアレイの斜視図である。It is a perspective view of a photodiode array. フォトダイオードアレイのA−A矢印縦断面図である。It is an AA arrow longitudinal cross-sectional view of a photodiode array. SiCrへの入射光の波長(nm)と透過率(%)の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the wavelength (nm) of the incident light to SiCr, and the transmittance | permeability (%). (A)光検出部(50μm間隔配置)、(B)光検出部(25μm間隔配置)、(C)光検出部(20μm間隔配置)、(D)光検出部(15μm間隔配置:タイプA)、(E)光検出部(15μm間隔配置:タイプB)、(F)光検出部(10μm間隔配置)を示す図である。(A) Photodetector (50 μm spaced), (B) Photodetector (25 μm spaced), (C) Photodetector (20 μm spaced), (D) Photodetector (15 μm spaced: Type A) (E) The light detection part (15-micrometer space | interval arrangement | positioning: Type B), (F) It is a figure which shows the light detection part (10-micrometer space | interval arrangement). 入射光の波長(nm)と光子の検出効率(%)の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the wavelength (nm) of incident light, and the detection efficiency (%) of a photon. フォトダイオードの出力と時間の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the output of a photodiode, and time. フォトダイオードの製造方法について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a photodiode. 基板の構造を変更したフォトダイオードアレイの縦断面図である。It is the longitudinal cross-sectional view of the photodiode array which changed the structure of the board | substrate. フォトダイオードアレイの平面図である。It is a top view of a photodiode array. フォトダイオードアレイの平面図である。It is a top view of a photodiode array. フォトダイオードアレイの断面図である。It is sectional drawing of a photodiode array. 電極及び配線等の接続関係を示す図である。It is a figure which shows the connection relationship, such as an electrode and wiring. 電極及び配線等の接続関係を示す図である。It is a figure which shows the connection relationship, such as an electrode and wiring. フォトダイオードアレイ(第1例)の部分平面図である。It is a fragmentary top view of a photodiode array (1st example). フォトダイオードアレイ(第1例)のA−A矢印断面図である。It is AA arrow sectional drawing of a photodiode array (1st example). フォトダイオードアレイ(第2例)の部分平面図である。It is a fragmentary top view of a photodiode array (2nd example). フォトダイオードアレイ(第2例)のA−A矢印断面図である。It is AA arrow sectional drawing of a photodiode array (2nd example). フォトダイオードアレイ(第3例)の部分平面図である。It is a fragmentary top view of a photodiode array (3rd example). フォトダイオードアレイ(第3例)のA−A矢印断面図である。It is AA arrow sectional drawing of a photodiode array (3rd example). 電極及び配線等の接続関係を示す図である。It is a figure which shows the connection relationship, such as an electrode and wiring. フォトダイオードアレイ(第4例)の部分平面図である。It is a fragmentary top view of a photodiode array (4th example). フォトダイオードアレイ(第4例)のA−A矢印断面図である。It is AA arrow sectional drawing of a photodiode array (4th example). フォトダイオードアレイ(第5例)の部分平面図である。It is a fragmentary top view of a photodiode array (5th example). フォトダイオードアレイ(第5例)のA−A矢印断面図である。It is AA arrow sectional drawing of a photodiode array (5th example). フォトダイオードアレイ(第6例)の部分平面図である。It is a fragmentary top view of a photodiode array (6th example). フォトダイオードアレイ(第6例)のA−A矢印断面図である。It is AA arrow sectional drawing of a photodiode array (6th example). フォトダイオードアレイ(第7例)の部分平面図である。It is a partial top view of a photodiode array (seventh example). フォトダイオードアレイ(第7例)のA−A矢印断面図である。It is AA arrow sectional drawing of a photodiode array (7th example). 基板の構造を変更したフォトダイオードアレイの縦断面図である。It is the longitudinal cross-sectional view of the photodiode array which changed the structure of the board | substrate. フォトダイオードアレイの平面図である。It is a top view of a photodiode array. フォトダイオードアレイの表面のSEM写真を示す図である。It is a figure which shows the SEM photograph of the surface of a photodiode array. フォトダイオードアレイの断面のSEM写真を示す図である。It is a figure which shows the SEM photograph of the cross section of a photodiode array. フォトダイオードアレイの一部の平面図である。It is a top view of a part of photodiode array. 図66に示したフォトダイオードアレイ(第2例)のA−A矢印断面図である。FIG. 67 is a cross-sectional view of the photodiode array (second example) taken along the line AA in FIG. 66. 各フォトダイオードから電極パッド(共通電極)までの距離と信号伝達時間の基準からの差tp(ps)を示すグラフ(実施例)である。It is a graph (Example) which shows the distance tp (ps) from the reference | standard of the distance from each photodiode to an electrode pad (common electrode), and signal transmission time. 各フォトダイオードから電極パッド(共通電極)までの距離と信号伝達時間の基準からの差tp(ps)を示すグラフ(比較例)である。It is a graph (comparative example) which shows the distance tp (ps) from the reference | standard of the distance from each photodiode to an electrode pad (common electrode), and signal transmission time. 電圧VoverとFWHM(ps)の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the voltage Vover and FWHM (ps). 時間tβ(ps)とカウント数の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between time t (beta) (ps) and a count number. レーザビーム照射について説明する図である。It is a figure explaining laser beam irradiation. 時間tα(ns)と出力OUT(a.u.)の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between time t (alpha) (ns) and output OUT (au). 共通電極周辺部の断面図である。It is sectional drawing of a common electrode peripheral part. 共通電極周辺部の断面図である。It is sectional drawing of a common electrode peripheral part. 検出器の斜視構成を示す写真の図である。It is a figure of the photograph which shows the perspective structure of a detector.

以下、実施の形態に係る検出器、PET装置及びX線CT装置について説明する。なお、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。   Hereinafter, the detector, the PET apparatus, and the X-ray CT apparatus according to the embodiment will be described. In addition, the same code | symbol shall be used for the element which has the same element or the same function, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

図1は、PET装置・CT装置などの被検体診断装置の概略図である。   FIG. 1 is a schematic diagram of a subject diagnostic apparatus such as a PET apparatus / CT apparatus.

被検体診断装置は、クレードル101と、クレードル101が内部に位置する開口を有するガントリ102と、制御装置103とを備えている。制御装置103は、クレードル101を移動させる駆動モータ104を、駆動モータ制御信号によって制御し、クレードル101のガントリ102に対する相対位置を変化させる。クレードル101上には、診断が行われる被検体105が配置される。被検体105は、駆動モータ104の駆動によって、ガントリ102の開口の内部へと搬送される。駆動モータ104は、クレードル101を移動させてもよいが、ガントリ102を移動させてもよい。   The subject diagnosis apparatus includes a cradle 101, a gantry 102 having an opening in which the cradle 101 is located, and a control device 103. The control device 103 controls the drive motor 104 that moves the cradle 101 by a drive motor control signal, and changes the relative position of the cradle 101 with respect to the gantry 102. A subject 105 to be diagnosed is arranged on the cradle 101. The subject 105 is transported into the opening of the gantry 102 by the drive of the drive motor 104. The drive motor 104 may move the cradle 101, but may move the gantry 102.

ガントリ102の開口を囲むように、検出装置106が複数配置されている。検出装置106は、それぞれが複数の検出器D(図2、図3参照)を有する。制御装置103からは、検出装置106を制御する制御信号がガントリ102に出力され、ガントリ102からは検出器装置106からの検出信号が制御装置103に入力される。   A plurality of detection devices 106 are arranged so as to surround the opening of the gantry 102. Each of the detection devices 106 includes a plurality of detectors D (see FIGS. 2 and 3). A control signal for controlling the detection device 106 is output from the control device 103 to the gantry 102, and a detection signal from the detector device 106 is input from the gantry 102 to the control device 103.

図2は、図1の構造を備えたPET装置のブロック図である。   FIG. 2 is a block diagram of a PET apparatus having the structure of FIG.

PET装置では、ガントリの開口を囲むように、複数の検出器Dがリング状に配置されている。被検体105には、陽電子(ポジトロン)を放出するタイプの放射性同位元素(RI)(陽電子放出核種)が注入されている。陽電子は、体内の陰電子と結合して消滅放射線(γ線)を発生する。すなわち、被検体105からは、γ線が出射される。検出器Dは、出射されたγ線を検出し、制御装置3における画像処理装置103gによって検出信号を画像処理し、被検体105の内部情報に関する画像、すなわち断層化した画像を作成する。なお、PET装置において使用されるRIは、炭素、酸素、フッ素、窒素などの生体中に存在する元素である。   In the PET apparatus, a plurality of detectors D are arranged in a ring shape so as to surround the gantry opening. The subject 105 is injected with a radioactive isotope (RI) (positron emitting nuclide) that emits positrons (positrons). Positrons combine with negative electrons in the body to generate annihilation radiation (γ rays). That is, γ rays are emitted from the subject 105. The detector D detects the emitted γ-rays, image-processes the detection signal by the image processing device 103g in the control device 3, and creates an image related to the internal information of the subject 105, that is, a tomographic image. The RI used in the PET apparatus is an element existing in the living body, such as carbon, oxygen, fluorine, and nitrogen.

被検体105から出射されたγ線は、複数の検出器Dにて検出することができる。このPET装置においては、検出器Dの全体特性が著しく改善されているので、高品質な画像を取得することが可能である。検出器Dについては、後述する。   The γ rays emitted from the subject 105 can be detected by a plurality of detectors D. In this PET apparatus, since the overall characteristics of the detector D are remarkably improved, it is possible to acquire a high-quality image. The detector D will be described later.

被検体105の内部におけるRI位置Pからは、γ線が一方向とこれとは逆方向に向けて出射される。複数の検出器Dは、リング状に配置されており、特定の検出器D(n)と、RI位置を挟んで、これに対向する検出器D(k)にγ線が入射する。N個の検出器Dを1つのリング上に配置している場合には、最も高い位置にある検出器Dから、時計まわりに数えてn番目の検出器D(n)と、k番目の検出器D(k)にγ線が入射するが、RI位置Pがリングの中心にあり、リングの面内においてγ線が互いに逆方向に向かう場合には、k=n+(2/N)となる。なお、n、k、Nは自然数である。   From the RI position P inside the subject 105, γ rays are emitted in one direction and in the opposite direction. The plurality of detectors D are arranged in a ring shape, and γ-rays are incident on a specific detector D (n) and a detector D (k) facing the RI position across the RI position. When N detectors D are arranged on one ring, the detector D (n) counted clockwise from the detector D at the highest position and the kth detector Γ rays are incident on the device D (k), but when the RI position P is at the center of the ring and the γ rays are directed in opposite directions in the plane of the ring, k = n + (2 / N). . Note that n, k, and N are natural numbers.

PET装置が、TOF型(Time Of Flight)である場合、RIを含む物質を人体や動物及び植物などに投与し、その測定対象中において電子・陽電子対消滅で生成される放射線対(γ線)を計測することにより、測定対象内のその投与物質の分布や動きについての情報を得るものである。TOF−PET装置は、複数の検出器Dからなる放射線検出器アレイ(検出装置106)と、複数のプリアンプ103a,103a’と、複数のサムアンプ103b、103b’と、エネルギー弁別回路103eと、タイミング取り出し回路103c、103c’と、同時計数回路103fとを備えている。   When the PET device is of the TOF type (Time Of Flight), a radiation pair (γ-rays) generated by irradiating an electron / positron pair in a measurement object by administering a substance containing RI to a human body, an animal, a plant, or the like. Is used to obtain information on the distribution and movement of the administered substance in the measurement target. The TOF-PET apparatus includes a radiation detector array (detection apparatus 106) composed of a plurality of detectors D, a plurality of preamplifiers 103a and 103a ′, a plurality of sum amplifiers 103b and 103b ′, an energy discrimination circuit 103e, and a timing extraction. Circuits 103c and 103c ′ and a coincidence counting circuit 103f are provided.

また、被検体105は、放射線検出器アレイ(検出装置106)の略中心にが配置される。被検体105からは、γ線対が放射される。γ線対は、互いに反対方向に放射される。複数の検出器Dは、被検体105を略中心とする円周上に配置されている。なお、検出器Dは、放射線(γ線、X線)を蛍光に変換するシンチレータと、蛍光を検出する光検出器とからなる。   In addition, the subject 105 is disposed substantially at the center of the radiation detector array (detection device 106). A gamma ray pair is emitted from the subject 105. Gamma ray pairs are emitted in opposite directions. The plurality of detectors D are arranged on a circumference with the subject 105 as a substantial center. The detector D includes a scintillator that converts radiation (γ rays, X-rays) into fluorescence, and a photodetector that detects fluorescence.

γ線が入射する一方の検出器Dには、複数のプリアンプ103a(図面上は代表して1つを示す)に接続され、プリアンプ103aのそれぞれは、いずれもサムアンプ103b及びサムアンプ103b2の両方に接続されている。プリアンプ103aは、光検出器Dからの出力信号を高速に増幅し、サムアンプ103b、103b2は、それぞれプリアンプ103aの出力信号の論理和を出力する。   One detector D to which γ rays are incident is connected to a plurality of preamplifiers 103a (one is representatively shown in the drawing), and each of the preamplifiers 103a is connected to both the sum amplifier 103b and the sum amplifier 103b2. Has been. The preamplifier 103a amplifies the output signal from the photodetector D at high speed, and the sum amplifiers 103b and 103b2 each output a logical sum of the output signals of the preamplifier 103a.

γ線が入射する他方の検出器Dには、複数のプリアンプ103a’(図面上は代表して1つを示す)に接続され、プリアンプ103a’のそれぞれは、いずれもサムアンプ103b’及びサムアンプ103b2’の両方に接続されている。プリアンプ103a’は、光検出器Dからの出力信号を高速に増幅し、サムアンプ103b’、103b2’は、それぞれプリアンプ103a‘の出力信号の論理和を出力する。   The other detector D to which the γ-rays enter is connected to a plurality of preamplifiers 103a ′ (one is representatively shown in the drawing), and each of the preamplifiers 103a ′ is a sum amplifier 103b ′ and a sum amplifier 103b2 ′. Connected to both. The preamplifier 103a 'amplifies the output signal from the photodetector D at high speed, and the sum amplifiers 103b' and 103b2 'each output a logical sum of the output signals of the preamplifier 103a'.

これらの構成は、リング状に配置された全ての検出器Dに採用されているが、説明の明確化のため、同図では1組のみを示している。   These configurations are employed in all detectors D arranged in a ring shape, but for clarity of explanation, only one set is shown in the figure.

エネルギー弁別回路103eは、サムアンプ103b2、103b2’に接続される。エネルギー弁別回路103eは、所定の閾値(以下閾値SHという)以上の信号をγ線の入射による信号として判別し、判別結果を同時計数回路103fに出力する。すなわち、サムアンプ103b2、103b2’による論理和演算の演算結果は、エネルギー弁別回路103eに出力され、エネルギー弁別回路103eは、これらのサムアンプから入力される信号が、閾値SH以上のエネルギーを有するγ線による信号であるか否かを判定し、判定結果を同時計数回路103fに出力している。   The energy discriminating circuit 103e is connected to the sum amplifiers 103b2 and 103b2 '. The energy discriminating circuit 103e discriminates a signal equal to or higher than a predetermined threshold (hereinafter referred to as threshold SH) as a signal due to incidence of γ rays, and outputs the discrimination result to the coincidence counting circuit 103f. That is, the operation result of the logical sum operation by the sum amplifiers 103b2 and 103b2 ′ is output to the energy discriminating circuit 103e. It is determined whether the signal is a signal, and the determination result is output to the coincidence counting circuit 103f.

閾値SHは、例えば電子・陽電子対消滅に伴って発生する一対のγ線の光子エネルギーである511keVの付近に設定される。これにより、電気的ノイズ信号や、散乱ガンマ線(消滅γ線の一方或いは両方が散乱物質により方向を変えられたγ線であり、散乱のためにエネルギーが減少している)に起因するノイズ信号等が除かれる。なお、エネルギー弁別回路103eは、サムアンプ103b2、103b2’を介してプリアンプ103a,103a’から出力される信号を積分し、振幅がエネルギーと比例関係となるように波形を成形する回路を含んでいる。   The threshold value SH is set, for example, in the vicinity of 511 keV, which is the photon energy of a pair of γ-rays that are generated with the annihilation of an electron / positron pair. As a result, electrical noise signals, noise signals caused by scattered gamma rays (one or both of annihilation γ rays are γ rays whose directions have been changed by the scattering material, and energy is reduced due to scattering), etc. Is removed. The energy discriminating circuit 103e includes a circuit that integrates signals output from the preamplifiers 103a and 103a 'via the sum amplifiers 103b2 and 103b2', and shapes a waveform so that the amplitude is proportional to the energy.

タイミング取り出し回路103c、103c’は、それぞれサムアンプ103b、103b’から出力される信号に基づき、第1のタイミング信号、第2タイミング信号を出力する。第1及び第2のタイミング信号は同時計数回路103fに入力される。なお、タイミング取り出し方法としては、リーディング・エッジ方式やコンスタント・フラクション方式を用いることができる。   The timing extraction circuits 103c and 103c 'output a first timing signal and a second timing signal based on signals output from the sum amplifiers 103b and 103b', respectively. The first and second timing signals are input to the coincidence counting circuit 103f. As a timing extraction method, a leading edge method or a constant fraction method can be used.

同時計数回路103fは、エネルギー弁別回路103e、タイミング取り出し回路103c、103c’に接続されている。同時計数回路103fは、検出器D(n)、D(k)により検出されるγ線対が、同一の電子・陽電子対消滅に伴って発生したγ線対であるか否かを判定する。この判定は、一方の検出器D(n)においてγ線が検出された検出時刻の前後の一定時間の間に、他方の検出器D(k)においてγ線が検出されたか否かによりなされる。この条件で検出された場合には、同一の電子・陽電子対消滅に伴って発生したγ線対であると判定できる。   The coincidence counting circuit 103f is connected to the energy discriminating circuit 103e and the timing extracting circuits 103c and 103c '. The coincidence circuit 103f determines whether or not the γ-ray pair detected by the detectors D (n) and D (k) is a γ-ray pair generated with the annihilation of the same electron / positron pair. This determination is made based on whether or not γ rays have been detected by the other detector D (k) during a certain time before and after the detection time at which γ rays have been detected by one detector D (n). . If it is detected under this condition, it can be determined that the pair of γ-rays generated with the annihilation of the same electron / positron pair.

エネルギー弁別回路103eにより、閾値SH以上のエネルギーレベルを有すると判定された信号のうち、電子・陽電子対消滅で生成されたγ線対によるものであると同時計数回路103fにより判定されたものを真のデータとして採用する。   Of the signals determined by the energy discriminating circuit 103e to have an energy level equal to or higher than the threshold value SH, the signals determined by the coincidence circuit 103f to be true due to the γ-ray pairs generated by the annihilation of electrons and positrons are true. Adopt as data.

真のデータは、画像処理回路103gに入力され、被検体の内部情報に関する画像である断層画像を作成する。作成された画像は、記憶装置103k内に格納され、ディスプレイ103h上に表示することができる。記憶装置103kには、画像処理等を行うプログラムが格納されており、中央処理装置(CPU)103iからの指令により、当該プログラムは動作する。検査に必要な一連の操作(制御信号(検出器のON/OFF)の検出器Dへの出力、駆動モータの制御、検出器Dからの検出信号の取り込み、同時計数後の画像処理、作成画像の記憶装置への格納、ディスプレイへの表示)は、入力装置103jによって行うことができる。   The true data is input to the image processing circuit 103g to create a tomographic image that is an image related to the internal information of the subject. The created image is stored in the storage device 103k and can be displayed on the display 103h. The storage device 103k stores a program for performing image processing and the like, and the program operates according to a command from a central processing unit (CPU) 103i. A series of operations necessary for inspection (output of control signal (ON / OFF of detector) to detector D, control of drive motor, capture of detection signal from detector D, image processing after simultaneous counting, created image Storage in the storage device and display on the display) can be performed by the input device 103j.

図3は、図1の構造を備えたX線CT装置のブロック図である。   FIG. 3 is a block diagram of an X-ray CT apparatus having the structure of FIG.

X線CT装置も、上述の構造のクレードルとガントリを備えているが、ガントリはX線を出射するX線源103mを内蔵している。X線源103mからのX線が入射する位置に、複数の検出器Dが配置され、検出装置106が構成されている。   The X-ray CT apparatus also includes the cradle and gantry having the above-described structure, but the gantry includes an X-ray source 103m that emits X-rays. A plurality of detectors D are arranged at positions where X-rays from the X-ray source 103m are incident, and a detection device 106 is configured.

図1のガントリ102の開口内に位置するクレードル101には被検体105が配置され、被検体105にはX線源103mからX線が照射される。被検体105を透過したX線は、複数の検出器Dにて検出され、この検出信号を画像処理することで、被検体105の内部情報に関する画像、すなわちコンピュータ断層画像を得ることができる。PET装置とX線CT装置を一体化している場合には、制御装置103は、PET装置で得られた画像と、X線CT装置で得られた画像とを重ねることができる。X線CT装置においては、全体特性が著しく改善された検出器Dを用いているので、高品質な画像を取得することが可能である。   A subject 105 is placed on the cradle 101 located in the opening of the gantry 102 in FIG. 1, and the subject 105 is irradiated with X-rays from an X-ray source 103m. X-rays transmitted through the subject 105 are detected by a plurality of detectors D, and an image relating to internal information of the subject 105, that is, a computer tomographic image, can be obtained by performing image processing on the detection signals. When the PET apparatus and the X-ray CT apparatus are integrated, the control apparatus 103 can superimpose the image obtained by the PET apparatus and the image obtained by the X-ray CT apparatus. In the X-ray CT apparatus, since the detector D whose overall characteristics are remarkably improved is used, it is possible to acquire a high-quality image.

被検体105は、リング状に配置された検出装置106の中心に配置される。検出装置106は、回転軸AXを中心に回転する。X線源103mからは、被検体105にX線が照射され、これを透過したX線が複数の検出器D(n)に入射する。各検出器の出力は、プリアンプ103a及びサムアンプ103bを経て、画像処置回路103gに入力される。X線CT装置の制御装置103は、PET装置と同様に機能するディスプレイ103h、CPU103i、記憶装置103k、入力装置103jを備えている。入力装置103jにより、撮影の開始が指示されると、記憶装置103kに格納されたプログラムが起動し、X線源駆動回路103nが制御され、この駆動回路からX線源103mに駆動信号が出力される。X線源103mからX線が出射される。また、記憶装置103kに格納されたプログラムが起動し、ガントリ駆動モータ103pを駆動し、検出装置106を回転軸AXの周りに回転させ、更に、制御信号(検出器のON/OFF)を検出器Dに出力して、検出器DをONさせ、検出信号をプリアンプ103a、サムアンプ103bを介して、画像処理回路103gに入力する。画像処置回路103gでは、記憶装置103kに入力された断層画像作成プログラムにしたがって、コンピュータ断層画像を作成する。作成された画像は、記憶装置103kに格納され、ディスプレイ103hに表示することができる。   The subject 105 is arranged at the center of the detection device 106 arranged in a ring shape. The detection device 106 rotates around the rotation axis AX. From the X-ray source 103m, the subject 105 is irradiated with X-rays, and the X-rays transmitted therethrough are incident on a plurality of detectors D (n). The output of each detector is input to the image processing circuit 103g via the preamplifier 103a and the sum amplifier 103b. The control device 103 of the X-ray CT apparatus includes a display 103h, a CPU 103i, a storage device 103k, and an input device 103j that function in the same manner as the PET apparatus. When the input device 103j instructs to start imaging, the program stored in the storage device 103k is activated, the X-ray source drive circuit 103n is controlled, and a drive signal is output from the drive circuit to the X-ray source 103m. The X-rays are emitted from the X-ray source 103m. Further, the program stored in the storage device 103k is activated, the gantry drive motor 103p is driven, the detection device 106 is rotated around the rotation axis AX, and a control signal (detector ON / OFF) is detected by the detector. Output to D, the detector D is turned ON, and the detection signal is input to the image processing circuit 103g via the preamplifier 103a and the sum amplifier 103b. The image processing circuit 103g creates a computer tomographic image in accordance with the tomographic image creation program input to the storage device 103k. The created image is stored in the storage device 103k and can be displayed on the display 103h.

上述のように、記憶装置103kには、画像処理等を行うプログラムが格納されており、中央処理装置(CPU)103iからの指令により、当該プログラムは動作する。検査に必要な一連の操作(制御信号(検出器のON/OFF)の検出器Dへの出力、各種駆動モータの制御、検出器Dからの検出信号の取り込み、検出信号の画像処理、作成画像の記憶装置への格納、ディスプレイへの表示)は、入力装置103jによって行うことができる。   As described above, the storage device 103k stores a program for performing image processing and the like, and the program operates according to a command from the central processing unit (CPU) 103i. A series of operations necessary for inspection (output of control signals (ON / OFF of detector) to detector D, control of various drive motors, capture of detection signals from detector D, image processing of detection signals, created image Storage in the storage device and display on the display) can be performed by the input device 103j.

なお、各種プログラムは、従来の装置に搭載されているものを用いることができる。   As various programs, those installed in a conventional apparatus can be used.

図4は、検出器Dの斜視図である。   FIG. 4 is a perspective view of the detector D. FIG.

検出器Dは、配線基板20と、二次元状に互いに離間して、配線基板20上に配置・固定された複数の検出チップS(半導体チップS1)とを備えている。なお、個々の検出チップS(半導体チップS1)と、配線基板20との間には、第1バンプ電極BE及び第2バンプ電極B2(図15参照)が介在している。同図では、4×4個の検出チップSが配置されているが、検出チップSの数は複数であれば、これ以外の数も当然に採用することができる。同図では、XYZ三次元直交座標系が示されているが、+Z方向の延長線上に、ガントリの開口中心(被検体105)が位置する。すなわち、γ線又はX線は、Z軸の負方向に進行し、検出チップSに入射し、その出力信号はバンプ電極を介して、配線基板20に入力され、配線基板20からの出力が前述のプリアンプに入力される。   The detector D includes a wiring board 20 and a plurality of detection chips S (semiconductor chips S1) arranged and fixed on the wiring board 20 so as to be two-dimensionally spaced from each other. A first bump electrode BE and a second bump electrode B2 (see FIG. 15) are interposed between each detection chip S (semiconductor chip S1) and the wiring board 20. In the figure, 4 × 4 detection chips S are arranged, but as long as there are a plurality of detection chips S, other numbers can naturally be employed. In the drawing, an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is shown, but the opening center (subject 105) of the gantry is located on the extended line in the + Z direction. That is, γ-rays or X-rays travel in the negative direction of the Z-axis and enter the detection chip S, and the output signal is input to the wiring board 20 via the bump electrodes, and the output from the wiring board 20 is the aforementioned. Input to the preamplifier.

図5は、検出器Dにおける検出チップSの間隔を説明するための図である。   FIG. 5 is a diagram for explaining the interval between the detection chips S in the detector D. FIG.

検出チップSは、X軸方向、Y方向、共に距離d1だけ離間して配置されている。検出チップSは、半導体チップS1上にシンチレータを備えたものであるが、同図では、シンチレータの記載を省略している。半導体チップS1は、表面側に検出チャネルとなる半導体領域14を有している。半導体領域14は、半導体チップS1における半導体基板と共にpn接合を構成する領域の表面側の領域である。   The detection chips S are arranged at a distance d1 in both the X-axis direction and the Y direction. The detection chip S is provided with a scintillator on the semiconductor chip S1, but the scintillator is not shown in the figure. The semiconductor chip S1 has a semiconductor region 14 serving as a detection channel on the surface side. The semiconductor region 14 is a region on the surface side of a region that forms a pn junction with the semiconductor substrate in the semiconductor chip S1.

隣接する半導体チップS1間における半導体領域14の離間距離の最小値をd2とする。   Let d2 be the minimum value of the separation distance of the semiconductor regions 14 between the adjacent semiconductor chips S1.

距離d1(半導体チップS1の側面間距離)は100μmに設定され、距離d2は、200〜300μmに設定され、半導体チップS1の側面と半導体領域14との離間距離の最小値d3は50〜100μmに設定することができる。距離d1=X1μmとすれば、d2=X1+2×d3=X1+100〜200μmを満たしている。   The distance d1 (distance between the side surfaces of the semiconductor chip S1) is set to 100 μm, the distance d2 is set to 200 to 300 μm, and the minimum distance d3 between the side surface of the semiconductor chip S1 and the semiconductor region 14 is set to 50 to 100 μm. Can be set. If the distance d1 = X1 μm, d2 = X1 + 2 × d3 = X1 + 100 to 200 μm is satisfied.

1つの半導体チップS1は、複数の半導体検出領域14を二次元状に備えているが、一群の半導体領域14を1つの検出チャネルとし、単一の検出チャネルを備えている場合には、検出器Dはディスクリートアレイを構成する。1つの半導体チップS1が、複数の検出チャネルを備えている場合には、モノシリックアレイを構成する。ディスクリートアレイの場合には、半導体チップの側面には、高濃度の不純物(半導体基板と同一の導電型:N型)が添加され、不純物添加領域ISを構成している。モノシリックアレイの場合には、半導体チップの側面と、検出チャネル間には、高濃度の不純物(半導体基板と同一の導電型:N型)が添加され、不純物添加領域ISを構成している。   One semiconductor chip S1 has a plurality of semiconductor detection regions 14 in a two-dimensional shape. However, when a group of semiconductor regions 14 is one detection channel and a single detection channel is provided, a detector is provided. D constitutes a discrete array. When one semiconductor chip S1 includes a plurality of detection channels, a monolithic array is configured. In the case of a discrete array, high-concentration impurities (the same conductivity type as that of the semiconductor substrate: N-type) are added to the side surfaces of the semiconductor chip to form an impurity-added region IS. In the case of a monolithic array, high-concentration impurities (the same conductivity type as that of the semiconductor substrate: N-type) are added between the side surface of the semiconductor chip and the detection channel to form an impurity-added region IS.

なお、モノシリックアレイの場合の検出チャネル間の離間距離(隣接する検出チャネルにおける半導体領域14間の距離の最小値)は、距離d1と等しく設定することができる。この場合には、全ての半導体領域14の離間距離が等しくなるという利点がある。   Note that the separation distance between the detection channels in the case of the monolithic array (the minimum value of the distance between the semiconductor regions 14 in the adjacent detection channels) can be set equal to the distance d1. In this case, there is an advantage that the separation distances of all the semiconductor regions 14 are equal.

図6は、検出器D’の斜視図である。   FIG. 6 is a perspective view of the detector D '.

図4に示した配線基板20が、複数、メインの配線基板又は支持基板20’上に配置・固定されており、全体として、8×8個の検出チップSが並んでいる。このような構成を採用することで、検出器の大型化を達成することができる。   A plurality of wiring boards 20 shown in FIG. 4 are arranged and fixed on the main wiring board or the support board 20 ′, and 8 × 8 detection chips S are arranged as a whole. By adopting such a configuration, an increase in the size of the detector can be achieved.

図7は、検出器D”の斜視図である。   FIG. 7 is a perspective view of the detector D ″.

図4に示した配線基板20を共通化し、全体として、8×8個の検出チップSが並んで、配線基板20上に配置・固定されている。このような構成を採用することで、検出器の大型化を達成することができる。また、図76は、複数の検出チップを並べた検出器の斜視構成を示す写真の図であり、更に大面積の検出器を試作することができた。   The wiring board 20 shown in FIG. 4 is shared, and 8 × 8 detection chips S are arranged and fixed on the wiring board 20 as a whole. By adopting such a configuration, an increase in the size of the detector can be achieved. FIG. 76 is a photograph showing a perspective configuration of a detector in which a plurality of detection chips are arranged, and a detector having a larger area could be prototyped.

次に、検出チップについて説明する。   Next, the detection chip will be described.

図8は、検出チップSの斜視図である。   FIG. 8 is a perspective view of the detection chip S. FIG.

半導体チップS1上に、接着層S2を介して、シンチレータS3が設けられている。接着層S2は、例えばEpoxy Technologies社製のEpo-Tek301(商標)などの樹脂である。シンチレータS3は、Lu2−xSiO:Ce(LYSO)、ガドリニウムアルミニウムガリウムガーネット(GAGG)、NaI(TI)、Pr:LuAG、LaBr、LaBr、及び(LuTb1−x−yCeAl12(すなわち、LuTAG)からなる群から選択される1少なくとも1種類又はこれらのいずれか2種以上の混合材料を含んでいる。なお、LuTAGにおけるLuの組成比「x」は0.5〜1.5の範囲にありかつCeの組成比「y」は0.01〜0.15の範囲にある。シンチレータS3に入射した放射線は、シンチレータS3によって蛍光に変換され、接着層S2を介して、半導体チップS1に入射する。 A scintillator S3 is provided on the semiconductor chip S1 via an adhesive layer S2. The adhesive layer S2 is a resin such as Epo-Tek301 (trademark) manufactured by Epoxy Technologies. The scintillator S3 are, Lu 2-x Y x SiO 5: Ce (LYSO), gadolinium aluminum gallium garnet (GAGG), NaI (TI) , Pr: LuAG, LaBr 2, LaBr 3, and (Lu x Tb 1-x- y Ce y ) 3 Al 5 O 12 (that is, LuTAG), at least one selected from the group consisting of two or a mixture of any two or more thereof. In LuTAG, the Lu composition ratio “x” is in the range of 0.5 to 1.5, and the Ce composition ratio “y” is in the range of 0.01 to 0.15. The radiation incident on the scintillator S3 is converted into fluorescence by the scintillator S3, and enters the semiconductor chip S1 via the adhesive layer S2.

図9は、別の構造の検出チップSの斜視図である。   FIG. 9 is a perspective view of a detection chip S having another structure.

半導体チップS1上に、接着層S21を介して、ガラス板S22が設けられている。ガラス板S22上には、接着層S23を介して、シンチレータS3が設けられている。接着層及びシンチレータの材料は上述の通りである。シンチレータS3に入射した放射線は、シンチレータS3によって蛍光に変換され、接着層S23、ガラス板S22、接着層S21を介して、半導体チップS1に入射する。   A glass plate S22 is provided on the semiconductor chip S1 via an adhesive layer S21. A scintillator S3 is provided on the glass plate S22 via an adhesive layer S23. The materials for the adhesive layer and scintillator are as described above. The radiation incident on the scintillator S3 is converted into fluorescence by the scintillator S3, and enters the semiconductor chip S1 through the adhesive layer S23, the glass plate S22, and the adhesive layer S21.

以上のように、個々の半導体チップS1の表面上には、絶縁体(S2、S21、S22,S23)を介して、シンチレータS3が位置している。シンチレータS3は、これに入射したX線又はγ線等の放射線の入射に応じて、これらよりも長波長の光を発生する。可視光や赤外光がSiに入射した場合には、Si内部において効率的に光電変換が生じる。半導体チップS1内部のAPDをSiから構成する場合には、可視光や赤外光の感度を向上させることができる。上述のように、絶縁体は、ガラス板や樹脂からなり、APDの表面を保護すると共に、シンチレータからの光が、APDに到達するまでに、これを若干拡散させることができる。樹脂は、シンチレータと半導体チップとの接着機能を有することもできる。   As described above, the scintillator S3 is located on the surface of each semiconductor chip S1 via the insulators (S2, S21, S22, S23). The scintillator S3 generates light having a longer wavelength than these in accordance with the incidence of radiation such as X-rays or γ-rays incident thereon. When visible light or infrared light is incident on Si, photoelectric conversion occurs efficiently inside Si. When the APD in the semiconductor chip S1 is made of Si, the sensitivity of visible light and infrared light can be improved. As described above, the insulator is made of a glass plate or a resin, and protects the surface of the APD, and the light from the scintillator can be slightly diffused before reaching the APD. The resin can also have an adhesion function between the scintillator and the semiconductor chip.

図10は、半導体チップS1の平面図である。   FIG. 10 is a plan view of the semiconductor chip S1.

半導体チップS1の表面には、X軸及びY軸に沿って、複数の光検出部10が配列している。半導体チップS1の中央部には、各光検出部10からの信号が収集される共通電極E3が配置されている。なお、半導体チップS1の全面上に光検出部10が形成されているが、同図では、共通電極の明瞭化のため、両端部周辺にのみ光検出部10を図示している。   A plurality of light detection units 10 are arranged on the surface of the semiconductor chip S1 along the X axis and the Y axis. In the central part of the semiconductor chip S1, a common electrode E3 for collecting signals from the respective light detection units 10 is arranged. In addition, although the light detection part 10 is formed on the whole surface of the semiconductor chip S1, the light detection part 10 is illustrated only in the vicinity of both ends for the sake of clarity of the common electrode.

図11は、半導体チップS1の共通電極周辺部(図10の領域RS1)の拡大図である。   FIG. 11 is an enlarged view of the common electrode peripheral portion (region RS1 in FIG. 10) of the semiconductor chip S1.

光検出部10は、APDと、APDの一端(アノード)に接続されたクエンチング抵抗R1(抵抗層)とを備えている。クエンチング抵抗R1は、読出配線TLを介して、共通電極E3に接続されている。すなわち、複数の光検出部10における各APDは、それぞれのクエンチング抵抗R1と、読出配線TLを介して、全て共通電極E3に接続されている。   The light detection unit 10 includes an APD and a quenching resistor R1 (resistance layer) connected to one end (anode) of the APD. The quenching resistor R1 is connected to the common electrode E3 via the readout wiring TL. That is, all the APDs in the plurality of light detection units 10 are all connected to the common electrode E3 via the quenching resistor R1 and the readout wiring TL.

図12は、検出器の回路図である。   FIG. 12 is a circuit diagram of the detector.

半導体チップS1は、1又は複数のフォトダイオードアレイPDAを含んでいる。フォトダイオードアレイPDAは、複数の光検出部10(APD、クエンチング抵抗R1)からなる。フォトダイオードアレイPDAにおいては、個々のAPDをガイガーモードで動作させる。ガイガーモードでは、APDのブレイクダウン電圧よりも大きな逆方向電圧(逆バイアス電圧)をAPDのアノード/カソード間に印加する。すなわち、アノードには(−)電位V1を、カソードには(+)電位V2を印加する。これらの電位の極性は相対的なものであり、一方の電位をグランド電位とすることも可能である。   The semiconductor chip S1 includes one or a plurality of photodiode arrays PDA. The photodiode array PDA includes a plurality of light detection units 10 (APD, quenching resistor R1). In the photodiode array PDA, each APD is operated in the Geiger mode. In the Geiger mode, a reverse voltage (reverse bias voltage) larger than the breakdown voltage of the APD is applied between the anode / cathode of the APD. That is, the (−) potential V1 is applied to the anode and the (+) potential V2 is applied to the cathode. The polarities of these potentials are relative, and one of the potentials can be a ground potential.

配線基板20には、フォトダイオードアレイPDAからの信号を処理する信号処理部SPを設けてもよい。信号処理部SPは、ASIC(Application Specific Integrated
Circuit)を構成している。信号処理部SPは、フォトダイオードアレイPDA(チャンネル)からの出力信号をデジタルパルスに変換するCMOS回路を含むことができる。
The wiring board 20 may be provided with a signal processing unit SP that processes a signal from the photodiode array PDA. The signal processing unit SP is ASIC (Application Specific Integrated).
Circuit). The signal processing unit SP can include a CMOS circuit that converts an output signal from the photodiode array PDA (channel) into a digital pulse.

図13は、共通電極周辺部の光検出部の平面図である。   FIG. 13 is a plan view of the photodetecting portion around the common electrode.

APDは、半導体基板の主面側にそれぞれ配置された、電極E1を有している。電極E1は、第2半導体領域14に電気的に接続されている。第2半導体領域14の直下に位置する第1半導体領域は、第2半導体領域14を介して電極E1に電気的に接続されている。   The APD has electrodes E1 arranged on the main surface side of the semiconductor substrate. The electrode E1 is electrically connected to the second semiconductor region 14. The first semiconductor region located immediately below the second semiconductor region 14 is electrically connected to the electrode E1 through the second semiconductor region 14.

第2半導体領域14の外側の半導体基板上には、絶縁層を介して、読出配線(信号線)TLと共通電極E3とが形成されている。共通電極E3は、各チャンネル(フォトダイオードアレイPDA)の中央領域に位置している。   On the semiconductor substrate outside the second semiconductor region 14, a readout wiring (signal line) TL and a common electrode E3 are formed via an insulating layer. The common electrode E3 is located in the central region of each channel (photodiode array PDA).

読出配線TLは、複数の信号線TL1と複数の信号線TL2とを含んでいる。各信号線TL1は、平面視で、隣接するAPD間をY軸方向に延びている。各読出配線TL2は、隣接するAPD間をX軸方向に延びて、複数の読出配線TL1同士を電気的に接続する。読出配線TL2は、共通電極E3に接続されている。読出配線TL1は、共通電極E3に直接接続されるものを除いて、読出配線TL2を介して共通電極E3に電気的に接続されている。   The read wiring TL includes a plurality of signal lines TL1 and a plurality of signal lines TL2. Each signal line TL1 extends in the Y-axis direction between adjacent APDs in plan view. Each readout wiring TL2 extends between adjacent APDs in the X-axis direction, and electrically connects the plurality of readout wirings TL1. The read wiring TL2 is connected to the common electrode E3. The read line TL1 is electrically connected to the common electrode E3 via the read line TL2, except for the line directly connected to the common electrode E3.

フォトダイオードアレイPDAは、個々のAPD毎に、第2半導体領域14の外側の半導体基板上に、絶縁層を介して形成されたクエンチング抵抗R1を有している。すなわち、クエンチング抵抗R1は、半導体基板の主面側に配置されている。クエンチング抵抗R1は、その一方端が電極E1に接続され、その他方端が読出配線TL1接続されている。   The photodiode array PDA has a quenching resistor R1 formed through an insulating layer on a semiconductor substrate outside the second semiconductor region 14 for each APD. That is, the quenching resistor R1 is arranged on the main surface side of the semiconductor substrate. The quenching resistor R1 has one end connected to the electrode E1 and the other end connected to the readout wiring TL1.

図14は、共通電極周辺部の断面図である。   FIG. 14 is a sectional view of the periphery of the common electrode.

半導体基板を構成する半導体領域12は、互いに対向する主面1Naと主面1Nbとを含んでいる。半導体領域12は、Siからなる、N型(第1導電型)の半導体基板である。   The semiconductor region 12 constituting the semiconductor substrate includes a main surface 1Na and a main surface 1Nb facing each other. The semiconductor region 12 is an N-type (first conductivity type) semiconductor substrate made of Si.

各フォトダイオードアレイPDAは、半導体領域12に形成された複数のAPDを含んでいる。APDのアノードはP型の半導体領域13(14)であり、カソードはN型の半導体領域12である。APDに光子が入射すると、基板内部で光電変換が行われて光電子が発生する。第1半導体領域13のpn接合界面の近傍領域において、アバランシェ増倍が行われ、増幅された電子群は半導体領域12の裏面に形成された電極に向けて流れる。すなわち、フォトダイオードアレイPDAのいずれかの画素(アバランシェフォトダイオードAPD)に光子が入射すると、増倍されて、信号として電極E3(貫通電極TE)から取り出される。   Each photodiode array PDA includes a plurality of APDs formed in the semiconductor region 12. The anode of the APD is a P-type semiconductor region 13 (14), and the cathode is an N-type semiconductor region 12. When a photon enters the APD, photoelectric conversion is performed inside the substrate to generate photoelectrons. Avalanche multiplication is performed in a region near the pn junction interface of the first semiconductor region 13, and the amplified electron group flows toward an electrode formed on the back surface of the semiconductor region 12. That is, when a photon is incident on any pixel (avalanche photodiode APD) of the photodiode array PDA, the photon is multiplied and extracted as a signal from the electrode E3 (through electrode TE).

それぞれのAPDには、クエンチング抵抗R1が直列に接続されている。一つのAPDは、各フォトダイオードアレイPDAにおける一つの画素を構成している。各APDは、それぞれクエンチング抵抗R1と直列に接続された形で、全て並列に接続されており、電源から逆バイアス電圧が印加される。   A quenching resistor R1 is connected to each APD in series. One APD constitutes one pixel in each photodiode array PDA. Each APD is connected in parallel with each other in series with the quenching resistor R1, and a reverse bias voltage is applied from the power source.

個々のAPDは、P型(第2導電型)の第1半導体領域13と、P型(第2導電型)の第2半導体領域14と、を有している。第1半導体領域13は、半導体領域12の主面1Na側に形成されている。第2半導体領域14は、第1半導体領域13内に形成され且つ第1半導体領域14よりも不純物濃度が高い。第2半導体領域14の平面形状は、たとえば多角形(本実施形態では、四角形)である。第1半導体領域13の深さは、第2半導体領域14よりも深い。   Each APD has a P-type (second conductivity type) first semiconductor region 13 and a P-type (second conductivity type) second semiconductor region 14. The first semiconductor region 13 is formed on the main surface 1Na side of the semiconductor region 12. The second semiconductor region 14 is formed in the first semiconductor region 13 and has a higher impurity concentration than the first semiconductor region 14. The planar shape of the second semiconductor region 14 is, for example, a polygon (in this embodiment, a quadrangle). The first semiconductor region 13 is deeper than the second semiconductor region 14.

半導体領域12は、N型(第1導電型)の半導体領域1PCを有している。半導体領域1PCは、半導体領域12の主面1Na側に形成されている。半導体領域1PCは、貫通電極TEが配置される貫通孔THに、N型の半導体領域12とP型の第1半導体領域13との間に形成されるPN接合が露出するのを防ぐ。半導体領域1PCは、貫通孔TH(貫通電極TE)に対応する位置に形成されている。   The semiconductor region 12 has an N-type (first conductivity type) semiconductor region 1PC. The semiconductor region 1PC is formed on the main surface 1Na side of the semiconductor region 12. The semiconductor region 1PC prevents the PN junction formed between the N-type semiconductor region 12 and the P-type first semiconductor region 13 from being exposed to the through hole TH in which the through electrode TE is disposed. The semiconductor region 1PC is formed at a position corresponding to the through hole TH (through electrode TE).

第2半導体領域14の表面上には、絶縁層16が形成され、この上に共通電極E3と読出配線TLが形成されている。共通電極E3と読出配線TLは、絶縁層17によって被覆されている。半導体領域12の裏面1Nbは、絶縁層L3によって被覆されている。絶縁L3は開口を有しており、貫通電極TEが開口内を通っている。共通電極E3は、貫通電極TEに接触し、電気的に接続されており、貫通電極TE上には、アンダーバンプメタルBMを介して、第1のバンプ電極BEが接触している。半導体領域12に設けられた貫通孔THの内面は、絶縁層L2によって被覆され、絶縁層L2は絶縁層L3に連続している。貫通電極TE及び絶縁層L3は、パッシベーション膜(保護膜)PFによって被覆されている。UBMの形成方法は、無電解めっき法を用いることができる。バンプ電極BEの形成方法は、ハンダボールを搭載する手法又は印刷法を用いることができる。   An insulating layer 16 is formed on the surface of the second semiconductor region 14, and a common electrode E3 and a readout wiring TL are formed thereon. The common electrode E3 and the readout wiring TL are covered with an insulating layer 17. The back surface 1Nb of the semiconductor region 12 is covered with an insulating layer L3. The insulation L3 has an opening, and the through electrode TE passes through the opening. The common electrode E3 is in contact with and electrically connected to the through electrode TE, and the first bump electrode BE is in contact with the through electrode TE through the under bump metal BM. The inner surface of the through hole TH provided in the semiconductor region 12 is covered with the insulating layer L2, and the insulating layer L2 is continuous with the insulating layer L3. The through electrode TE and the insulating layer L3 are covered with a passivation film (protective film) PF. An electroless plating method can be used as a method for forming the UBM. As a method for forming the bump electrode BE, a method of mounting a solder ball or a printing method can be used.

以上のように、個々の半導体チップは、二次元状に配置された複数の光検出部10を有する半導体領域12と、半導体領域12の表面上に形成された絶縁層16と、絶縁層16上に配置された共通電極E3と、個々の光検出部10のクエンチング抵抗R1と共通電極E3とを電気的に接続する読出配線TLと、共通電極E3から、半導体領域12の貫通孔THを介して、半導体領域12の裏面に延びた貫通電極TEとを備えている。   As described above, each semiconductor chip includes a semiconductor region 12 having a plurality of photodetecting portions 10 arranged two-dimensionally, an insulating layer 16 formed on the surface of the semiconductor region 12, and the insulating layer 16 The common electrode E3 disposed in the first electrode, the quenching resistor R1 of each of the light detection units 10 and the common electrode E3, and the common electrode E3 through the through hole TH of the semiconductor region 12 from the common electrode E3. A through electrode TE extending on the back surface of the semiconductor region 12.

各フォトダイオードアレイPDAは、貫通電極TEを含んでいる。貫通電極TEは、個々のフォトダイオードアレイPDA毎、すなわち個々のチャンネル毎に設けられている。貫通電極TEは、半導体領域12を、主面1Na側から主面1Nb側まで貫通して形成されている。すなわち、貫通電極TEは、半導体領域12を貫通する貫通孔TH内に配置されている。絶縁層L2は、貫通孔TH内にも形成されている。したがって、貫通電極TEは、絶縁層L2を介して、貫通孔TH内に配置される。貫通電極TEは、その一方端が共通電極E3に接続され、読出配線TLと貫通電極TEとを接続している。   Each photodiode array PDA includes a through electrode TE. The through electrode TE is provided for each individual photodiode array PDA, that is, for each individual channel. The through electrode TE is formed to penetrate the semiconductor region 12 from the main surface 1Na side to the main surface 1Nb side. That is, the through electrode TE is disposed in the through hole TH that penetrates the semiconductor region 12. The insulating layer L2 is also formed in the through hole TH. Therefore, the through electrode TE is disposed in the through hole TH via the insulating layer L2. The through electrode TE has one end connected to the common electrode E3, and connects the readout wiring TL and the through electrode TE.

個々の光検出部10は、APDを備えているが、各APDは、第1導電型の半導体領域12(第1半導体領域)、及び、半導体領域12とpn接合を構成し、キャリアを出力する第2導電型の第2半導体領域(13,14)を備えている。APDの第2半導体領域14には、クエンチング抵抗R1が電気的に接続されている。   Each photodetection unit 10 includes an APD, and each APD forms a first conductivity type semiconductor region 12 (first semiconductor region) and a pn junction with the semiconductor region 12 and outputs carriers. A second semiconductor region (13, 14) of the second conductivity type is provided. A quenching resistor R1 is electrically connected to the second semiconductor region 14 of the APD.

第1バンプ電極BEは、貫通電極TEと配線基板20とを電気的に接続しており、第2バンプ電極B2(図15等参照)は、APDの半導体領域12(第1半導体領域)と配線基板20とを電気的に接続している。   The first bump electrode BE electrically connects the through electrode TE and the wiring substrate 20, and the second bump electrode B2 (see FIG. 15 and the like) is connected to the semiconductor region 12 (first semiconductor region) of the APD and the wiring. The substrate 20 is electrically connected.

クエンチング抵抗R1は、これが接続される電極E1、共通電極E3よりも抵抗率が高い。クエンチング抵抗R1は、たとえばポリシリコン等からなる。クエンチング抵抗R1の形成方法としては、CVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いることができる。クエンチング抵抗R1を構成する抵抗体としては、その他、SiCr、NiCr、TaNi、FeCrなどが挙げられる。   The quenching resistor R1 has a higher resistivity than the electrode E1 and the common electrode E3 to which it is connected. Quenching resistor R1 is made of, for example, polysilicon. As a method for forming the quenching resistor R1, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method can be used. In addition, SiCr, NiCr, TaNi, FeCr, etc. are mentioned as a resistor which comprises quenching resistance R1.

電極E1,E3及び貫通電極TEはアルミニウムなどの金属からなる。半導体基板がSiからなる場合には、電極材料としては、アルミニウムの他に、AuGe/Niなどもよく用いられる。電極E1,E3及び貫通電極TEの形成方法としては、スパッタ法を用いることができる。   The electrodes E1, E3 and the through electrode TE are made of a metal such as aluminum. When the semiconductor substrate is made of Si, AuGe / Ni or the like is often used as the electrode material in addition to aluminum. As a method for forming the electrodes E1, E3 and the through electrode TE, a sputtering method can be used.

Siを用いた場合におけるP型不純物としてはBなどの3族元素が用いられ、N型不純物としては、N、P又はAsなどの5族元素が用いられる。半導体の導電型であるN型とP型は、互いに置換して素子を構成しても、当該素子を機能させることができる。これらの不純物の添加方法としては、拡散法やイオン注入法を用いることができる。   When Si is used, a Group 3 element such as B is used as the P-type impurity, and a Group 5 element such as N, P, or As is used as the N-type impurity. Even if N-type and P-type semiconductors are substituted for each other to form an element, the element can function. As a method for adding these impurities, a diffusion method or an ion implantation method can be used.

上述の絶縁層の材料としては、SiO又はSiNを用いることができ、絶縁層の形成方法としては、各絶縁層がSiOからなる場合には、熱酸化法又はスパッタ法を用いることができる。 As a material of the above-described insulating layer, SiO 2 or SiN can be used. As a method for forming the insulating layer, when each insulating layer is made of SiO 2 , a thermal oxidation method or a sputtering method can be used. .

上述の構造の場合、N型の半導体領域12とP型の第1半導体領域13との間に、pn接合が構成されることで、APDが形成されている。半導体領域12は、基板1Nの裏面に直接、又は、裏面に形成された電極(図示省略)に電気的に接続されている。第1半導体領域13は、第2半導体領域14、電極E1、クエンチング抵抗R1,読出配線TL、共通電極E3、貫通電極TE,バンプ電極BEを順次介して、配線基板20に接続されている。半導体領域12の裏面は、バンプ電極B2を介して、配線基板20に接続されている。なお、クエンチング抵抗R1はAPDに対して直列に接続されている。   In the case of the structure described above, an APD is formed by forming a pn junction between the N-type semiconductor region 12 and the P-type first semiconductor region 13. The semiconductor region 12 is directly connected to the back surface of the substrate 1N or electrically connected to an electrode (not shown) formed on the back surface. The first semiconductor region 13 is connected to the wiring substrate 20 through the second semiconductor region 14, the electrode E1, the quenching resistor R1, the readout wiring TL, the common electrode E3, the through electrode TE, and the bump electrode BE in this order. The back surface of the semiconductor region 12 is connected to the wiring substrate 20 via the bump electrode B2. The quenching resistor R1 is connected in series with the APD.

図15は、図14の半導体チップS1の底面図である。   FIG. 15 is a bottom view of the semiconductor chip S1 of FIG.

半導体基板の裏面のパッシベーション膜PFは、一部が除去され、半導体領域12の裏面が露出している。この露出領域に、第2バンプ電極B2が配置される。半導体領域12の中央には、第1バンプ電極BEが位置している。第2バンプ電極B2は、四角形の半導体領域12の4つの角部に対応する位置に配置されている。   A part of the passivation film PF on the back surface of the semiconductor substrate is removed, and the back surface of the semiconductor region 12 is exposed. The second bump electrode B2 is disposed in this exposed region. In the center of the semiconductor region 12, the first bump electrode BE is located. The second bump electrode B <b> 2 is disposed at a position corresponding to the four corners of the rectangular semiconductor region 12.

図16は、改良に係る半導体チップS1の底面図である。   FIG. 16 is a bottom view of the improved semiconductor chip S1.

この構造は、図15に示したものと比較して、パッシベーション膜PFを除去することで露出した半導体領域12の裏面上に、導電膜Mを形成し、導電膜M上にバンプ電極B2を配置した点が異なり、他の点は同一である。導電膜Mの形状は、矩形環状であり、材料は電極材料と同一とすることができる。なお、バンプ電極の材料は、半田を用いることができる。   Compared with the structure shown in FIG. 15, this structure is such that a conductive film M is formed on the back surface of the semiconductor region 12 exposed by removing the passivation film PF, and a bump electrode B2 is disposed on the conductive film M. The other points are the same. The shape of the conductive film M is rectangular, and the material can be the same as the electrode material. Note that solder can be used as the material of the bump electrode.

以上のように、個々の光検出部10に含まれるAPDの両端には、第1バンプ電極BE及び第2バンプ電極B2を介して、ガイガーモードで動作するバイアス電圧が与えられる。光(エネルギー線)の入射により、複数のAPDにおいて発生したキャリアは、それぞれのクエンチング抵抗R1を介して、半導体領域12上の共通電極E3に流れ、共通電極E3から、貫通電極TE及び第1バンプ電極BEを通って配線基板20に至り、外部に取り出される。   As described above, a bias voltage that operates in the Geiger mode is applied to both ends of the APD included in each light detection unit 10 via the first bump electrode BE and the second bump electrode B2. Carriers generated in the plurality of APDs due to the incidence of light (energy rays) flow to the common electrode E3 on the semiconductor region 12 through the respective quenching resistors R1, and from the common electrode E3 to the through electrode TE and the first electrode. It reaches the wiring board 20 through the bump electrode BE and is taken out to the outside.

当該構造のAPDにおいては、貫通電極等を用いたキャリア伝達経路短縮化構造を有しているため、配線抵抗が減少している。しがたって、APDからのキャリアの伝達速度、すなわち、時間分解能が向上する。当該APDを複数備えた1つの半導体チップに、複数の光子が入射した場合、時間分解能が向上することで、より高精度の光子検出を行うことができるようになる。また、別の半導体チップにおいては、製造誤差等の原因により、同一の時間分解能となることが保障されていないが、組み立て時において、製品特性が一定の範囲内の半導体チップを選択して、配線基板にバンプ電極を介してボンディングすれば、半導体チップ毎の特性バラつきが低減される。   Since the APD having this structure has a carrier transmission path shortening structure using a through electrode or the like, the wiring resistance is reduced. Therefore, the transmission speed of the carrier from the APD, that is, the time resolution is improved. When a plurality of photons are incident on a single semiconductor chip having a plurality of APDs, the time resolution is improved, so that more accurate photon detection can be performed. In another semiconductor chip, it is not guaranteed that the same time resolution is obtained due to a manufacturing error or the like. However, when assembling, a semiconductor chip having a product characteristic within a certain range is selected and wiring is performed. Bonding to the substrate via the bump electrode reduces the characteristic variation for each semiconductor chip.

二次元状に並べられた半導体チップS1は、離間しているので、特定の半導体チップへ入射した光が、他の半導体チップへ漏れてクロストークが発生する影響が抑制されると共に、半導体チップ間の隙間が、配線基板20の膨張/収縮に起因する配線基板の反りの半導体チップへの影響を緩和することができる。すなわち、検出器全体としての時間分解能、クロストーク、温度変化に対する耐性等の特性は著しく改善される。   Since the two-dimensionally arranged semiconductor chips S1 are separated from each other, the influence of light incident on a specific semiconductor chip leaking to other semiconductor chips and causing crosstalk is suppressed, and between the semiconductor chips. This gap can alleviate the influence of the warping of the wiring board due to the expansion / contraction of the wiring board 20 on the semiconductor chip. That is, characteristics such as time resolution, crosstalk, and resistance to temperature change as a whole detector are remarkably improved.

図17は、配線基板の基本構成要素の斜視図(A)、底面図(B)である。   FIG. 17 is a perspective view (A) and a bottom view (B) of the basic components of the wiring board.

配線基板20は、絶縁基板20Cの表面上設けられ、第1バンプ電極BEが接触する電極20a、4つの第2バンプ電極B2が接触する電極21aを備えている。絶縁基板20Cの裏面には、絶縁基板20Cの内部を通る貫通電極20bを介して、電極20aに電気的に接続される電極パッド20dが設けられている。貫通電極20bと電極パッド20dとは接続電極20cを介して接続されている。   The wiring substrate 20 is provided on the surface of the insulating substrate 20C, and includes an electrode 20a that contacts the first bump electrode BE and an electrode 21a that contacts the four second bump electrodes B2. On the back surface of the insulating substrate 20C, an electrode pad 20d that is electrically connected to the electrode 20a is provided via a through electrode 20b that passes through the inside of the insulating substrate 20C. The through electrode 20b and the electrode pad 20d are connected via the connection electrode 20c.

絶縁基板20Cの裏面には、絶縁基板20Cの内部を通る貫通電極21bを介して、電極21aに電気的に接続される電極パッド21dが設けられている。貫通電極21bと電極パッド21dとは接続電極21cを介して接続されている。   On the back surface of the insulating substrate 20C, an electrode pad 21d that is electrically connected to the electrode 21a is provided via a through electrode 21b that passes through the inside of the insulating substrate 20C. The through electrode 21b and the electrode pad 21d are connected via the connection electrode 21c.

なお、絶縁基板20Cに設けられる電極は、いずれも印刷された配線パターンである。   Note that the electrodes provided on the insulating substrate 20C are all printed wiring patterns.

表面上の第1の電極20aの形状は四角形であり、第2の電極21aは、第1の電極20aの3辺に隣接し、これを囲むように設けられている。   The shape of the first electrode 20a on the surface is a quadrangle, and the second electrode 21a is adjacent to and surrounds the three sides of the first electrode 20a.

図18は、配線基板の平面図(A)と、底面図(B)である。   FIG. 18 is a plan view (A) and a bottom view (B) of the wiring board.

この配線基板20は、図17に示した配線パターンをX軸及びY軸に沿って、複数配列させたものである。左の2列の第2の電極21aは、下側が開放するように配置されているが、右の2列の第2の電極21aは、左の2列を配線基板の厚みに平行な軸を中心に、180°回転させたものであり、上側が開放するように配置されている。   This wiring board 20 is obtained by arranging a plurality of wiring patterns shown in FIG. 17 along the X axis and the Y axis. The left two rows of the second electrodes 21a are arranged so that the lower side is open, but the right two rows of the second electrodes 21a have an axis parallel to the thickness of the wiring board. It is rotated 180 ° in the center and is arranged so that the upper side is open.

図19は、配線基板の平面図(A)と、底面図(B)である。   FIG. 19 is a plan view (A) and a bottom view (B) of the wiring board.

この配線基板20は、図17に示した配線パターンをX軸及びY軸に沿って、複数配列させると同時に、第2の電極21aのうち、X軸方向に隣接するもの同士を連続させて、電極210aとしたものである。電極210aは、Y軸に沿って延びており、全ての第2の電極21aが表面側において電気的に接続される構造となっている。この場合、電極210aの一か所の直下に貫通電極210dを設けて、裏面に露出させればよいため、構造が簡単になるという利点がある。   The wiring board 20 has a plurality of wiring patterns shown in FIG. 17 arranged along the X axis and the Y axis, and at the same time, the second electrodes 21a adjacent to each other in the X axis direction are continuously arranged. This is the electrode 210a. The electrode 210a extends along the Y axis, and all the second electrodes 21a are electrically connected on the surface side. In this case, there is an advantage that the structure is simplified because the through electrode 210d may be provided directly below one of the electrodes 210a and exposed on the back surface.

図20は、共通電極周辺部の断面図である。   FIG. 20 is a cross-sectional view of the periphery of the common electrode.

上記では、第1バンプ電極BEを、半導体領域12に設けられた貫通孔内に配置したが、これとは別の位置に設けてもよい。貫通電極TEは、貫通孔の内面を沿って、半導体基板の裏面上の絶縁層L3上に位置する。絶縁層L3にコンタクトホールを形成して、貫通電極TEを露出させ、この露出面上にアンバーバンプ電極メタルBMを介して、第1のバンプ電極BEを設けることができる。なお、貫通孔THの底部のパッシベーション膜PFを除去して、除去された領域の貫通電極TEに接触するようにアンダーバンプメタルBMを設けることができる。設計によっては、底部のアンダーバンプメタルBM上にも、バンプ電極を配置することができる。   In the above description, the first bump electrode BE is disposed in the through hole provided in the semiconductor region 12, but may be provided at a position different from this. The through electrode TE is located on the insulating layer L3 on the back surface of the semiconductor substrate along the inner surface of the through hole. A contact hole is formed in the insulating layer L3 to expose the through electrode TE, and the first bump electrode BE can be provided on the exposed surface via the amber bump electrode metal BM. Note that the under bump metal BM can be provided so as to contact the through electrode TE in the removed region by removing the passivation film PF at the bottom of the through hole TH. Depending on the design, a bump electrode can also be arranged on the bottom under bump metal BM.

図21は、図20の半導体チップS1の底面図である。   FIG. 21 is a bottom view of the semiconductor chip S1 of FIG.

半導体領域12の裏面のパッシベーション膜PFは、一部が除去され、半導体領域12の裏面が露出している。この露出領域に、第2バンプ電極B2が配置される。半導体領域12の中央の周辺には、4つの第1バンプ電極BEが位置している。第2バンプ電極B2は、四角形の半導体領域12の4つの角部に対応する位置に配置されている。第1バンプ電極BEは、開口形状が四角形の貫通孔の各辺に隣接するように設けられている。なお、貫通孔の形状は四角錐台である。   A part of the passivation film PF on the back surface of the semiconductor region 12 is removed, and the back surface of the semiconductor region 12 is exposed. The second bump electrode B2 is disposed in this exposed region. Four first bump electrodes BE are located around the center of the semiconductor region 12. The second bump electrode B <b> 2 is disposed at a position corresponding to the four corners of the rectangular semiconductor region 12. The first bump electrode BE is provided so that the opening shape is adjacent to each side of the rectangular through hole. The shape of the through hole is a square pyramid.

図22は、改良に係る半導体チップS1の底面図である。   FIG. 22 is a bottom view of the semiconductor chip S1 according to the improvement.

この構造は、図21に示したものと比較して、パッシベーション膜PFを除去することで露出した半導体領域12の裏面上に、導電膜Mを形成し、導電膜M上にバンプ電極B2を配置した点が異なり、他の点は同一である。導電膜Mの形状は、矩形環状であり、材料は電極材料と同一とすることができる。なお、バンプ電極の材料は、半田を用いることができる。   Compared with the structure shown in FIG. 21, this structure is such that a conductive film M is formed on the back surface of the semiconductor region 12 exposed by removing the passivation film PF, and a bump electrode B2 is disposed on the conductive film M. The other points are the same. The shape of the conductive film M is rectangular, and the material can be the same as the electrode material. Note that solder can be used as the material of the bump electrode.

図23は、配線基板の基本構成要素の斜視図(A)、底面図(B)である。   FIG. 23 is a perspective view (A) and a bottom view (B) of the basic components of the wiring board.

配線基板20は、絶縁基板20Cの表面上設けられ、4つの第1バンプ電極BEが接触する電極20a、4つの第2バンプ電極B2が接触する電極21aを備えている。絶縁基板20Cの裏面には、絶縁基板20Cの内部を通る貫通電極20bを介して、電極20aに電気的に接続される電極パッド20dが設けられている。貫通電極20bと電極パッド20dとは接続電極20cを介して接続されている。   The wiring substrate 20 is provided on the surface of the insulating substrate 20C, and includes an electrode 20a that contacts the four first bump electrodes BE, and an electrode 21a that contacts the four second bump electrodes B2. On the back surface of the insulating substrate 20C, an electrode pad 20d that is electrically connected to the electrode 20a is provided via a through electrode 20b that passes through the inside of the insulating substrate 20C. The through electrode 20b and the electrode pad 20d are connected via the connection electrode 20c.

絶縁基板20Cの裏面には、絶縁基板20Cの内部を通る貫通電極21bを介して、電極21aに電気的に接続される電極パッド21dが設けられている。貫通電極21bと電極パッド21dとは接続電極21cを介して接続されている。   On the back surface of the insulating substrate 20C, an electrode pad 21d that is electrically connected to the electrode 21a is provided via a through electrode 21b that passes through the inside of the insulating substrate 20C. The through electrode 21b and the electrode pad 21d are connected via the connection electrode 21c.

なお、絶縁基板20Cに設けられる電極は、いずれも印刷された配線パターンである。   Note that the electrodes provided on the insulating substrate 20C are all printed wiring patterns.

表面上の第1の電極20aの形状は十字架形状であり、第2の電極21aは、第1の電極20aに隣接し、これを囲みつつ一端が開放した概略U字形状を有している。   The shape of the first electrode 20a on the surface is a cross shape, and the second electrode 21a has a substantially U shape adjacent to the first electrode 20a and having one end open while surrounding the first electrode 20a.

図24は、配線基板の平面図(A)と、底面図(B)である。   FIG. 24 is a plan view (A) and a bottom view (B) of the wiring board.

この配線基板20は、図23に示した配線パターンをX軸及びY軸に沿って、複数配列させたものである。左の2列の第2の電極21aは、下側が開放するように配置されているが、右の2列の第2の電極21aは、左の2列を配線基板の厚みに平行な軸を中心に、180°回転させたものであり、上側が開放するように配置されている。   The wiring board 20 is obtained by arranging a plurality of wiring patterns shown in FIG. 23 along the X axis and the Y axis. The left two rows of the second electrodes 21a are arranged so that the lower side is open, but the right two rows of the second electrodes 21a have an axis parallel to the thickness of the wiring board. It is rotated 180 ° in the center and is arranged so that the upper side is open.

図25は、配線基板の底面図である。   FIG. 25 is a bottom view of the wiring board.

上述の配線基板において、電極パッド20d同士を接続する配線SR1と、電極パッド21d同士を接続する配線SR2を設けてもよい。これにより、各第1バンプ電極BEからの出力を、配線SR1を介して外部に出力し、第2バンプ電極B2からの出力を、配線SR2を介して外部に出力することができる。   In the wiring board described above, the wiring SR1 that connects the electrode pads 20d and the wiring SR2 that connects the electrode pads 21d may be provided. Thereby, the output from each 1st bump electrode BE can be output outside via wiring SR1, and the output from 2nd bump electrode B2 can be output outside via wiring SR2.

図26は、配線基板の平面図(A)と、底面図(B)である。   FIG. 26 is a plan view (A) and a bottom view (B) of the wiring board.

この配線基板20は、図23に示した配線パターンをX軸及びY軸に沿って、複数配列させると同時に、第2の電極21aのうち、X軸方向に隣接するもの同士を連続させて、電極210aとしたものである。電極210aは、Y軸に沿って延びており、全ての第2の電極21aが表面側において電気的に接続される構造となっている。この場合、電極210aの一か所の直下に貫通電極210dを設けて、裏面に露出させればよいため、構造が簡単になるという利点がある。   The wiring board 20 has a plurality of wiring patterns shown in FIG. 23 arranged along the X axis and the Y axis, and at the same time, the second electrodes 21a adjacent to each other in the X axis direction are continuously arranged. This is the electrode 210a. The electrode 210a extends along the Y axis, and all the second electrodes 21a are electrically connected on the surface side. In this case, there is an advantage that the structure is simplified because the through electrode 210d may be provided directly below one of the electrodes 210a and exposed on the back surface.

図27は、半導体チップS1の平面図である。   FIG. 27 is a plan view of the semiconductor chip S1.

半導体チップS1の表面には、X軸及びY軸に沿って、複数の光検出部10が配列している。半導体チップS1の中央部には、各光検出部10からの信号が収集される共通電極E3が複数、配置されている。なお、半導体チップS1の全面上に光検出部10が形成されているが、同図では、共通電極の明瞭化のため、両端部周辺にのみ光検出部10を図示している。   A plurality of light detection units 10 are arranged on the surface of the semiconductor chip S1 along the X axis and the Y axis. In the central part of the semiconductor chip S1, a plurality of common electrodes E3 from which signals from the respective light detection units 10 are collected are arranged. In addition, although the light detection part 10 is formed on the whole surface of the semiconductor chip S1, the light detection part 10 is illustrated only in the vicinity of both ends for the sake of clarity of the common electrode.

同図では、半導体チップS1には、4つの共通電極E3が示されている。個々の共通電極E3の周辺領域RS1の断面構造は、図14又は図20し示したものと同一である。   In the figure, four common electrodes E3 are shown in the semiconductor chip S1. The cross-sectional structure of the peripheral region RS1 of each common electrode E3 is the same as that shown in FIG.

図28は、図27に示した半導体チップS1の底面図である。同図では断面構造としては、図20に示したものを用いた場合を示すため第1バンプ電極BEの数が、各共通電極毎に4つとなっているが、図14に用いたものを採用した場合には、第1バンプ電極BEの数は、各共通電極毎に1つとなる。   FIG. 28 is a bottom view of the semiconductor chip S1 shown in FIG. In the same figure, as the cross-sectional structure, since the case shown in FIG. 20 is used, the number of first bump electrodes BE is four for each common electrode, but the one used in FIG. 14 is adopted. In this case, the number of first bump electrodes BE is one for each common electrode.

半導体基板の裏面のパッシベーション膜PFは、一部が除去され、半導体領域12の裏面(矩形環状の領域、中央部の領域)が露出している。この露出領域の5か所に、第2バンプ電極B2が配置される。第2バンプ電極B2は、四角形の半導体領域12の4つの角部と、中央部に対応する位置に配置されている。半導体領域12の4つの共通電極に対応する箇所には、それぞれ4つの第1バンプ電極BEが位置している。   A portion of the passivation film PF on the back surface of the semiconductor substrate is removed, and the back surface of the semiconductor region 12 (rectangular annular region, central region) is exposed. Second bump electrodes B2 are arranged at five locations in the exposed region. The second bump electrodes B2 are disposed at positions corresponding to the four corners and the center of the rectangular semiconductor region 12. Four first bump electrodes BE are located at locations corresponding to the four common electrodes in the semiconductor region 12.

図29は、改良に係る半導体チップS1の底面図である。   FIG. 29 is a bottom view of the improved semiconductor chip S1.

この半導体チップS1の図28に示したものの相違点は、第2バンプ電極B2を設ける位置を半導体チップS1の中央の一か所のみにした点であり、他の構成は図28に示したものと同一である。   The semiconductor chip S1 is different from that shown in FIG. 28 in that the second bump electrode B2 is provided only at one central position of the semiconductor chip S1, and the other configuration is that shown in FIG. Is the same.

次に、図30、図31を参照して、上述した検出器の製造方法を説明する。   Next, with reference to FIGS. 30 and 31, a method for manufacturing the above-described detector will be described.

まず、各チャンネル(フォトダイオードアレイPDA)に対応する部分(第1半導体領域13、第2半導体領域14、絶縁層16、クエンチング抵抗R1、電極E1,E3、及び信号線TL)が形成された半導体領域12を用意する。次に、半導体領域12の主面1Na側に、絶縁層17を形成し、その後、半導体領域12を主面1Nb側から薄化する(図30(A)参照)。絶縁層17は、SiOからなる。絶縁層17の形成方法は、CVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いることができる。半導体領域12の薄化方法は、機械研磨法又は化学研磨法を用いることができる。 First, portions (first semiconductor region 13, second semiconductor region 14, insulating layer 16, quenching resistor R1, electrodes E1, E3, and signal line TL) corresponding to each channel (photodiode array PDA) were formed. A semiconductor region 12 is prepared. Next, the insulating layer 17 is formed on the main surface 1Na side of the semiconductor region 12, and then the semiconductor region 12 is thinned from the main surface 1Nb side (see FIG. 30A). Insulating layer 17 is made of SiO 2. As a method of forming the insulating layer 17, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method can be used. As a thinning method of the semiconductor region 12, a mechanical polishing method or a chemical polishing method can be used.

次に、用意した半導体領域12の裏面1Nb側に、絶縁層L3を形成する(図30(B))参照)。絶縁層L3は、SiOからなる。絶縁層L3の形成方法は、CVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いることができる。 Next, an insulating layer L3 is formed on the back surface 1Nb side of the prepared semiconductor region 12 (see FIG. 30B). Insulating layer L3 is made of SiO 2. As a method of forming the insulating layer L3, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method can be used.

次に、絶縁層L3における、貫通孔THを形成する領域を除去する(図30(C)参照)。絶縁層L3の除去方法は、ドライエッチング法を用いることができる。   Next, a region where the through hole TH is formed in the insulating layer L3 is removed (see FIG. 30C). As a method for removing the insulating layer L3, a dry etching method can be used.

次に、半導体領域12に貫通電極TEを配置するための貫通孔THを形成する(図30(D)参照)。貫通孔THの形成方法には、ドライエッチング法とウエットエッチング法とを適宜選択して適用できる。ウエットエッチング法としてアルカリエッチング法が用いられた場合には、絶縁層16がエッチングストップ層として機能する。アルカリエッチングによる貫通孔形成時に絶縁層L3にアンダーカットが生じるため、ドライエッチング法により絶縁層L3をエッチングする。この際に絶縁層16も同時にエッチングされる。   Next, a through hole TH for arranging the through electrode TE is formed in the semiconductor region 12 (see FIG. 30D). As a method for forming the through hole TH, a dry etching method and a wet etching method can be appropriately selected and applied. When an alkali etching method is used as the wet etching method, the insulating layer 16 functions as an etching stop layer. Since an undercut occurs in the insulating layer L3 when the through hole is formed by alkali etching, the insulating layer L3 is etched by a dry etching method. At this time, the insulating layer 16 is also etched at the same time.

次に、用意した半導体領域12の主面1Nb側に、SiOからなる絶縁層L2を形成した後、電極E3を露出させるために絶縁層L2との一部を除去する(図30(E)参照)。絶縁層L1と絶縁層L2との除去方法は、ドライエッチング法を用いることができる。 Next, after forming the insulating layer L2 made of SiO 2 on the main surface 1Nb side of the prepared semiconductor region 12, a part of the insulating layer L2 is removed to expose the electrode E3 (FIG. 30E). reference). As a method for removing the insulating layer L1 and the insulating layer L2, a dry etching method can be used.

次に、貫通電極TEを形成する(図30(F))参照)。貫通電極TEの形成方法は、上述したように、スパッタ法を用いることができる。   Next, the through electrode TE is formed (see FIG. 30F)). As described above, the through electrode TE can be formed by sputtering.

次に、半導体領域12の主面1Nb側に、バンプ電極BEに対応する位置に開口が形成されたパッシベーション膜PFを形成し、その後、バンプ電極BEを形成する(図31(G)参照)。これにより、半導体チップが得られる。バンプ電極BEの形成に先立って、貫通電極TEにおけるパッシベーション膜PFから露出する領域に、アンダーバンプメタル(Under Bump Metal)BMを形成する。BMは、バンプ電極BEと電気的及び物理的に接続が優れた材料からなる。BMの形成方法は、無電解めっき法を用いることができる。バンプ電極BEの形成方法は、ハンダボールを搭載する手法又は印刷法を用いることができる。   Next, a passivation film PF having an opening formed at a position corresponding to the bump electrode BE is formed on the main surface 1Nb side of the semiconductor region 12, and then the bump electrode BE is formed (see FIG. 31G). Thereby, a semiconductor chip is obtained. Prior to the formation of the bump electrode BE, an under bump metal BM is formed in a region exposed from the passivation film PF in the through electrode TE. The BM is made of a material that is electrically and physically connected to the bump electrode BE. As a method for forming BM, an electroless plating method can be used. As a method for forming the bump electrode BE, a method of mounting a solder ball or a printing method can be used.

次に、半導体チップS1に光学接着剤を介してガラス基板S22を接着する(図31(H)参照)。これにより、ガラス基板S22と半導体チップS1とが光学的に接続される。ガラス基板S22も、半導体領域12と同様に、複数のガラス基板を含むガラス基板母材の態様で用意される。ガラス基板S22と半導体チップS1とを接着する工程は、半導体領域12に絶縁層L3を形成した後に実施されていてもよい。尚、ガラス基板S22を用いる必要がない場合には省略が可能である。   Next, the glass substrate S22 is bonded to the semiconductor chip S1 via an optical adhesive (see FIG. 31H). Thereby, the glass substrate S22 and the semiconductor chip S1 are optically connected. Similarly to the semiconductor region 12, the glass substrate S22 is also prepared in the form of a glass substrate base material including a plurality of glass substrates. The step of bonding the glass substrate S22 and the semiconductor chip S1 may be performed after the insulating layer L3 is formed in the semiconductor region 12. In addition, when it is not necessary to use the glass substrate S22, it can be omitted.

次に、ガラス基板S22(ガラス基板母材)及び半導体チップS1(半導体ウエハ)からなる積層体をダイシングにより切断する。これにより、半導体領域12の側面とガラス基板S22の側面30cとが面一とされる。   Next, the laminated body which consists of glass substrate S22 (glass substrate base material) and semiconductor chip S1 (semiconductor wafer) is cut | disconnected by dicing. Thereby, the side surface of the semiconductor region 12 and the side surface 30c of the glass substrate S22 are flush with each other.

次に、ガラス基板S22が対向配置された半導体光検出素子10と、別途用意した搭載基板20とバンプ電極接続する(図31(I)参照)。これらの過程により、検出チップSが得られる。配線基板20には、主面20U側に、電極20aに対応する位置にバンプ電極BEが形成され、逆の面20D上に信号取り出し用の電極が形成される。   Next, the semiconductor photodetecting element 10 on which the glass substrate S22 is arranged opposite to the mounting substrate 20 prepared separately is connected to the bump electrode (see FIG. 31I). By these processes, the detection chip S is obtained. On the wiring board 20, a bump electrode BE is formed at a position corresponding to the electrode 20a on the main surface 20U side, and a signal extraction electrode is formed on the opposite surface 20D.

フォトダイオードアレイPDAを一つのチャンネルとして、複数のチャンネルを有している場合、大面積化が図られた検出チップを実現することができる。   When the photodiode array PDA is used as one channel and a plurality of channels are provided, a detection chip with a large area can be realized.

半導体領域12に、信号線TLと電気的に接続され且つ主面1Na側から主面1Nb側まで貫通した貫通電極TEがチャンネル毎に形成され、貫通電極TEと、配線基板20の電極とがバンプ電極を介して電気的に接続されている。これにより、各チャンネルから信号を導くための配線の距離を極めて短くできると共に、その値をばらつきなく揃えることができる。したがって、配線が有する抵抗及び容量の影響が著しく抑制され、時間分解能が向上する。   A through electrode TE that is electrically connected to the signal line TL and penetrates from the main surface 1Na side to the main surface 1Nb side is formed in the semiconductor region 12 for each channel, and the through electrode TE and the electrode of the wiring substrate 20 are bumped. It is electrically connected via an electrode. As a result, the distance of the wiring for guiding the signal from each channel can be made extremely short, and the values can be made uniform without variation. Therefore, the influence of the resistance and capacitance of the wiring is remarkably suppressed, and the time resolution is improved.

検出チップSは、半導体領域12の主面1Na側に配置されたガラス基板S22を備えている。これにより、ガラス基板S22により、半導体領域12の機械的強度を高めることができる。半導体領域12の側面とガラス基板S22の側面とは、面一とされている。これにより、デッドスペースを低減できる。   The detection chip S includes a glass substrate S22 disposed on the main surface 1Na side of the semiconductor region 12. Thereby, the mechanical strength of the semiconductor region 12 can be increased by the glass substrate S22. The side surface of the semiconductor region 12 and the side surface of the glass substrate S22 are flush with each other. Thereby, dead space can be reduced.

ガラス基板S22の主面30bが平坦である。これにより、ガラス基板S22へのシンチレータの設置を極めて容易に行うことができる。   The main surface 30b of the glass substrate S22 is flat. Thereby, the scintillator can be installed on the glass substrate S22 very easily.

貫通電極TEが、各チャンネルの中央領域に位置している。これにより、各チャンネルにおいて、各APDから貫通電極TEまでの配線距離を短くすることができる。   The through electrode TE is located in the central region of each channel. Thereby, in each channel, the wiring distance from each APD to the penetration electrode TE can be shortened.

半導体チップS1は、半導体領域12の主面1Na側に配置され、信号線TLと貫通電極TEとを接続する共通電極E3を含んでいる。これにより、信号線TLと貫通電極TEとを確実に電気的に接続することができる。   The semiconductor chip S1 is disposed on the main surface 1Na side of the semiconductor region 12, and includes a common electrode E3 that connects the signal line TL and the through electrode TE. Thereby, the signal line TL and the through electrode TE can be reliably electrically connected.

なお、貫通電極TEは、各チャンネル(フォトダイオードアレイPDA)間の領域に位置していてもよい。この場合には、各チャンネルでの開口率の低下を防ぐことができる。   The through electrode TE may be located in a region between each channel (photodiode array PDA). In this case, it is possible to prevent a decrease in the aperture ratio in each channel.

上述のように、バンプ電極BEは、貫通孔THの外側に配置されていてもよい。この場合、一つの貫通電極TEに対して、複数のバンプ電極(本例では、4つのバンプ電極)BEが形成されている。バンプ電極BEは、貫通電極TEに連続し且つ半導体領域12の主面1Nb側に配置された電極部分上に配置することができる。   As described above, the bump electrode BE may be disposed outside the through hole TH. In this case, a plurality of bump electrodes (four bump electrodes in this example) BE are formed for one through electrode TE. The bump electrode BE can be disposed on an electrode portion that is continuous with the through electrode TE and is disposed on the main surface 1Nb side of the semiconductor region 12.

半導体領域13,14の形状は、上述した形状に限られることなく、他の形状(たとえば、円形状など)であってもよい。また、APD(第2半導体領域14)の数(行数及び列数)及び配列は、上述したものに限られない。また、チャンネル(PDA)の数や配列も、上述したものに限られない。   The shape of the semiconductor regions 13 and 14 is not limited to the shape described above, and may be another shape (for example, a circular shape). Further, the number (number of rows and number of columns) and arrangement of APDs (second semiconductor regions 14) are not limited to those described above. Further, the number and arrangement of channels (PDA) are not limited to those described above.

図32は、同時に入射する光子数Nと信号強度I(a.u.)の関係を示すグラフである。 Figure 32 is a graph showing the relationship between the number of photons N P and the signal intensity I S (a.u.) incident simultaneously.

光子数Nの増加に伴って、信号強度Iは増加するが、セルピッチが10μmの場合には、これらのリニアリティが、セルピッチ15μmの場合よりも高くなっている。なお、セルピッチとは、隣接する光検出部10の中心間の距離である。 With an increase in the number of photons N P, although the signal intensity I S increases, in the case where the cell pitch is 10μm, these linearity is higher than that of the cell pitch 15 [mu] m. The cell pitch is the distance between the centers of the adjacent light detection units 10.

図33は、電圧ばらつきΔV(V)と相対頻度Fの関係を示すグラフ((A)ディスクリートアレイ、(B)モノリシックアレイ)である。なお、相対頻度Fはアレイに含まれる電圧ばらつきΔVの発生数を示している。 Figure 33 is a graph voltage variation ΔV (V) and shows the relationship between relative frequency F R ((A) discrete arrays, (B) a monolithic array). The relative frequency F R denotes the number of occurrences of the voltage variation ΔV in the array.

半導体チップのAPDのカソードには、共通のバイアス電位が与えられ、印加電圧は全APDにおいて共通となる。光検出部の動作は、オペレーション電圧Vopから各チャンネルのブレイクダウン電圧Vbrを引いた、ΔVover=Vop−Vbrに依存するため、各チャンネルのブレイクダウン電圧が均一でないと、検出効率、ダーク、ノイズ等の各種特性に影響がある。よって全APDのブレイクダウン電圧は均一であるほど好ましい。しかしながら、ブレイクダウン電圧の均一性は、ウエハ材料やプロセスの実力により制限される。   A common bias potential is applied to the cathode of the APD of the semiconductor chip, and the applied voltage is common to all APDs. The operation of the light detection unit depends on ΔVover = Vop−Vbr obtained by subtracting the breakdown voltage Vbr of each channel from the operation voltage Vop. Therefore, if the breakdown voltage of each channel is not uniform, detection efficiency, darkness, noise, etc. Affects various characteristics. Therefore, the breakdown voltage of all APDs is preferably as uniform as possible. However, the uniformity of breakdown voltage is limited by the ability of the wafer material and process.

3×3mmのアクティブチャンネル(半導体チップ)を1チップとして特性の近い素子を選別し、16×16個を基板上に配置したディスクリートアレイでは、電圧ばらつきは平均0.06Vに低減されている(図33(A))。ディスクリートアレイの場合には、特性が基準値から外れた検出チップを除去して、特性の揃ったものを同一の配線基板上に配置することができるため、電圧のばらつきΔVが、モノシリックアレイの場合よりも抑制されている。また、貫通電極を用いたディスクリートアレイでは、デッドスペースは少ない。   In a discrete array in which 3 × 3 mm active channels (semiconductor chips) are used as one chip and elements with similar characteristics are selected and 16 × 16 elements are arranged on the substrate, the voltage variation is reduced to an average of 0.06 V (FIG. 33 (A)). In the case of a discrete array, detection chips whose characteristics deviate from the reference value can be removed, and those with uniform characteristics can be arranged on the same wiring board. Is more suppressed. In addition, in the discrete array using the through electrode, the dead space is small.

一方、3×3mmのアクティブチャンネル4行4列を同一の半導体チップ上に並べたモノリシックアレイタイプにおける電圧ゲインばらつきは大きくなる。一定の印加電圧において、全16チャンネル(半導体チップ)の電圧ばらつきは平均0.21V発生している(図33(B))。   On the other hand, the voltage gain variation is large in the monolithic array type in which 3 × 3 mm active channels 4 rows and 4 columns are arranged on the same semiconductor chip. At a constant applied voltage, the voltage variation of all 16 channels (semiconductor chips) averages 0.21 V (FIG. 33B).

次に、光検出部の構造のみを変形した例について説明する。   Next, an example in which only the structure of the light detection unit is modified will be described.

図34は、フォトダイオードアレイの斜視図、図35は、フォトダイオードアレイのA−A矢印縦断面図である。   FIG. 34 is a perspective view of the photodiode array, and FIG. 35 is a vertical cross-sectional view of the photodiode array along arrow AA.

このフォトダイオードアレイは、Siからなる半導体基板の表面側に受光領域を備えている。受光領域は、複数の光検出部10を含んでおり、これらの光検出部10はマトリックス状に二次元配置されている。なお、図34では、3行3列の光検出部10が配置されており、これらは受光領域を構成しているが、光検出部10の数は、更に多くても、少なくてもよく、また、一次元配置される構成とすることも可能である。   This photodiode array has a light receiving region on the surface side of a semiconductor substrate made of Si. The light receiving area includes a plurality of light detection units 10, and these light detection units 10 are two-dimensionally arranged in a matrix. In FIG. 34, the light detection units 10 in 3 rows and 3 columns are arranged, and these constitute a light receiving region, but the number of the light detection units 10 may be larger or smaller, A one-dimensionally arranged configuration is also possible.

基板表面には、格子状にパターニングされた信号読出用の配線パターン(上面電極)3C(読出配線TL)が配置されている。なお、図34では、内部構造が分かるように、図35に示す絶縁層17の記載が省略されている。格子状の配線パターン3Cの開口内は光検出領域を規定している。光検出領域内には、光検出部10が配置されており、光検出部10の出力は配線パターン3Cに接続されている。   On the surface of the substrate, a signal reading wiring pattern (upper surface electrode) 3C (reading wiring TL) is arranged in a lattice pattern. In FIG. 34, the illustration of the insulating layer 17 shown in FIG. 35 is omitted so that the internal structure can be understood. A light detection region is defined in the opening of the grid-like wiring pattern 3C. The light detection unit 10 is disposed in the light detection region, and the output of the light detection unit 10 is connected to the wiring pattern 3C.

基板裏面上には、必要に応じて下面電極E4が設けられているが、裏面に設けられるバンプ電極と半導体基板との接触抵抗が小さくなる場合には、用いなくてもよい。したがって、上面電極である配線パターン3Cと、下面電極E4との間に光検出部10の駆動電圧を印加すれば、その光検出出力を配線パターン3Cから取り出すことができる。   A bottom electrode E4 is provided on the back surface of the substrate as necessary. However, it may not be used when the contact resistance between the bump electrode provided on the back surface and the semiconductor substrate is small. Therefore, if the drive voltage of the photodetection unit 10 is applied between the wiring pattern 3C that is the upper surface electrode and the lower surface electrode E4, the light detection output can be taken out from the wiring pattern 3C.

pn接合においては、これを構成するp型の半導体領域がアノードを構成し、n型の半導体領域がカソードを構成する。p型の半導体領域の電位が、n型の半導体領域の電位よりも高くなるようにフォトダイオードに駆動電圧を印加した場合、これは順方向バイアス電圧であり、これとは逆の駆動電圧をフォトダイオードに印加した場合、これは逆方向バイアス電圧である。   In the pn junction, the p-type semiconductor region constituting this constitutes an anode, and the n-type semiconductor region constitutes a cathode. When a drive voltage is applied to the photodiode so that the potential of the p-type semiconductor region is higher than the potential of the n-type semiconductor region, this is a forward bias voltage, and the drive voltage opposite to this is applied to the photo-diode. When applied to the diode, this is a reverse bias voltage.

駆動電圧は、光検出部10における内部のpn接合によって構成されるフォトダイオードに印加される逆方向バイアス電圧である。この駆動電圧を、フォトダイオードのブレイクダウン電圧以上に設定した場合には、フォトダイオードにおいて、アバランシェ降伏が生じ、フォトダイオードがガイガーモードで動作することになる。すなわち、各フォトダイオードは、アバランシェフォトダイオード(APD)である。なお、フォトダイオードに順方向バイアス電圧を印加した場合においても、フォトダイオードは、光検出機能を有する。   The drive voltage is a reverse bias voltage applied to a photodiode configured by an internal pn junction in the light detection unit 10. When this drive voltage is set to be equal to or higher than the breakdown voltage of the photodiode, an avalanche breakdown occurs in the photodiode, and the photodiode operates in the Geiger mode. That is, each photodiode is an avalanche photodiode (APD). Even when a forward bias voltage is applied to the photodiode, the photodiode has a light detection function.

基板表面には、フォトダイオードの一端に電気的に接続された抵抗部(クエンチング抵抗R1)4が、配置されている。抵抗部4の一方端は、この直下に位置する別材料のコンタクト電極を介して、フォトダイオードの一端に電気的に接続されるコンタクト電極4Aを構成しており、他方端は、信号読出用の配線パターン3Cに接触し、これに電気的に接続されるコンタクト電極4Cを構成している。すなわち、各光検出部10における抵抗部4は、フォトダイオードに接続されるコンタクト電極4A、コンタクト電極4Aに連続して曲線的に延びた抵抗層4B、及び、抵抗層4Bの終端部に連続するコンタクト電極4Cを備えている。なお、コンタクト電極4A、抵抗層4B、及び、コンタクト電極4Cは、同一の抵抗材料の抵抗層からなり、これらは連続している。   A resistor portion (quenching resistor R1) 4 electrically connected to one end of the photodiode is disposed on the substrate surface. One end of the resistor section 4 constitutes a contact electrode 4A that is electrically connected to one end of the photodiode via a contact electrode made of another material located immediately below this, and the other end is used for signal readout. A contact electrode 4C is formed in contact with and electrically connected to the wiring pattern 3C. That is, the resistance part 4 in each photodetection part 10 is connected to the contact electrode 4A connected to the photodiode, the resistance layer 4B extending in a curve continuously to the contact electrode 4A, and the terminal part of the resistance layer 4B. A contact electrode 4C is provided. Note that the contact electrode 4A, the resistance layer 4B, and the contact electrode 4C are composed of resistance layers of the same resistance material, and these are continuous.

このように、抵抗部4は、フォトダイオードとの電気的な接続点から、曲線的に延びて、信号読出用の配線パターン3Cに接続されている。抵抗部4の抵抗値は、その長さに比例するため、抵抗部4が曲線的に延びることにより、その抵抗値を増加させることができる。また、抵抗部4が存在することにより、その下に存在する半導体領域の表面準位を安定させ、出力を安定させることができる。   In this way, the resistance portion 4 extends in a curved manner from the electrical connection point with the photodiode, and is connected to the signal reading wiring pattern 3C. Since the resistance value of the resistance unit 4 is proportional to its length, the resistance value can be increased by extending the resistance unit 4 in a curved line. In addition, the presence of the resistance portion 4 can stabilize the surface level of the semiconductor region existing thereunder and stabilize the output.

図34に示す例では、配線パターン3Cは、個々の光検出部10を囲む形状を含んでいるが、配線パターン3Cの形状はこれに限られるものではなく、例えば、2個以上の光検出部10を囲む形状としたり、一列以上の光検出部10を囲む形状とするとすることができる(図42参照)。なお、図42においては、複数列の光検出部を1つのグループとして、これらの間に配線パターン3C(読出配線TL)が延びている。   In the example shown in FIG. 34, the wiring pattern 3C includes a shape surrounding the individual light detection units 10, but the shape of the wiring pattern 3C is not limited to this, and for example, two or more light detection units 10 or a shape surrounding one or more rows of the light detection units 10 (see FIG. 42). In FIG. 42, a plurality of rows of photodetecting portions are grouped into one group, and a wiring pattern 3C (reading wiring TL) extends therebetween.

また、図42に示すように、個々の光検出部において、半導体領域14のエッジを覆うように抵抗層4Bを配置することで、半導体領域14の表面準位をより安定させることができる。詳説すれば、半導体領域14を厚み方向からみた輪郭上に、抵抗層4Bが配置されている。   Further, as shown in FIG. 42, the surface level of the semiconductor region 14 can be further stabilized by disposing the resistance layer 4 </ b> B so as to cover the edge of the semiconductor region 14 in each photodetector. More specifically, the resistance layer 4B is disposed on the outline of the semiconductor region 14 as viewed from the thickness direction.

光検出部10に含まれるフォトダイオードの一端は、原則的には全ての位置において同電位の配線パターン3Cに接続され、他方端は、基板電位を与える下面電極E4に接続されている。すなわち、全ての光検出部10におけるフォトダイオードは並列接続されている。   In principle, one end of the photodiode included in the light detection unit 10 is connected to the wiring pattern 3C having the same potential at all positions, and the other end is connected to the lower surface electrode E4 that applies the substrate potential. That is, the photodiodes in all the light detection units 10 are connected in parallel.

半導体チップS1の表面には、共通電極E3が設けられており、読出配線TLは、全て共通電極E3に接続されている。共通電極E3の周囲の断面構造及びバンプ電極下に配置される配線基板の構造は、上述のものと同一である。   A common electrode E3 is provided on the surface of the semiconductor chip S1, and all the read wirings TL are connected to the common electrode E3. The cross-sectional structure around the common electrode E3 and the structure of the wiring board disposed under the bump electrode are the same as those described above.

図34に示す例では、個々のコンタクト電極4Aは、配線パターン3Cによって囲まれた個々の光検出領域の中央部に位置している。そして、抵抗部4Bの二次元パターンはコンタクト電極4Aの周囲を回転するように延びた形状を含んでいる。コンタクト電極4Aを各光検出領域の中央部に配置し、コンタクト電極4Aの周囲を回転させるように、抵抗層4Bを配置することで、抵抗層4Bの長さを長く設定することができる。   In the example shown in FIG. 34, each contact electrode 4A is located at the center of each photodetection region surrounded by the wiring pattern 3C. The two-dimensional pattern of the resistance portion 4B includes a shape extending so as to rotate around the contact electrode 4A. By placing the contact electrode 4A in the center of each light detection region and arranging the resistance layer 4B so as to rotate around the contact electrode 4A, the length of the resistance layer 4B can be set long.

図35に示すように、個々の光検出部10は、第1導電型(n型)の第1半導体領域(層)12と、第1半導体領域12とpn接合を構成する第2導電型(p型)の第2半導体領域(半導体層13及び高不純物濃度領域14)を備えている。   As shown in FIG. 35, each of the light detection units 10 includes a first conductivity type (n-type) first semiconductor region (layer) 12 and a second conductivity type that forms a pn junction with the first semiconductor region 12. A p-type second semiconductor region (semiconductor layer 13 and high impurity concentration region 14) is provided.

この第2半導体領域における高不純物濃度領域(半導体領域)14には、第1コンタクト電極3Aが接触している。高不純物濃度領域14は、不純物を半導体層13内に拡散することによって形成される拡散領域(半導体領域)であり、半導体層13よりも高い不純物濃度を有している。本例(タイプ1)では、n型の第1半導体領域12上に、p型の半導体層13が形成され、半導体層13の表面側に、p型の高濃度不純物領域14が形成されている。したがって、フォトダイオードを構成するpn接合は、第1半導体領域12と半導体層13との間に形成されている。   The first contact electrode 3A is in contact with the high impurity concentration region (semiconductor region) 14 in the second semiconductor region. The high impurity concentration region 14 is a diffusion region (semiconductor region) formed by diffusing impurities into the semiconductor layer 13, and has a higher impurity concentration than the semiconductor layer 13. In this example (type 1), a p-type semiconductor layer 13 is formed on the n-type first semiconductor region 12, and a p-type high-concentration impurity region 14 is formed on the surface side of the semiconductor layer 13. . Therefore, the pn junction constituting the photodiode is formed between the first semiconductor region 12 and the semiconductor layer 13.

なお、半導体基板の層構造としては、上記とは導電型を反転させた構造を採用することもできる。すなわち、(タイプ2)の構造は、p型の第1半導体領域12上に、n型の半導体層13を形成し、半導体層13の表面側に、n型の高濃度不純物領域14が形成して形成される。   As the layer structure of the semiconductor substrate, a structure in which the conductivity type is reversed from the above can be adopted. That is, in the (type 2) structure, the n-type semiconductor layer 13 is formed on the p-type first semiconductor region 12, and the n-type high-concentration impurity region 14 is formed on the surface side of the semiconductor layer 13. Formed.

また、pn接合界面を、表面層側において形成することもできる。この場合、(タイプ3)の構造は、n型の第1半導体領域12上に、n型の半導体層13が形成され、半導体層13の表面側に、p型の高濃度不純物領域14が形成される構造となる。なお、この構造の場合には、pn接合は、半導体層13と半導体領域14との界面において形成される。   Also, the pn junction interface can be formed on the surface layer side. In this case, in the (type 3) structure, the n-type semiconductor layer 13 is formed on the n-type first semiconductor region 12, and the p-type high-concentration impurity region 14 is formed on the surface side of the semiconductor layer 13. It becomes a structure to be. In the case of this structure, the pn junction is formed at the interface between the semiconductor layer 13 and the semiconductor region 14.

もちろん、かかる構造においても、導電型を反転させることができる。すなわち、(タイプ4)の構造は、p型の第1半導体領域12上に、p型の半導体層13が形成され、半導体層13の表面側に、n型の高濃度不純物領域14が形成される構造となる。   Of course, even in such a structure, the conductivity type can be reversed. That is, in the (type 4) structure, the p-type semiconductor layer 13 is formed on the p-type first semiconductor region 12, and the n-type high concentration impurity region 14 is formed on the surface side of the semiconductor layer 13. It becomes a structure.

なお、半導体基板の構造として、図41に示す構造も採用することができる。   Note that the structure shown in FIG. 41 can also be employed as the structure of the semiconductor substrate.

図41は、基板の構造を変更したフォトダイオードアレイの縦断面図である。   FIG. 41 is a longitudinal sectional view of a photodiode array in which the structure of the substrate is changed.

この構造は、上述のタイプ1〜タイプ4の構造において、半導体領域14の直下に半導体領域15を配置した点が異なり、その他の点は、同一である。半導体領域15は、半導体領域14と同一の導電型、又は、異なる導電型を有している。同一の導電型を有するものを(タイプ1S)〜(タイプ4S)とし、異なる導電型を有するものを(タイプ1D)〜(タイプ4D)とする。なお、半導体領域15における不純物濃度は、半導体領域14の不純物濃度よりも小さい。また、p型の不純物としては、B(ボロン)を採用することができ、n型の不純物としてはP(リン)又はAs(ヒ素)を採用することができる。   This structure is different from the above-described type 1 to type 4 structure in that the semiconductor region 15 is disposed immediately below the semiconductor region 14, and the other points are the same. The semiconductor region 15 has the same conductivity type as the semiconductor region 14 or a different conductivity type. Those having the same conductivity type are referred to as (type 1S) to (type 4S), and those having different conductivity types are referred to as (type 1D) to (type 4D). The impurity concentration in the semiconductor region 15 is smaller than the impurity concentration in the semiconductor region 14. Further, B (boron) can be adopted as the p-type impurity, and P (phosphorus) or As (arsenic) can be adopted as the n-type impurity.

なお、上述の半導体構造における各層の導電型、不純物濃度及び厚みの好適な範囲は以下の通りである。
(タイプ1)
半導体領域12(導電型/不純物濃度/厚み)
(n型/5×1011〜1×1020cm−3/30〜700μm)
半導体領域13(導電型/不純物濃度/厚み)
(p型/1×1014〜1×1017cm−3/2〜50μm)
半導体領域14(導電型/不純物濃度/厚み)
(p型/1×1018〜1×1020cm−3/10〜1000nm)
(タイプ2)
半導体領域12(導電型/不純物濃度/厚み)
(p型/5×1011〜1×1020cm−3/30〜700μm)
半導体領域13(導電型/不純物濃度/厚み)
(n型/1×1014〜1×1017cm−3/2〜50μm)
半導体領域14(導電型/不純物濃度/厚み)
(n型/1×1018〜1×1020cm−3/10〜1000nm)
(タイプ3)
半導体領域12(導電型/不純物濃度/厚み)
(n型/5×1011〜1×1020cm−3/30〜700μm)
半導体領域13(導電型/不純物濃度/厚み)
(n型/1×1014〜1×1017cm−3/2〜50μm)
半導体領域14(導電型/不純物濃度/厚み)
(p型/1×1018〜1×1020cm−3/10〜1000nm)
(タイプ4)
半導体領域12(導電型/不純物濃度/厚み)
(p型/5×1011〜1×1020cm−3/30〜700μm)
半導体領域13(導電型/不純物濃度/厚み)
(p型/1×1014〜1×1017cm−3/2〜50μm)
半導体領域14(導電型/不純物濃度/厚み)
(n型/1×1018〜1×1020cm−3/10〜1000nm)
(タイプ1S)
半導体領域12、13、14のパラメータは、タイプ1と同一。
半導体領域15(導電型/不純物濃度/厚み)
(p型/1×1014〜1×1017cm−3/2〜50μm)
(タイプ2S)
半導体領域12、13、14のパラメータは、タイプ2と同一。
半導体領域15(導電型/不純物濃度/厚み)
(n型/1×1014〜1×1017cm−3/2〜50μm)
(タイプ3S)
半導体領域12、13、14のパラメータは、タイプ3と同一。
半導体領域15(導電型/不純物濃度/厚み)
(p型/1×1014〜1×1017cm−3/2〜50μm)
(タイプ4S)
半導体領域12、13、14のパラメータは、タイプ4と同一。
半導体領域15(導電型/不純物濃度/厚み)
(n型/1×1014〜1×1017cm−3/2〜50μm)
(タイプ1D)
半導体領域12、13、14のパラメータは、タイプ1と同一。
半導体領域15(導電型/不純物濃度/厚み)
(n型/1×1014〜1×1017cm−3/2〜50μm)
(タイプ2D)
半導体領域12、13、14のパラメータは、タイプ2と同一。
半導体領域15(導電型/不純物濃度/厚み)
(p型/1×1014〜1×1017cm−3/2〜50μm)
(タイプ3D)
半導体領域12、13、14のパラメータは、タイプ3と同一。
半導体領域15(導電型/不純物濃度/厚み)
(n型/1×1014〜1×1017cm−3/2〜50μm)
(タイプ4D)
半導体領域12、13、14のパラメータは、タイプ4と同一。
半導体領域15(導電型/不純物濃度/厚み)
(p型/1×1014〜1×1017cm−3/2〜50μm)
The preferred ranges of the conductivity type, impurity concentration, and thickness of each layer in the semiconductor structure described above are as follows.
(Type 1)
Semiconductor region 12 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(N-type / 5 × 10 11 to 1 × 10 20 cm −3 / 30 to 700 μm)
Semiconductor region 13 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(P-type / 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm −3 / 2 to 50 μm)
Semiconductor region 14 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(P-type / 1 × 10 18 to 1 × 10 20 cm −3 / 10 to 1000 nm)
(Type 2)
Semiconductor region 12 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(P-type / 5 × 10 11 to 1 × 10 20 cm −3 / 30 to 700 μm)
Semiconductor region 13 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(N-type / 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm −3 / 2 to 50 μm)
Semiconductor region 14 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(N-type / 1 × 10 18 to 1 × 10 20 cm −3 / 10 to 1000 nm)
(Type 3)
Semiconductor region 12 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(N-type / 5 × 10 11 to 1 × 10 20 cm −3 / 30 to 700 μm)
Semiconductor region 13 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(N-type / 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm −3 / 2 to 50 μm)
Semiconductor region 14 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(P-type / 1 × 10 18 to 1 × 10 20 cm −3 / 10 to 1000 nm)
(Type 4)
Semiconductor region 12 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(P-type / 5 × 10 11 to 1 × 10 20 cm −3 / 30 to 700 μm)
Semiconductor region 13 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(P-type / 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm −3 / 2 to 50 μm)
Semiconductor region 14 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(N-type / 1 × 10 18 to 1 × 10 20 cm −3 / 10 to 1000 nm)
(Type 1S)
The parameters of the semiconductor regions 12, 13, and 14 are the same as those of the type 1.
Semiconductor region 15 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(P-type / 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm −3 / 2 to 50 μm)
(Type 2S)
The parameters of the semiconductor regions 12, 13, and 14 are the same as those of the type 2.
Semiconductor region 15 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(N-type / 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm −3 / 2 to 50 μm)
(Type 3S)
The parameters of the semiconductor regions 12, 13, and 14 are the same as those of the type 3.
Semiconductor region 15 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(P-type / 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm −3 / 2 to 50 μm)
(Type 4S)
The parameters of the semiconductor regions 12, 13 and 14 are the same as type 4.
Semiconductor region 15 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(N-type / 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm −3 / 2 to 50 μm)
(Type 1D)
The parameters of the semiconductor regions 12, 13, and 14 are the same as those of the type 1.
Semiconductor region 15 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(N-type / 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm −3 / 2 to 50 μm)
(Type 2D)
The parameters of the semiconductor regions 12, 13, and 14 are the same as those of the type 2.
Semiconductor region 15 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(P-type / 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm −3 / 2 to 50 μm)
(Type 3D)
The parameters of the semiconductor regions 12, 13, and 14 are the same as those of the type 3.
Semiconductor region 15 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(N-type / 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm −3 / 2 to 50 μm)
(Type 4D)
The parameters of the semiconductor regions 12, 13 and 14 are the same as type 4.
Semiconductor region 15 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(P-type / 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm −3 / 2 to 50 μm)

なお、上述の例では、最下部の半導体領域12は、厚みの大きな半導体基板を構成するものであるが、光検出部10は、この下に更に半導体基板を備えていてもよく、この場合は、半導体領域12は、かかる付加的な半導体基板よりも薄い厚みを有することとなる。   In the above-described example, the lowermost semiconductor region 12 constitutes a semiconductor substrate having a large thickness. However, the light detection unit 10 may further include a semiconductor substrate below, in this case. The semiconductor region 12 has a thinner thickness than such an additional semiconductor substrate.

また、半導体領域13は、半導体領域12上にエピタキシャル成長法において形成することができるが、基板に対する不純物拡散又はイオン注入によって形成することとしてもよい。半導体領域14,15は、半導体領域13に対する不純物拡散又はイオン注入によって形成することができる。   The semiconductor region 13 can be formed on the semiconductor region 12 by an epitaxial growth method, but may be formed by impurity diffusion or ion implantation with respect to the substrate. The semiconductor regions 14 and 15 can be formed by impurity diffusion or ion implantation with respect to the semiconductor region 13.

次に、図34、図35、図41に示したコンタクト電極3A及び抵抗部4について、説明する。   Next, the contact electrode 3A and the resistance portion 4 shown in FIGS. 34, 35, and 41 will be described.

各光検出部10は、半導体基板の表面に形成された絶縁層16を備えている。半導体領域13及び半導体領域14の表面は、絶縁層16によって被覆されている。絶縁層16はコンタクトホールを有しており、コンタクトホール内にはコンタクト電極3Aが形成されている。本例におけるコンタクト電極3Aは、配線パターン3Cと同一材料からなり、同一工程によって、絶縁層16上に形成されるものである。コンタクト電極3A及び配線パターン3Cは、金属からなり、具体的には、アルミニウム(Al)である。コンタクト電極3A及び配線パターン3Cの材料として、他の低抵抗金属材料(Au、Ag、Cu)を用いることができ、2層以上の構造や合金を採用することもできる。合金としては、例えば、Al、Ag、Au、Ge、Ni、Cr及びTiなどの金属元素のうちの幾つかを含む化合物を用いることができる。   Each photodetecting section 10 includes an insulating layer 16 formed on the surface of the semiconductor substrate. The surfaces of the semiconductor region 13 and the semiconductor region 14 are covered with an insulating layer 16. The insulating layer 16 has a contact hole, and a contact electrode 3A is formed in the contact hole. The contact electrode 3A in this example is made of the same material as the wiring pattern 3C and is formed on the insulating layer 16 by the same process. The contact electrode 3A and the wiring pattern 3C are made of metal, specifically, aluminum (Al). Other low resistance metal materials (Au, Ag, Cu) can be used as the material of the contact electrode 3A and the wiring pattern 3C, and a structure or alloy of two or more layers can also be adopted. As the alloy, for example, a compound containing some of metal elements such as Al, Ag, Au, Ge, Ni, Cr and Ti can be used.

下部の絶縁層16及び第1コンタクト電極3A上には、上部の絶縁層17が形成されている。絶縁層16,17は、SiOやシリコン窒化物(SiNx)などの耐熱性の高い無機絶縁体からなる。絶縁層17は、第1コンタクト電極3Aと同軸配置されるコンタクトホールを有しており、このコンタクトホール内に、第2コンタクト電極4Aが形成されている。したがって、第1コンタクト電極3Aと第2コンタクト電極4Aとは、同軸配置されている。 An upper insulating layer 17 is formed on the lower insulating layer 16 and the first contact electrode 3A. The insulating layers 16 and 17 are made of an inorganic insulator having high heat resistance such as SiO 2 or silicon nitride (SiNx). The insulating layer 17 has a contact hole arranged coaxially with the first contact electrode 3A, and the second contact electrode 4A is formed in the contact hole. Therefore, the first contact electrode 3A and the second contact electrode 4A are arranged coaxially.

第2コンタクト電極4Aは、第1コンタクト電極3Aとは異なる材料を含んでいる。また、第2コンタクト電極4Aは、抵抗部4の一部であり、第1コンタクト電極3Aよりも高い抵抗率を有する。第2コンタクト電極4Aは、第1コンタクト電極3Aに重なる位置に配置されており、第1コンタクト電極3Aに接触している。第2コンタクト電極4Aは、抵抗層4Bが連続している。   The second contact electrode 4A includes a material different from that of the first contact electrode 3A. The second contact electrode 4A is a part of the resistance portion 4 and has a higher resistivity than the first contact electrode 3A. The second contact electrode 4A is disposed at a position overlapping the first contact electrode 3A, and is in contact with the first contact electrode 3A. In the second contact electrode 4A, the resistance layer 4B is continuous.

第2コンタクト電極4Aを第1コンタクト電極3Aに重なる位置に同軸配置することにより、抵抗層4Bと第1コンタクト電極3Aとの接続に要するスペースを最小化することができる。もちろん、必然的に、第1コンタクト電極3Aと第2コンタクト電極4Aとは同一平面上ではなく、高さ方向の位置が異なることとなり、第2コンタクト電極4Aから抵抗層4Bが連続して延びることとなる。これにより、光検出部10内における配線を省略することができ、光検出部の開口率を、著しく増加させることが可能となる。   By arranging the second contact electrode 4A coaxially at a position overlapping the first contact electrode 3A, the space required for connection between the resistance layer 4B and the first contact electrode 3A can be minimized. Of course, the first contact electrode 3A and the second contact electrode 4A are inevitably not on the same plane but have different height positions, and the resistance layer 4B extends continuously from the second contact electrode 4A. It becomes. Thereby, the wiring in the photodetection unit 10 can be omitted, and the aperture ratio of the photodetection unit can be remarkably increased.

なお、抵抗層4Bの終端にはコンタクト電極4Cが位置している。コンタクト電極4Cも抵抗部4の一部である。コンタクト電極4Cの直下には、絶縁層16上に形成された配線パターン3Cが位置しており、コンタクト電極4Cは配線パターン3Cに接触し、接続されている。   A contact electrode 4C is located at the end of the resistance layer 4B. The contact electrode 4 </ b> C is also a part of the resistance portion 4. A wiring pattern 3C formed on the insulating layer 16 is located immediately below the contact electrode 4C, and the contact electrode 4C is in contact with and connected to the wiring pattern 3C.

光子の入射によりpn接合において発生したキャリアは、第1コンタクト電極3A及び第2コンタクト電極4Aを介して、抵抗層4Bに流れ、抵抗層4Bにコンタクト電極4Cを介して接続された配線パターン3Cを介して、外部に取り出される。   Carriers generated in the pn junction by the incidence of photons flow to the resistance layer 4B through the first contact electrode 3A and the second contact electrode 4A, and the wiring pattern 3C connected to the resistance layer 4B through the contact electrode 4C. Through the outside.

コンタクト電極4A、4C及び抵抗層4Bは、同一の抵抗材料からなるが、これらは異なる材料からなることとしてもよい。半導体単独、又は、半導体及び金属を適当な比率で含有する合金又は化合物を抵抗材料として用いることができる。例えば、抵抗体としては、SiCrの他、NiCr、TaNi、FeCrなどが挙げられる。   The contact electrodes 4A and 4C and the resistance layer 4B are made of the same resistance material, but they may be made of different materials. A semiconductor alone or an alloy or a compound containing a semiconductor and a metal in an appropriate ratio can be used as the resistance material. For example, as the resistor, there are NiCr, TaNi, FeCr and the like in addition to SiCr.

もちろん、コンタクト電極4A、4C及び抵抗層4Bは、SiCrからなることが好ましい。SiCrは、光透過率が高いため、光検出部10内において、抵抗層が存在していても、入射した光子が抵抗層4Bを透過するため、実効的な開口率を増加させることができる。なお、SiCrは、抵抗値のウエハ面内ばらつきが小さく、1μm程度であれば、容易に細くすることが可能である。また、シート抵抗を高くすることができる。ポリシリコンのシート抵抗は1〜30(kΩ/sq.)であるが、SiCrは1〜50(kΩ/sq.)である。すなわち、SiCrを用いれば、小さいサイズで高抵抗値を実現することができる。   Of course, the contact electrodes 4A and 4C and the resistance layer 4B are preferably made of SiCr. Since SiCr has a high light transmittance, even if a resistance layer is present in the light detection unit 10, an incident photon is transmitted through the resistance layer 4B, so that an effective aperture ratio can be increased. It should be noted that SiCr has a small variation in resistance value within the wafer surface and can be easily thinned if it is about 1 μm. Further, the sheet resistance can be increased. The sheet resistance of polysilicon is 1 to 30 (kΩ / sq.), While SiCr is 1 to 50 (kΩ / sq.). That is, if SiCr is used, a high resistance value can be realized with a small size.

抵抗層4Bの厚みは、3nm以上50nm以下であることが好ましい。下限値以上の場合、抵抗層の均一性を確保することができ、上限値以下の場合には、十分に光子を透過させることができる。   The thickness of the resistance layer 4B is preferably 3 nm or more and 50 nm or less. When the value is not less than the lower limit value, the uniformity of the resistance layer can be ensured.

図36は、抵抗層を構成するSiCrへの入射光の波長(nm)と透過率(%)の関係を示すグラフである。このSiCr層の厚みは、20nmである。   FIG. 36 is a graph showing the relationship between the wavelength (nm) of incident light on the SiCr constituting the resistance layer and the transmittance (%). The thickness of this SiCr layer is 20 nm.

SiCrは、波長400nm以上の光に対して、80%以上の透過率を有する。波長400nm未満の光は遮断する傾向がある。同グラフによれば、波長400nm以上500nm未満の光に対して、小さなスペクトルピークが示されている。これは500nm以上の光をフィルターにより遮断した場合においても、波長400nm以上500nm未満の光は、選択的に透過させることができることを意味している。このようなフィルターを組み合わせなければ、波長400nm以上、少なくとも波長1200nmまでの光を、80%以上の透過率で透過させることができる。   SiCr has a transmittance of 80% or more for light having a wavelength of 400 nm or more. Light having a wavelength of less than 400 nm tends to be blocked. According to the graph, a small spectral peak is shown for light having a wavelength of 400 nm or more and less than 500 nm. This means that even when light having a wavelength of 500 nm or more is blocked by a filter, light having a wavelength of 400 nm or more and less than 500 nm can be selectively transmitted. If such a filter is not combined, light having a wavelength of 400 nm or more and at least a wavelength of 1200 nm can be transmitted with a transmittance of 80% or more.

上述のフォトダイオードアレイを製造した。   The photodiode array described above was manufactured.

製造条件は、以下の通りである。   The manufacturing conditions are as follows.

(1)構造
(図34,図35の構造における数値例)
・半導体領域12:
導電型:n型(不純物:Sb(アンチモン))
不純物濃度:5.0×1011cm−3
厚み:650μm
・半導体領域13
導電型:p型(不純物:B(ボロン))
不純物濃度:1.0×1014cm−3
厚み:30μm
・半導体領域14
導電型:p型(不純物:B(ボロン))
不純物濃度:1.0×1018cm−3
厚み:1000nm
・絶縁層16:
SiO(厚み:1000nm)
・絶縁層17:
SiO(厚み:2000nm)
・コンタクト電極3A:
(アルミニウム(Al))
コンタクトホール径:2.0μm
・配線パターン3C:(アルミニウム(Al))
厚み:1.0μm
配線パターン3Cの幅W0:1.0〜3.0μm
1つの光検出部10の配線パターン3Cで囲まれた領域(光検出領域)の面積S:100〜2500μm
隣接する光検出部10の中心間の間隔X:50μm〜10μm
(1) Structure (Numerical example in the structure of FIGS. 34 and 35)
-Semiconductor region 12:
Conduction type: n-type (impurity: Sb (antimony))
Impurity concentration: 5.0 × 10 11 cm −3
Thickness: 650 μm
・ Semiconductor region 13
Conduction type: p-type (impurity: B (boron))
Impurity concentration: 1.0 × 10 14 cm −3
Thickness: 30μm
-Semiconductor region 14
Conduction type: p-type (impurity: B (boron))
Impurity concentration: 1.0 × 10 18 cm −3
Thickness: 1000nm
Insulating layer 16:
SiO 2 (thickness: 1000 nm)
Insulating layer 17:
SiO 2 (thickness: 2000 nm)
Contact electrode 3A:
(Aluminum (Al))
Contact hole diameter: 2.0 μm
-Wiring pattern 3C: (Aluminum (Al))
Thickness: 1.0μm
Width W0 of wiring pattern 3C: 1.0 to 3.0 μm
Area S (photodetection region) surrounded by the wiring pattern 3C of one photodetection unit 10: 100 to 2500 μm 2
Spacing X between the centers of adjacent light detection units 10: 50 μm to 10 μm

・抵抗部4:
SiCr(コンタクト電極4A)
コンタクトホール径:1.0μm
(抵抗層4B)
抵抗層4Bの厚み:20nm
抵抗層4Bの幅W1:1.0〜3.0μm
抵抗層4Bの長さL1:10〜50μm
抵抗部4の抵抗値:200〜500kΩ
(コンタクト電極4C)
コンタクトホール径:1.0μm
・ Resistance part 4:
SiCr (Contact electrode 4A)
Contact hole diameter: 1.0 μm
(Resistance layer 4B)
Resistance layer 4B thickness: 20 nm
Resistance layer 4B width W1: 1.0 to 3.0 μm
Resistance layer 4B length L1: 10-50 μm
Resistance value of resistance unit 4: 200 to 500 kΩ
(Contact electrode 4C)
Contact hole diameter: 1.0 μm

(2)製法条件
・半導体領域12:CZ法((001)Si半導体基板)
・半導体領域13:Siエピタキシャル成長法(原材料:気相の四塩化珪素(SiCl)、三塩化シラン(トリクロルシラン、SiHCl)、成長温度1200℃)
・半導体領域14:不純物の熱拡散法(不純物原材料:ジボラン(B)、拡散温度1200℃)
・絶縁層16:(Si熱酸化法:酸化温度(1000℃))
・絶縁層17:(プラズマCVD法:原材料ガス(テトラエトキシシラン(TEOS)及び酸素ガス):成長温度(200℃))
・コンタクト電極3A及び配線パターン3C:蒸着法(原料:アルミニウム)
・抵抗部4:スパッタ法(ターゲット材料:SiCr)
(2) Manufacturing conditions / semiconductor region 12: CZ method ((001) Si semiconductor substrate)
Semiconductor region 13: Si epitaxial growth method (raw materials: gas phase silicon tetrachloride (SiCl 4 ), silane trichloride (trichlorosilane, SiHCl 3 ), growth temperature 1200 ° C.)
Semiconductor region 14: impurity thermal diffusion method (impurity raw material: diborane (B 2 H 6 ), diffusion temperature 1200 ° C.)
Insulating layer 16: (Si thermal oxidation method: oxidation temperature (1000 ° C.))
Insulating layer 17: (plasma CVD method: raw material gas (tetraethoxysilane (TEOS) and oxygen gas): growth temperature (200 ° C.))
Contact electrode 3A and wiring pattern 3C: evaporation method (raw material: aluminum)
Resistor 4: Sputtering method (target material: SiCr)

図37は、(A)光検出部(50μm間隔配置)、(B)光検出部(25μm間隔配置)、(C)光検出部(20μm間隔配置)、(D)光検出部(15μm間隔配置:タイプA)、(E)光検出部(15μm間隔配置:タイプB)、(F)光検出部(10μm間隔配置)を示す図である。   FIG. 37 shows (A) light detectors (50 μm spaced), (B) light detectors (25 μm spaced), (C) light detectors (20 μm spaced), (D) light detectors (15 μm spaced). : Type A), (E) Photodetectors (15 μm spacing: Type B), (F) Light detectors (10 μm spaced).

図37(A)の構造のパラメータは、以下の通りである。なお、抵抗層4Bの長さは、その幅方向の中心線の長さである。
・配線パターン3Cの幅W0=2.0μm
・光検出領域の面積S=2025μm
・抵抗層4Bの幅W1=3.0μm
・抵抗層4Bの長さ(合計の長さ)L1=200μm
・抵抗部4の抵抗値=160kΩ
The parameters of the structure in FIG. 37A are as follows. The length of the resistance layer 4B is the length of the center line in the width direction.
・ Width W0 of wiring pattern 3C = 2.0 μm
-Photodetection area S = 2025 μm 2
-Width of resistance layer 4B W1 = 3.0 μm
The length of the resistance layer 4B (total length) L1 = 200 μm
-Resistance value of resistance unit 4 = 160 kΩ

抵抗層4Bの形状は、全体としては、格子状の配線パターン3Cの内側面に沿って、環状に形成されている。この構造では、抵抗層4Bは、第2コンタクト電極4Aの位置から、信号出力用のコンタクト電極4Cに至るまでの経路を2つ有している。すなわち、抵抗層4Bは、相対的な長さの短い抵抗層4B1と、相対的な長さの長い抵抗層4B2を有している。抵抗層4Bの抵抗値は、これらの長さの異なる抵抗層4B1と抵抗層4B2の合成抵抗で与えられる。   The shape of the resistance layer 4B is formed in an annular shape along the inner surface of the grid-like wiring pattern 3C as a whole. In this structure, the resistance layer 4B has two paths from the position of the second contact electrode 4A to the contact electrode 4C for signal output. That is, the resistance layer 4B includes a resistance layer 4B1 having a relatively short length and a resistance layer 4B2 having a relatively long length. The resistance value of the resistance layer 4B is given by the combined resistance of the resistance layers 4B1 and 4B2 having different lengths.

格子状の配線パターン3Cの交点において、コンタクト電極4Cが配置されている。したがって、光検出領域の対角線上の4か所において、コンタクト電極4Cが位置しており、これらの対角線の交点が、光検出領域(光検出部)の中心(重心)Gとなる。隣接する光検出部10の中心G間の距離Xは50μmである。   A contact electrode 4C is arranged at an intersection of the grid-like wiring pattern 3C. Therefore, the contact electrode 4C is located at four locations on the diagonal line of the light detection region, and the intersection of these diagonal lines becomes the center (center of gravity) G of the light detection region (light detection unit). The distance X between the centers G of the adjacent photodetectors 10 is 50 μm.

抵抗層4B1,4B2は、全体としては概ね矩形の環状を呈しているが、その角部における形状は、滑らかに屈曲している。抵抗層4B1,4B2の角部の外縁の曲率中心Oは、中心Gを通る上記の対角線上に位置しており、曲率半径Rは5.0μm、外縁の円弧の両端から曲率中心Oに向けて延びる2つの弦の成す角度θは、8°である。なお、曲率半径Rは、電界集中を避けるために、2〜10μmに設定され、角度θは、3〜14°に設定される。   The resistance layers 4B1 and 4B2 have a generally rectangular ring shape as a whole, but the shape at the corners is smoothly bent. The curvature centers O of the outer edges of the corners of the resistance layers 4B1 and 4B2 are located on the diagonal line passing through the center G, the curvature radius R is 5.0 μm, and both ends of the arc of the outer edge are directed toward the curvature center O. The angle θ formed by the two extending strings is 8 °. In order to avoid electric field concentration, the curvature radius R is set to 2 to 10 μm, and the angle θ is set to 3 to 14 °.

第2コンタクト電極4Aから取り出されたキャリアは、抵抗層4Bを介して、コンタクト電極4Cに至り、配線パターン3Cを介して、外部に取り出される。   The carriers taken out from the second contact electrode 4A reach the contact electrode 4C through the resistance layer 4B, and are taken out to the outside through the wiring pattern 3C.

図37(B)は、製造した光検出部10(隣接中心間の間隔X=25μm)を示す図である。   FIG. 37B is a diagram showing the manufactured light detection unit 10 (interval between adjacent centers X = 25 μm).

本例における構造のパラメータは、以下の通りである。
・配線パターン3Cの幅W0=1.5μm
・光検出領域の面積S=420μm
・抵抗層4Bの幅W1=3.0μm
・抵抗層4Bの長さL1=70μm
・抵抗部4の抵抗値=250kΩ
The parameters of the structure in this example are as follows.
・ Width W0 of wiring pattern 3C = 1.5 μm
-Photodetection area area S = 420 μm 2
-Width of resistance layer 4B W1 = 3.0 μm
-Length L1 of the resistance layer 4B = 70 μm
・ Resistance value of resistance section 4 = 250 kΩ

抵抗層4Bの形状は、全体としては、格子状の配線パターン3Cの内側面に沿って、リングの一部が欠けた形状に形成されている。この構造では、抵抗層4Bは、第2コンタクト電極4Aの位置から、信号出力用のコンタクト電極4Cに至るまでの経路を1つ有している。   The shape of the resistance layer 4B as a whole is formed in a shape in which a part of the ring is missing along the inner surface of the lattice-like wiring pattern 3C. In this structure, the resistance layer 4B has one path from the position of the second contact electrode 4A to the contact electrode 4C for signal output.

格子状の配線パターン3Cの交点において、コンタクト電極4Cが配置されている。したがって、光検出領域の対角線上の4か所において、コンタクト電極4Cが位置しており、これらの対角線の交点が、光検出領域(光検出部)の中心(重心)Gとなる。横方向に隣接する光検出部10の中心G間の距離Xは25μmである。   A contact electrode 4C is arranged at an intersection of the grid-like wiring pattern 3C. Therefore, the contact electrode 4C is located at four locations on the diagonal line of the light detection region, and the intersection of these diagonal lines becomes the center (center of gravity) G of the light detection region (light detection unit). The distance X between the centers G of the light detection units 10 adjacent in the horizontal direction is 25 μm.

抵抗層4Bは、リング形状の一部を構成する3つの角部を有しているが、それぞれの角部における形状は、滑らかに屈曲している。抵抗層4Bの角部の外縁の曲率中心Oは、中心Gを通る上記の対角線上に位置しており、曲率半径Rは5.0μm、外縁の円弧の両端から曲率中心Oに向けて延びる2つの弦の成す角度θは、8°である。なお、曲率半径Rは、電界集中を避けるためには、2〜10μmに設定され、角度θは、6〜37°に設定される。   The resistance layer 4B has three corners constituting a part of the ring shape, but the shape at each corner is smoothly bent. The center of curvature O of the outer edge of the corner of the resistance layer 4B is located on the diagonal line passing through the center G, the radius of curvature R is 5.0 μm, and extends from both ends of the arc of the outer edge toward the center of curvature O 2. The angle θ formed by the two strings is 8 °. In order to avoid electric field concentration, the curvature radius R is set to 2 to 10 μm, and the angle θ is set to 6 to 37 °.

第2コンタクト電極4Aから取り出されたキャリアは、抵抗層4Bを介して、コンタクト電極4Cに至り、配線パターン3Cを介して、外部に取り出される。   The carriers taken out from the second contact electrode 4A reach the contact electrode 4C through the resistance layer 4B, and are taken out to the outside through the wiring pattern 3C.

図37(C)は、製造した光検出部10(隣接中心間の間隔X=20μm)を示す図である。   FIG. 37C is a diagram showing the manufactured light detection unit 10 (interval between adjacent centers X = 20 μm).

本例における構造のパラメータは、以下の通りである。
・配線パターン3Cの幅W0=1.5μm
・光検出領域の面積S=240μm
・抵抗層4Bの幅W1=2.0μm
・抵抗層4Bの長さL1=55μm
・抵抗部4の抵抗値=300kΩ
The parameters of the structure in this example are as follows.
・ Width W0 of wiring pattern 3C = 1.5 μm
-Photodetection area area S = 240 μm 2
・ Width W1 of the resistance layer 4B = 2.0 μm
The length L1 of the resistance layer 4B = 55 μm
・ Resistance value of resistance part 4 = 300 kΩ

光検出部の基本的な構造は、図37(B)に示したものと同一であるので、重複する説明は省略する。隣接する光検出部10の中心G間の距離Xは20μmであり、相違点としては、図37(C)に示すものの場合、抵抗層4Bの幅W1に対して、コンタクト電極4Aが、光検出領域の内側へ向けて突出する割合が、図37(B)のものよりも大きくなっている。なお、いずれの形態の光検出部においても、コンタクト電極4A、4Cの中心は凹んでいる。コンタクト電極4Cに隣接する配線パターン3Cと、コンタクト電極4Aの中心位置との間の距離は、この配線パターン3Cから抵抗層4Bの内側のエッジラインまでの距離よりも大きい。   The basic structure of the light detection unit is the same as that shown in FIG. The distance X between the centers G of the adjacent photodetectors 10 is 20 μm. The difference is that in the case shown in FIG. 37C, the contact electrode 4A detects the light with respect to the width W1 of the resistive layer 4B. The ratio of protruding toward the inside of the region is larger than that in FIG. In any form of the light detection unit, the centers of the contact electrodes 4A and 4C are recessed. The distance between the wiring pattern 3C adjacent to the contact electrode 4C and the center position of the contact electrode 4A is larger than the distance from the wiring pattern 3C to the inner edge line of the resistance layer 4B.

抵抗層4Bは、リング形状の一部を構成する3つの角部を有しているが、それぞれの角部における形状は、滑らかに屈曲している。抵抗層4Bの角部の外縁の曲率中心Oは、中心Gを通る上記の対角線上に位置しており、曲率半径Rは3.0μm、外縁の円弧の両端から曲率中心Oに向けて延びる2つの弦の成す角度θは、13°である。なお、曲率半径Rは、電界集中を避けるためには、2〜5μmに設定され、角度θは、8〜23°に設定される。   The resistance layer 4B has three corners constituting a part of the ring shape, but the shape at each corner is smoothly bent. The center of curvature O of the outer edge of the corner of the resistance layer 4B is located on the diagonal line passing through the center G, the radius of curvature R is 3.0 μm, and extends from both ends of the arc of the outer edge toward the center of curvature O 2. The angle θ formed by the two strings is 13 °. In order to avoid electric field concentration, the radius of curvature R is set to 2 to 5 μm, and the angle θ is set to 8 to 23 °.

第2コンタクト電極4Aから取り出されたキャリアは、抵抗層4Bを介して、コンタクト電極4Cに至り、配線パターン3Cを介して、外部に取り出される。   The carriers taken out from the second contact electrode 4A reach the contact electrode 4C through the resistance layer 4B, and are taken out to the outside through the wiring pattern 3C.

図37(D)は、製造した光検出部(隣接中心間の間隔X=15μm:タイプA)を示す図である。タイプAの光検出部では、コンタクト電極4Aは、光検出領域の中心に配置され、抵抗層4Bは、中心から右回転しながら延びる正方向回転領域4Baと、正方向回転領域4Baに連続して左回転しながら延びる逆方向回転領域4Bbとを備えている。なお、ここでは、右回転を正方向回転とする。もちろん、左方向回転を正方向回転とする構造のものを製造することも可能である。   FIG. 37 (D) is a diagram showing the manufactured light detection section (interval between adjacent centers X = 15 μm: type A). In the type A photodetection section, the contact electrode 4A is arranged at the center of the photodetection region, and the resistance layer 4B is continuous to the positive direction rotation region 4Ba extending rightward from the center and the positive direction rotation region 4Ba. And a reverse rotation region 4Bb extending while rotating counterclockwise. Here, the clockwise rotation is defined as the forward rotation. Of course, it is also possible to manufacture a structure in which the leftward rotation is the forward rotation.

本例における構造のパラメータは、以下の通りである。
・配線パターン3Cの幅W0=1.2μm
・光検出領域の面積S=132μm
・抵抗層4Bの幅W1=1.0μm
・抵抗層4Bの長さL1=78μm
・抵抗部4の抵抗値=600kΩ
The parameters of the structure in this example are as follows.
・ Width W0 of wiring pattern 3C = 1.2 μm
-Photodetection area area S = 132 μm 2
-Width W1 of resistance layer 4B = 1.0 μm
The length L1 of the resistance layer 4B = 78 μm
・ Resistance value of resistance unit 4 = 600 kΩ

格子状の配線パターン3Cの交点において、コンタクト電極4Cが配置され、光検出領域の対角線上の4か所において、コンタクト電極4Cが位置しており、これらの対角線の交点が、光検出領域(光検出部)の中心(重心)Gとなる。隣接する光検出部10の中心G間の距離Xは15μmである。   Contact electrodes 4C are arranged at the intersections of the grid-like wiring pattern 3C, and the contact electrodes 4C are located at four positions on the diagonal lines of the light detection region. The intersections of these diagonal lines are the light detection regions (light It becomes the center (center of gravity) G of the detector. The distance X between the centers G of the adjacent photodetectors 10 is 15 μm.

上述のように、抵抗層4Bは、正方向回転領域4Baと逆方向回転領域4Bbとを備えている。この構造では、抵抗層4Bは、第2コンタクト電極4Aの位置から、信号出力用のコンタクト電極4Cに至るまでの経路を1つ有しているが、回転方向の異なる各領域4Ba,4Bbによって形成される中心Gにおける磁場の方向は逆となる。すなわち、検出された電子が進行することで形成される磁場の影響は、中心位置において相殺される構造を有しており、自己形成磁場による検出出力への影響が低減されている。   As described above, the resistance layer 4B includes the forward direction rotation region 4Ba and the reverse direction rotation region 4Bb. In this structure, the resistance layer 4B has one path from the position of the second contact electrode 4A to the signal output contact electrode 4C, but is formed by the regions 4Ba and 4Bb having different rotation directions. The direction of the magnetic field at the center G is reversed. That is, the influence of the magnetic field formed by the progress of the detected electrons has a structure that cancels out at the center position, and the influence of the self-formed magnetic field on the detection output is reduced.

正方向回転領域4Baは、緩やかに屈曲する3つの角部を有しているが、それぞれの角部の外縁の曲率中心Oa1,Oa2,Oa3は、中心Gを通る上記の対角線上に位置しており、それぞれの曲率半径Raは2.0μm、それぞれの外縁の円弧の両端からそれぞれの曲率中心Oa1,Oa2,Oa3に向けて延びる2つの弦の成す角度θaは、19°である。なお、正方向回転領域4Baに関して、角部の曲率半径Raは、電界集中を避けるためには、2〜5μmに設定され、角度θaは、19〜58°に設定される。   The forward rotation region 4Ba has three corners that bend gently, but the curvature centers Oa1, Oa2, and Oa3 of the outer edges of the corners are located on the diagonal line passing through the center G. Each curvature radius Ra is 2.0 μm, and an angle θa formed by two strings extending from both ends of each outer edge arc toward each curvature center Oa1, Oa2, Oa3 is 19 °. Regarding the positive direction rotation region 4Ba, the curvature radius Ra of the corner is set to 2 to 5 μm and the angle θa is set to 19 to 58 ° in order to avoid electric field concentration.

逆方向回転領域4Bbも、緩やかに屈曲する3つの角部を有しており、それぞれの角部は向きを除いて同一の形状を有している。1つの角度について説明すると、角部の外縁の曲率中心Obは、中心Gを通る上記の対角線上に位置しており、その曲率半径Rbは2.0μm、外縁の円弧の両端からそれぞれの曲率中心Obに向けて延びる2つの弦の成す角度θbは、8°である。なお、逆方向回転領域4Bbに関して、角部の曲率半径Rbは、電界集中を避けるためには、2〜5μmに設定され、角度θbは、8〜23°に設定される。   The reverse rotation region 4Bb also has three corners that bend gently, and each corner has the same shape except for the direction. Explaining one angle, the curvature center Ob of the outer edge of the corner is located on the diagonal line passing through the center G, the curvature radius Rb is 2.0 μm, and the respective curvature centers from both ends of the arc of the outer edge. The angle θb formed by the two strings extending toward Ob is 8 °. Regarding the reverse rotation region 4Bb, the radius of curvature Rb of the corner is set to 2 to 5 μm and the angle θb is set to 8 to 23 ° in order to avoid electric field concentration.

なお、正方向回転領域4Baは逆方向回転領域4Bbよりも内側に位置するという理由により、角度θaは、角度θbよりも大きく設定されている。   Note that the angle θa is set to be larger than the angle θb because the forward rotation region 4Ba is located inside the reverse rotation region 4Bb.

内側に位置する正方向回転領域4Baの外縁と、外側に位置する逆方向回転領域4Bbの内縁は、対向しているが、これらの離隔距離の最小値D1は、0.6μmである。離隔距離の最小値D1は、0.6〜2.0μmに設定される。   The outer edge of the forward rotation region 4Ba located on the inner side and the inner edge of the reverse rotation region 4Bb located on the outer side face each other, but the minimum value D1 of these separation distances is 0.6 μm. The minimum value D1 of the separation distance is set to 0.6 to 2.0 μm.

第2コンタクト電極4Aから取り出されたキャリアは、抵抗層4Bを介して、コンタクト電極4Cに至り、配線パターン3Cを介して、外部に取り出される。   The carriers taken out from the second contact electrode 4A reach the contact electrode 4C through the resistance layer 4B, and are taken out to the outside through the wiring pattern 3C.

図37(E)は、製造した光検出部(隣接中心間の間隔X=15μm:タイプB)を示す図である。   FIG. 37E is a diagram showing the manufactured light detection unit (interval between adjacent centers X = 15 μm: type B).

タイプBの光検出部では、コンタクト電極4Aは、光検出領域の中心に配置され、抵抗層4Bは、中心から一方向に回転しながら延びる回転領域を備えている。もちろん、いずれの実施形態においても、回転方向が逆方向の構造のものを製造することも可能である。   In the type B photodetection section, the contact electrode 4A is disposed at the center of the photodetection region, and the resistance layer 4B includes a rotation region that extends while rotating in one direction from the center. Of course, in any of the embodiments, it is also possible to manufacture a structure having a reverse rotation direction.

本例における構造のパラメータは、以下の通りである。
・配線パターン3Cの幅W0=1.2μm
・光検出領域の面積S=132μm
・抵抗層4Bの幅W1=1.0μm
・抵抗層4Bの長さL1=55μm
・抵抗部4の抵抗値=420kΩ
The parameters of the structure in this example are as follows.
・ Width W0 of wiring pattern 3C = 1.2 μm
-Photodetection area area S = 132 μm 2
-Width W1 of resistance layer 4B = 1.0 μm
The length L1 of the resistance layer 4B = 55 μm
-Resistance value of the resistance part 4 = 420 kΩ

格子状の配線パターン3Cの交点において、コンタクト電極4Cが配置され、光検出領域の対角線上の4か所において、コンタクト電極4Cが位置しており、これらの対角線の交点が、光検出領域(光検出部)の中心(重心)Gとなる。隣接する光検出部10の中心G間の距離Xは15μmである。   Contact electrodes 4C are arranged at the intersections of the grid-like wiring pattern 3C, and the contact electrodes 4C are located at four positions on the diagonal lines of the light detection region. The intersections of these diagonal lines are the light detection regions (light It becomes the center (center of gravity) G of the detector. The distance X between the centers G of the adjacent photodetectors 10 is 15 μm.

抵抗層4Bは、緩やかに屈曲する3つの角部を有しているが、それぞれの角部の外縁の曲率中心Oは、中心Gを通る上記の対角線上に位置しており、それぞれの曲率半径Rは2.0μm、それぞれの外縁の円弧の両端からそれぞれの曲率中心Oに向けて延びる2つの弦の成す角度θは、8°である。なお、角部の曲率半径Rは、電界集中を避けるためには、2〜5μmに設定され、角度θは、8〜23°に設定される。   The resistance layer 4B has three corners that are gently bent, and the center of curvature O of the outer edge of each corner is located on the diagonal line passing through the center G, and each radius of curvature is R is 2.0 μm, and the angle θ formed by the two chords extending from both ends of the arc of each outer edge toward the center of curvature O is 8 °. In order to avoid electric field concentration, the radius of curvature R of the corner is set to 2 to 5 μm, and the angle θ is set to 8 to 23 °.

第2コンタクト電極4Aから取り出されたキャリアは、抵抗層4Bを介して、コンタクト電極4Cに至り、配線パターン3Cを介して、外部に取り出される。   The carriers taken out from the second contact electrode 4A reach the contact electrode 4C through the resistance layer 4B, and are taken out to the outside through the wiring pattern 3C.

図37(F)は、製造した光検出部(隣接中心間の間隔X=10μm)を示す図である。この光検出部10の基本的な構造は、図8に示したものと同一であるので、同一の構造については、記載を省略する。   FIG. 37 (F) is a diagram showing the manufactured photodetection section (interval between adjacent centers X = 10 μm). Since the basic structure of the light detection unit 10 is the same as that shown in FIG. 8, the description of the same structure is omitted.

本例における構造のパラメータは、以下の通りである。
・配線パターン3Cの幅W0=1.2μm
・光検出領域の面積S=42μm
・抵抗層4Bの幅W1=1.0μm
・抵抗層4Bの長さL1=29μm
・抵抗部4の抵抗値=700kΩ
The parameters of the structure in this example are as follows.
・ Width W0 of wiring pattern 3C = 1.2 μm
-Photodetection area area S = 42 μm 2
-Width W1 of resistance layer 4B = 1.0 μm
-Length L1 of the resistance layer 4B = 29 μm
・ Resistance value of resistance section 4 = 700 kΩ

この構造においても、第2コンタクト電極4Aから取り出されたキャリアは、抵抗層4Bを介して、コンタクト電極4Cに至り、配線パターン3Cを介して、外部に取り出される。   Also in this structure, the carrier taken out from the second contact electrode 4A reaches the contact electrode 4C through the resistance layer 4B, and is taken out to the outside through the wiring pattern 3C.

なお、本例では、抵抗層4Bの幅W1が、配線パターン3Cの幅W0よりも小さくなっており、抵抗部4は微細化されているにも拘らず、十分な抵抗値を得ることができる構成となっている。   In this example, the width W1 of the resistance layer 4B is smaller than the width W0 of the wiring pattern 3C, and a sufficient resistance value can be obtained although the resistance portion 4 is miniaturized. It has a configuration.

次に、フォトダイオードの特性について説明する。   Next, the characteristics of the photodiode will be described.

図38は、上述のフォトダイオードにおける入射光の波長(nm)と光子の検出効率(%)の関係を示すグラフである。同グラフでは、図37(A)の構造(50μm間隔)、図37(D)の構造(15μm間隔)、図37(F)の構造(10μm間隔)のデータが示されている。なお、1つのフォトダイオードアレイに含まれる光検出部の数は、それぞれ、400個、4489個、1000個である。フォトダイオードへの逆方向バイアス電圧は、74Vであり、ガイガーモードで動作をさせた。なお、ブレイクダウン電圧は71Vである。   FIG. 38 is a graph showing the relationship between the wavelength (nm) of incident light and the photon detection efficiency (%) in the photodiode described above. The graph shows data of the structure of FIG. 37A (50 μm interval), the structure of FIG. 37D (15 μm interval), and the structure of FIG. 37F (10 μm interval). Note that the number of light detection units included in one photodiode array is 400, 4489, and 1000, respectively. The reverse bias voltage to the photodiode was 74V and operated in Geiger mode. The breakdown voltage is 71V.

光子検出効率(PDE)(%)は、光検出領域が大きいほど、抵抗層による影の領域が少なくなり、高い検出効率が得られている。しかしながら、光検出領域の隣接間隔が、50μmの場合の光検出領域の面積に対して、10μmの場合の光検出領域の面積は約25分の1であるが、検出効率は、その30%以上を維持している。15μmの場合も同様に、比較的高い検出効率を維持している。   As for the photon detection efficiency (PDE) (%), the larger the photodetection area, the smaller the shadow area due to the resistance layer, and the higher the detection efficiency. However, the area of the photodetection region when the adjacent interval of the photodetection region is 50 μm is about 1/25 of the area of the photodetection region when it is 10 μm, but the detection efficiency is 30% or more. Is maintained. Similarly, in the case of 15 μm, relatively high detection efficiency is maintained.

これらのスペクトルピークの位置は、波長400nmから500nmの範囲に存在している。この波長範囲(400nm以上500nm以下)内において、50μm間隔のフォトダイオードの場合、検出効率が44%以上であり、15μm間隔のフォトダイオードの場合、検出効率が36%以上であり、10μm間隔のフォトダイオードの場合、検出効率が17%以上である。   The positions of these spectrum peaks exist in the wavelength range of 400 nm to 500 nm. Within this wavelength range (400 nm or more and 500 nm or less), the detection efficiency is 44% or more in the case of photodiodes at intervals of 50 μm, and the detection efficiency is 36% or more in the case of photodiodes at intervals of 15 μm. In the case of a diode, the detection efficiency is 17% or more.

なお、比較例1として、隣接中心間の間隔X=50μmとして、図37(A)における抵抗層の内側位置に第1コンタクト電極を設け、第1コンタクト電極から抵抗層4Bとほぼ同一形状で若干小さな環状配線パターン(アルミニウム)を形成した。なお、この環状配線パターン(張り出し電極)は、半導体領域14の輪郭上に位置し、光検出領域内の準位を安定させる機能を有する。そして、この環状配線パターンに連続するこれと同一幅の抵抗体(ポリシリコン:160kΩ)を図37(A)に示すものと同様に形成した場合、検出効率(%)は、波長400nmから500nmの範囲において、最小で28%、最大で36%であった。なお、比較例1の構造において、第1コンタクト電極の位置と、抵抗体の環状配線パターンとの接続位置とはずれている。   As Comparative Example 1, a first contact electrode is provided at an inner position of the resistance layer in FIG. 37A with an interval X between adjacent centers of X = 50 μm, and the first contact electrode has a shape substantially the same as that of the resistance layer 4B. A small annular wiring pattern (aluminum) was formed. The annular wiring pattern (extended electrode) is located on the outline of the semiconductor region 14 and has a function of stabilizing the level in the light detection region. When a resistor (polysilicon: 160 kΩ) that is continuous with the annular wiring pattern is formed in the same manner as that shown in FIG. 37A, the detection efficiency (%) has a wavelength of 400 nm to 500 nm. In the range, the minimum was 28% and the maximum was 36%. In the structure of Comparative Example 1, the position of the first contact electrode and the connection position of the annular wiring pattern of the resistor are shifted.

また、比較例2として、比較例1における間隔X=15μmとして、図37(E)における抵抗層の内側位置に第1コンタクト電極を設け、第1コンタクト電極から抵抗層4Bとほぼ同一形状で若干小さな環状配線パターン(アルミニウム)を形成した。なお、この環状配線パターン(張り出し電極)は、半導体領域14の輪郭上に位置し、光検出領域内の準位を安定させる機能を有する。そして、この環状配線パターンに連続するこれと同一幅の抵抗体(ポリシリコン:500kΩ)を図37(E)に示すものと同様に形成した場合、検出効率(%)は、波長400nmから500nmの範囲において、最小で18%、最大で26%であった。なお、比較例2の構造において、第1コンタクト電極の位置と、抵抗体の環状配線パターンとの接続位置とはずれている。   Further, as Comparative Example 2, a first contact electrode is provided at an inner position of the resistance layer in FIG. 37E with an interval X = 15 μm in Comparative Example 1, and the first contact electrode is slightly the same shape as the resistance layer 4B. A small annular wiring pattern (aluminum) was formed. The annular wiring pattern (extended electrode) is located on the outline of the semiconductor region 14 and has a function of stabilizing the level in the light detection region. When a resistor (polysilicon: 500 kΩ) continuous with the annular wiring pattern is formed in the same manner as that shown in FIG. 37E, the detection efficiency (%) has a wavelength of 400 nm to 500 nm. In the range, the minimum was 18% and the maximum was 26%. In the structure of Comparative Example 2, the position of the first contact electrode is shifted from the connection position of the annular wiring pattern of the resistor.

なお、第1コンタクト電極の位置と、抵抗体の環状配線パターンとの接続位置とはずれているため、間隔X=10μm以下とすることは、製造プロセス上困難である。   Since the position of the first contact electrode and the connection position of the annular wiring pattern of the resistor are shifted, it is difficult in the manufacturing process to set the interval X = 10 μm or less.

比較例1,2の構造においては、環状配線パターン及び光透過率の低い抵抗部の全てが、実効的な開口率を低下させる遮光要素として機能し、光検出感度が低下している。一方、実施形態に係るフォトダイオードアレイは、抵抗層4Bが、環状配線パターンと同一の表面準位安定化機能を達成しつつも、高い光透過率を有し、また、ポリシリコンのような付加的な抵抗体を用いていないので、著しく光検出感度を向上させることができる。   In the structures of Comparative Examples 1 and 2, all of the annular wiring pattern and the resistance portion having a low light transmittance function as a light shielding element for reducing the effective aperture ratio, and the light detection sensitivity is lowered. On the other hand, in the photodiode array according to the embodiment, the resistance layer 4B has a high light transmittance while achieving the same surface level stabilization function as that of the annular wiring pattern, and is added like polysilicon. Since a typical resistor is not used, the light detection sensitivity can be remarkably improved.

次に、回復時間(電圧回復時間)の影響について、検査を行った。   Next, the influence of the recovery time (voltage recovery time) was examined.

図39は、上述のフォトダイオードからの出力(ガイガーモード)と時間の関係を示すグラフである。オシロスコープの出力映像を示しており、縦軸は、フォトダイオードの出力強度を示しており、縦軸の1つの間隔は50mVを示し、横軸の1つの間隔は、5(ns)を示している。同グラフでは、ピーク強度電圧の異なる複数のデータが示されているが、これはフォトダイオードに入射する光子数の違いによるものであり、光子数が多いほど、出力強度も大きくなる。同グラフでは、73(V)のバイアス電圧が印加されている。なお、Vover=フォトダイオードへのバイアス電圧−フォトダイオードのブレイクダウン電圧は、Vover=1(V)以上4(V)以下の範囲内である。   FIG. 39 is a graph showing the relationship between the output (Geiger mode) from the photodiode and time. The output video of the oscilloscope is shown, the vertical axis indicates the output intensity of the photodiode, one interval on the vertical axis indicates 50 mV, and one interval on the horizontal axis indicates 5 (ns). . In the graph, a plurality of data having different peak intensity voltages are shown. This is due to the difference in the number of photons incident on the photodiode, and the output intensity increases as the number of photons increases. In the graph, a bias voltage of 73 (V) is applied. Note that Vover = the bias voltage to the photodiode−the breakdown voltage of the photodiode is in the range of Vover = 1 (V) to 4 (V).

フォトダイオードの出力信号の回復時間(τ)は、光子が光検出部10に入射した場合、光検出部10からの出力の強度ピーク値を与える時刻から、この強度ピーク値の37%に光検出部10からの出力がなる時刻までの期間で規定される。   The recovery time (τ) of the output signal of the photodiode is 37% of the intensity peak value from the time when the intensity peak value of the output from the light detection unit 10 is given when the photon is incident on the light detection unit 10. It is defined by the period until the time when the output from the unit 10 becomes.

光検出部の間隔X=50μm(図37(A))の場合(図39(A))、フォトダイオードへのバイアス電圧が73Vの場合、回復時間(τ)は、13nsである。   In the case where the interval X between the light detection portions is 50 μm (FIG. 37A) (FIG. 39A), when the bias voltage to the photodiode is 73V, the recovery time (τ) is 13 ns.

光検出部の間隔X=20μm(図37(C))の場合(図39(B))、フォトダイオードへのバイアス電圧が73Vの場合、回復時間(τ)は、5.0nsである。   In the case where the interval X between the light detection portions is 20 μm (FIG. 37C) (FIG. 39B), when the bias voltage to the photodiode is 73 V, the recovery time (τ) is 5.0 ns.

光検出部の間隔X=15μm(タイプA:図39(D))の場合(図39(C))、フォトダイオードへのバイアス電圧が73Vの場合、回復時間(τ)は、4.3nsである。   In the case of the interval X of the light detection section X = 15 μm (type A: FIG. 39D) (FIG. 39C), the recovery time (τ) is 4.3 ns when the bias voltage to the photodiode is 73V. is there.

光検出部の間隔X=10μm(図37(F))の場合(図39(D))、フォトダイオードへのバイアス電圧が73Vの場合、回復時間(τ)は、2.3ns以下とすることができる。   In the case where the interval X between the light detection portions is 10 μm (FIG. 37 (F)) (FIG. 39 (D)), the recovery time (τ) is 2.3 ns or less when the bias voltage to the photodiode is 73V. Can do.

なお、上述の比較例1の場合、回復時間(τ)は、13nsであり、比較例2の場合の回復時間(τ)は、4.3nsであった。   In the case of Comparative Example 1 described above, the recovery time (τ) was 13 ns, and in the case of Comparative Example 2, the recovery time (τ) was 4.3 ns.

詳説すれば、比較例1の構造の場合(光検出部10の離間間隔X=50μm)、開口率は60%であり、接合容量Cj=80fF、ゲイン=7.5×10、回復時間13ns、画素数密度(400個/mm)、光子の検出効率は最大で36%である。 Specifically, in the case of the structure of Comparative Example 1 (the separation interval X of the light detection unit 10 = 50 μm), the aperture ratio is 60%, the junction capacitance Cj = 80 fF, the gain = 7.5 × 10 5 , and the recovery time 13 ns. Pixel number density (400 / mm 2 ) and photon detection efficiency is 36% at the maximum.

また、比較例2の構造の場合(光検出部10の離間間隔X=15μm)、開口率は35%であり、接合容量Cj=11fF、ゲイン=2.0×10、回復時間4.3ns、画素数密度(4489個/mm)、光子の検出効率は最大で26%である。 Further, in the case of the structure of Comparative Example 2 (the separation interval X of the light detection unit 10 = 15 μm), the aperture ratio is 35%, the junction capacitance Cj = 11 fF, the gain = 2.0 × 10 5 , and the recovery time 4.3 ns. The pixel number density (4489 / mm 2 ) and the maximum photon detection efficiency are 26%.

なお、X=15μmの場合、図7及び図8の実施形態の構造においては、開口率は60%とすることができ、接合容量Cj=11fF、ゲイン=2.0×10、回復時間4.3ns、画素数密度(4489個/mm)である。 When X = 15 μm, in the structure of the embodiment of FIGS. 7 and 8, the aperture ratio can be 60%, the junction capacitance Cj = 11 fF, the gain = 2.0 × 10 5 , the recovery time 4 .3 ns, pixel number density (4489 / mm 2 ).

このように、実施形態の構造では、比較例1と同じ開口率を達成しつつ、接合容量Cjを低減し、回復時間を短くすることができる。また、単位面積当たりに含まれる画素数が多いため、ダイナミックレンジを向上させることができる。   Thus, in the structure of the embodiment, it is possible to reduce the junction capacitance Cj and shorten the recovery time while achieving the same aperture ratio as that of the comparative example 1. In addition, since the number of pixels included per unit area is large, the dynamic range can be improved.

以上のように、隣接する第2コンタクト電極間の間隔(光検出領域の中心間の間隔)Xが、20μm以下の場合、回復時間(τ)が著しく短くなる。光検出部の間隔X=15μm以下であれば、回復時間(τ)を10ns以下とすることができる。間隔Xを、10μm以下とすれば、回復時間(τ)は、更に短くなる。これは、従来、達成できなかった顕著な改善である。   As described above, when the interval X between adjacent second contact electrodes (interval between the centers of the light detection regions) X is 20 μm or less, the recovery time (τ) is remarkably shortened. The recovery time (τ) can be set to 10 ns or less if the interval X between the light detection parts is 15 μm or less. If the interval X is 10 μm or less, the recovery time (τ) is further shortened. This is a significant improvement that could not be achieved previously.

なお、光検出部10のサイズ(ピクセルサイズ)は、パルス回復時間に影響を与える。ピクセルサイズが小さいほど広ダイナミックレンジとなる。1mm×1mm角のチップの中に、ピクセルサイズが50μmの場合にはセル数は400、20μmの場合は2500、15μmの場合は4489、10μmの場合は10000となる。求める解像度とダイナミックレンジに応じてピクセルサイズを選択することができる。また、ピクセルサイズを50μm、20μm、15μm、10μmとする場合、動作電圧におけるゲインは、7.5×10、2.4×10、2.0×10、1.0×10とすることができ、波長420nmにおける光検出効率(PDE)は51%、43%、38%、19%とすることができる。 Note that the size (pixel size) of the light detection unit 10 affects the pulse recovery time. The smaller the pixel size, the wider the dynamic range. In a 1 mm × 1 mm square chip, the number of cells is 400 when the pixel size is 50 μm, 2500 when the pixel size is 20 μm, 4489 when 15 μm, and 10,000 when 10 μm. The pixel size can be selected according to the desired resolution and dynamic range. When the pixel size is 50 μm, 20 μm, 15 μm, and 10 μm, the gain at the operating voltage is 7.5 × 10 5 , 2.4 × 10 5 , 2.0 × 10 5 , and 1.0 × 10 5 . The light detection efficiency (PDE) at a wavelength of 420 nm can be 51%, 43%, 38%, and 19%.

なお、X線CT装置への適用においては、位置分解能(解像度)の観点から、半導体チップサイズは、又は、アクティブチャンネル(電気的に隣接素子から分離された複数の光検出部の集合領域)のサイズは、1×1mm程度が好ましい。10〜140keV/mmのX線をエネルギー分解する場合、広いダイナミックレンジが要求される。4500〜10000程度のピクセル数が好ましく、10〜15mmのピッチが好ましい。 In application to an X-ray CT apparatus, from the viewpoint of position resolution (resolution), the semiconductor chip size or active channel (a collection region of a plurality of light detection units electrically separated from adjacent elements) is used. The size is preferably about 1 × 1 mm. If energy degrade X-ray of 10~140keV / mm 2, a wide dynamic range is required. A pixel number of about 4500 to 10000 is preferable, and a pitch of 10 to 15 mm is preferable.

また、PET装置への適用においては、重心検出を行う関係でピクセルサイズは、3×3mm程度のサイズが好適であり、シンチレータからの発光を受光するためには3600ピクセル程度で十分である。なお、ASICの読み出しを少なくするために、6×6mm程度の大面積チップを採用することもできる。高時間分解能、高検出効率のピクセルピッチは。50μm以上の大きなものが好適である。   In addition, in application to a PET apparatus, a pixel size of about 3 × 3 mm is suitable for detecting the center of gravity, and about 3600 pixels are sufficient for receiving light emitted from the scintillator. In order to reduce the reading of the ASIC, a large area chip of about 6 × 6 mm can be adopted. Pixel pitch with high temporal resolution and high detection efficiency. A large one of 50 μm or more is suitable.

上述の構造において、貫通電極を用いた場合、半導体チップ外縁に沿うデッドスペースの幅が均一となる。また、半導体チップを2次元配列した場合のチャンネル間ギャップを均一化することができ、更に、受光面上にシンチレータを固定する際のアライメントも容易となる。   In the above structure, when the through electrode is used, the width of the dead space along the outer edge of the semiconductor chip becomes uniform. Further, the gap between the channels when the semiconductor chips are two-dimensionally arranged can be made uniform, and the alignment when fixing the scintillator on the light receiving surface is facilitated.

上述のように、実施形態に係るフォトダイオードアレイでは、金属薄膜抵抗の高い透過率を利用し、比較例1,2において用いた張り出し電極の代わりに、線状にパターニングされた金属薄膜抵抗により、張り出し構造を形成し、デッドスペースを低減している。所望の抵抗値を得るために、図37(B)〜図37(F)に示す構造の場合、抵抗層4Bによって、半導体領域14の輪郭(エッジ)の一部(右隅の位置)を被覆することができないが、この部分は、抵抗層4Bの幅程度であり、表面準位安定化に対する特性低下の影響は小さい。また、図37(A)に示す構造では、半導体領域14の輪郭(エッジ)の全てを被覆している。   As described above, in the photodiode array according to the embodiment, using the high transmittance of the metal thin film resistor, instead of the overhanging electrode used in Comparative Examples 1 and 2, by the metal thin film resistor patterned in a linear shape, An overhang structure is formed to reduce dead space. In order to obtain a desired resistance value, in the case of the structure shown in FIGS. 37B to 37F, a part of the outline (edge) of the semiconductor region 14 (the position of the right corner) is covered with the resistance layer 4B. However, this portion is about the width of the resistance layer 4B, and the influence of the characteristic deterioration on the surface state stabilization is small. In the structure shown in FIG. 37A, the entire outline (edge) of the semiconductor region 14 is covered.

図40は、図34及び図35に示したフォトダイオードアレイの製造方法について説明するための図である。   FIG. 40 is a diagram for explaining a manufacturing method of the photodiode array shown in FIGS. 34 and 35.

まず、図40(A)に示すように、半導体領域(半導体基板)12上に、エピタキシャル成長法又は不純物拡散法或いはイオン注入法により、半導体領域13を形成する。なお、半導体領域12は、CZ法又はFZ法により形成された(100)Si半導体基板であるが、他の面方位を有する半導体基板を用いることもできる。Siエピタキシャル成長法を用いる場合には、例えば、原材料として、気相の四塩化珪素(SiCl)と三塩化シラン(トリクロルシラン、SiHCl)を用い、成長温度1200℃において、基板表面上にこれらのガスを流す。不純物拡散法の場合には、半導体領域13の導電型に対応する不純物をガス又は固体で半導体領域12内に拡散させる。イオン注入法の場合は、半導体領域13の導電型に対応する不純物を半導体領域12内にイオン注入する。 First, as shown in FIG. 40A, a semiconductor region 13 is formed on a semiconductor region (semiconductor substrate) 12 by an epitaxial growth method, an impurity diffusion method, or an ion implantation method. The semiconductor region 12 is a (100) Si semiconductor substrate formed by the CZ method or the FZ method, but a semiconductor substrate having another plane orientation can also be used. When the Si epitaxial growth method is used, for example, gaseous silicon tetrachloride (SiCl 4 ) and trichlorosilane (trichlorosilane, SiHCl 3 ) are used as raw materials, and these are formed on the substrate surface at a growth temperature of 1200 ° C. Flow gas. In the case of the impurity diffusion method, an impurity corresponding to the conductivity type of the semiconductor region 13 is diffused into the semiconductor region 12 with gas or solid. In the case of the ion implantation method, an impurity corresponding to the conductivity type of the semiconductor region 13 is ion implanted into the semiconductor region 12.

次に、半導体領域13の表面側の領域に、半導体領域14を形成する。これには不純物の拡散法又はイオン注入法を用いることができる。例えば、拡散法において、不純物原材料として、ジボラン(B)を用いる場合には、拡散温度を1200℃に設定することができる。半導体領域14の形成においては、まず、フォトリソグラフィ技術により、半導体領域13上に開口を有するレジストパターンを形成し、続いて、このレジストパターンをマスクとして、不純物の添加を行う。なお、不純物の添加は、格子状の配線パターン3Cを形成した後、これをマスクとして、絶縁層16を介して、イオン注入法により行ってもよい。 Next, the semiconductor region 14 is formed in the region on the surface side of the semiconductor region 13. For this, an impurity diffusion method or an ion implantation method can be used. For example, in the diffusion method, when diborane (B 2 H 6 ) is used as the impurity raw material, the diffusion temperature can be set to 1200 ° C. In forming the semiconductor region 14, first, a resist pattern having an opening is formed on the semiconductor region 13 by a photolithography technique, and then an impurity is added using the resist pattern as a mask. The impurity may be added by ion implantation after forming the grid-like wiring pattern 3C and using this as a mask through the insulating layer 16.

次に、半導体基板上に絶縁層16を形成する。絶縁層16は、Si熱酸化法を用いて形成することができる。酸化温度は例えば1000℃である。これにより、半導体領域13及び14の表面が酸化され、SiOからなる絶縁層16が形成される。絶縁層16の形成にはCVD法を用いることもできる。 Next, the insulating layer 16 is formed on the semiconductor substrate. The insulating layer 16 can be formed using a Si thermal oxidation method. The oxidation temperature is 1000 ° C., for example. Thereby, the surfaces of the semiconductor regions 13 and 14 are oxidized, and the insulating layer 16 made of SiO 2 is formed. The insulating layer 16 can be formed by a CVD method.

次に、絶縁層16における半導体領域14上の位置に、コンタクトホールを形成する。コンタクトホールの形成においては、まず、フォトリソグラフィ技術により、絶縁層16上に開口を有するレジストパターンを形成し、続いて、このレジストパターンをマスクとして、絶縁層16をエッチングする。エッチング法としては、ドライエッチング法の他、HF水溶液を含むエッチング液によるウエットエッチングを用いることもできる。   Next, a contact hole is formed at a position on the semiconductor region 14 in the insulating layer 16. In forming the contact hole, first, a resist pattern having an opening is formed on the insulating layer 16 by photolithography, and then the insulating layer 16 is etched using the resist pattern as a mask. As the etching method, in addition to the dry etching method, wet etching with an etching solution containing an HF aqueous solution can be used.

次に、絶縁層16上に、蒸着法により、第1コンタクト電極3A及び配線パターン3Cを形成する。これらの形成においては、まず、フォトリソグラフィ技術により、絶縁層16上に所定のレジストパターンを形成し、続いて、このレジストパターンをマスクとして、電極材料を絶縁層16上に蒸着する。ここでは、蒸着法に代えて、スパッタ法を用いることもできる。   Next, the first contact electrode 3A and the wiring pattern 3C are formed on the insulating layer 16 by vapor deposition. In these formations, first, a predetermined resist pattern is formed on the insulating layer 16 by photolithography, and then an electrode material is deposited on the insulating layer 16 using the resist pattern as a mask. Here, a sputtering method can be used instead of the vapor deposition method.

なお、絶縁層16上には、配線パターン3Cと同時に、同じ方法で、共通電極E3も形成しておく。   On the insulating layer 16, the common electrode E3 is also formed at the same time as the wiring pattern 3C by the same method.

次に、図40(B)に示すように、絶縁層16上に絶縁層17を形成する。絶縁層17は、スパッタ法やプラズマCVD法を用いて形成することができる。プラズマCVD法を用いる場合、原材料ガスとして、テトラエトキシシラン(TEOS)及び酸素ガスを用い、成長温度を200℃程度に設定して絶縁層17の成長を行う。絶縁層17の厚みは、その表面が平坦化される厚みに設定されることが好ましく、絶縁層16の表面から配線パターン3Cの上面までの高さよりも大きいことが好ましい。   Next, as illustrated in FIG. 40B, the insulating layer 17 is formed over the insulating layer 16. The insulating layer 17 can be formed using a sputtering method or a plasma CVD method. When using the plasma CVD method, tetraethoxysilane (TEOS) and oxygen gas are used as raw material gases, and the growth temperature is set to about 200 ° C. to grow the insulating layer 17. The thickness of the insulating layer 17 is preferably set to such a thickness that the surface is flattened, and is preferably larger than the height from the surface of the insulating layer 16 to the upper surface of the wiring pattern 3C.

次に、図40(C)に示すように、絶縁層17上に、抵抗部4を形成する。この形成においては、まず、フォトリソグラフィ技術により、絶縁層17上に所定のレジストパターンを形成し、続いて、このレジストパターンをマスクとして、抵抗材料を絶縁層17上にスパッタ法又は蒸着法を用いて堆積する。抵抗体が、SiCrからなる場合、スパッタ法を用い、ターゲット材料としては、例えば、SiとCrの組成比が70%/30%のSiCrを用いることができ、厚みは3〜50nmに設定することができる。   Next, as illustrated in FIG. 40C, the resistance portion 4 is formed over the insulating layer 17. In this formation, first, a predetermined resist pattern is formed on the insulating layer 17 by a photolithography technique, and then, using this resist pattern as a mask, a resistance material is used on the insulating layer 17 by sputtering or vapor deposition. And accumulate. When the resistor is made of SiCr, a sputtering method is used. As a target material, for example, SiCr having a composition ratio of Si and Cr of 70% / 30% can be used, and the thickness is set to 3 to 50 nm. Can do.

以上の工程が終了した後、図30、図31と同じ工程で、半導体基板の裏面から貫通孔を形成し、貫通孔の表面を絶縁層で被覆し、しかる後、共通電極E3に接続される貫通電極を形成して、貫通電極にバンプ電極を接触させる。最後に、上述の工程と同様に、半導体基板の裏面には、第1及び第2バンプ電極を形成し、配線基板にバンプ電極を介して接着する。   After the above steps are completed, a through hole is formed from the back surface of the semiconductor substrate in the same step as FIGS. 30 and 31, and the surface of the through hole is covered with an insulating layer, and then connected to the common electrode E3. A through electrode is formed, and a bump electrode is brought into contact with the through electrode. Finally, similarly to the above-described steps, first and second bump electrodes are formed on the back surface of the semiconductor substrate, and are bonded to the wiring substrate via the bump electrodes.

なお、図41に示す構造の光検出部を製造する場合、半導体領域14の形成前に、半導体領域15を不純物拡散法又はイオン注入法を用いて、半導体領域13の表面側に形成しておけばよい。不純物拡散法の場合には、半導体領域15の導電型に対応する不純物をガス又は固体で半導体領域13内に拡散させる。イオン注入法の場合は、半導体領域15の導電型に対応する不純物を半導体領域13内にイオン注入する。   In the case of manufacturing the photodetection portion having the structure shown in FIG. 41, the semiconductor region 15 may be formed on the surface side of the semiconductor region 13 by using an impurity diffusion method or an ion implantation method before the formation of the semiconductor region 14. That's fine. In the case of the impurity diffusion method, impurities corresponding to the conductivity type of the semiconductor region 15 are diffused into the semiconductor region 13 with gas or solid. In the case of the ion implantation method, an impurity corresponding to the conductivity type of the semiconductor region 15 is ion implanted into the semiconductor region 13.

なお、上記複数の図34以降の半導体チップにおいても、図33以前の構造と同様に、半導体チップ上にガラス板又は樹脂の接着層が設けられ、この上にシンチレータが配置されることで、検出チップが形成される。   In the plurality of semiconductor chips after FIG. 34 as well, the glass plate or resin adhesive layer is provided on the semiconductor chip and the scintillator is disposed on the semiconductor chip, as in the structure before FIG. A chip is formed.

また、図34〜図42において説明した検出器では、第2半導体領域14に接触する第1コンタクト電極3Aと、第1コンタクト電極3Aとは異なる材料を備え、第1コンタクト電極3Aに重なる位置に配置され、第1コンタクト電極3Aに接触する第2コンタクト電極4Aとを備えおり、クエンチング抵抗R1(抵抗部4(抵抗層4B))は、第2コンタクト電極4Aに連続している。光子の入射によりpn接合において発生したキャリアは、第1コンタクト電極3A及び第2コンタクト電極4Aを介して、クエンチング抵抗R1に流れ、クエンチング抵抗に接続された読出配線TL、共通電極E3、貫通電極TE、第1バンプ電極BE(図14、図20)を介して、配線基板20に至る。   34 to 42, the first contact electrode 3A in contact with the second semiconductor region 14 and a material different from the first contact electrode 3A are provided at a position overlapping the first contact electrode 3A. And a second contact electrode 4A that is in contact with the first contact electrode 3A, and the quenching resistance R1 (resistance portion 4 (resistance layer 4B)) is continuous with the second contact electrode 4A. Carriers generated at the pn junction by the incidence of photons flow to the quenching resistor R1 via the first contact electrode 3A and the second contact electrode 4A, and are connected to the readout wiring TL, the common electrode E3, and the through-holes connected to the quenching resistor. The wiring board 20 is reached via the electrode TE and the first bump electrode BE (FIGS. 14 and 20).

第2コンタクト電極4Aを第1コンタクト電極3Aに重なる位置に配置することにより、クエンチング抵抗と第1コンタクト電極3Aとの接続に要するスペースを最小化することができる。もちろん、必然的に、第1コンタクト電極3Aと第2コンタクト電極4Aとは同一平面上ではなく、高さ方向の位置が異なることとなり、第2コンタクト電極4Aからクエンチング抵抗が連続して延びることとなる。これにより、光検出部10内における配線を省略することができ、光検出部の開口率を、著しく増加させることが可能となる。   By disposing the second contact electrode 4A at a position overlapping the first contact electrode 3A, the space required for connection between the quenching resistor and the first contact electrode 3A can be minimized. Of course, the first contact electrode 3A and the second contact electrode 4A are not necessarily on the same plane, but have different height positions, and the quenching resistance continuously extends from the second contact electrode 4A. It becomes. Thereby, the wiring in the photodetection unit 10 can be omitted, and the aperture ratio of the photodetection unit can be remarkably increased.

また、第2コンタクト電極4A及びクエンチング抵抗は、SiCrを備えており、SiCrは、光透過率が高いため、光検出部10内において、クエンチング抵抗が存在していても、入射した光子がクエンチング層を透過するため、実効的な開口率を増加させることができる。   In addition, the second contact electrode 4A and the quenching resistor include SiCr, and since SiCr has a high light transmittance, even if a quenching resistor is present in the light detection unit 10, incident photons are not generated. Since it penetrates the quenching layer, the effective aperture ratio can be increased.

なお、上述の実施形態の場合、抵抗層4Bの平面形状は、環状又はリングの一部の形状或いは、スパイラル形状であったが、これは方形波、三角波又は正弦波のように蛇行形状であってもよい。   In the case of the above-described embodiment, the planar shape of the resistance layer 4B is an annular shape, a partial ring shape, or a spiral shape, but this is a meandering shape such as a square wave, a triangular wave, or a sine wave. May be.

また、実施形態に係るフォトダイオードアレイの効果について、更に説明する。   Further, effects of the photodiode array according to the embodiment will be further described.

ガイガーモードにおいてフォトダイオードアレイを動作させる場合、光子が1つの光検出部10に入射した場合の回復時間(電圧回復時間)τは、光検出部10における光検出領域の面積及びpn接合から広がる空乏層幅によって規定される接合容量(画素容量)Cjと、抵抗部4の抵抗値(クエンチング抵抗値Rq)の積(RC定数=Cj×Rq)に依存する。   When the photodiode array is operated in the Geiger mode, the recovery time (voltage recovery time) τ when a photon enters one photodetection unit 10 is a depletion that extends from the area of the photodetection region and the pn junction in the photodetection unit 10. It depends on the product (RC constant = Cj × Rq) of the junction capacitance (pixel capacitance) Cj defined by the layer width and the resistance value (quenching resistance value Rq) of the resistor section 4.

画素サイズ(光検出部の面積)を小さくすると、接合容量Cjは小さくなるので、同一の回復時間τ、すなわち、同一のRC定数を得るためには、クエンチング抵抗値Rqを大きくする必要がある。クエンチング抵抗値Rqは、抵抗率、厚さ、幅及び長さを調整して決定することができる。抵抗率、幅、厚さはプロセス条件により制限されるため、抵抗値Rqは、長さを変えることで、調整することが合理的である。同一の回復時間τを得るには、画素サイズが大きいほど、抵抗層4Bを短く設定し、画素サイズが小さいほど、抵抗層4Bを長く設定する。   When the pixel size (area of the light detection unit) is reduced, the junction capacitance Cj is reduced. Therefore, in order to obtain the same recovery time τ, that is, the same RC constant, it is necessary to increase the quenching resistance value Rq. . The quenching resistance value Rq can be determined by adjusting the resistivity, thickness, width and length. Since the resistivity, width, and thickness are limited by process conditions, it is reasonable to adjust the resistance value Rq by changing the length. In order to obtain the same recovery time τ, the resistance layer 4B is set shorter as the pixel size is larger, and the resistance layer 4B is set longer as the pixel size is smaller.

RC定数が小さすぎる場合には、アバランシェ増倍発生後のクエンチングが不十分となり、ラッチング電流と呼ばれる現象が生じ、正常な動作を示さない。一方、RC定数が大きすぎる場合には、回復時間(電圧回復時間)が長くなる。したがって、RC定数の値は、デバイスに応じた最適な値(2〜20ns)に設定される。   When the RC constant is too small, quenching after avalanche multiplication occurs is insufficient, a phenomenon called latching current occurs, and normal operation is not exhibited. On the other hand, when the RC constant is too large, the recovery time (voltage recovery time) becomes long. Therefore, the RC constant value is set to an optimum value (2 to 20 ns) according to the device.

なお、ゲインは接合容量Cjと印加電圧に依存しており、実施形態の構造は、接合容量Cjを小さくすることで、ゲインを低減している。フォトダイオードアレイのノイズ成分として、ダークパルスの他にアフターパルス、オプティカルクロストークによる擬似出力信号も含まれている。アフターパルスはアバランシェ増倍により発生した電子・ホールの一部が不純物準位等にトラップされ、ある時間間隔をおいて、後に放出されることで、再度アバランシェ増倍が起こり発生するパルスのことである。オプティカルクロストークはアバランシェ増倍中に低確率で発生した光子が隣接ピクセルに進入、吸収されることで発生した電子・ホール対が、アバランシェ増倍を起こし発生するパルスによるものである。いずれも1光子に対する出力が1パルスでなく複数パルスとなってしまうノイズ成分である。   The gain depends on the junction capacitance Cj and the applied voltage, and the structure of the embodiment reduces the gain by reducing the junction capacitance Cj. In addition to the dark pulse, the noise component of the photodiode array includes an after pulse and a pseudo output signal due to optical crosstalk. An after pulse is a pulse in which a part of electrons and holes generated by avalanche multiplication is trapped in an impurity level, etc., and is emitted later after a certain time interval, resulting in avalanche multiplication again. is there. Optical crosstalk is due to a pulse generated by avalanche multiplication caused by a pair of electrons and holes generated when a photon generated at low probability during avalanche multiplication enters and is absorbed by an adjacent pixel. Both are noise components that cause the output for one photon to be multiple pulses instead of one pulse.

実施形態の構造のように、接合容量Cj、すなわち、ゲインが小さければアバランシェ増倍により発生する電子・ホール対の総数が少なくなるため、アフターパルス、オプティカルクロストークによるパルスが発生する確率が少なくなり、ノイズ低減の効果が得られる。   As in the structure of the embodiment, since the total number of electron-hole pairs generated by avalanche multiplication is reduced when the junction capacitance Cj, that is, the gain is small, the probability of occurrence of pulses due to after pulses and optical crosstalk is reduced. The effect of noise reduction can be obtained.

接合容量Cjが大きく、ゲインが大きい素子であるほど、発生したキャリアを掃き出す時間が長いため、電圧回復時間は長く、ゲインが小さいほど、回復時間は短くなる。実施形態のように、画素ピッチを小さくすると、電圧回復時間が短くなり、光子のカウントレートを向上させることができる。   The larger the junction capacitance Cj and the larger the gain, the longer the time to sweep out the generated carriers. Therefore, the voltage recovery time is longer and the smaller the gain, the shorter the recovery time. When the pixel pitch is reduced as in the embodiment, the voltage recovery time is shortened, and the photon count rate can be improved.

次に、読出配線の構造を2層構造にした例について説明する。   Next, an example in which the read wiring has a two-layer structure will be described.

図43はフォトダイオードアレイの平面図である。   FIG. 43 is a plan view of the photodiode array.

このフォトダイオードアレイは、複数の光検出部10を有する半導体基板100を備えている。フォトダイオードアレイは、光検出部10を二次元上に配置してなる受光領域と、半導体基板100の光検出部10に囲まれた領域に設けられた共通電極E3とを備えている。共通電極E3を介して、各フォトダイオードAPDからの信号は読み出される。本形態のフォトダイオードは、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオード(APD)である。同図では、光検出部10がX軸方向及びY軸方向に沿ってマトリックス状に配置されている。半導体基板100の厚み方向はZ軸方向であり、XYZ軸は直交座標系を構成している。なお、図43では、3行3列の光検出部10が配置されており、これらは受光領域を構成しているが、光検出部10の数は、更に多くても、少なくてもよく、また、一次元配置される構成とすることも可能である。共通電極E3は、複数の光検出部10の中心に配置されている。   The photodiode array includes a semiconductor substrate 100 having a plurality of light detection units 10. The photodiode array includes a light receiving region in which the light detection unit 10 is two-dimensionally arranged, and a common electrode E3 provided in a region surrounded by the light detection unit 10 of the semiconductor substrate 100. A signal from each photodiode APD is read out through the common electrode E3. The photodiode of this embodiment is an avalanche photodiode (APD) that operates in Geiger mode. In the figure, the light detection units 10 are arranged in a matrix along the X-axis direction and the Y-axis direction. The thickness direction of the semiconductor substrate 100 is the Z-axis direction, and the XYZ axes constitute an orthogonal coordinate system. In FIG. 43, the light detection units 10 in 3 rows and 3 columns are arranged, and these constitute the light receiving region, but the number of the light detection units 10 may be larger or smaller, A one-dimensionally arranged configuration is also possible. The common electrode E3 is disposed at the center of the plurality of light detection units 10.

個々の光検出部10は、APDと、接続電極3と、クエンチング抵抗4と、接続配線6を備えている。APDの一端は接続電極3に接続され、接続電極3はクエンチング抵抗4、及び、接続配線6を順次介して、上述の読出配線TLとなる読出配線(配線パターン)5B2に接続されている。読出配線5B2は、隣接するAPD間に位置しており、光検出部10間の境界位置に存在している。   Each light detection unit 10 includes an APD, a connection electrode 3, a quenching resistor 4, and a connection wiring 6. One end of the APD is connected to the connection electrode 3, and the connection electrode 3 is connected to the readout wiring (wiring pattern) 5 </ b> B <b> 2 serving as the above-described readout wiring TL through the quenching resistor 4 and the connection wiring 6 in order. The readout wiring 5B2 is located between adjacent APDs and is present at the boundary position between the light detection units 10.

読出配線5B2は、格子状のパターンを構成しており、1つの開口パターン内に、1つの光検出部10が配置されている。読出配線5B2は様々な形状のパターンを採用することができる。読出配線5B2のパターンの1つの開口内に複数の光検出部10を配置してもよい。一列又は複数例の光検出部10を、1つの開口パターン内に配置してもよい。   The readout wiring 5B2 forms a lattice pattern, and one light detection unit 10 is arranged in one opening pattern. The read wiring 5B2 can adopt patterns of various shapes. A plurality of light detection units 10 may be arranged in one opening of the pattern of the readout wiring 5B2. One row or a plurality of examples of the light detection units 10 may be arranged in one opening pattern.

1つの光検出部10に光子が入射すると、APDにおいてキャリアが発生し、このキャリアが接続電極3、クエンチング抵抗4、接続配線6、読出配線5B2(接続配線5B)を順次介して、共通電極E3に到達する。したがって、フォトダイオードアレイに光子が入射する毎に、共通電極E3からはパルス信号が出力される。なお、複数のAPDに光子がそれぞれ同時に入射した場合においても、共通電極E3から遠い位置に存在するAPDからの信号は、近い位置に存在するAPDからの信号よりも、共通電極E3への到達時間が遅くなる。すなわち、APDの位置に応じて、信号伝達時間が異なる。   When a photon is incident on one photodetecting section 10, carriers are generated in the APD, and this carrier sequentially passes through the connection electrode 3, the quenching resistor 4, the connection wiring 6, and the readout wiring 5B2 (connection wiring 5B) to the common electrode. E3 is reached. Therefore, each time a photon enters the photodiode array, a pulse signal is output from the common electrode E3. Even when photons are incident on a plurality of APDs at the same time, the signal from the APD that is located far from the common electrode E3 has a longer time to reach the common electrode E3 than the signal from the APD that is located near the common electrode E3. Becomes slower. That is, the signal transmission time varies depending on the position of the APD.

個々のAPDからの信号伝達時間が短く、信号伝達時間の面内のバラつきが少なく、且つ、出力信号が大きいほど、特性の優れたフォトダイオードアレイであると言える。前二者の特性は、信号伝達経路における時定数を減少させることで、改善することが可能である。時定数を減少させれば、信号伝達速度が速くなり、フォトダイオード毎の差分も小さくなるからである。読出配線の幅を太くすれば、時定数は小さくなる。一方、後者の特性は、各フォトダイオードにおける開口率を向上させることで、向上させることができるが、一般には、読出配線の幅を太くすれば、開口率は低下してしまう。そこで、本形態のフォトダイオードアレイでは、読出配線5B2を、接続電極3の主要部である表面電極3Bよりも上層側に配置することとし、読出配線の幅を広くしたとしても、開口率が低下しない構造とした。   The signal transmission time from each APD is short, the variation in the signal transmission time is less, and the larger the output signal, the better the photodiode array. The former two characteristics can be improved by reducing the time constant in the signal transmission path. This is because if the time constant is decreased, the signal transmission speed increases and the difference for each photodiode also decreases. If the width of the readout wiring is increased, the time constant becomes smaller. On the other hand, the latter characteristic can be improved by improving the aperture ratio of each photodiode, but generally the aperture ratio decreases if the width of the readout wiring is increased. Therefore, in the photodiode array of this embodiment, the readout wiring 5B2 is arranged on the upper layer side than the surface electrode 3B, which is the main part of the connection electrode 3, and the aperture ratio decreases even if the width of the readout wiring is widened. The structure was not.

図44は、フォトダイオードアレイの断面図、図45は、電極及び配線等の接続関係を示す図である。   FIG. 44 is a cross-sectional view of a photodiode array, and FIG. 45 is a diagram showing a connection relationship between electrodes and wirings.

図44に示すように、個々の光検出部10は、第1導電型(n型)の第1半導体領域(層)12と、第1半導体領域12とpn接合を構成する第2導電型(p型)の第2半導体領域(半導体層13及び高不純物濃度領域14)を備え、これらは半導体基板を構成している。半導体領域14又はその直下の領域は、そのpn接合においてキャリアが発生するため、光感応領域として機能し、キャリアを出力する。p型半導体に、n型半導体よりも低い電位を与えると、フォトダイオードに逆バイアス電圧が印加される。相対的に負電位に引かれるキャリアは正孔であり、相対的に正電位に引かれるキャリアは電子である。逆バイアス電圧が、APDのブレイクダウン電圧よりも大きい場合には、APDはガイガーモードで動作する。バイアス電圧は、共通電極E3と、半導体基板(第1半導体領域12)の裏面に、必要に応じて設けられる裏面電極E4との間に与えられる。   As shown in FIG. 44, each photodetecting section 10 includes a first conductivity type (n-type) first semiconductor region (layer) 12 and a second conductivity type (a pn junction that forms a pn junction with the first semiconductor region 12). A p-type second semiconductor region (semiconductor layer 13 and high impurity concentration region 14) is provided, and these constitute a semiconductor substrate. The semiconductor region 14 or a region immediately below the semiconductor region 14 generates a carrier at the pn junction, and thus functions as a photosensitive region and outputs a carrier. When a potential lower than that of the n-type semiconductor is applied to the p-type semiconductor, a reverse bias voltage is applied to the photodiode. Carriers that are relatively attracted to a negative potential are holes, and carriers that are relatively attracted to a positive potential are electrons. If the reverse bias voltage is greater than the APD breakdown voltage, the APD operates in Geiger mode. The bias voltage is applied between the common electrode E3 and a back electrode E4 provided on the back surface of the semiconductor substrate (first semiconductor region 12) as necessary.

この第2半導体領域における高不純物濃度領域(半導体領域)14には、第1コンタクト電極3A(図45参照)が接触している。高不純物濃度領域14は、不純物を半導体層13内に拡散することによって形成される拡散領域(半導体領域)であり、半導体層13よりも高い不純物濃度を有している。本例(タイプ1)では、n型の第1半導体領域12上に、p型の半導体層13が形成され、半導体層13の表面側に、p型の高濃度不純物領域14が形成されている。したがって、フォトダイオードを構成するpn接合は、第1半導体領域12と半導体層13との間に形成されている。   The first contact electrode 3A (see FIG. 45) is in contact with the high impurity concentration region (semiconductor region) 14 in the second semiconductor region. The high impurity concentration region 14 is a diffusion region (semiconductor region) formed by diffusing impurities into the semiconductor layer 13, and has a higher impurity concentration than the semiconductor layer 13. In this example (type 1), a p-type semiconductor layer 13 is formed on the n-type first semiconductor region 12, and a p-type high-concentration impurity region 14 is formed on the surface side of the semiconductor layer 13. . Therefore, the pn junction constituting the photodiode is formed between the first semiconductor region 12 and the semiconductor layer 13.

なお、半導体基板の層構造としては、上記とは導電型を反転させた構造を採用することもできる。すなわち、(タイプ2)の構造は、p型の第1半導体領域12上に、n型の半導体層13を形成し、半導体層13の表面側に、n型の高濃度不純物領域14が形成して形成される。   As the layer structure of the semiconductor substrate, a structure in which the conductivity type is reversed from the above can be adopted. That is, in the (type 2) structure, the n-type semiconductor layer 13 is formed on the p-type first semiconductor region 12, and the n-type high-concentration impurity region 14 is formed on the surface side of the semiconductor layer 13. Formed.

また、pn接合界面を、表面層側において形成することもできる。この場合、(タイプ3)の構造は、n型の第1半導体領域12上に、n型の半導体層13が形成され、半導体層13の表面側に、p型の高濃度不純物領域14が形成される構造となる。なお、この構造の場合には、pn接合は、半導体層13と半導体領域14との界面において形成される。   Also, the pn junction interface can be formed on the surface layer side. In this case, in the (type 3) structure, the n-type semiconductor layer 13 is formed on the n-type first semiconductor region 12, and the p-type high-concentration impurity region 14 is formed on the surface side of the semiconductor layer 13. It becomes a structure to be. In the case of this structure, the pn junction is formed at the interface between the semiconductor layer 13 and the semiconductor region 14.

もちろん、かかる構造においても、導電型を反転させることができる。すなわち、(タイプ4)の構造は、p型の第1半導体領域12上に、p型の半導体層13が形成され、半導体層13の表面側に、n型の高濃度不純物領域14が形成される構造となる。   Of course, even in such a structure, the conductivity type can be reversed. That is, in the (type 4) structure, the p-type semiconductor layer 13 is formed on the p-type first semiconductor region 12, and the n-type high concentration impurity region 14 is formed on the surface side of the semiconductor layer 13. It becomes a structure.

図45に示すように、半導体領域14に第1コンタクト電極3Aが接触し、第1コンタクト電極には、環状電極3Bが連続し、環状電極3Bは、第2コンタクト電極3Cを介して、クエンチング抵抗(抵抗層)4に接続される。すなわち、第1コンタクト電極3A、環状の表面電極3B及び第2コンタクト電極3Cからなる接続電極3は、半導体領域4とクエンチング抵抗4の一方端を電気的に接続している。   As shown in FIG. 45, the first contact electrode 3A is in contact with the semiconductor region 14, the annular electrode 3B is continuous with the first contact electrode, and the annular electrode 3B is quenched via the second contact electrode 3C. The resistor (resistive layer) 4 is connected. That is, the connection electrode 3 including the first contact electrode 3 </ b> A, the annular surface electrode 3 </ b> B, and the second contact electrode 3 </ b> C electrically connects the semiconductor region 4 and one end of the quenching resistor 4.

図44に示すように、半導体領域13,14上には、第1絶縁層16が形成され、第1絶縁層16上には、クエンチング抵抗4が形成されている。クエンチング抵抗4と第1絶縁層16とを覆うように第2絶縁層17が形成されている。第1絶縁層16及び17には、第1コンタクト電極3A(図45)が貫通するコンタクトホールが形成され、第2絶縁層17には、第2コンタクト電極3C(図45)が貫通するコンタクトホールが形成されている。また、クエンチング抵抗4の他方端には、接続配線6が接触し、電気的に接続されている。接続配線6は、第2絶縁層17に設けられたコンタクトホールを貫通するコンタクト電極と、第2絶縁層17上を這う接続部分とからなり、接続部分は、補助読出配線(下層読出配線)5Aに連続している。   As shown in FIG. 44, the first insulating layer 16 is formed on the semiconductor regions 13 and 14, and the quenching resistor 4 is formed on the first insulating layer 16. A second insulating layer 17 is formed so as to cover the quenching resistor 4 and the first insulating layer 16. A contact hole through which the first contact electrode 3A (FIG. 45) penetrates is formed in the first insulating layers 16 and 17, and a contact hole through which the second contact electrode 3C (FIG. 45) penetrates in the second insulating layer 17. Is formed. Further, the connection wiring 6 is in contact with and electrically connected to the other end of the quenching resistor 4. The connection wiring 6 is composed of a contact electrode penetrating a contact hole provided in the second insulating layer 17 and a connection portion that crawls on the second insulating layer 17, and the connection portion is an auxiliary read wiring (lower layer read wiring) 5A. It is continuous.

また、補助読出配線5A、表面電極3B、及び第2絶縁層上には、第3絶縁層18が形成されている。第1〜第3絶縁層16,17,18は、SiOやシリコン窒化物(SiNx)などの耐熱性の高い無機絶縁体からなる。第3絶縁層18上には、読出配線5B2が形成されている。図45に示すように、接続配線5Bは、第3絶縁層18に設けられたコンタクトホールを貫通するコンタクト電極5B1と、コンタクト電極5B1に連続し、第3絶縁層18上に位置する読出配線5B2とからなる。図45に示す例では、補助読出配線5A及び読出配線5B2が、厚み方向に離間して、並行に配置されおり、双方の終端が共通電極E3に電気的に接続される。 A third insulating layer 18 is formed on the auxiliary read wiring 5A, the surface electrode 3B, and the second insulating layer. The first to third insulating layers 16, 17, and 18 are made of an inorganic insulator having high heat resistance such as SiO 2 or silicon nitride (SiNx). On the third insulating layer 18, the read wiring 5B2 is formed. As shown in FIG. 45, the connection wiring 5B includes a contact electrode 5B1 penetrating through a contact hole provided in the third insulating layer 18, and a readout wiring 5B2 that is continuous with the contact electrode 5B1 and is located on the third insulating layer 18. It consists of. In the example shown in FIG. 45, the auxiliary read wiring 5A and the read wiring 5B2 are arranged in parallel with a separation in the thickness direction, and both ends are electrically connected to the common electrode E3.

共通電極E3の周辺の断面構造は、図14又は図20に対応して図74及び図75に示すように、図14及び図15の構造において、絶縁層17上に絶縁層18を形成し、更に、共通電極E3及び読出配線5B2(TL)を、絶縁層18上に形成し、貫通孔THが、共通電極E3の裏面に至るまで、対応箇所の絶縁層16,17,18を除去した点が異なり、その他の点は、同一である。このような半導体チップの上には、上述のようにガラス板や接着層、樹脂などの絶縁体が配置され、その上にシンチレータが接着される。   74 and 75 corresponding to FIG. 14 or FIG. 20, the insulating layer 18 is formed on the insulating layer 17 in the cross-sectional structure around the common electrode E3. Further, the common electrode E3 and the readout wiring 5B2 (TL) are formed on the insulating layer 18, and the corresponding insulating layers 16, 17, 18 are removed until the through hole TH reaches the back surface of the common electrode E3. However, the other points are the same. On such a semiconductor chip, an insulator such as a glass plate, an adhesive layer, or a resin is disposed as described above, and a scintillator is bonded thereon.

なお、共通電極E3は、第2絶縁層17上に形成していてもよく、この場合には、読出配線5B2の終端においては、第3絶縁層18が除去された領域上に共通電極E3が位置し、これに補助読出配線5A及び読出配線5B2が接続される。共通電極E3が第3絶縁層18上に形成されている場合には、読出配線5B2が共通電極E3に接続されると共に、補助読出配線5Aの終端において、第3絶縁層18に設けられたコンタクトホールを介して、補助読出配線5Aが共通電極E3に接続される。   The common electrode E3 may be formed on the second insulating layer 17. In this case, the common electrode E3 is formed on the region where the third insulating layer 18 is removed at the end of the read wiring 5B2. The auxiliary readout wiring 5A and readout wiring 5B2 are connected to this. When the common electrode E3 is formed on the third insulating layer 18, the readout wiring 5B2 is connected to the common electrode E3, and the contact provided on the third insulating layer 18 at the end of the auxiliary readout wiring 5A. The auxiliary readout wiring 5A is connected to the common electrode E3 through the hole.

環状の表面電極3Bは、第2絶縁層17上に位置しており、且つ、Z軸方向からみて、半導体領域14の外縁上に沿って設けられている。表面電極3Bは、半導体領域14の外縁(半導体領域13との境界)に一定の電界を発生させることで、フォトダイオード出力の安定性を向上させている。   The annular surface electrode 3B is located on the second insulating layer 17 and is provided along the outer edge of the semiconductor region 14 when viewed from the Z-axis direction. The surface electrode 3B improves the stability of the photodiode output by generating a constant electric field at the outer edge of the semiconductor region 14 (boundary with the semiconductor region 13).

ここで、図44において、半導体領域14の表面を含む平面を基準平面(XY平面)とした場合、この基準平面から読出配線5B2までの距離tbは、この基準平面から表面電極3Bまでの距離taよりも大きい。なぜならば、第3の絶縁層18が、読出配線5B2と、第2絶縁層17との間に介在しているからである。この構造により、読出配線5B2の幅の設計の自由度を、フォトダイオードの開口率を減少させることなく増加させることができる。これにより、読出配線5B2の幅を増加させ、単位長当たりの抵抗値を低下させ、また、寄生容量を低減し、信号伝達速度を向上させることができる。   Here, in FIG. 44, when a plane including the surface of the semiconductor region 14 is a reference plane (XY plane), a distance tb from the reference plane to the read wiring 5B2 is a distance ta from the reference plane to the surface electrode 3B. Bigger than. This is because the third insulating layer 18 is interposed between the read wiring 5B2 and the second insulating layer 17. With this structure, the degree of freedom in designing the width of the readout wiring 5B2 can be increased without reducing the aperture ratio of the photodiode. As a result, the width of the readout wiring 5B2 can be increased, the resistance value per unit length can be reduced, the parasitic capacitance can be reduced, and the signal transmission speed can be improved.

なお、APDは、半導体領域14及び半導体領域14の直下の領域で構成され、半導体領域13,12を含んでいる。読出配線5B2は、半導体領域14(APD)間の領域に形成されている。読出配線5B2の幅を増加させても、半導体領域14の露出した領域を覆うまでは、開口率の低下が生じず、信号出力を大きくすることができる。   The APD is composed of a semiconductor region 14 and a region immediately below the semiconductor region 14 and includes semiconductor regions 13 and 12. The read wiring 5B2 is formed in a region between the semiconductor regions 14 (APD). Even if the width of the readout wiring 5B2 is increased, the aperture ratio does not decrease until the exposed region of the semiconductor region 14 is covered, and the signal output can be increased.

以上、説明したように、上述のフォトダイオードアレイは、ガイガーモードで動作するAPDを有する光検出部10を複数備えたフォトダイオードアレイにおいて、個々の光検出部10は、キャリアを出力する半導体領域14を有するAPDと、半導体領域14に電気的に接続され、且つ、その外縁に沿って半導体領域14を囲む表面電極3Bと、表面電極3Bと読出配線5B2とを接続するクエンチング抵抗4とを備えている。また、半導体領域14の表面を含む平面を基準平面とした場合、この基準平面から読出配線5B2までの距離tbは、この基準平面から表面電極3Bまでの距離taよりも大きく、読出配線5B2は、隣接するAPD間に位置している。このフォトダイオードアレイによれば、信号読出速度等の特性を向上させることができる。   As described above, the photodiode array described above is a photodiode array including a plurality of photodetectors 10 each having an APD that operates in Geiger mode. Each photodetector 10 includes a semiconductor region 14 that outputs a carrier. A surface electrode 3B that is electrically connected to the semiconductor region 14 and surrounds the semiconductor region 14 along the outer edge thereof, and a quenching resistor 4 that connects the surface electrode 3B and the readout wiring 5B2. ing. When a plane including the surface of the semiconductor region 14 is a reference plane, a distance tb from the reference plane to the readout wiring 5B2 is larger than a distance ta from the reference plane to the surface electrode 3B, and the readout wiring 5B2 is Located between adjacent APDs. According to this photodiode array, characteristics such as signal readout speed can be improved.

なお、上記では表面電極3Bとして環状のものを用いたが、これは一部分が切れていてもよい。また、クエンチング抵抗4の形状は、上記では直線状に延びたものを示したが、これは種々の形状が考えられる。   In the above description, an annular electrode is used as the surface electrode 3B, but this may be partially cut off. Moreover, although the shape of the quenching resistor 4 is shown as extending linearly in the above, various shapes are conceivable.

図46は、電極及び配線等の接続関係を示す図である。   FIG. 46 is a diagram illustrating a connection relationship between electrodes and wirings.

本例のクエンチング抵抗4は、表面電極3Bの外側を囲むように延びており、途中で切れたリング形状を有している。クエンチング抵抗4の一方端は、接続電極3を介して、半導体領域14に電気的に接続されている。クエンチング抵抗4の他方端は、接続配線6を介して、補助読出配線5Aに接続され、補助読出配線5Aは、コンタクト電極5B1を介して、読出配線5B2に電気的に接続されている。本例では、クエンチング抵抗4を長くしたため、その抵抗値を増加させることができる構造であるが、キャリアの通過経路に沿った縦断面構造は、接続配線6が水平に延びる部分を有しておらず、直接、補助読出配線5Aの下面に接続される点を除いて、図44に示したものと同一である。   The quenching resistor 4 of this example extends so as to surround the outside of the surface electrode 3B, and has a ring shape that is cut off in the middle. One end of the quenching resistor 4 is electrically connected to the semiconductor region 14 via the connection electrode 3. The other end of the quenching resistor 4 is connected to the auxiliary readout wiring 5A through the connection wiring 6, and the auxiliary readout wiring 5A is electrically connected to the readout wiring 5B2 through the contact electrode 5B1. In this example, since the quenching resistance 4 is lengthened, the resistance value can be increased. However, the longitudinal cross-sectional structure along the carrier passage path has a portion where the connection wiring 6 extends horizontally. It is the same as that shown in FIG. 44 except that it is directly connected to the lower surface of the auxiliary readout wiring 5A.

次に、様々な読出配線5B及びと補助読出配線5Aの構造の例について説明する。   Next, examples of the structure of various readout wirings 5B and auxiliary readout wirings 5A will be described.

(第1例)図47は、フォトダイオードアレイ(第1例)の部分平面図、図48は、図47に示したフォトダイオードアレイ(第1例)のA−A矢印断面図である。   First Example FIG. 47 is a partial plan view of a photodiode array (first example), and FIG. 48 is a cross-sectional view of the photodiode array (first example) shown in FIG.

第1例の構造は、図46に示した構造において、読出配線5B2が、隣接する半導体領域14の間を延びており、読出配線5B2の幅が、隣接する表面電極3B間の離間距離よりも小さい場合である。なお、補助読出配線5Aは、読出配線5B2と同一の幅を有しており、これらは平行に延びている。ここで、第3絶縁層18の厚みが十分に厚くない場合、又は、表面研磨が行われていない場合には、図48に示すように、第3絶縁層18の表面が、下部の表面電極3Bの形状に起因して、凹凸を有することとなる。もちろん、補助読出配線5Aの形状に起因して、第3絶縁層18の表面も凹凸して変形することになるが、図48においては、かかる変形については図示していない。   In the structure of the first example, in the structure shown in FIG. 46, the readout wiring 5B2 extends between the adjacent semiconductor regions 14, and the width of the readout wiring 5B2 is larger than the separation distance between the adjacent surface electrodes 3B. This is the case. The auxiliary read wiring 5A has the same width as the read wiring 5B2, and these extend in parallel. Here, when the thickness of the third insulating layer 18 is not sufficiently thick or when the surface polishing is not performed, as shown in FIG. 48, the surface of the third insulating layer 18 is a lower surface electrode. Due to the shape of 3B, it will have irregularities. Of course, due to the shape of the auxiliary readout wiring 5A, the surface of the third insulating layer 18 is also deformed with irregularities, but such deformation is not shown in FIG.

本例では、2つの読出配線5A,5B2が併設されているので、配線抵抗を低下させ、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。   In this example, since the two readout wirings 5A and 5B2 are provided, the wiring resistance can be reduced, the time constant can be reduced, and the signal readout speed can be improved.

(第2例)図49は、フォトダイオードアレイ(第2例)の部分平面図、図50は、図49に示したフォトダイオードアレイ(第2例)のA−A矢印断面図である。   (Second Example) FIG. 49 is a partial plan view of a photodiode array (second example), and FIG. 50 is a cross-sectional view of the photodiode array (second example) shown in FIG.

第2例の構造は、図46に示した構造において、読出配線5B2が、隣接する半導体領域14の間を延びており、読出配線5B2の幅が、隣接する表面電極3B間の離間距離に近接した場合である。なお、補助読出配線5Aは、読出配線5B2よりも狭い幅を有しており、これらは平行に延びている。ここで、第3絶縁層18の厚みが十分に厚くない場合、又は、表面研磨が行われていない場合には、図50に示すように、第3絶縁層18の表面が、下部の表面電極3Bの形状に起因して、凹凸を有することとなる。もちろん、補助読出配線5Aの形状に起因して、第3絶縁層18の表面も凹凸して変形することになるが、図50においては、かかる変形については図示していない。   The structure of the second example is the structure shown in FIG. 46, in which the readout wiring 5B2 extends between the adjacent semiconductor regions 14, and the width of the readout wiring 5B2 is close to the separation distance between the adjacent surface electrodes 3B. This is the case. The auxiliary readout wiring 5A has a narrower width than the readout wiring 5B2, and these extend in parallel. Here, when the thickness of the third insulating layer 18 is not sufficiently thick or when the surface polishing is not performed, the surface of the third insulating layer 18 is a lower surface electrode as shown in FIG. Due to the shape of 3B, it will have irregularities. Of course, due to the shape of the auxiliary readout wiring 5A, the surface of the third insulating layer 18 is also deformed with irregularities, but such deformation is not shown in FIG.

本例では、2つの読出配線5A,5B2が併設されているので、配線抵抗を低下させ、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。更に、読出配線5B2の幅が広いため、配線抵抗を大きく低下させることができる。   In this example, since the two readout wirings 5A and 5B2 are provided, the wiring resistance can be reduced, the time constant can be reduced, and the signal readout speed can be improved. Furthermore, since the width of the readout wiring 5B2 is wide, the wiring resistance can be greatly reduced.

なお、上述の第1例及び第2例において、第3絶縁層18の厚みを十分に厚くした場合(1μm〜5μm)には、又は、表面を研磨して平坦化した場合には、読出配線5Bは平坦面上に形成されることになるため、表面の段差に起因する断線が抑制されるという効果がある。なお、表面電極3B及び補助読出配線5Aの厚みは、共に、0.6μm〜3.0μmである。   In the above first and second examples, when the thickness of the third insulating layer 18 is sufficiently thick (1 μm to 5 μm), or when the surface is polished and flattened, the readout wiring Since 5B is formed on a flat surface, there is an effect that disconnection due to a step on the surface is suppressed. The thicknesses of the surface electrode 3B and the auxiliary readout wiring 5A are both 0.6 μm to 3.0 μm.

(第3例)図51は、フォトダイオードアレイ(第3例)の部分平面図であり、図52は、図51に示したフォトダイオードアレイ(第3例)のA−A矢印断面図である。   (Third Example) FIG. 51 is a partial plan view of a photodiode array (third example), and FIG. 52 is a cross-sectional view of the photodiode array (third example) shown in FIG. .

第3例の構造は、図46に示した構造において、読出配線5B2が、隣接する半導体領域14の間を延びており、読出配線5B2の幅が、隣接する表面電極3B間の離間距離(外縁間の離間距離の最小値)よりも大きい場合である。読出配線5B2の幅は、隣接する表面電極3Bの内縁間の離間距離の最小値以下である。   The structure of the third example is the structure shown in FIG. 46, in which the readout wiring 5B2 extends between the adjacent semiconductor regions 14, and the width of the readout wiring 5B2 is the separation distance (outer edge) between the adjacent surface electrodes 3B. It is a case where it is larger than the minimum value of the distance between them. The width of the read wiring 5B2 is equal to or smaller than the minimum value of the separation distance between the inner edges of the adjacent surface electrodes 3B.

なお、補助読出配線5Aは、読出配線5B2よりも狭い幅を有しており、これらは平行に延びている。ここで、第3絶縁層18の厚みが十分に厚い、又は、表面研磨が行われているため、図52に示すように、第3絶縁層18の表面が平坦化されている。   The auxiliary readout wiring 5A has a narrower width than the readout wiring 5B2, and these extend in parallel. Here, since the thickness of the third insulating layer 18 is sufficiently thick or surface polishing is performed, the surface of the third insulating layer 18 is flattened as shown in FIG.

本例では、2つの読出配線5A,5B2が併設されているので、配線抵抗を低下させ、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。また、読出配線5B2の幅が著しく広くなったため、配線抵抗が更に低くなっている。   In this example, since the two readout wirings 5A and 5B2 are provided, the wiring resistance can be reduced, the time constant can be reduced, and the signal readout speed can be improved. In addition, since the width of the read wiring 5B2 is significantly widened, the wiring resistance is further reduced.

次に、上述の補助読出配線5Aを実質的に省略した例について説明する。   Next, an example in which the above-described auxiliary readout wiring 5A is substantially omitted will be described.

図53は、電極及び配線等の接続関係を示す図である。図46に示した構造との相違点は、補助読出配線5Aが、直接的には共通電極に接続されておらず、接続配線6とコンタクト電極5B1を接続するためのみに用いられている点であり、その他の点は、同一である。すなわち、補助読出配線5Aは、読出配線5B2を介することなく、共通電極には電気的に接続されていない。かかる構造を用いた例について、以下説明する。   FIG. 53 is a diagram showing a connection relationship between electrodes and wirings. The difference from the structure shown in FIG. 46 is that the auxiliary readout wiring 5A is not directly connected to the common electrode, but is used only to connect the connection wiring 6 and the contact electrode 5B1. Yes, the other points are the same. That is, the auxiliary readout wiring 5A is not electrically connected to the common electrode without passing through the readout wiring 5B2. An example using such a structure will be described below.

(第4例)図54は、フォトダイオードアレイ(第4例)の部分平面図であり、図55は、図54に示したフォトダイオードアレイ(第4例)のA−A矢印断面図である。   (Fourth Example) FIG. 54 is a partial plan view of a photodiode array (fourth example), and FIG. 55 is a cross-sectional view of the photodiode array (fourth example) shown in FIG. .

第4例の構造は、図53に示した構造において、読出配線5B2が、隣接する半導体領域14の間を延びており、読出配線5B2の幅が、隣接する表面電極3B間の離間距離よりも小さい場合である。なお、補助読出配線5Aは、読出配線5B2と同一の幅を有しており、平行に延びている部分を僅かに有するが、共通電極に至る途中で途切れている。ここで、第3絶縁層18の厚みが十分に厚くない場合、又は、表面研磨が行われていない場合には、図55に示すように、第3絶縁層18の表面が、下部の表面電極3Bの形状に起因して、凹凸を有することとなる。補助読出配線5Aは実質的に存在しないので、これに起因する凹凸は第3絶縁層18の表面には実質的にはない。   In the structure of the fourth example, in the structure shown in FIG. 53, the readout wiring 5B2 extends between the adjacent semiconductor regions 14, and the width of the readout wiring 5B2 is larger than the separation distance between the adjacent surface electrodes 3B. This is the case. The auxiliary readout wiring 5A has the same width as the readout wiring 5B2, and has a slight portion extending in parallel, but is interrupted on the way to the common electrode. Here, when the thickness of the third insulating layer 18 is not sufficiently thick or when the surface polishing is not performed, as shown in FIG. 55, the surface of the third insulating layer 18 is a lower surface electrode. Due to the shape of 3B, it will have irregularities. Since the auxiliary read wiring 5 </ b> A does not substantially exist, the unevenness due to this is not substantially present on the surface of the third insulating layer 18.

本例では、読出配線5B2が上層を通っているので、その厚みや幅を自由に設計することができ、配線抵抗を低下させ、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。   In this example, since the readout wiring 5B2 passes through the upper layer, the thickness and width can be freely designed, the wiring resistance can be reduced, the time constant can be reduced, and the signal readout speed can be improved. .

(第5例)図56は、フォトダイオードアレイ(第5例)の部分平面図であり、図57は、図56に示したフォトダイオードアレイ(第5例)のA−A矢印断面図である。   (Fifth Example) FIG. 56 is a partial plan view of a photodiode array (fifth example), and FIG. 57 is a cross-sectional view of the photodiode array (fifth example) shown in FIG. .

第5例の構造は、図54に示した構造において、読出配線5B2が、隣接する半導体領域14の間を延びており、読出配線5B2の幅が、隣接する表面電極3B間の離間距離に近接した場合である。なお、補助読出配線5Aは、読出配線5B2と同一の幅を有しており、平行に延びている部分を僅かに有するが、共通電極E3に至る途中で途切れている。ここで、第3絶縁層18の厚みが十分に厚くない場合、又は、表面研磨が行われていない場合には、図57に示すように、第3絶縁層18の表面が、下部の表面電極3Bの形状に起因して、凹凸を有することとなる。補助読出配線5Aは実質的に存在しないので、これに起因する凹凸は第3絶縁層18の表面には実質的にはない。   In the structure of the fifth example, in the structure shown in FIG. 54, the readout wiring 5B2 extends between the adjacent semiconductor regions 14, and the width of the readout wiring 5B2 is close to the separation distance between the adjacent surface electrodes 3B. This is the case. The auxiliary readout wiring 5A has the same width as the readout wiring 5B2, and has a portion extending in parallel, but is interrupted on the way to the common electrode E3. Here, when the thickness of the third insulating layer 18 is not sufficiently thick or when the surface polishing is not performed, as shown in FIG. 57, the surface of the third insulating layer 18 is a lower surface electrode. Due to the shape of 3B, it will have irregularities. Since the auxiliary read wiring 5 </ b> A does not substantially exist, the unevenness due to this is not substantially present on the surface of the third insulating layer 18.

本例では、読出配線5B2の幅が広いので、配線抵抗を低下させ、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。また、補助読出配線5Aは実質的に存在しないので、これに起因する第3絶縁層18の段差がなく、この段差に起因する読出配線5B2の断線が抑制されるという効果がある。   In this example, since the width of the readout wiring 5B2 is wide, the wiring resistance can be reduced, the time constant can be reduced, and the signal readout speed can be improved. In addition, since the auxiliary read wiring 5A does not substantially exist, there is no step in the third insulating layer 18 due to this, and there is an effect that disconnection of the read wiring 5B2 due to this step is suppressed.

なお、上述の第4例及び第5例において、第3絶縁層18の厚みを十分に厚くし、又は、表面を研磨して、その表面を平坦化することができる。平坦化が可能となる第3絶縁層18の厚みの範囲及び表面電極3Bの厚みの範囲は、第2例に記載の場合と同一である。   In the fourth and fifth examples described above, the thickness of the third insulating layer 18 can be made sufficiently thick, or the surface can be polished to flatten the surface. The range of the thickness of the third insulating layer 18 and the range of the thickness of the surface electrode 3B that can be planarized are the same as those described in the second example.

(第6例)図58は、フォトダイオードアレイ(第6例)の部分平面図であり、図59は、図58に示したフォトダイオードアレイ(第6例)のA−A矢印断面図である。   (Sixth Example) FIG. 58 is a partial plan view of a photodiode array (sixth example), and FIG. 59 is a cross-sectional view of the photodiode array (sixth example) shown in FIG. .

第6例の構造は、図53に示した構造において、読出配線5B2が、隣接する半導体領域14の間を延びており、読出配線5B2の幅が、隣接する表面電極3B間の離間距離(外縁間の離間距離の最小値)よりも大きい場合である。読出配線5B2の幅は、隣接する表面電極3Bの内縁間の離間距離の最小値以下である。   The structure of the sixth example is the structure shown in FIG. 53, in which the readout wiring 5B2 extends between the adjacent semiconductor regions 14, and the width of the readout wiring 5B2 is the separation distance (outer edge) between the adjacent surface electrodes 3B. It is a case where it is larger than the minimum value of the separation distance between them. The width of the read wiring 5B2 is equal to or smaller than the minimum value of the separation distance between the inner edges of the adjacent surface electrodes 3B.

なお、補助読出配線5Aは、読出配線5B2と同一の幅を有しており、平行に延びている部分を僅かに有するが、共通電極に至る途中で途切れている。ここで、第3絶縁層18の厚みが十分に厚い、又は、表面研磨が行われているため、図59に示すように、第3絶縁層18の表面が平坦化されている。   The auxiliary readout wiring 5A has the same width as the readout wiring 5B2, and has a slight portion extending in parallel, but is interrupted on the way to the common electrode. Here, since the thickness of the third insulating layer 18 is sufficiently thick or surface polishing is performed, the surface of the third insulating layer 18 is flattened as shown in FIG.

本例では、読出配線5B2の幅が十分に広いので、配線抵抗を低下させ、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。また、補助読出配線5Aは実質的に存在せず、また、第3絶縁層18の表面は平坦化されているので、第3絶縁層18の段差がなく、この段差に起因する読出配線5B2の断線が抑制されるという効果がある。   In this example, since the width of the readout wiring 5B2 is sufficiently wide, the wiring resistance can be reduced, the time constant can be reduced, and the signal readout speed can be improved. Further, the auxiliary read wiring 5A is not substantially present, and the surface of the third insulating layer 18 is flattened, so that there is no step in the third insulating layer 18, and the read wiring 5B2 caused by this step is not present. There is an effect that disconnection is suppressed.

(第7例)図60は、フォトダイオードアレイ(第7例)の部分平面図であり、図61は、図60に示したフォトダイオードアレイ(第7例)のA−A矢印断面図である。   (Seventh Example) FIG. 60 is a partial plan view of a photodiode array (seventh example), and FIG. 61 is a cross-sectional view of the photodiode array (seventh example) shown in FIG. .

第7例の構造は、第6例の構造において、読出配線5B2の幅を狭くする代わりに、半導体領域14の離間距離を狭くし、フォトダイオードの開口率を向上させたものである。その他の点は、第6例と同一である。なお、いずれの例においても、コンタクト電極5B1は、クエンチング抵抗4で囲まれた領域の外側に設けられていてもよい。   The structure of the seventh example is the same as the structure of the sixth example, except that the separation distance of the semiconductor region 14 is narrowed and the aperture ratio of the photodiode is improved instead of narrowing the width of the read wiring 5B2. Other points are the same as in the sixth example. In any example, the contact electrode 5B1 may be provided outside the region surrounded by the quenching resistor 4.

本例では、読出配線5B2の幅が十分に広いので、配線抵抗を低下させ、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。また、補助読出配線5Aは実質的に存在せず、また、第3絶縁層18の表面は平坦化されているので、第3絶縁層18の段差がなく、この段差に起因する読出配線5B2の断線が抑制されるという効果がある。また、フォトダイオードの開口率が向上しているため、出力信号が大きくなるという利点がある。   In this example, since the width of the readout wiring 5B2 is sufficiently wide, the wiring resistance can be reduced, the time constant can be reduced, and the signal readout speed can be improved. Further, the auxiliary read wiring 5A is not substantially present, and the surface of the third insulating layer 18 is flattened, so that there is no step in the third insulating layer 18, and the read wiring 5B2 caused by this step is not present. There is an effect that disconnection is suppressed. Further, since the aperture ratio of the photodiode is improved, there is an advantage that the output signal is increased.

なお、上述のいずれの構造においても、半導体基板の構造として、図62に示す構造も採用することができる。   In any of the above structures, the structure shown in FIG. 62 can also be employed as the structure of the semiconductor substrate.

図62は、基板の構造を変更したフォトダイオードアレイの縦断面図である。同図では、上記のフォトダイオードアレイと比較して、変更される点のみを実線で示しており、残りを一点鎖線で示している。   FIG. 62 is a longitudinal sectional view of a photodiode array in which the structure of the substrate is changed. In the figure, as compared with the photodiode array, only the changed points are indicated by solid lines, and the remaining points are indicated by alternate long and short dash lines.

この構造は、上述の図43以降に説明されるタイプ1〜タイプ4の構造において、半導体領域14の直下に半導体領域15を配置した点が異なり、その他の点は、同一である。半導体領域15は、半導体領域14と同一の導電型、又は、異なる導電型を有している。同一の導電型を有するものを(タイプ1S)〜(タイプ4S)とし、異なる導電型を有するものを(タイプ1D)〜(タイプ4D)とする。なお、半導体領域15における不純物濃度は、半導体領域14の不純物濃度よりも小さい。また、p型の不純物としては、B(ボロン)を採用することができ、n型の不純物としてはP(リン)、As(ヒ素)又はSb(アンチモン)を採用することができる。   This structure is the same as the structure of type 1 to type 4 described in FIG. 43 and subsequent drawings, except that the semiconductor region 15 is disposed immediately below the semiconductor region 14, and the other points are the same. The semiconductor region 15 has the same conductivity type as the semiconductor region 14 or a different conductivity type. Those having the same conductivity type are referred to as (type 1S) to (type 4S), and those having different conductivity types are referred to as (type 1D) to (type 4D). The impurity concentration in the semiconductor region 15 is smaller than the impurity concentration in the semiconductor region 14. Further, B (boron) can be adopted as the p-type impurity, and P (phosphorus), As (arsenic) or Sb (antimony) can be adopted as the n-type impurity.

なお、上述の半導体構造における各層の導電型、不純物濃度及び厚みの好適な範囲は、各タイプにおいて、図41以降に説明した通りである。   Note that the preferable ranges of the conductivity type, impurity concentration, and thickness of each layer in the semiconductor structure described above are as described in FIG.

なお、上述の例では、最下部の半導体領域12は、厚みの大きな半導体基板を構成するものであるが、光検出部10は、この下に更に半導体基板を備えていてもよく、この場合は、半導体領域12は、かかる付加的な半導体基板よりも薄い厚みを有することとなる。   In the above-described example, the lowermost semiconductor region 12 constitutes a semiconductor substrate having a large thickness. However, the light detection unit 10 may further include a semiconductor substrate below, in this case. The semiconductor region 12 has a thinner thickness than such an additional semiconductor substrate.

また、半導体領域13は、半導体領域12上にエピタキシャル成長法において形成することができるが、基板に対する不純物拡散又はイオン注入によって形成することとしてもよい。半導体領域14,15は、半導体領域13に対する不純物拡散又はイオン注入によって形成することができる。   The semiconductor region 13 can be formed on the semiconductor region 12 by an epitaxial growth method, but may be formed by impurity diffusion or ion implantation with respect to the substrate. The semiconductor regions 14 and 15 can be formed by impurity diffusion or ion implantation with respect to the semiconductor region 13.

図63は、フォトダイオードアレイの平面図である。本例は、図45に示したタイプの構造の電極パターンを有している。表面には、格子状の読出電極(読出配線)5B2と、読出電極5B2に接続される共通電極E3が形成されており、格子の1つ毎の開口内に光検出部10が位置している。   FIG. 63 is a plan view of the photodiode array. This example has an electrode pattern of the type shown in FIG. On the surface, a grid-like readout electrode (readout wiring) 5B2 and a common electrode E3 connected to the readout electrode 5B2 are formed, and the light detection unit 10 is located in each opening of the grid. .

個々の光検出部10は、半導体領域14(図45参照)に接続された接続電極3を有しており、接続電極3は、クエンチング抵抗4を介して、読出配線5B2に接続されている。このフォトダイオードアレイのキャリアの進行経路に沿った縦断面構造は、図44に示したものであるが、上述のタイプ1〜4(タイプ1S〜4S,1D〜4D)の構造を採用することも可能である。また、上層の読出配線5B2は必須であるが、下層の補助読出配線5Aは、用いてもよいが、省略することも可能である。すなわち、読出配線5B2及び補助読出配線5Aの構造として、上述の第1例〜第7例の構造を適用することが可能である。   Each photodetection section 10 has a connection electrode 3 connected to the semiconductor region 14 (see FIG. 45), and the connection electrode 3 is connected to the readout wiring 5B2 via the quenching resistor 4. . The vertical cross-sectional structure along the carrier traveling path of this photodiode array is as shown in FIG. 44, but the above-described types 1 to 4 (types 1S to 4S, 1D to 4D) may be adopted. Is possible. Further, the upper layer readout wiring 5B2 is essential, but the lower layer auxiliary readout wiring 5A may be used, but may be omitted. In other words, the structures of the first to seventh examples described above can be applied as the structure of the readout wiring 5B2 and the auxiliary readout wiring 5A.

また、読出配線5B2の1つの開口内に、複数の光検出部10を有することも可能である。   It is also possible to have a plurality of light detection units 10 in one opening of the readout wiring 5B2.

なお、共通電極E3の周辺の断面構造、半導体チップへのシンチレータの貼り付け構造、これらからなる検出チップを配線基板に固定する構造等は、上述の説明のものと同一である。   The cross-sectional structure around the common electrode E3, the structure for attaching the scintillator to the semiconductor chip, the structure for fixing the detection chip composed of these to the wiring board, and the like are the same as those described above.

図64は、このようなフォトダイオードアレイの表面のSEM(走査型電子顕微鏡)写真を示す図であり、図65は、フォトダイオードアレイの断面(A―A矢印断面)のSEM写真を示す図である。なお、本例は、第5例の構造を示すものであり、補助読出電極5Aは実質的に用いていない。   FIG. 64 is a diagram showing an SEM (scanning electron microscope) photograph of the surface of such a photodiode array, and FIG. 65 is a diagram showing an SEM photograph of a section of the photodiode array (a section taken along line AA). is there. This example shows the structure of the fifth example, and the auxiliary read electrode 5A is not substantially used.

図64では、第3絶縁層18の表面形状の変化によって、表面電極3Bに接続されたクエンチング抵抗4が存在している旨が観察され、クエンチング抵抗4に併設して読出配線5B2が延びている旨が観察される。図65では、表面電極3Bよりも上層に読出電極5B2が存在している旨が示されている。   In FIG. 64, it is observed that the quenching resistor 4 connected to the surface electrode 3B exists due to the change in the surface shape of the third insulating layer 18, and the readout wiring 5B2 extends alongside the quenching resistor 4. Is observed. FIG. 65 shows that the readout electrode 5B2 is present in an upper layer than the surface electrode 3B.

図66は、フォトダイオードアレイの一部の平面図である。本例は、図46に示したタイプの構造の電極パターンを有している。表面には、長方形の開口を有する格子状の読出電極5B2が形成されており、格子の1つ毎の開口内に複数の光検出部10が位置している。本構造は、第2例のフォトダイオードアレイを示すものである。   FIG. 66 is a plan view of a part of the photodiode array. This example has an electrode pattern having the structure shown in FIG. On the surface, a grid-shaped readout electrode 5B2 having a rectangular opening is formed, and a plurality of light detection units 10 are located in each opening of the grid. This structure shows the photodiode array of the second example.

個々の光検出部10は、キャリアを出力する半導体領域14を有するアバランシェフォトダイオードを有しており、表面電極3Bは、半導体領域14に電気的に接続され、且つ、その外縁に沿って半導体領域14を囲んでいる。表面電極3Bと読出配線5B2とはクエンチング抵抗4によって、接続されている。   Each of the light detection units 10 includes an avalanche photodiode having a semiconductor region 14 that outputs carriers, and the surface electrode 3B is electrically connected to the semiconductor region 14 and has a semiconductor region along its outer edge. 14 is enclosed. The surface electrode 3B and the readout wiring 5B2 are connected by a quenching resistor 4.

縦方向に延びる1本の読出配線5B2には、横方向に隣接する2つの光検出部10が、共通の接続配線(コンタクト電極)6を介して、接続されており、これらの光検出部10は、当該読出配線5B2の縦方向中心軸に対して線対称の構造を有している。これにより、読出配線5B2の数を減らすことができる。   Two photodetecting units 10 adjacent in the horizontal direction are connected to one readout wiring 5B2 extending in the vertical direction via a common connection wiring (contact electrode) 6, and these photodetecting units 10 are connected to each other. Has a line-symmetric structure with respect to the longitudinal central axis of the readout wiring 5B2. Thereby, the number of read-out wiring 5B2 can be reduced.

図67は、図66に示したフォトダイオードアレイ(第2例)のA−A矢印断面図である。   67 is a cross-sectional view taken along the line AA of the photodiode array (second example) shown in FIG.

半導体層12上に、半導体領域13が形成されており、半導体領域13上に、第1絶縁層16が形成されている。第1絶縁層16上にはクエンチング抵抗4が形成され、これらの上に第2絶縁層17が形成されている。第2絶縁層17のコンタクトホールを介して、補助読出配線5Aが第2絶縁層17上に設けられており、補助読出配線5A上に第3絶縁層18が形成されている。第3絶縁層18に設けられたコンタクトホール内には、コンタクト電極5B1が設けられており、下層の補助読出配線5Aと上層の読出配線5B2を物理的及び電気的に接続している。   A semiconductor region 13 is formed on the semiconductor layer 12, and a first insulating layer 16 is formed on the semiconductor region 13. A quenching resistor 4 is formed on the first insulating layer 16, and a second insulating layer 17 is formed thereon. An auxiliary read wiring 5A is provided on the second insulating layer 17 through a contact hole of the second insulating layer 17, and a third insulating layer 18 is formed on the auxiliary read wiring 5A. A contact electrode 5B1 is provided in the contact hole provided in the third insulating layer 18, and the lower auxiliary read wiring 5A and the upper read wiring 5B2 are physically and electrically connected.

なお、補助読出配線5Aの終端位置にコンタクト電極5B1が位置し、これより出力側の補助読出配線5Aが省略されている場合には、本例は上述の第5例のフォトダイオードアレイとなる。なお、本例の配線接続構造は、第1例〜第7例のいずれの構造にも適用することが可能である。   In the case where the contact electrode 5B1 is located at the terminal position of the auxiliary read wiring 5A and the auxiliary read wiring 5A on the output side is omitted from the contact electrode 5B1, this example is the photodiode array of the fifth example described above. Note that the wiring connection structure of this example can be applied to any of the structures of the first to seventh examples.

なお、補助配線電極5Aを備えない場合、コンタクト電極5B1を、クエンチング抵抗4の直上に配置して、クエンチング抵抗4と読出配線5B2とをコンタクト電極5B1によって直接的に接続することも可能である。このように、補助読出配線5Aを完全に省略する構造も可能である。   When the auxiliary wiring electrode 5A is not provided, the contact electrode 5B1 can be disposed immediately above the quenching resistor 4, and the quenching resistor 4 and the readout wiring 5B2 can be directly connected by the contact electrode 5B1. is there. Thus, a structure in which the auxiliary read wiring 5A is completely omitted is possible.

いずれの構造においても、また、いずれの例においても、上述のフォトダイオードアレイは、クエンチング抵抗4上に形成された絶縁層18を備えており、読出配線5B2は、絶縁層18に設けられたコンタクトホールを介して、クエンチング抵抗4に電気的に接続され、且つ、クエンチング抵抗4と共通電極とを電気的に接続している。   In any structure and in any example, the photodiode array described above includes an insulating layer 18 formed on the quenching resistor 4, and the readout wiring 5B 2 is provided in the insulating layer 18. The quenching resistor 4 is electrically connected to the quenching resistor 4 through the contact hole, and the quenching resistor 4 and the common electrode are electrically connected.

次に、上述のフォトダイオードアレイの構成材料ついて説明する。   Next, constituent materials for the photodiode array will be described.

半導体基板を構成する半導体領域12,13,14の構成材料は、上述の通りSiであり、所望の不純物を含有している。絶縁層16,17,18の構成材料は、それぞれSiO又はシリコン窒化物である。接続電極3、接続配線6、補助接続配線5A、接続配線5B(読出配線5B2,コンタクト電極)共通電極及び貫通電極の構成材料は、それぞれ金属であり、好ましくはAl、Cu,Au、Cr、Ag又はFeなどの金属、またはこれらのうち2種以上を含む合金である。クエンチング抵抗4の構成材料は、読出配線5B2よりも高抵抗率の材料であり、ポリシリコン、SiCr、NiCr又はTaNiである。 The constituent material of the semiconductor regions 12, 13, and 14 constituting the semiconductor substrate is Si as described above and contains a desired impurity. The constituent material of the insulating layers 16, 17, and 18 is SiO 2 or silicon nitride, respectively. The constituent materials of the connection electrode 3, the connection wiring 6, the auxiliary connection wiring 5A, the connection wiring 5B (readout wiring 5B2, contact electrode) common electrode and the through electrode are each a metal, preferably Al, Cu, Au, Cr, Ag. Or a metal such as Fe, or an alloy containing two or more of these metals. The constituent material of the quenching resistor 4 is a material having a higher resistivity than the readout wiring 5B2, and is polysilicon, SiCr, NiCr, or TaNi.

なお、上述のSEM写真は、絶縁層16,17,18の構成材料としてSiOを用い、接続電極3、接続配線6、補助接続配線5A、接続配線5B(読出配線5B2,コンタクト電極)及び共通電極E3の構成材料としてAlを用い、クエンチング抵抗4の構成材料としてポリシリコンを用いた例である。 In the above SEM photograph, SiO 2 is used as the constituent material of the insulating layers 16, 17, and 18, and the connection electrode 3, the connection wiring 6, the auxiliary connection wiring 5A, the connection wiring 5B (reading wiring 5B2, contact electrode) and the common are used. In this example, Al is used as the constituent material of the electrode E3, and polysilicon is used as the constituent material of the quenching resistor 4.

次に、図44を再び参照して、上述のフォトダイオードアレイの製造方法について説明する。   Next, referring to FIG. 44 again, a manufacturing method of the above-described photodiode array will be described.

まず、半導体領域(半導体基板)12上に、エピタキシャル成長法又は不純物拡散法或いはイオン注入法により、半導体領域13を形成する。なお、好適には半導体領域12は、CZ法又はFZ法により形成された(100)Si半導体基板であるが、他の面方位を有する半導体基板を用いることもできる。Siエピタキシャル成長法を用いる場合には、例えば、原材料として、気相の四塩化珪素(SiCl)と三塩化シラン(トリクロルシラン、SiHCl)を用い、成長温度1200℃において、基板表面上にこれらのガスを流す。不純物拡散法の場合には、半導体領域13の導電型に対応する不純物をガス又は固体で半導体領域12内に拡散させる。イオン注入法の場合は、半導体領域13の導電型に対応する不純物を半導体領域12内にイオン注入する。 First, the semiconductor region 13 is formed on the semiconductor region (semiconductor substrate) 12 by an epitaxial growth method, an impurity diffusion method, or an ion implantation method. The semiconductor region 12 is preferably a (100) Si semiconductor substrate formed by the CZ method or the FZ method, but a semiconductor substrate having another plane orientation can also be used. When the Si epitaxial growth method is used, for example, gaseous silicon tetrachloride (SiCl 4 ) and trichlorosilane (trichlorosilane, SiHCl 3 ) are used as raw materials, and these are formed on the substrate surface at a growth temperature of 1200 ° C. Flow gas. In the case of the impurity diffusion method, an impurity corresponding to the conductivity type of the semiconductor region 13 is diffused into the semiconductor region 12 with gas or solid. In the case of the ion implantation method, an impurity corresponding to the conductivity type of the semiconductor region 13 is ion implanted into the semiconductor region 12.

次に、半導体領域13の表面側の領域に、半導体領域14を形成する。これには不純物の拡散法又はイオン注入法を用いることができる。例えば、拡散法において、不純物原材料として、ジボラン(B)を用いる場合には、拡散温度を1200℃に設定することができる。半導体領域14の形成においては、まず、フォトリソグラフィ技術により、半導体領域13上に開口を有するレジストパターンを形成し、続いて、このレジストパターンをマスクとして、不純物の添加を行う。なお、不純物の添加は、格子状の配線パターン3Cを形成した後、これをマスクとして、絶縁層16を介して、イオン注入法により行ってもよい。 Next, the semiconductor region 14 is formed in the region on the surface side of the semiconductor region 13. For this, an impurity diffusion method or an ion implantation method can be used. For example, in the diffusion method, when diborane (B 2 H 6 ) is used as the impurity raw material, the diffusion temperature can be set to 1200 ° C. In forming the semiconductor region 14, first, a resist pattern having an opening is formed on the semiconductor region 13 by a photolithography technique, and then an impurity is added using the resist pattern as a mask. The impurity may be added by ion implantation after forming the grid-like wiring pattern 3C and using this as a mask through the insulating layer 16.

次に、半導体基板上に絶縁層16を形成する。絶縁層16は、Si熱酸化法を用いて形成することができる。酸化温度は例えば1000℃である。これにより、半導体領域13及び14の表面が酸化され、SiOからなる絶縁層16が形成される。絶縁層16の形成にはCVD法を用いることもできる。 Next, the insulating layer 16 is formed on the semiconductor substrate. The insulating layer 16 can be formed using a Si thermal oxidation method. The oxidation temperature is 1000 ° C., for example. Thereby, the surfaces of the semiconductor regions 13 and 14 are oxidized, and the insulating layer 16 made of SiO 2 is formed. The insulating layer 16 can be formed by a CVD method.

次に、絶縁層16における所望の位置に、フォトリソグラフィ技術によるレジストのパターニングを用いてマスクを形成し、このマスクを用いて、抵抗材料をレジストの開口内に堆積し、開口内にクエンチング抵抗4を形成し、レジストを除去する。抵抗材料は、これをターゲットとするスパッタ法を用いて堆積することができる。例えば、抵抗材料としては、シリコンを用いて、ポリシリコンのクエンチング抵抗4を形成する。   Next, a mask is formed at a desired position in the insulating layer 16 using resist patterning by photolithography, and a resistive material is deposited in the opening of the resist using the mask, and a quenching resistance is formed in the opening. 4 is formed and the resist is removed. The resistive material can be deposited using sputtering methods that target this. For example, polysilicon is used as the resistance material to form polysilicon quenching resistance 4.

次に、絶縁層16上に絶縁層17を形成する。絶縁層17は、スパッタ法やプラズマCVD法を用いて形成することができる。プラズCVD法を用いる場合、原材料ガスとして、テトラエトキシシラン(TEOS)及び酸素ガスを用い、成長温度を200℃程度に設定して絶縁層17の成長を行う。絶縁層17の厚みは、その表面が平坦化される厚みに設定されることが好ましく、絶縁層16の表面から配線パターン3Cの上面までの高さよりも大きいことが好ましい。これにより、SiOからなる絶縁層17が形成される。 Next, the insulating layer 17 is formed on the insulating layer 16. The insulating layer 17 can be formed using a sputtering method or a plasma CVD method. When using the plasma CVD method, tetraethoxysilane (TEOS) and oxygen gas are used as raw material gases, and the growth temperature is set to about 200 ° C. to grow the insulating layer 17. The thickness of the insulating layer 17 is preferably set to such a thickness that the surface is flattened, and is preferably larger than the height from the surface of the insulating layer 16 to the upper surface of the wiring pattern 3C. Thereby, the insulating layer 17 made of SiO 2 is formed.

次に、絶縁層17及び絶縁層16における半導体領域14上の位置に、コンタクトホールを形成する。コンタクトホールの形成においては、まず、フォトリソグラフィ技術により、絶縁層17上に開口を有するレジストパターンを形成し、続いて、このレジストパターンをマスクとして、絶縁層17及び絶縁層16をエッチングする。エッチング法としては、ドライエッチング法の他、HF水溶液を含むエッチング液によるウエットエッチングを用いることもできる。   Next, a contact hole is formed at a position on the semiconductor region 14 in the insulating layer 17 and the insulating layer 16. In forming the contact hole, first, a resist pattern having an opening is formed on the insulating layer 17 by photolithography, and then the insulating layer 17 and the insulating layer 16 are etched using the resist pattern as a mask. As the etching method, in addition to the dry etching method, wet etching with an etching solution containing an HF aqueous solution can be used.

次に、絶縁層17上に、所望の位置に、フォトリソグラフィ技術によるレジストのパターニングを用いてマスクを形成し、このマスクを用いて、レジストの開口内に堆積し、開口内に、蒸着法により、第1コンタクト電極3A、表面電極3B、第2コンタクト電極3C、接続配線6及び補助読出電極5Aを同時に形成し、これらの形成後にレジストを除去する。蒸着材料として、本例では、アルミニウムを用いるが、スパッタ法などを用いることも可能である。   Next, a mask is formed on the insulating layer 17 at a desired position by using a resist patterning by photolithography technique, and the mask is used to deposit in the resist opening. The first contact electrode 3A, the surface electrode 3B, the second contact electrode 3C, the connection wiring 6 and the auxiliary readout electrode 5A are formed at the same time, and the resist is removed after forming these. In this example, aluminum is used as a vapor deposition material, but a sputtering method or the like can also be used.

次に、絶縁層17上に絶縁層18を形成する。絶縁層18の形成方法は、絶縁層17と同一である。   Next, the insulating layer 18 is formed on the insulating layer 17. The formation method of the insulating layer 18 is the same as that of the insulating layer 17.

しかる後、絶縁層18の所望の位置に、フォトリソグラフィ技術によるレジストのパターニングを用いてマスクを形成し、このマスクを用いて、絶縁層18をエッチングして、コンタクトホールを形成し、形成後にレジストを除去する。コンタクトホール形成時のエッチング方法は、ドライエッチング法の他、HF水溶液を含むエッチング液によるウエットエッチングを用いることもできる。このコンタクトホール内に、コンタクト電極5B1を形成し、これと同時にコンタクト電極5B1に連続する読出配線5B2を形成する。   Thereafter, a mask is formed at a desired position of the insulating layer 18 using resist patterning by photolithography, and the insulating layer 18 is etched using this mask to form a contact hole. Remove. As the etching method for forming the contact hole, in addition to the dry etching method, wet etching with an etching solution containing an HF aqueous solution can be used. In this contact hole, the contact electrode 5B1 is formed, and at the same time, the readout wiring 5B2 continuous to the contact electrode 5B1 is formed.

コンタクト電極5B1及び読出配線5B2の形成においては、まず、絶縁層18の所望の位置に、フォトリソグラフィ技術によるレジストのパターニングを用いてマスクを形成し、このマスクの開口内に、コンタクト電極5B1及び読出配線5B2を堆積する。堆積方法は、蒸着方法又はスパッタ法を用いることができる。   In the formation of the contact electrode 5B1 and the readout wiring 5B2, first, a mask is formed at a desired position of the insulating layer 18 by using resist patterning by a photolithography technique, and the contact electrode 5B1 and the readout in the opening of the mask. A wiring 5B2 is deposited. As the deposition method, an evaporation method or a sputtering method can be used.

なお、図62に示す構造の光検出部を製造する場合、半導体領域14の形成前に、半導体領域15を不純物拡散法又はイオン注入法を用いて、半導体領域13の表面側に形成しておけばよい。不純物拡散法の場合には、半導体領域15の導電型に対応する不純物をガス又は固体で半導体領域13内に拡散させる。イオン注入法の場合は、半導体領域15の導電型に対応する不純物を半導体領域13内にイオン注入する。   In the case of manufacturing the photodetection portion having the structure shown in FIG. 62, the semiconductor region 15 may be formed on the surface side of the semiconductor region 13 by using the impurity diffusion method or the ion implantation method before the formation of the semiconductor region 14. That's fine. In the case of the impurity diffusion method, impurities corresponding to the conductivity type of the semiconductor region 15 are diffused into the semiconductor region 13 with gas or solid. In the case of the ion implantation method, an impurity corresponding to the conductivity type of the semiconductor region 15 is ion implanted into the semiconductor region 13.

また、共通電極E3は、これを第2絶縁層17上に形成する場合には、レジストのパターニングにより、表面電極3Bと同時にこれを形成することができる。また、共通電極E3を、第3絶縁層18上に形成し、これに補助読出配線5Aを接続する場合には、第3絶縁層18に、補助読出配線5Aと共通電極E3とを接続するためのコンタクトホールを形成した後、読出配線5B2の形成と同時に、コンタクトホール内のコンタクト電極と共通電極を同時に形成すればよい。   When the common electrode E3 is formed on the second insulating layer 17, the common electrode E3 can be formed simultaneously with the surface electrode 3B by resist patterning. When the common electrode E3 is formed on the third insulating layer 18 and the auxiliary read wiring 5A is connected to the common electrode E3, the auxiliary read wiring 5A and the common electrode E3 are connected to the third insulating layer 18. After the contact hole is formed, the contact electrode and the common electrode in the contact hole may be formed simultaneously with the formation of the readout wiring 5B2.

なお、上述の実施形態の場合、クエンチング抵抗4の平面形状は環状であったが、これはリングの一部の形状、スパイラル形状であってもよい。   In the case of the above-described embodiment, the planar shape of the quenching resistor 4 is annular, but this may be a partial shape of the ring or a spiral shape.

次に、上述の第5例(図56及び図57)の構造のフォトダイオードアレイを試作した場合の効果について説明する。なお、本例では、共通電極E3及び貫通電極の製造は行っていない。   Next, an effect when the photodiode array having the structure of the above-described fifth example (FIGS. 56 and 57) is prototyped will be described. In this example, the common electrode E3 and the through electrode are not manufactured.

製造条件は、以下の通りである。
(1)構造
(1−1)
半導体領域12:
導電型:n型(不純物:Sb(アンチモン))
不純物濃度:5.0×1011cm−3
厚み:650μm
(1−2)
半導体領域13:
導電型:p型(不純物:B(ボロン))
不純物濃度:1.0×1014cm−3
厚み:30μm
(1−3)
半導体領域14
導電型:p型(不純物:B(ボロン))
不純物濃度:1.0×1018cm−3
厚み:1000nm
(1−4)
絶縁層16:SiO(厚み:1000nm)
(1−5)
絶縁層17:SiO(厚み:2000nm)
(1−6)
絶縁層18:SiO(厚み:2000nm)
(1−7)
接続電極3:(アルミニウム(Al))
(1−8)
クエンチング抵抗4(ポリシリコン)
形状:図63に示す形状
厚み:500nm
幅:2μm
長さ:100μm
抵抗値:500kΩ
(1−9)
光検出部10
1つの光検出部10の面積S:2025μm
隣接する光検出部10の中心間の間隔X:50μm
受光領域内のフォトダイオード数(X軸方向=100個×Y軸方向100個)
受光領域のX軸方向寸法:5mm
受光領域のY軸方向寸法:5mm
(1−10)
読出配線5B2
幅:5μm
X軸方向の配線の本数:101本
Y軸方向の配線の本数:101本
1つの開口内に存在する光検出部10の数:1
(2)製法条件
・半導体領域12:CZ法((001)Si半導体基板)
・半導体領域13:Siエピタキシャル成長法(原材料:気相の四塩化珪素(SiCl)、三塩化シラン(トリクロルシラン、SiHCl)、成長温度1200℃)
・半導体領域14:不純物の熱拡散法(不純物原材料:ジボラン(B)、拡散温度1200℃)
・絶縁層16:(Si熱酸化法:酸化温度(1000℃))
・クエンチング抵抗4:スパッタ法(ターゲット材料:Si)
・絶縁層17:(プラズマCVD法:原材料ガス(テトラエトキシシラン(TEOS)及び酸素ガス):成長温度(200℃))
・第1コンタクト電極3A、表面電極3B、第2コンタクト電極3C、接続配線6、補助読出配線5A、共通電極E3:蒸着法(原料:アルミニウム)
・絶縁層18:(プラズマCVD法:原材料ガス(テトラエトキシシラン(TEOS)及び酸素ガス):成長温度(200℃))
・コンタクト電極5B1、読出配線5B2、共通電極(電極パッド):蒸着法(原料:アルミニウム)
The manufacturing conditions are as follows.
(1) Structure (1-1)
Semiconductor region 12:
Conduction type: n-type (impurity: Sb (antimony))
Impurity concentration: 5.0 × 10 11 cm −3
Thickness: 650 μm
(1-2)
Semiconductor region 13:
Conduction type: p-type (impurity: B (boron))
Impurity concentration: 1.0 × 10 14 cm −3
Thickness: 30μm
(1-3)
Semiconductor region 14
Conduction type: p-type (impurity: B (boron))
Impurity concentration: 1.0 × 10 18 cm −3
Thickness: 1000nm
(1-4)
Insulating layer 16: SiO 2 (thickness: 1000 nm)
(1-5)
Insulating layer 17: SiO 2 (thickness: 2000 nm)
(1-6)
Insulating layer 18: SiO 2 (thickness: 2000 nm)
(1-7)
Connection electrode 3: (Aluminum (Al))
(1-8)
Quenching resistance 4 (polysilicon)
Shape: Shape thickness shown in FIG. 63: 500 nm
Width: 2μm
Length: 100μm
Resistance value: 500kΩ
(1-9)
Photodetector 10
Area S of one light detection unit 10: 2025 μm 2
Spacing X between adjacent centers of the light detection units 10: 50 μm
Number of photodiodes in the light receiving area (X axis direction = 100 × 100 Y axis direction)
Light receiving area X-axis direction dimension: 5mm
Dimension of the light receiving area in the Y-axis direction: 5mm
(1-10)
Read wiring 5B2
Width: 5μm
Number of wirings in the X-axis direction: 101 Number of wirings in the Y-axis direction: 101 Number of light detection units 10 existing in one opening: 1
(2) Manufacturing conditions / semiconductor region 12: CZ method ((001) Si semiconductor substrate)
Semiconductor region 13: Si epitaxial growth method (raw materials: gas phase silicon tetrachloride (SiCl 4 ), silane trichloride (trichlorosilane, SiHCl 3 ), growth temperature 1200 ° C.)
Semiconductor region 14: impurity thermal diffusion method (impurity raw material: diborane (B 2 H 6 ), diffusion temperature 1200 ° C.)
Insulating layer 16: (Si thermal oxidation method: oxidation temperature (1000 ° C.))
Quenching resistance 4: Sputtering method (target material: Si)
Insulating layer 17: (plasma CVD method: raw material gas (tetraethoxysilane (TEOS) and oxygen gas): growth temperature (200 ° C.))
First contact electrode 3A, surface electrode 3B, second contact electrode 3C, connection wiring 6, auxiliary readout wiring 5A, common electrode E3: evaporation method (raw material: aluminum)
Insulating layer 18: (plasma CVD method: raw material gas (tetraethoxysilane (TEOS) and oxygen gas): growth temperature (200 ° C.))
Contact electrode 5B1, readout wiring 5B2, common electrode (electrode pad): evaporation method (raw material: aluminum)

実施例に係るフォトダイオードアレイの特性を、以下のように評価した。   The characteristics of the photodiode array according to the example were evaluated as follows.

図68は、基点となる各フォトダイオード(画素)から、半導体チップの表面上の一端に設けられた電極パッド(共通電極E3とみなす)までの距離と、キャリアの信号伝達時間の基準からの差tp(ps)を示すグラフ(実施例)である。時間差tpは基準時刻からの伝達時間である。基点となるフォトダイオードの周囲には5個のフォトダイオードが配置されており、X軸方向の基点の数は12個、Y軸方向の基点の数は18個であり、同グラフでは各基点の周囲のフォトダイオード出力の平均値を1つのデータとして示している。   FIG. 68 shows the distance from each photodiode (pixel) as a base point to an electrode pad (considered as a common electrode E3) provided at one end on the surface of the semiconductor chip, and the difference from the carrier signal transmission time reference. It is a graph (Example) which shows tp (ps). The time difference tp is a transmission time from the reference time. Five photodiodes are arranged around the photodiode as the base point, the number of base points in the X-axis direction is 12, and the number of base points in the Y-axis direction is 18, and in the graph, each base point is The average value of the surrounding photodiode output is shown as one data.

フォトダイオードのチップは5mm×5mmの寸法を有しており、グラフにおける最も手前側の位置をXY平面における原点として、受光領域のX軸方向には100個、Y軸方向には100個のフォトダイオードが配置されている。共通電極E3とみなされる電極パッドは、同グラフの右に存在するE3の位置に設けられている。   The photodiode chip has a size of 5 mm × 5 mm, and the foremost position in the graph is the origin on the XY plane, and 100 photos in the X axis direction and 100 photos in the Y axis direction of the light receiving area. A diode is arranged. The electrode pad regarded as the common electrode E3 is provided at the position of E3 existing on the right side of the graph.

各フォトダイオードから電極パッドまでの信号伝達時間の差tp(ps)は、電極パッドから遠くなるほど長くなる傾向にあるが、時間差tpは、全て160ps以下と短く、また、面内バラつきも小さい。   The difference in signal transmission time tp (ps) from each photodiode to the electrode pad tends to increase as the distance from the electrode pad increases, but all the time differences tp are as short as 160 ps or less, and the in-plane variation is small.

図69は、各フォトダイオードから電極パッドまでの距離と、キャリアの信号伝達時間の基準からの差tp(ps)を示すグラフ(比較例)である。比較例では、上述の第1例において、下層の補助読出配線5Aのみを信号伝達に用いた例であり、上層の読出配線5B2は形成されていない。比較例における補助読出配線5Aの1本の幅は2μmである。   FIG. 69 is a graph (comparative example) showing the distance from each photodiode to the electrode pad and the difference tp (ps) from the carrier signal transmission time reference. In the comparative example, in the first example described above, only the lower auxiliary readout wiring 5A is used for signal transmission, and the upper readout wiring 5B2 is not formed. The width of one auxiliary read wiring 5A in the comparative example is 2 μm.

各フォトダイオードから電極パッドまでの信号伝達時間の差tp(ps)は、電極パッドE3から遠くなるほど長くなる傾向にあるが、時間差tpは、過半数が160psを超えており、最大で300psを超え、また、面内バラつきも大きい。   The difference in signal transmission time tp (ps) from each photodiode to the electrode pad tends to increase as the distance from the electrode pad E3 increases. However, the majority of the time difference tp exceeds 160 ps and exceeds 300 ps at the maximum. In-plane variation is also large.

図70は、電圧Voverと、出力パルス到着時間のバラつきを示すFWHM(ps)の関係を示すグラフであり、図71は、到着時間tβ(ps)とカウント数の関係を示すグラフである。   FIG. 70 is a graph showing the relationship between the voltage Vover and the FWHM (ps) indicating the variation in the output pulse arrival time, and FIG. 71 is a graph showing the relationship between the arrival time tβ (ps) and the count number.

フォトダイオードをガイガーモードで動作させるため、フォトダイオードのブレイクダウン電圧(70V)よりも電圧Voverだけ大きな逆バイアス電圧(70+Vover)を各フォトダイオードに与える。この超過電圧Voverが1.5〜4V(逆バイアス電圧=71.5V〜74V)の場合に、実施例では、半値全幅(FWHM)は、200ps以下となり、最小で130psまで小さくなる一方、比較例では220ps以上である。なお、このFWHMの測定法は、以下の通りである。2層メタル配線を形成することで配線抵抗を低減させ、高時間分解能を達成することができる。なお、1つの半導体チップ又は各アクティブチャンネルに1個のみに限らず複数個の共通電極と貫通孔を形成すれば、時間ばらつきを更に改善することが可能となる。   In order to operate the photodiodes in the Geiger mode, a reverse bias voltage (70 + Vover) larger than the breakdown voltage (70V) of the photodiodes by the voltage Vover is applied to each photodiode. In the case where the excess voltage Vover is 1.5 to 4 V (reverse bias voltage = 71.5 V to 74 V), in the embodiment, the full width at half maximum (FWHM) is 200 ps or less, and the minimum is 130 ps. Is 220 ps or more. In addition, the measuring method of this FWHM is as follows. By forming the two-layer metal wiring, the wiring resistance can be reduced and high time resolution can be achieved. Note that the time variation can be further improved by forming not only one semiconductor chip or each active channel but also a plurality of common electrodes and through holes.

まず、各フォトダイオードアレイに、レーザ光を全面照射する。この場合、各フォトダイオードから、光子入射に対応する複数のパルス信号が出力される。フォトダイオードは面内に分布しているため、同時にレーザ光が各フォトダイオードに入射した場合においても、若干の時間的な広がりを有して、電極パッドに到達する。図71は、レーザ光出射タイミングから、キャリアが電極パッドに到達するまでの時間tβ毎のパルス信号のカウント数(パルス数)をヒストグラムにしたグラフである。到達時間tβが2040(ps)近傍のパルス数が一番大きく、この時間をピークとして、到達時間は正規分布している。このグラフのFWHMが小さいほど、到達時間のバラつきが少ない。   First, the entire surface of the photodiode array is irradiated with laser light. In this case, a plurality of pulse signals corresponding to photon incidence are output from each photodiode. Since the photodiodes are distributed in the plane, even when laser light is incident on each photodiode at the same time, the photodiodes reach the electrode pads with a slight time spread. FIG. 71 is a graph in which the number of pulse signal counts (number of pulses) for each time tβ from when the laser beam is emitted until the carrier reaches the electrode pad is a histogram. The number of pulses with the arrival time tβ in the vicinity of 2040 (ps) is the largest, and the arrival time is normally distributed with this time as a peak. The smaller the FWHM of this graph, the less the arrival time varies.

実施例のフォトダイオードアレイでは、FWHMが十分に小さいので、面内の到達時間tβのバラつきが、比較例よりも十分に抑制されていることが分かる。   In the photodiode array of the example, since the FWHM is sufficiently small, it can be seen that the variation in the in-plane arrival time tβ is more sufficiently suppressed than in the comparative example.

なお、図68及び図69のグラフは、以下の図72及び図73の方法を用いて求められる。   The graphs of FIGS. 68 and 69 are obtained by using the method of FIGS. 72 and 73 below.

図72は、レーザビーム照射について説明する図であり、図73は、レーザ光出射タイミングからキャリアが電極パッドに到達するまでの時間tα(ns)と出力OUT(a.u.)の関係を示すグラフ(シミュレーション)である。   72 is a diagram for explaining the laser beam irradiation, and FIG. 73 shows the relationship between the time tα (ns) until the carrier reaches the electrode pad from the laser beam emission timing and the output OUT (au). It is a graph (simulation).

図72に示すように、直径1mmのレーザビームを、電極パッドから遠い位置A、中間の位置B、近い位置Cに存在する実施例のフォトダイオード群に照射し、レーザビームを同図の矢印で示す横方向(X軸方向)に沿って走査する。走査後の遠い位置A、中間の位置B、近い位置Cからの出力の平均値が図73のグラフに示される。   As shown in FIG. 72, a laser beam having a diameter of 1 mm is irradiated to the photodiode group of the embodiment existing at a position A, an intermediate position B, and a close position C far from the electrode pad, and the laser beam is indicated by an arrow in FIG. Scan along the horizontal direction (X-axis direction) shown. The average values of outputs from the far position A, the middle position B, and the near position C after scanning are shown in the graph of FIG.

この場合、図73に示すように、出力パルス電圧を示す出力OUT(a.u.)が、時間tα(ns)の増加に伴って増加し、tα=2.5ns以上では一定値に飽和している。出力OUTが、閾値(threshold)=0.5以上となる立ち上がりの時間tαは、1.4nsである。   In this case, as shown in FIG. 73, the output OUT (au) indicating the output pulse voltage increases as the time tα (ns) increases, and saturates to a constant value at tα = 2.5 ns or more. ing. The rise time tα when the output OUT becomes the threshold value (threshold) = 0.5 or more is 1.4 ns.

図68及び図69は、図73のシミュレーション図に相当する出力パルスを実際に測定し、パッドから最も近い位置Cの時間tαを基準とした場合の、各レーザ照射位置におけるパルスの時間遅れをマッピングしたものである。なお、このマッピングは閾値における時間tαを用いて行った。   68 and 69 actually measure the output pulse corresponding to the simulation diagram of FIG. 73 and map the time delay of the pulse at each laser irradiation position when the time tα at the position C closest to the pad is used as a reference. It is a thing. This mapping was performed using the time tα at the threshold.

以上、説明したように、上述の実施形態に係るフォトダイオードアレイは、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオード有する光検出部を複数備えたフォトダイオードアレイにおいて、個々の光検出部10は、キャリアを出力する半導体領域14を有するアバランシェフォトダイオードPDと、半導体領域14に電気的に接続され、且つ、その外縁に沿って半導体領域14囲む表面電極3Bと、表面電極3Bと読出配線5B2(TL)とを接続するクエンチング抵抗4と、を備え、半導体領域14の表面を含む平面を基準平面とした場合、この基準平面から読出配線5B2までの距離tbは、この基準平面から表面電極3Bまでの距離taよりも大きく、読出配線5B2は、隣接するアバランシェフォトダイオードPD(半導体領域14)間に位置している。   As described above, the photodiode array according to the above-described embodiment is a photodiode array including a plurality of photodetectors having avalanche photodiodes operating in Geiger mode, and each photodetector 10 outputs a carrier. An avalanche photodiode PD having a semiconductor region 14 to be connected, a surface electrode 3B electrically connected to the semiconductor region 14 and surrounding the semiconductor region 14 along an outer edge thereof, and a surface electrode 3B and a readout wiring 5B2 (TL). When the plane including the surface of the semiconductor region 14 is a reference plane, the distance tb from the reference plane to the readout wiring 5B2 is the distance ta from the reference plane to the surface electrode 3B. The readout wiring 5B2 is larger than the adjacent avalanche photodiode PD (semiconductor Band 14) are located between.

半導体領域14への光の入射に応じて発生したキャリアは、第2半導体領域14から、表面電極3B、クエンチング抵抗4、読出配線5B2を順次介して、共通電極E3、貫通電極、バンプ電極、配線基板へと至る。読出配線5B2は、表面電極3Bよりも上層に形成されているため、表面電極3Bによる空間的な制約が解除され、その幅等を広くすることができ、したがって、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。表面電極は、第2半導体領域14の外縁に一定の電界を発生させることができ、APDの出力安定性を向上させることができる。   Carriers generated in response to the incidence of light on the semiconductor region 14 are sequentially supplied from the second semiconductor region 14 through the surface electrode 3B, the quenching resistor 4, and the readout wiring 5B2, to the common electrode E3, the through electrode, the bump electrode, To the wiring board. Since the readout wiring 5B2 is formed in an upper layer than the surface electrode 3B, the spatial restriction by the surface electrode 3B can be released, and the width thereof can be widened. Reading speed can be improved. The surface electrode can generate a constant electric field at the outer edge of the second semiconductor region 14 and can improve the output stability of the APD.

また、上記フォトダイオードアレイは、基準平面に垂直な方向から見た場合、読出配線5B2は、表面電極3Bの一部と重なっている(第3例、第6例、第7例)。この場合には、読出配線5B2の形成領域は、光入射に対してデッドスペースとなる表面電極3B上の領域を利用しているので、フォトダイオードの開口率を低下させることなく、読出配線5B2の寸法を広げ、抵抗値を低下させることができる。   Further, when the photodiode array is viewed from a direction perpendicular to the reference plane, the readout wiring 5B2 overlaps a part of the surface electrode 3B (third example, sixth example, seventh example). In this case, the formation region of the readout wiring 5B2 uses a region on the surface electrode 3B that becomes a dead space with respect to the incidence of light, so that the readout wiring 5B2 can be formed without reducing the aperture ratio of the photodiode. The dimensions can be expanded and the resistance value can be reduced.

また、上記フォトダイオードアレイは、クエンチング抵抗4上に形成された第1絶縁層17と、第1絶縁層17に設けられたコンタクトホールを介して、クエンチング抵抗4に電気的に接続された補助読出配線5Aと、補助読出配線5A上に形成された第2絶縁層18と、を備え、読出配線5B2は、第2絶縁層18に設けられたコンタクトホールを介して、補助読出配線5Aに電気的に接続され、且つ、補助読出配線5Aに対して並行して延びて、補助読出配線5Aと共に、共通電極E3に接続されている(第1例、第2例、第3例)。   The photodiode array is electrically connected to the quenching resistor 4 through a first insulating layer 17 formed on the quenching resistor 4 and a contact hole provided in the first insulating layer 17. An auxiliary read wiring 5A and a second insulating layer 18 formed on the auxiliary read wiring 5A are provided, and the read wiring 5B2 is connected to the auxiliary read wiring 5A via a contact hole provided in the second insulating layer 18. They are electrically connected and extend in parallel to the auxiliary read wiring 5A, and are connected to the common electrode E3 together with the auxiliary read wiring 5A (first example, second example, third example).

2つの読出配線を利用することにより、フォトダイオードから共通電極E3に至るまでの抵抗値を低下させることができる。   By using two readout wirings, the resistance value from the photodiode to the common electrode E3 can be reduced.

また、上記フォトダイオードアレイは、クエンチング抵抗4上に形成された絶縁層18を備え、読出配線5B2は、絶縁層18に設けられたコンタクトホールを介して、クエンチング抵抗4に電気的に接続され、且つ、クエンチング抵抗4と共通電極E3とを電気的に接続している(第1例〜第7例)。また、補助読出配線5Aは直接的には共通電極に接続されていなくてもよい(第4例〜第7例)。これら場合、読出配線5B2の設計自由度が高くなり、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。   The photodiode array includes an insulating layer 18 formed on the quenching resistor 4, and the readout wiring 5 </ b> B <b> 2 is electrically connected to the quenching resistor 4 through a contact hole provided in the insulating layer 18. The quenching resistor 4 and the common electrode E3 are electrically connected (first to seventh examples). Further, the auxiliary read wiring 5A may not be directly connected to the common electrode (fourth to seventh examples). In these cases, the degree of freedom in designing the readout wiring 5B2 is increased, the time constant can be reduced, and the signal readout speed can be improved.

なお、クエンチング抵抗4の抵抗値は100〜1000kΩが好適である。フォトダイオードの半導体領域14から電極パッドとしての共通電極に至るまでの配線の抵抗値は、低いほど好ましいが、20Ω以下が好適であり、更に好適には5Ω以下である。   The resistance value of the quenching resistor 4 is preferably 100 to 1000 kΩ. The resistance value of the wiring from the semiconductor region 14 of the photodiode to the common electrode as the electrode pad is preferably as low as possible, but is preferably 20Ω or less, and more preferably 5Ω or less.

上述のように、貫通電極を用いた場合、大面積タイリングを行う上で、デッドスペースが少なく、対照的な配置となるためPET装置、CT装置等で、画像を再構成が簡単となる。この構造は、ワイヤボンディングパッドを備えた非対称のチップでは画像再構成を行う上で補正が必要となるため、対称の形状が好ましい。   As described above, when the through-electrode is used, when performing large area tiling, there is little dead space and a contrasting arrangement makes it easy to reconstruct an image with a PET apparatus, CT apparatus, or the like. This structure is preferably a symmetric shape because an asymmetric chip having a wire bonding pad requires correction for image reconstruction.

また、貫通孔の形状は、角錐台形状のようなテーパー型のものと、直方体又は円柱型(ストレート型)が考えられる。貫通孔の内部は空洞とすることもできるが、金属や絶縁物で埋めてもよい。貫通電極はアクティブチャンネル1つに対し、1つ、または複数でもよい。アクティブチャンネルのサイズは、1×1mm,3×3mm,6×6とすることができるが、これよりも大きくても小さくてもよい。形状は例えば2×3mmのように正方形でなくてもよい。なお、カソードは例えばバルクの半導体基板の裏面部分からバンプ電極で直接コンタクトをとることができる。   Moreover, the shape of a through-hole can consider the thing of a taper type like a truncated pyramid shape, and a rectangular parallelepiped or a column shape (straight type). The inside of the through hole can be hollow, but may be filled with a metal or an insulator. One or a plurality of through electrodes may be provided for one active channel. The size of the active channel can be 1 × 1 mm, 3 × 3 mm, and 6 × 6, but may be larger or smaller than this. The shape does not have to be square, for example, 2 × 3 mm. The cathode can be directly contacted by a bump electrode from the back surface portion of the bulk semiconductor substrate, for example.

上述の実施形態に係る検出器は、配線基板と、二次元状に互いに離間して、前記配線基板上に配置された複数の半導体チップと、個々の前記半導体チップと前記配線基板との間に配置された第1及び第2バンプ電極と、を備えた検出器であって、個々の前記半導体チップは、二次元状に配置された複数の光検出部を有する半導体基板と、前記半導体基板の表面上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に配置された共通電極と、個々の前記光検出部のクエンチング抵抗と前記共通電極とを電気的に接続する読出配線と、前記共通電極から、前記半導体基板の貫通孔を介して、前記半導体基板の裏面に延びた貫通電極と、を備え、個々の前記光検出部は、第1導電型の第1半導体領域、及び、前記第1半導体領域とpn接合を構成し、キャリアを出力する第2導電型の第2半導体領域を備えるAPDと、前記APDの前記第2半導体領域に電気的に接続された前記クエンチング抵抗と、を備え、前記第1バンプ電極は、前記貫通電極と前記配線基板とを電気的に接続しており、前記第2バンプ電極は、前記APDの前記第1半導体領域と前記配線基板とを電気的に接続している。   The detector according to the above-described embodiment includes a wiring board, a plurality of semiconductor chips that are two-dimensionally spaced from each other, and disposed between the semiconductor chip and the wiring board. A first and second bump electrode arranged, wherein each of the semiconductor chips includes a semiconductor substrate having a plurality of photodetection units arranged in a two-dimensional manner; and An insulating layer formed on the surface; a common electrode disposed on the insulating layer; a readout wiring for electrically connecting the quenching resistance of each of the light detection units and the common electrode; and the common electrode A through electrode extending to the back surface of the semiconductor substrate through a through hole of the semiconductor substrate, and each of the light detection portions includes a first semiconductor region of a first conductivity type, and the first Configure the pn junction with the semiconductor region, An APD having a second semiconductor region of the second conductivity type that acts, and the quenching resistor electrically connected to the second semiconductor region of the APD, wherein the first bump electrode is the through electrode And the wiring substrate, and the second bump electrode electrically connects the first semiconductor region of the APD and the wiring substrate.

個々の光検出部に含まれるAPD(アバランシェフォトダイオード)の両端には、第1及び第2バンプ電極を介して、ガイガーモードで動作するバイアス電圧が与えられる。光(エネルギー線)の入射により、複数のAPDにおいて発生したキャリアは、それぞれのクエンチング抵抗を介して、半導体基板上の共通電極に流れ、共通電極から、貫通電極及び第1バンプ電極を通って配線基板に至り、外部に取り出される。   A bias voltage that operates in a Geiger mode is applied to both ends of an APD (avalanche photodiode) included in each light detection unit via first and second bump electrodes. Carriers generated in a plurality of APDs by the incidence of light (energy rays) flow to the common electrode on the semiconductor substrate through the respective quenching resistors, and pass from the common electrode through the through electrode and the first bump electrode. It reaches the wiring board and is taken out to the outside.

当該構造のAPDにおいては、貫通電極等を用いたキャリア伝達経路短縮化構造を有しているため、配線抵抗が減少している。しがたって、APDからのキャリアの伝達速度、すなわち、時間分解能が向上する。当該APDを複数備えた1つの半導体チップに、複数の光子が入射した場合、時間分解能が向上することで、より高精度の光子検出を行うことができるようになる。また、別の半導体チップにおいては、製造バラツキ誤差等の原因により、同一の時間分解能となることが保障されていないが、組み立て時において、製品特性が一定の範囲内の半導体チップを選択して、配線基板にバンプ電極を介してボンディングすれば、半導体チップ毎の特性バラつきが低減される。   Since the APD having this structure has a carrier transmission path shortening structure using a through electrode or the like, the wiring resistance is reduced. Therefore, the transmission speed of the carrier from the APD, that is, the time resolution is improved. When a plurality of photons are incident on a single semiconductor chip having a plurality of APDs, the time resolution is improved, so that more accurate photon detection can be performed. In addition, in another semiconductor chip, due to causes such as manufacturing variation error, it is not guaranteed that the same time resolution is achieved, but at the time of assembly, select a semiconductor chip with a product characteristic within a certain range, Bonding to the wiring board via the bump electrodes reduces the characteristic variation for each semiconductor chip.

二次元状に並べられた半導体チップは、離間しているので、特定の半導体チップへ入射した光が、他の半導体チップへ漏れてクロストークが発生する影響が抑制されると共に、半導体チップ間の隙間が、配線基板の膨張/収縮に起因する配線基板の反りの半導体チップへの影響を緩和することができる。すなわち、検出器全体としての時間分解能、クロストーク、温度変化に対する耐性等の特性は著しく改善される。   Since the two-dimensionally arranged semiconductor chips are separated from each other, the light incident on a specific semiconductor chip leaks to other semiconductor chips and the influence of crosstalk is suppressed. The gap can alleviate the influence of the warpage of the wiring board caused by the expansion / contraction of the wiring board on the semiconductor chip. That is, characteristics such as time resolution, crosstalk, and resistance to temperature change as a whole detector are remarkably improved.

また、上述の実施形態に係る検出器において、個々の前記光検出部は、前記第2半導体領域に電気的に接続され、且つ、その外縁に沿って前記第2半導体領域を囲む表面電極を備えている。   In the detector according to the above-described embodiment, each of the light detection units includes a surface electrode that is electrically connected to the second semiconductor region and surrounds the second semiconductor region along an outer edge thereof. ing.

また、上述の実施形態に係る検出器において、第1及び第2半導体領域への光の入射に応じて発生したキャリアは、第2半導体領域から、表面電極、クエンチング抵抗、読出配線を順次介して、共通電極に至る。表面電極は、第2半導体領域の外縁に一定の電界を発生させることができ、APDの出力安定性を向上させることができる。   In the detector according to the above-described embodiment, carriers generated in response to the incidence of light on the first and second semiconductor regions sequentially pass through the surface electrode, quenching resistor, and readout wiring from the second semiconductor region. To the common electrode. The surface electrode can generate a constant electric field at the outer edge of the second semiconductor region, and can improve the output stability of the APD.

また、上述の実施形態に係る検出器において、前記第2半導体領域の表面を含む平面を基準平面とした場合、この基準平面から前記読出配線までの距離は、この基準平面から前記表面電極までの距離よりも大きく、前記読出配線は、隣接する前記APD間に位置していることを特徴とする。読出配線は、表面電極よりも上層に形成されているため、表面電極による空間的な制約が解除され、その幅等を広くすることができ、したがって、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。   In the detector according to the above-described embodiment, when the plane including the surface of the second semiconductor region is a reference plane, the distance from the reference plane to the readout wiring is from the reference plane to the surface electrode. It is larger than the distance, and the readout wiring is located between the adjacent APDs. Since the readout wiring is formed in an upper layer than the surface electrode, the spatial restriction by the surface electrode is released, and the width and the like can be widened. Therefore, the time constant is reduced and the signal readout speed is increased. Can be improved.

また、上述の実施形態に係る検出器において、前記第2半導体領域に接触する第1コンタクト電極と、前記第1コンタクト電極とは異なる材料を備え、前記第1コンタクト電極に重なる位置に配置され、前記第1コンタクト電極に接触する第2コンタクト電極と、を備え、前記クエンチング抵抗は、前記第2コンタクト電極に連続している。光子の入射によりpn接合において発生したキャリアは、第1コンタクト電極及び第2コンタクト電極を介して、クエンチング抵抗に流れ、クエンチング抵抗に接続された読出配線、共通電極、貫通電極を介して、配線基板に至る。   In the detector according to the above-described embodiment, the first contact electrode that contacts the second semiconductor region and a material different from the first contact electrode are disposed at a position overlapping the first contact electrode, A second contact electrode in contact with the first contact electrode, and the quenching resistance is continuous with the second contact electrode. Carriers generated in the pn junction by the incidence of photons flow to the quenching resistance via the first contact electrode and the second contact electrode, and via the readout wiring, common electrode, and through electrode connected to the quenching resistance, It reaches the wiring board.

また、上述の実施形態に係る検出器において、第2コンタクト電極を第1コンタクト電極に重なる位置に配置することにより、クエンチング抵抗と第1コンタクト電極との接続に要するスペースを最小化することができる。もちろん、必然的に、第1コンタクト電極と第2コンタクト電極とは同一平面上ではなく、高さ方向の位置が異なることとなり、第2コンタクト電極からクエンチング抵抗が連続して延びることとなる。これにより、光検出部内における配線を省略することができ、光検出部の開口率を、著しく増加させることが可能となる。   Further, in the detector according to the above-described embodiment, the space required for connecting the quenching resistor and the first contact electrode can be minimized by arranging the second contact electrode at a position overlapping the first contact electrode. it can. Of course, the first contact electrode and the second contact electrode are inevitably not on the same plane but have different height positions, and the quenching resistance continuously extends from the second contact electrode. As a result, wiring in the light detection unit can be omitted, and the aperture ratio of the light detection unit can be significantly increased.

また、上述の実施形態に係る検出器において、前記第2コンタクト電極及び前記クエンチング抵抗は、SiCrを備えることが好ましい。SiCrは、光透過率が高いため、光検出部内において、クエンチング抵抗が存在していても、入射した光子がクエンチング抵抗を透過するため、実効的な開口率を増加させることができる。   In the detector according to the above-described embodiment, it is preferable that the second contact electrode and the quenching resistor include SiCr. Since SiCr has a high light transmittance, even if a quenching resistance exists in the light detection unit, an incident photon passes through the quenching resistance, so that an effective aperture ratio can be increased.

1Na,1Nb…主面、12…第1半導体領域、14(13)…第2半導体領域、BE, B2…バンプ電極、E3…共通電極、PDA…フォトダイオードアレイ、R1…クエンチング抵抗、TE…貫通電極、20…配線基板。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1Na, 1Nb ... Main surface, 12 ... 1st semiconductor region, 14 (13) ... 2nd semiconductor region, BE, B2 ... Bump electrode, E3 ... Common electrode, PDA ... Photodiode array, R1 ... Quenching resistance, TE ... Through electrode, 20 ... wiring board.

Claims (5)

半導体チップと配線基板との間に配置された第1及び第2バンプ電極を備えた検出器であって、
前記半導体チップは、
二次元状に配置された複数の光検出部を有する半導体基板と、
前記半導体基板の表面上に形成された絶縁層と、
を備え、
個々の前記光検出部は、クエンチング抵抗を備え、
前記絶縁層上に前記クエンチング抵抗は配置され、
前記クエンチング抵抗は、前記半導体基板の貫通孔を介して、前記半導体基板の裏面に延びた貫通電極に電気的に接続され、
個々の前記光検出部は、
第1導電型の第1半導体領域、及び、前記第1半導体領域とpn接合を構成し、キャリアを出力する第2導電型の第2半導体領域を備え、ガイガーモードで動作するAPDと、
前記APDの前記第2半導体領域に電気的に直列に接続された前記クエンチング抵抗と、
を備え、
前記第1バンプ電極は、前記貫通電極と前記配線基板とを電気的に接続しており、
前記第2バンプ電極は、前記APDの前記第1半導体領域と前記配線基板とを電気的に接続しており、
前記クエンチング抵抗は、SiCrを備える、
ことを特徴とする検出器。
A detector comprising first and second bump electrodes disposed between a semiconductor chip and a wiring board,
The semiconductor chip is
A semiconductor substrate having a plurality of photodetectors arranged two-dimensionally;
An insulating layer formed on the surface of the semiconductor substrate;
With
Each of the light detection units includes a quenching resistor,
The quenching resistor is disposed on the insulating layer;
The quenching resistor is electrically connected to the through electrode extending on the back surface of the semiconductor substrate through the through hole of the semiconductor substrate,
Each of the light detection units is
A first conductivity type first semiconductor region, and an APD that forms a pn junction with the first semiconductor region and includes a second conductivity type second semiconductor region that outputs carriers, and operates in Geiger mode ;
The quenching resistor electrically connected in series to the second semiconductor region of the APD;
With
The first bump electrode electrically connects the through electrode and the wiring board,
The second bump electrode electrically connects the first semiconductor region of the APD and the wiring board,
The quenching resistor comprises SiCr;
A detector characterized by that.
前記半導体チップの表面上には、絶縁体を介して、シンチレータが位置していることを特徴とする請求項1に記載の検出器。   The detector according to claim 1, wherein a scintillator is positioned on the surface of the semiconductor chip via an insulator. 前記光検出部は、前記第2半導体領域に電気的に接続され、且つ、その外縁に沿って前記第2半導体領域を囲む表面電極を備えている、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の検出器。   The said photodetection part is provided with the surface electrode which is electrically connected to the said 2nd semiconductor region, and surrounds the said 2nd semiconductor region along the outer edge. The detector described. クレードルと、
前記クレードルが位置する開口を有するガントリと、を備え、
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の検出器を、前記ガントリの開口を囲むように複数配置してなることを特徴とするPET装置。
A cradle,
A gantry having an opening in which the cradle is located,
A PET apparatus comprising a plurality of the detectors according to claim 1 arranged so as to surround an opening of the gantry.
クレードルと、
前記クレードルが位置する開口を有し、前記開口内にX線を出射するX線源を内蔵するガントリと、
を備え、
前記X線源からのX線が入射する位置に、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の検出器を、複数配置してなることを特徴とするX線CT装置。
A cradle,
A gantry having an opening in which the cradle is located and having an X-ray source for emitting X-rays in the opening;
With
An X-ray CT apparatus comprising a plurality of detectors according to any one of claims 1 to 3 arranged at a position where X-rays from the X-ray source are incident.
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