CN102334197A - 半导体光检测元件 - Google Patents

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Abstract

准备n-型半导体基板(1)，其具有彼此相对的第1主面(1a)及第2主面(1b)，并且在第1主面(1a)侧形成有p+型半导体区域(3)。对n-型半导体基板(1)的第2主面(1a)上的至少与p+型半导体区域(3)相对的区域照射脉冲激光，形成不规则的凹凸(10)。在形成不规则的凹凸(10)之后，在n-型半导体基板(1)的第2主面(1a)侧，形成具有比n-型半导体基板(1)更高的杂质浓度的累积层11。在形成累积层11之后，对n-型半导体基板1进行热处理。

Description

半导体光检测元件
技术领域
本发明涉及一种半导体光检测元件。
背景技术
作为在近红外光的波长区域具有较高的光谱灵敏度特性的光电二极管，已知使用有化合物半导体的光电二极管(例如参照专利文献1)。专利文献1中所记载的光电二极管包括：第1受光层，其由InGaAsN、InGaAsNSb及InGaAsNP中的任一者构成；及第2受光层，其具有比第1受光层的吸收端更长波长的吸收端，且包含量子阱结构。
先前技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-153311号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，这种使用有化合物半导体的光电二极管的价格依然较高，且制造工序也复杂。因此，要求实用化一种便宜且容易制造的硅光电二极管，其在近红外光的波长区域具有充分的光谱灵敏度。关于硅光电二极管，一般而言，在光谱灵敏度特性的长波长侧的极限为1100nm左右，但在1000nm以上的波长区域中的光谱灵敏度特性并不充分。
本发明的目的在于提供一种使用硅的半导体光检测元件，且在近红外光的波长区域具有充分的光谱灵敏度特性。
解决问题的技术手段
本发明的半导体光检测元件具备硅基板，该硅基板具有由第1导电类型的半导体区域与第2导电类型的半导体区域所形成的pn结，在硅基板上，在该硅基板的一个主面侧形成有第1导电类型的累积层，并且在上述一个主面上的至少与pn结相对的区域上形成有不规则的凹凸，硅基板的一个主面上的与pn结相对的区域光学性露出(opticalexposure)。
本发明的半导体光检测元件中，在硅基板的一个主面上的至少与pn结相对的区域上形成有不规则的凹凸。因此，入射至半导体光检测元件的光经该区域而发生反射、散射或扩散，从而在硅基板内行进较长的距离。由此，入射至半导体光检测元件的光的大部分并未穿透半导体光检测元件(硅基板)，而会被硅基板吸收。因此，上述半导体光检测元件中，入射至半导体光检测元件的光的行进距离变长，光被吸收的距离也变长，故在近红外光的波长区域的光谱灵敏度特性提高。
本发明的半导体光检测元件中，在硅基板的一个主面侧形成有第1导电类型的累积层。因此，使在一个主面侧并非由光而产生的无用载流子再结合，从而可减少暗电流。第1导电类型的上述累积层会抑制在硅基板的一个主面附近由光所产生的载流子被该一个主面捕获。因此，由光所产生的载流子可朝pn结有效率地移动，从而可提高半导体光检测元件的光检测灵敏度。
本发明的光电二极管具备硅基板，该硅基板由第1导电类型的半导体构成，且具有彼此相对的第1主面及第2主面，并且在第1主面侧形成有第2导电类型的半导体区域，在硅基板上，在第2主面侧形成有具有比硅基板更高的杂质浓度的第1导电类型的累积层，并且在第2主面上的至少与第2导电类型的半导体区域相对的区域上形成有不规则的凹凸，硅基板的第2主面上的与第2导电类型的半导体区域相对的区域光学性露出。
本发明的光电二极管中，如上所述，入射至光电二极管的光的行进距离变长，光被吸收的距离也变长，因此在近红外光的波长区域的光谱灵敏度特性提高。通过形成于硅基板的第2主面侧的第1导电类型的累积层，可减少暗电流，并且可提高光电二极管的光检测灵敏度。
优选为硅基板中，从第2主面侧起薄化与第2导电类型的半导体区域对应的部分，并保留该部分的周边部分。此时，可获得将硅基板的第1主面及第2主面侧分别作为光入射面的光电二极管。
优选为第1导电类型的累积层的厚度大于不规则的上述凹凸的高低差。此时，如上所述，可确保累积层的作用效果。
发明的效果
根据本发明，可提供一种使用硅的半导体光检测元件，且在近红外光的波长区域具有充分的光谱灵敏度特性。
附图说明
图1为用于说明第1实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图2为用于说明第1实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图3为用于说明第1实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图4为用于说明第1实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图5为用于说明第1实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图6为用于说明第1实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图7为用于说明第1实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图8为用于说明第1实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图9为用于说明第1实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图10为用于说明第1实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图11为表示第1实施方式的光电二极管的结构的图。
图12为表示实施例1及比较例1中的光谱灵敏度相对于波长的变化的图表。
图13为表示实施例1及比较例1中的温度系数相对于波长的变化的图表。
图14为用于说明第2实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图15为用于说明第2实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图16为用于说明第2实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图17为用于说明第3实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图18为用于说明第3实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图19为用于说明第3实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图20为用于说明第3实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图21为用于说明第3实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图22为用于说明第4实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图23为用于说明第4实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图24为用于说明第4实施方式的光电二极管的制造方法的图。
图25为用于说明第5实施方式的光电二极管阵列的构成的图。
图26为表示第6实施方式的半导体光检测元件的立体图。
图27为用于说明第6实施方式的半导体光检测元件的剖面结构的图。
图28为用于说明第7实施方式的光电二极管的构成的图。
图29为用于说明第8实施方式的光电二极管阵列的构成的图。
图30为概略性地表示第9实施方式的光电二极管阵列的俯视图。
图31为表示沿图30中的XXXI-XXXI线的剖面结构的图。
图32为用于概略性地说明各光检测通道与信号导线及电阻的连接关系的图。
图33为概略性地表示第10实施方式的MOS影像传感器的俯视图。
图34为表示沿图33中的XXXIV-XXXIV线的剖面结构的图。
图35为放大表示第10实施方式的MOS影像传感器中的一个像素的俯视图。
图36为表示沿图35中的XXXVI-XXXVI线的剖面结构的图。
具体实施方式
以下，参照附图，详细地说明本发明的优选实施方式。再者，在以下说明中，对于相同要素或具有相同功能的要素，使用相同符号而省略其重复的说明。
(第1实施方式)
参照图1～图10，说明第1实施方式的光电二极管的制造方法。图1～图10为用于说明第1实施方式的光电二极管的制造方法的图。
首先，准备n-型半导体基板1，其由硅(Si)结晶构成，且具有彼此相对的第1主面1a及第2主面1b(参照图1)。n-型半导体基板1的厚度为300μm左右，比电阻为1kΩ·cm左右。在本实施方式中，所谓「高杂质浓度」，是指例如杂质浓度为约1×1017cm-3以上，对其导电类型附上「+」来表示。所谓「低杂质浓度」，是指例如杂质浓度为约1×1015cm-3以下，对其导电类型附上「-」来表示。作为n型杂质，有锑(Sb)或砷(As)等，作为p型杂质，有硼(B)等。
其次，在n-型半导体基板1的第1主面1a侧，形成p+型半导体区域3及n+型半导体区域5(参照图2)。p+型半导体区域3以如下方法形成：使用中央部设有开口的掩模等，在n-型半导体基板1内自第1主面1a侧使p型杂质高浓度地扩散。n+型半导体区域5以如下方法形成：使用周边部区域设有开口的另一掩模等，以包围p+型半导体区域3的方式，在n-型半导体基板1内从第1主面1a侧使n型杂质以比n-型半导体基板1更高浓度地扩散。p+型半导体区域3的厚度例如为0.55μm左右，薄片电阻例如为44Ω/sq.。n+型半导体区域5的厚度例如为1.5μm左右，薄片电阻例如为12Ω/sq.。
接着，在n-型半导体基板1的第1主面1a侧形成绝缘层7(参照图3)。绝缘层7由SiO2构成，且通过将n-型半导体基板1热氧化而形成。绝缘层7的厚度例如为0.1μm左右。继而，在p+型半导体区域3上的绝缘层7中形成接触孔H1，在n+型半导体区域5上的绝缘层7中形成接触孔H2。也可代替绝缘层7而形成由SiN的抗反射(AR，anti-reflective)层。
然后，在n-型半导体基板1的第2主面1b上及绝缘层7上，形成钝化层9(参照图4)。钝化层9由SiN构成，且通过例如等离子CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)法而形成。钝化层9的厚度例如为0.1μm。而且，为了使n-型半导体基板1的厚度成为所期望的厚度，从第2主面1b侧对n-型半导体基板1进行研磨(参照图5)。由此，形成于n-型半导体基板1的第2主面1b上的钝化层9被去除，露出n-型半导体基板1。此处，经研磨而露出的面也可作为第2主面1b。所期望的厚度例如为270μm。
接下来，对n-型半导体基板1的第2主面1b照射脉冲激光PL，形成不规则的凹凸10(参照图6)。此处，如图7所示，将n-型半导体基板1配置于腔室C内，从配置于腔室C外侧的脉冲激光产生装置PLD将脉冲激光PL向n-型半导体基板1照射。腔室C含有气体导入部GIN及气体排出部GOUT，将惰性气体(例如氮气或氩气等)从气体导入部GIN导入后从气体排出部GOUT排出，由此，在腔室C内形成有惰性气体流Gf。照射脉冲激光PL时所产生的尘埃等会通过惰性气体流Gf而排出至腔室C外，从而能防止加工屑或尘埃等附着于n-型半导体基板1上。
本实施方式中，使用皮秒～飞秒脉冲激光产生装置作为脉冲激光产生装置PLD，且遍及第2主面1b的整个表面而照射皮秒～飞秒脉冲激光。第2主面1b被皮秒～飞秒脉冲激光破坏后，如图8所示，在第2主面1b的整个表面上形成有不规则的凹凸10。不规则的凹凸10含有与第1主面1a正交的方向交差的面。凹凸10的高低差例如为0.5～10μm左右，凹凸10中的凸部之间隔为0.5～10μm左右。皮秒～飞秒脉冲激光的脉冲时间宽度(time width)例如为50fs～2ps左右，强度例如为4～16GW左右，脉冲能量例如为200～800μJ/pulse左右。更一般而言，峰值强度为3×1011～2.5×1013(W/cm2)，通量为0.1～1.3(J/cm2)左右。图8为对形成于第2主面1b上的不规则的凹凸10观察所得的SEM(ScanningElectron Microscope，扫描式电子显微镜)图像。
其次，在n-型半导体基板1的第2主面1b侧，形成累积层11(参照图9)。此处，在n-型半导体基板1内使n型杂质从第2主面1b侧起，以成为比n-型半导体基板1更高的杂质浓度的方式进行离子注入或扩散，由此形成累积层11。累积层11的厚度例如为1μm左右。
其次，对n-型半导体基板1进行热处理(退火)。此处，在N2气体的气氛下，在800～1000℃左右的范围内对n-型半导体基板1进行0.5～1小时左右的加热。
然后，去除形成于绝缘层7上的钝化层9后，形成电极13、15(参照图10)。电极13形成于接触孔H1内，电极15形成于接触孔H2内。电极13、15分别由铝(Al)等构成，厚度例如为1μm左右。由此，完成光电二极管PD1。
如图10所示，光电二极管PD1具备n-型半导体基板1。在n-型半导体基板1的第1主面1a侧，形成有p+型半导体区域3及n+型半导体区域5，在n-型半导体基板1与p+型半导体区域3之间形成有pn结。电极13经由接触孔H1而与p+型半导体区域3电性接触且连接。电极15经由接触孔H2而与n+型半导体区域5电性接触且连接。
在n-型半导体基板1的第2主面1b上，形成有不规则的凹凸10。在n-型半导体基板1的第2主面1b侧，形成有累积层11，且第2主面1b光学性露出。所谓第2主面1b光学性露出，不仅指第2主面1b与空气等环境气体接触，而且也包含在第2主面1b上形成有光学上透明的膜的情况。
光电二极管PD1中，在第2主面1b上形成有不规则的凹凸10。因此，如图11所示，入射至光电二极管PD1的光L由凹凸10而发生反射、散射或扩散，从而在n-型半导体基板1内行进较长的距离。
通常，Si的折射率n＝3.5，相对于此，空气的折射率n＝1.0。光电二极管中，在光从与光入射面垂直的方向进行入射时，在光电二极管(硅基板)内未被吸收的光会分为在光入射面的背面反射的光成分、及穿透光电二极管的光成分。穿透光电二极管的光无助于光电二极管的灵敏度。在光入射面的背面反射的光成分若在光电二极管内被吸收，则会成为光电流。未被吸收的光成分在光入射面上，与到达光入射面的背面的光成分同样地进行反射或穿透。
光电二极管PD1中，在从与光入射面(第1主面1a)垂直的方向入射光L的情况下，若该光L到达形成于第2主面1b上的不规则的凹凸10，则以相对于来自凹凸10的出射方向为16.6°以上的角度而到达的光成分会由凹凸10而发生全反射。由于凹凸10被不规则地形成，故相对于出射方向而具有各种角度，全反射后的光成分会朝各种方向扩散。因此，全反射后的光成分中，存在有在n-型半导体基板1内部被吸收的光成分，也存在有到达第1主面1a或侧面的光成分。
到达第1主面1a或侧面的光成分会由于在凹凸10处的扩散而朝各种方向行进，因此，到达第1主面1a或侧面的光成分在第1主面1a或侧面发生全反射的可能性极高。已在第1主面1a或侧面发生全反射的光成分会反复地在不同的面上发生全反射，从而其行进距离变得更长。入射至光电二极管PD1的光L在n-型半导体基板1的内部行进较长距离的期间被n-型半导体基板1吸收，并作为光电流被检测。
入射至光电二极管PD1的光L的大部分并未穿透光电二极管PD1，其行进距离变长，并被n-型半导体基板1吸收。因此，对于光电二极管PD1，在近红外光的波长区域的光谱灵敏度特性提高。
当在第2主面1b上形成有规则的凹凸时，到达第1主面1a或侧面的光成分虽在凹凸处会扩散，但由于朝相同的方向行进，故到达第1主面1a或侧面的光成分在第1主面1a或侧面发生全反射的可能性较低。因此，在第1主面1a或侧面、进而在第2主面1b穿透的光成分会增加，从而入射至光电二极管的光的行进距离较短。因此，难以提高在近红外光的波长区域的光谱灵敏度特性。
此处，进行实验，以确认第1实施方式的在近红外光的波长区域的光谱灵敏度特性的提高效果。
制作包括上述结构的光电二极管(称作实施例1)、与在n-型半导体基板的第2主面上未形成不规则的凹凸的光电二极管(称作比较例1)，研究各自的光谱灵敏度特性。除了由脉冲激光的照射而形成有不规则的凹凸之外，实施例1与比较例1为相同结构。n-型半导体基板1的尺寸设定为6.5mm×6.5mm。p+型半导体区域3、即光感应区域的尺寸设定为5.8mm×5.8mm。施加于光电二极管的偏压电压VR设定为0V。
实验结果在图12中表示。图12中，实施例1的光谱灵敏度特性以T1表示，比较例1的光谱灵敏度特性以特性T2表示。图12中，纵轴表示光谱灵敏度(mA/W)，横轴表示光的波长(nm)。点划线所示的特性表示量子效率(QE)为100％的光谱灵敏度特性，虚线所示的特性表示量子效率为50％的光谱灵敏度特性。
根据图12可知，例如在1064nm时，比较例1中光谱灵敏度为0.2A/W(QE＝25％)，相对于此，实施例1中光谱灵敏度为0.6A/W(QE＝72％)，近红外光的波长区域的光谱灵敏度有大幅提高。
并且确认实施例1及比较例1中的光谱灵敏度的温度特性。此处，使环境温度自25℃上升至60℃，研究光谱灵敏度特性，求出60℃时的光谱灵敏度相对于25℃下的光谱灵敏度的比例(温度系数)。实验结果在图13中表示。图13中，实施例1的温度系数的特性以T3表示，比较例1的温度系数的特性以特性T4表示。在图13中，纵轴表示温度系数(％/℃)，横轴表示光的波长(nm)。
根据图13可知，例如在1064nm时，比较例1中温度系数为0.7％/℃，相对于此，实施例1中温度系数为0.2％/℃，其温度依存性较低。一般而言，温度上升后，吸收系数会增大且带隙能量会减少，因此光谱灵敏度会变高。实施例1中，即使在室温的状态下光谱灵敏度也充分高，故与比较例1相比，温度上升所引起的光谱灵敏度的变化变小。
光电二极管PD1中，在n-型半导体基板1的第2主面1b侧形成有累积层11。由此，使在第2主面1b侧并非由光而产生的无用载流子再结合，从而可减少暗电流。累积层11会抑制在第2主面1b附近由光所产生的载流子被该第2主面1b捕获。因此，由光所产生的载流子可朝pn结有效率地移动，从而可进一步提高光电二极管PD1的光检测灵敏度。
在第1实施方式中，在形成累积层11后，对n-型半导体基板1进行热处理。由此，可恢复n-型半导体基板1的结晶性，从而防止暗电流的增加等的不良。
第1实施方式中，在对n-型半导体基板1进行热处理后，形成电极13、15。由此，即便电极13、15使用熔点相对较低的金属的情况下，电极13、15也不会因热处理而熔融。因此，可不受热处理的影响而适当地形成电极13、15。
在第1实施方式中，照射皮秒～飞秒脉冲激光，形成不规则的凹凸10。由此，可适当且容易地形成不规则的凹凸10。
(第2实施方式)
参照图14～图16，说明第2实施方式的光电二极管的制造方法。图14～图16为用于说明第2实施方式的光电二极管的制造方法的图。
第2实施方式的制造方法中，直至从第2主面1b侧对n-型半导体基板1进行研磨为止，与第1实施方式的制造方法相同，故省略到此为止的工序的说明。从第2主面1b侧对n-型半导体基板1进行研磨而使n-型半导体基板1成为所期望的厚度之后，在n-型半导体基板1的第2主面1b侧，形成累积层11(参照图14)。累积层11的形成与第1实施方式同样地进行。累积层11的厚度例如为1μm左右。
其次，对n-型半导体基板1的第2主面1b照射脉冲激光PL，形成不规则的凹凸10(参照图15)。不规则的凹凸10的形成与第1实施方式同样地进行。
其次，与第1实施方式同样地对n-型半导体基板1进行热处理。之后，去除形成于绝缘层7上的钝化层9后，形成电极13、15(参照图16)。由此，完成光电二极管PD2。
第2实施方式中，也与第1实施方式同样地，入射至光电二极管PD2的光的行进距离变长，光被吸收的距离也变长。因此，对于光电二极管PD2，也可提高在近红外光的波长区域的光谱灵敏度特性。
第2实施方式中，累积层11的厚度大于不规则的凹凸10的高低差。因此，形成累积层11之后即便照射脉冲激光而形成不规则的凹凸10，累积层11仍会确实地保留。因此，可确保累积层11的作用效果。
(第3实施方式)
参照图17～图21，说明第3实施方式的光电二极管的制造方法。图17～图21为用于说明第3实施方式的光电二极管的制造方法的图。
第3实施方式的制造方法中，直至形成钝化层9为止，与第1实施方式的制造方法相同，故省略至此为止的工序的说明。在形成钝化层9之后，使n-型半导体基板1中的与p+型半导体区域3对应的部分从第2主面1b侧起薄化，并保留该部分的周边部分(参照图17)。n-型半导体基板1的薄化例如通过使用有氢氧化钾溶液或TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide，四甲基氢氧化铵溶液)等的碱性蚀刻的各向异性蚀刻而进行。n-型半导体基板1的已被薄化的部分的厚度例如为100μm左右，周边部分的厚度例如为300μm左右。
其次，从第2主面1b侧对n-型半导体基板1进行研磨，以使n-型半导体基板1的周边部分的厚度成为所期望的厚度(参照图18)。所期望的厚度例如为270μm。
接着，对n-型半导体基板1的第2主面1b照射脉冲激光PL，形成不规则的凹凸10(参照图19)。不规则的凹凸10的形成与第1实施方式同样地进行。
接着，在n-型半导体基板1的已被薄化的部分的第2主面1b侧形成累积层11(参照图20)。累积层11的形成与第1实施方式同样地进行。累积层11的厚度例如为3μm左右。
然后，与第1实施方式同样地对n-型半导体基板1进行热处理之后，去除形成于绝缘层7上的钝化层9，形成电极13、15(参照图21)。由此，完成光电二极管PD3。
第3实施方式中，也与第1及第2实施方式同样地，入射至光电二极管PD3的光的行进距离变长，光被吸收的距离也变长。由此，对于光电二极管PD3，也可提高近红外光的波长区域的光谱灵敏度特性。
第3实施方式中，在形成不规则的凹凸10之前，从第2主面1b侧起薄化n-型半导体基板1中的与p+型半导体区域3对应的部分，并保留该部分的周边部分。由此，可获得将n-型半导体基板1的第1主面1a及第2主面1b侧分别作为光入射面的光电二极管PD3。
(第4实施方式)
参照图22～图24，说明第4实施方式的光电二极管的制造方法。图22～图24为用于说明第4实施方式的光电二极管的制造方法的图。
第4实施方式的制造方法中，直至薄化n-型半导体基板1为止，与第3实施方式的制造方法相同，故省略至此为止的工序的说明。在从第2主面1b侧对n-型半导体基板1进行研磨而使n-型半导体基板1成为所期望的厚度之后，在n-型半导体基板1的已被薄化的部分的第2主面1b侧，形成累积层11(参照图22)。累积层11的形成与第1实施方式同样地进行。累积层11的厚度例如为3μm左右。
其次，对n-型半导体基板1的第2主面1b照射脉冲激光PL，形成不规则的凹凸10(参照图23)。不规则的凹凸10的形成与第1实施方式同样地进行。
接下来，与第1实施方式同样地对n-型半导体基板1进行热处理。继而，去除形成于绝缘层7上的钝化层9后，形成电极13、15(参照图24)。由此，完成光电二极管PD4。
第4实施方式中，也与第1～第3实施方式同样地，入射至光电二极管PD4的光的行进距离变长，光被吸收的距离也变长。由此，对于光电二极管PD4，也可提高近红外光的波长区域的光谱灵敏度特性。
第4实施方式中，在形成累积层11之前，从第2主面1b侧起薄化n-型半导体基板1中的与p+型半导体区域3对应的部分，保留该部分的周边部分。由此，可获得将n-型半导体基板1的第1主面1a及第2主面1b侧分别作为光入射面的光电二极管PD4。
(第5实施方式)
参照图25，说明第5实施方式的光电二极管阵列PDA1。图25为用于说明第5实施方式的光电二极管阵列的构成的图。
光电二极管阵列PDA1具备n-型半导体基板1。在n-型半导体基板1的第1主面1a侧，形成有多个p+型半导体区域3，在n-型半导体基板1与各p+型半导体区域3之间形成有pn结。在n-型半导体基板1的第2主面1b上，形成有不规则的凹凸10。在n-型半导体基板1的第2主面1b侧，形成有累积层11，第2主面1b光学性露出。光电二极管阵列PDA1中，由于第2主面1b上形成有不规则的凹凸10，故入射至光电二极管阵列PDA1的光由凹凸10而发生反射、散射或扩散，从而在n-型半导体基板1内行进较长的距离。
第5实施方式中，也与第1～第4实施方式同样地，入射至光电二极管阵列PDA1的光的行进距离变长，光被吸收的距离也变长。由此，对于光电二极管阵列PDA1，也可提高近红外光的波长区域的光谱灵敏度特性。
光电二极管阵列PDA1中，在n-型半导体基板1的第2主面1b侧形成有累积层11。由此，使在第2主面1b侧并非由光而产生的无用载流子再结合，从而可减少暗电流。累积层11会抑制在第2主面1b附近由光所产生的载流子被该第2主面1b捕获。因此，由光所产生的载流子可朝pn结有效率地移动，从而可进一步提高光电二极管阵列PDA1的光检测灵敏度。
光电二极管阵列PDA1中，在第2主面1b上的与p+型半导体区域3(pn结)之间的区域相对的区域上，也形成有不规则的凹凸10。因此，入射至p+型半导体区域3之间的区域上的光，经在第2主面1b上的与p+型半导体区域3之间的区域相对的区域上所形成的不规则的凹凸10而发生反射、散射或扩散，且被n-型半导体基板1确实地吸收。因此，对于光电二极管阵列PDA1，在p+型半导体区域3之间的区域中，检测灵敏度并未下降，光检测灵敏度提高。
(第6实施方式)
参照图26～图27，说明第6实施方式的固体摄像元件SI1。图26为表示第6实施方式的固体摄像元件的立体图。图27为用于说明第6实施方式的固体摄像元件的剖面结构的图。
如图26所示，固体摄像元件SI1为背面入射型固体摄像元件，而且是利用KOH水溶液等来蚀刻半导体基板SS的背面侧而使其薄化的BT-CCD(Back Thinned Charge Coupled Device，背照式电荷耦合元件)。在已被蚀刻的半导体基板SS的中央区域上形成有凹部TD，在凹部TD的周围存在较厚的框部。凹部TD的侧面相对于底面BF成钝角地倾斜。半导体基板SS的已被薄化的中央区域为光感应区域(摄像区域)，光L沿Z轴的负方向入射至该光感应区域。半导体基板SS的凹部TD的底面BF构成光入射面。该框部也可通过蚀刻而去除，从而使固体摄像元件SI1成为整个区域得以薄化的背面入射型固体摄像元件。
固体摄像元件SI1包含作为上述半导体基板SS的p型半导体基板21。p型半导体基板21由硅(Si)结晶构成，具有彼此相对的第1主面21a及第2主面21b。p型半导体基板21的厚度设定为像素间距P以下。本实施方式中，像素间距P为10μm～48μm左右，p型半导体基板21的厚度为10μm～30μm左右。本实施方式中，显示双相时钟驱动的例子，为了在各传送电极下确实地进行电荷的单向传送而存在有使杂质浓度不同的区域(未图标)。
在p型半导体基板21的第1主面21a侧，形成有作为电荷传送部的n型半导体层23，在p型半导体基板21与n型半导体层23之间形成有pn结。在p型半导体基板21的第1主面21a上，经由绝缘层27而设置有作为传送电极部的多个电荷传送电极25。在p型半导体基板21的第1主面21a侧，也形成有针对每一个垂直CCD而电性隔离n型半导体层23的隔离区域(图中省略)。n型半导体层23的厚度为0.5μm左右。
在p型半导体基板21的第2主面21b中的整个光感应区域29上，形成有不规则的凹凸10。在p型半导体基板21的第2主面21b侧，形成有累积层31，第2主面21b光学性露出。所谓第2主面21b光学性露出，不仅指第2主面21b与空气等环境气体接触，而且也包含在第2主面21b上形成有光学上透明的膜的情形。当固体摄像元件SI1为整个区域得以薄化的背面入射型固体摄像元件时，也可遍及p型半导体基板21的整个第2主面21b而形成不规则的凹凸10。当固体摄像元件SI1为仅光感应区域29附近得以薄化的背面入射型固体摄像元件时，也可遍及p型半导体基板21的包括未薄化的周边的框部、到达框部的倾斜面的整个第2主面21b，而形成不规则的凹凸10。
继而，说明本实施方式的固体摄像元件SI1的制造方法。
首先，准备p型半导体基板21，在p型半导体基板21的第1主面21a侧，形成n型半导体层23。n型半导体层23通过使n型杂质在p型半导体基板21内从第1主面21a侧扩散而形成。
接着，在p型半导体基板21的第2主面21b侧，形成累积层31。累积层31与上述实施方式同样地以如下方式形成：在p型半导体基板21内使p型杂质从第2主面21b侧起，以成为比p型半导体基板21更高的杂质浓度的方式进行离子注入或扩散。累积层31的厚度例如为0.5μm左右。累积层31可在形成不规则的凹凸10之前形成，或者，也可在形成不规则的凹凸10之后形成。
其次，如上所述薄化p型半导体基板21。在形成不规则的凹凸10之后形成累积层31的情况下，在形成不规则的凹凸10之后，薄化p型半导体基板21，其后形成累积层31。
接下来，对p型半导体基板21进行热处理，使累积层31活化。热处理例如在N2气体的气氛下，在800～1000℃左右的范围内进行0.5～1.0小时左右。此时，p型半导体基板21的结晶性也恢复。
其次，在p型半导体基板21的第2主面21b侧，形成不规则的凹凸10。与上述实施方式同样地，不规则的凹凸10通过对p型半导体基板21的第2主面21b照射脉冲激光而形成。
其次，对p型半导体基板21进行热处理。热处理例如在N2气体等的气氛下，在800～1000℃左右的范围内进行0.5～1.0小时左右。经热处理而可谋求p型半导体基板21上的结晶损伤的恢复及再结晶化，从而可防止暗电流的增加等的不良。也可省略在累积层31形成后的热处理，仅进行在不规则的凹凸10形成后的热处理。
其次，形成绝缘层27及电荷传送电极25。形成绝缘层27及电荷传送电极25的工序为已知，故省略说明。电荷传送电极25例如由多晶硅或金属构成。绝缘层27例如由SiO2构成。也能以覆盖绝缘层27及电荷传送电极25的方式进一步形成保护膜。保护膜例如由BPSG(Boron Phosphor Silicate Glass，硼磷硅玻璃)构成。由此，完成固体摄像元件SI1。
固体摄像元件SI1中，若从光入射面(第2主面21b)入射光，则在第2主面21b上形成不规则的凹凸10，故所入射的光会因凹凸10而散射，在p型半导体基板21内朝各种方向行进。到达第1主面21a等的光成分通过凹凸10而扩散，由此朝各种方向行进，因此，到达第1主面21a等的光成分在第1主面21a发生全反射的可能性极高。已在第1主面21a等发生全反射的光成分会反复地在不同的面上发生全反射或者在第2主面21b上发生反射、散射或扩散，其行进距离变得更长。如此，入射至固体摄像元件SI1的光通过凹凸10而发生反射、散射或扩散，在p型半导体基板21内行进较长的距离。而且，入射至固体摄像元件SI1的光在p型半导体基板21的内部行进较长距离的期间被p型半导体基板21吸收，由光而产生的载流子成为n型半导体层23的每个像素的电荷而被传送并检测。因此，固体摄像元件SI1中，在近红外光的波长区域的光谱灵敏度特性提高。
固体摄像元件SI1中，因凹凸10而发生反射、散射或扩散，由此产生像素间的干扰，从而可能导致解像度降低。然而，由于将p型半导体基板21的厚度设定为像素间距P以下，因此对于固体摄像元件SI1，可抑制像素间干扰的产生。
在固体摄像元件SI1中，在p型半导体基板21的第2主面21b侧形成有累积层31。由此，使在第2主面21b侧并非由光而产生的无用载流子再结合，从而可减少暗电流。累积层31会抑制在第2主面21b附近由光所产生的载流子被该第2主面21b捕获。因此，由光所产生的载流子可朝pn结有效率地移动，从而可进一步提高固体摄像元件SI1的光检测灵敏度。
第6实施方式中，在形成累积层31之后，对p型半导体基板21进行热处理。由此，可恢复p型半导体基板21的结晶性，从而防止暗电流的增加等的不良。
第6实施方式中，在对p型半导体基板21进行热处理之后，形成电荷传送电极25。由此，即便电荷传送电极25使用熔点相对较低的材料的情况下，电荷传送电极25也不会因热处理而熔融。因此，可不受热处理的影响而适当地形成电荷传送电极25。
第6实施方式中，照射皮秒～飞秒脉冲激光，形成不规则的凹凸10。由此，可适当且容易地形成不规则的凹凸10。
然而，在固体摄像元件等的半导体光检测元件中，将包含硅的半导体基板设定为较厚(例如200μm左右)，由此可实现在近红外光的波长区域具有光谱灵敏度特性的半导体光检测元件。然而，在上述半导体基板的厚度较大时，为了获得良好的解像度，必需施加数十伏特左右的高偏压电压，使半导体基板完全耗尽。其原因在于用以防止下述现象：若在半导体基板上部分地保留中性区域而不完全耗尽，则在中性区域产生的载流子会扩散而导致解像度劣化。
若半导体基板较厚，则暗电流也会增加。因此，也必需冷却半导体基板(例如-70～-100℃)，抑制暗电流的增加。
然而，第6实施方式的固体摄像元件SI1中，如上所述，在第2主面21b上形成有不规则的凹凸10，由此使入射至固体摄像元件SI1的光的行进距离变长。因此，无需加厚半导体基板(p型半导体基板21)、尤其无需加厚对应于光感应区域29的部分，可实现在近红外光的波长区域具有充分的光谱灵敏度特性的半导体光检测元件。由此，与通过加厚半导体基板而在近红外光的波长区域具有光谱灵敏度特性的半导体光检测元件相比，上述固体摄像元件SI1可通过施加极低的偏压电压或不施加偏压电压而获得良好的解像度。根据其用途，也无需进行半导体基板的冷却。
在薄化半导体基板、尤其在薄化对应于光感应区域的部分时，可能会产生etalon(标准具成像不清晰)现象。etalon现象是从背面入射的被检测光、与已入射的被检测光经表面反射后的光之间产生干涉的现象，其会影响近红外光的波长区域内的检测特性。然而，固体摄像元件SI1中，在第2主面21b上形成有不规则的凹凸10，由此，相对于入射光的相位，经凹凸10而反射的光具有分散的相位差，因此这些光彼此会相互抵消，从而抑制etalon现象。
第6实施方式中，p型半导体基板21从第2主面21b侧起被薄化。由此，可获得将p型半导体基板21的第1主面21a及第2主面21b侧分别作为光入射面的半导体光检测元件。即，固体摄像元件SI1不仅可用作背面入射型固体摄像元件，而且也可用作表面入射型固体摄像元件。
在形成累积层31之后，照射脉冲激光而形成不规则的凹凸10的情况下，优选将累积层31的厚度设定为大于不规则的凹凸10的高低差。此时，即便照射脉冲激光而形成不规则的凹凸10，累积层31仍会确实地保留。因此，可确保累积层31的作用效果。
(第7实施方式)
参照图28，说明第7实施方式的光电二极管PD5。图28为用于说明第7实施方式的光电二极管的结构的图。
光电二极管PD5为用于检测波长区域为可见光～近红外光区域的低能量光的雪崩光电二极管(avalanche photodiode)。光电二极管PD5具备p-型半导体基板40。p-型半导体基板40由硅(Si)结晶构成，且具有相互相对的第1主面40a及第2主面40b。p-型半导体基板40包含光感应区域41。
光感应区域41在俯视时设置于第1主面40a的中央部。光感应区域41从第1主面40a起朝内侧具有厚度。光感应区域41由n+型杂质区域43、p+型杂质区域45、及p-型半导体基板40中的施加偏压电压时耗尽的区域。n+型杂质区域43从第1主面40a起朝p-型半导体基板40的内侧具有厚度。n+型杂质区域43具有n+型保护环43a。n+型保护环43a设置于n+型杂质区域43的周围。p+型杂质区域45从n+型杂质区域43起进一步朝p-型半导体基板40的内侧具有厚度。p-型半导体基板40具有p+型扩散遮断区域47。p+型扩散遮断区域47在俯视时位于第1主面40a的周围，且从第1主面40a起朝内侧具有厚度。p+型扩散遮断区域47被设置成包围光感应区域41。
p-型半导体基板40是例如添加有硼(B)等p型杂质的硅基板。p+型杂质区域45是比p-型半导体基板40更高浓度地添加有p型杂质的区域。p+型扩散遮断区域47是比p+型杂质区域45更高浓度地添加有p型杂质的区域。n+型杂质区域43是例如添加有锑(Sb)等n型杂质的区域。n+型杂质区域43(包含n+型保护环43a)及p+型杂质区域45在p-型半导体基板40内构成pn结。
光电二极管PD5具有层叠于第1主面40a上的钝化膜49。光电二极管PD5具有设置于钝化膜49上的电极51及电极53。钝化膜49中，在n+型杂质区域43上设置有接触孔H11，且在p+型扩散遮断区域47上设置有接触孔H12。电极51经由接触孔H11而与n+型杂质区域43电性接触且连接。电极53经由接触孔H12而与p+型扩散遮断区域47电性接触且连接。钝化膜49的原材料例如为氧化硅等。
光电二极管PD5具有形成于第2主面40b侧的凹部55。凹部55通过从第2主面40b侧起薄化p-型半导体基板40而形成，在凹部55的周围存在较厚的框部。凹部55的侧面相对于凹部55的底面而成钝角地倾斜。凹部55以俯视时与光感应区域41重叠的方式形成。凹部55的底面与第1主面40a之间的厚度相对较小，例如为100～200μm左右，优选为150μm左右。如上所述，由于第1主面40a与凹部55的底面之间的厚度相对较小，故可使应答速度高速化，并且使施加于光电二极管PD5的偏压电压得以降低。
在p-型半导体基板40的整个第2主面40b上，形成有不规则的凹凸10。在p-型半导体基板40的第2主面40b侧，形成有累积层57。累积层57中的与凹部55的底面对应的区域、即与构成雪崩光电二极管的光感应区域41相对的区域光学性露出。所谓第2主面40b光学性露出，不仅指第2主面40b与空气等环境气体接触，而且也包含在第2主面40b上形成有光学上透明的膜的情形。不规则的凹凸10也可仅形成于凹部55的底面、即形成于与作为雪崩光电二极管而发挥功能的光感应区域41相对的区域。
光电二极管PD5含有电极59。电极59设置于累积层57上，并与累积层57电性接触且连接。累积层57中的形成有电极59的区域未光学性露出。
对于含有上述构成的光电二极管PD5而言，在对电极51与电极59施加逆向偏压电压(雪崩电压)时，在光感应区域41会产生与入射至光感应区域41的光量相对应的载流子。在p+型扩散遮断区域47的附近产生的载流子会流入至p+型扩散遮断区域47。因此，来自电极51的输出信号中产生的裙边(skirt)会因p+型扩散遮断区域47而得以降低。
继而，对第7实施方式的光电二极管PD5的制造方法加以说明。
首先，准备p-型半导体基板40。p-型半导体基板40的厚度为300μm左右。
其次，在p-型半导体基板40的第1主面40a侧，形成p+型杂质区域45及p+型扩散遮断区域47。p+型杂质区域45以如下方法形成：使用中央部设有开口的掩模等，在p-型半导体基板40内从第1主面40a侧将p型杂质进行高浓度的离子注入。p+型扩散遮断区域47以如下方法形成：使用周边部区域设有开口的另一掩模等，在p-型半导体基板40内从第1主面40a侧使p型杂质高浓度地扩散。
其次，在p-型半导体基板40的第1主面40a侧，形成n+型保护环43a及n+型杂质区域43。n+型保护环43a以如下方法形成：使用设有环状开口的掩模等，在p-型半导体基板40内从第1主面40a侧使n型杂质高浓度地扩散。n+型杂质区域43以如下方法形成：使用中央部设有开口的另一掩模等，在p-型半导体基板40内从第1主面40a侧将n型杂质进行高浓度的离子注入。
其次，研磨p-型半导体基板40的第2主面40b的表面以使其平坦化。之后，从第2主面1b侧起薄化p-型半导体基板40中的与p+型杂质区域45对应的部分，并保留该部分的周边部分。p-型半导体基板40的薄化例如通过使用KOH水溶液或TMAH等的碱性蚀刻的各向异性蚀刻而进行。p-型半导体基板40的已被薄化的部分的厚度例如为150μm左右，周边部分的厚度例如为200μm左右。
其次，在p-型半导体基板40的第2主面40b侧，形成累积层57。此处，在p-型半导体基板40内将p型杂质从第2主面40b侧起，以成为比p-型半导体基板40更高的杂质浓度的方式进行离子注入，由此形成累积层57。累积层57的厚度例如为1.5μm左右。
其次，对p-型半导体基板40进行热处理(退火)，使累积层57活化。此处，将p-型半导体基板40在N2气体等的气氛下，在800～1000℃左右的范围内进行0.5～1.0小时左右的加热。
其次，对p-型半导体基板40的第2主面40b照射脉冲激光PL，形成不规则的凹凸10。不规则的凹凸10与上述实施方式同样地，通过对p-型半导体基板40的第2主面40b照射脉冲激光而形成。
其次，对p-型半导体基板40进行热处理(退火)。此处，将p-型半导体基板40在N2气体等的气氛下，在800～1000℃左右的范围内进行0.5～1.0小时左右的加热。经热处理而可谋求p-型半导体基板40中的结晶损伤的恢复及再结晶化，从而可防止暗电流的增加等的不良。
接下来，在p-型半导体基板40的第1主面40a侧形成钝化膜49。然后，在钝化膜49中形成接触孔H11、H12，形成电极51、53。电极51在接触孔H11内形成，电极53在接触孔H12内形成。另外，在p-型半导体基板40的已被薄化的部分的周边部分的累积层57上形成电极59。电极51、53分别由铝(Al)等构成，电极59由金(Au)等构成。由此，完成光电二极管PD5。
光电二极管PD5中，在第2主面40b上形成有不规则的凹凸10，因此入射至光电二极管PD5的光会通过凹凸10而发生反射、散射或扩散，从而在p-型半导体基板40内行进较长的距离。
光电二极管PD5中，在从与光入射面(第1主面40a)垂直的方向入射光的情况下，若该光到达形成于第2主面40b的不规则的凹凸10，则以相对于来自凹凸10的出射方向为16.6°以上的角度而到达的光成分会通过凹凸10而发生全反射。由于凹凸10不规则地形成，故相对于出射方向而具有各种角度，全反射后的光成分会朝各种方向扩散。因此，全反射后的光成分中，存在有在p-型半导体基板40内部被吸收的光成分，也存在有到达第1主面40a或侧面的光成分。
到达第1主面40a或侧面的光成分会因由于凹凸10处的扩散而朝各种方向行进，因此，到达第1主面40a或侧面的光成分在第1主面40a或侧面发生全反射的可能性极高。已于第1主面40a或侧面发生全反射的光成分会反复地在不同的面上发生全反射，从而其行进距离变得更长。入射至光电二极管PD5的光在p-型半导体基板40的内部行进较长距离的期间被p-型半导体基板40吸收，并作为光电流被检测。
如此，入射至光电二极管PD5的光L的大部分并未穿透光电二极管PD5，其行进距离变长，并被p-型半导体基板40吸收。因此，对于光电二极管PD5，在近红外光的波长区域的光谱灵敏度特性提高。
光电二极管PD5中，在p-型半导体基板40的第2主面40b侧形成有累积层57。由此，使在第2主面40b侧产生的无用载流子再结合，从而可减少暗电流。累积层57会抑制在第2主面40b附近产生的载流子被该第2主面40b捕获。因此，所产生的载流子可朝pn结有效率地移动，从而可进一步提高光电二极管PD5的光检测灵敏度。
第7实施方式中，在形成累积层57之后，对p-型半导体基板40进行热处理。由此，可恢复p-型半导体基板40的结晶性，从而防止暗电流的增加等不良。
累积层57也可在形成不规则的凹凸10之后形成。在形成累积层57之后照射脉冲激光而形成不规则的凹凸10，在此情形时，优选为将累积层57的厚度设定为大于不规则的凹凸10的高低差。此时，即便照射脉冲激光而形成不规则的凹凸10，累积层57仍会确实地保留。因此，可确保累积层57的作用效果。
第7实施方式中，对p-型半导体基板40进行热处理之后，形成电极51、53、59。由此，即便电极51、53、59使用熔点相对较低的材料的情况下，电极51、53、59也不会因热处理而熔融。因此，可不受热处理的影响而适当地形成电极51、53、59。
第7实施方式中，照射皮秒～飞秒脉冲激光，形成不规则的凹凸10。由此，可适当且容易地形成不规则的凹凸10。
第7实施方式中，从第2主面40b侧薄化p-型半导体基板40。由此，可获得将p-型半导体基板40的第1主面40a及第2主面40b侧分别作为光入射面的光电二极管。即，光电二极管PD5不仅可用作表面入射型光电二极管，而且可用作背面入射型光电二极管。
然而，在雪崩光电二极管中，将包含硅的半导体基板设定为较厚(例如数百μm～2mm左右)，由此可实现在近红外光的波长区域具有实用上充分的光谱灵敏度特性的半导体光检测元件。然而，雪崩光电二极管中，需要用于耗尽的偏压电压及用于雪崩倍增的偏压电压，因此在上述半导体基板的厚度较大时，需要施加极高的偏压电压。另外，若半导体基板较厚，则暗电流也会增加。
然而，第7实施方式的光电二极管PD5中，如上所述，在第2主面40b上形成有不规则的凹凸10，由此使入射至光电二极管PD5的光的行进距离变长。因此，无需加厚半导体基板(p-型半导体基板40)、尤其无需加厚对应于光感应区域41的部分，可实现在近红外光的波长区域具有实用上充分的光谱灵敏度特性的光电二极管。因此，与通过加厚半导体基板而在近红外光的波长区域具有光谱灵敏度特性的光电二极管相比，上述光电二极管PD5可通过施加较低的偏压电压而获得良好的光谱灵敏度特性。另外，暗电流的增加受到抑制，光电二极管PD5的检测精度提高。进而，由于p-型半导体基板40的厚度较薄，故光电二极管PD5的应答速度提高。
第7实施方式的光电二极管PD5中，也可将第2主面40b侧的整个区域薄化。
(第8实施方式)
参照图29，说明第8实施方式的光电二极管阵列PDA2。图29为用于说明第8实施方式的光电二极管阵列的结构的图。
光电二极管阵列PDA2具备p-型半导体基板40，在p-型半导体基板40上配置有多个作为雪崩光电二极管而发挥功能的光感应区域41。
在p-型半导体基板40的整个第2主面40b上，形成有不规则的凹凸10。即，光电二极管阵列PDA2中，不仅在与作为雪崩光电二极管发挥功能的光感应区域41相对的区域上，而且在与光感应区域41之间相对的区域上，也形成有不规则的凹凸10。
第8实施方式中，也与第7实施方式同样地，入射至光电二极管阵列PDA2的光的行进距离变长，光被吸收的距离亦变长。因此，对于光电二极管阵列PDA2，也可提高在近红外光的波长区域的光谱灵敏度特性。
第8实施方式的光电二极管阵列PDA2，与第7实施方式同样地，与通过加厚半导体基板而在近红外光的波长区域具有光谱灵敏度特性的光电二极管阵列相比，可通过施加较低的偏压电压而获得良好的光谱灵敏度特性。另外，暗电流的增加受到抑制，光电二极管阵列PDA2的检测精度提高。进而，由于p-型半导体基板40的厚度较薄，故光电二极管阵列PDA2的应答速度提高。
光电二极管阵列PDA2中，在p-型半导体基板40的第2主面40b上的与光感应区域41之间相对的区域上，也形成有不规则的凹凸10。因此，入射至光感应区域41之间的光会通过形成于第2主面40b上的与光感应区域41间相对的区域上的不规则的凹凸10而发生反射、散射或扩散，并被任一光感应区域41吸收。由此，对于光电二极管阵列PDA2，在光感应区域41之间检测灵敏度并未下降，光检测灵敏度提高。
光电二极管阵列PDA2也与第7实施方式的光电二极管PD5同样地，可用作YAG(yttrium aluminum garnet，钇铝石榴石)激光的检测元件。
对于光电二极管阵列PDA2，也可将第2主面40b侧的整个区域薄化。另外，光电二极管阵列PDA2可用作表面入射型及背面入射型中的任一种光电二极管阵列。
(第9实施方式)
参照图30及图31，说明第9实施方式的光电二极管阵列PDA3的结构。图30为概略性地表示第9实施方式的光电二极管阵列PDA3的俯视图。图31表示沿图30所示的光电二极管阵列PDA3的XXXI-XXXI线的剖面结构的图。
光电二极管阵列PDA3在基板62上层叠有多个半导体层及绝缘层。如图30所示，光电二极管阵列PDA3为通过将入射有被检测光的多个光检测通道CH形成为矩阵状(本实施方式中为4×4)而成的光子计数用多通道雪崩光电二极管。在光电二极管阵列PDA3的上表面侧，设置有信号导线63、电阻64、及电极垫65。基板62例如是边长为1mm左右的正方形。各光检测通道CH例如为正方形状。
信号导线63包括：读出部63a、连接部63b、及通道外周部63c。读出部63a传送从各光检测通道CH输出的信号。连接部63b连接各电阻64与读出部63a。通道外周部63c以包围各光检测通道CH的外周的方式而布线。读出部63a与夹持该读出部63a而邻接的配置成2行的光检测通道CH分别连接，其一端与电极垫65连接。本实施方式中，光电二极管配置成4×4的矩阵状，因此在光电二极管阵列PDA3上，读出部63a布线有2条，且双方均相对于电极垫65而连接。信号导线63例如由铝(Al)构成。
电阻64经由一端部64a及通道外周部63c而设置于每个光检测通道CH，并经由另一端部64b及连接部63b而连接于读出部63a。连接于相同的读出部63a的多个(本实施方式中为8个)的电阻64相对于该读出部63a而连接。电阻64例如包含多晶硅(Poly-Si)。
其次，参照图31说明光电二极管阵列PDA3的剖面构成。如图31所示，光电二极管阵列PDA3包含：基板62，其具有导电类型为n型(第1导电类型)的半导体层；p-型半导体层73，其形成于基板62上，且导电类型为p型(第2导电类型)；p+型半导体区域74，其形成于p-型半导体层73上，且导电类型为p型；保护膜76；隔离部80，其形成于p-型半导体层73上，且导电类型为n型(第1导电类型)；以及形成于保护膜76上的上述的信号导线63及电阻64。被检测光从图31的上表面侧或下表面侧入射。
基板62具有：基板部件SM、形成于基板部件SM上的绝缘膜61、及形成于绝缘膜61上的n+型半导体层72。基板部件SM由Si(硅)构成。绝缘膜61例如由SiO2(氧化硅)构成。n+型半导体层72由Si构成，并且是杂质浓度较高且导电类型为n型的半导体层。n+型半导体层72的厚度例如为1μm～12μm。
p-型半导体层73是杂质浓度较低且导电类型为p型的外延半导体层。p-型半导体层73在与基板62的界面上构成pn结。p-型半导体层73对应各光检测通道CH而含有多个使通过被检测光的入射所产生的载流子发生雪崩倍增的倍增区域AM。p-型半导体层73的厚度例如为3μm～5μm。p-型半导体层73由Si构成。因此，n+型半导体层72与p-型半导体层73构成硅基板。
p+型半导体区域74对应各光检测通道CH的倍增区域AM而形成于p-型半导体层73上。即，在半导体层的层叠方向(以下仅称作层叠方向)上，位于P+型半导体区域74的下方的p-型半导体层73与基板62的界面附近的区域为倍增区域AM。p+型半导体区域74由Si构成。
隔离部80形成于多个光检测通道CH之间，其隔离各光检测通道CH。即，隔离部80被形成，以使与各光检测通道CH一一对应地在p-型半导体层73上形成倍增区域AM。隔离部80以完全包围各倍增区域AM周围的方式在基板62上形成为二维格子状。隔离部80在层叠方向上从p-型半导体层73的上表面侧贯通至下表面侧为止而形成。隔离部80的杂质例如由P构成，其为杂质浓度较高且导电类型为n型的半导体层。若通过扩散而形成隔离部80，则需要较长的热处理时间，因此认为n+型半导体层72的杂质会朝外延半导体层扩散，pn结的界面会上升。为了防止该上升，也可在对相当于隔离部80的区域的中央附近进行槽蚀刻之后，进行杂质的扩散而形成隔离部80。在沟槽中，也可形成由物质填埋而成的遮光部，其吸收或反射由光检测通道所吸收的波长区域的光。在此情况下，可防止由雪崩倍增引起的发光影响到邻接的光检测通道而产生的干扰。
p-型半导体层73、p+型半导体区域74、及隔离部80在光电二极管阵列PDA3的上表面侧形成平面，并在这些上形成有保护膜76。保护膜76例如由SiO2构成的绝缘层而形成。
在保护膜76上，形成有信号导线63及电阻64。信号导线63的读出部63a及电阻64形成于隔离部80的上方。
信号导线63作为阳极而发挥功能，作为阴极，也可在基板62的下表面侧(不含有绝缘膜61的侧)的整个面上具备透明电极层(例如由ITO(Indium Tin Oxide，氧化铟锡)构成的层)(图示省略)。或者，作为阴极，也可形成为能使电极部从表面侧引出。
此处，参照图32，说明各光检测通道CH与信号导线63及电阻64的连接关系。图32是用于概略性地说明各光检测通道CH与信号导线63及电阻64的连接关系的图。如图32所示，各光检测通道CH的p+型半导体区域74与信号导线63(通道外周部63c)直接连接。由此，信号导线63(通道外周部63c)与p-型半导体层73电性连接。p-型半导体层73与电阻64的一端部64a经由信号导线63(通道外周部63c)而连接，电阻64的另一端部64b分别经由连接部63b而相对于读出部63a连接。
基板62上，将形成有多个光检测通道CH的区域从基板部件SM侧起薄化，基板部件SM上的与形成有多个光检测通道CH的区域相对应的部分被去除。在已被薄化的区域的周围，存在有基板部件SM作为框部。另外，也可为上述框部被去除，基板62的整个区域被薄化，即基板部件SM全体被去除的结构。基板部件SM的去除可通过蚀刻(例如干式蚀刻等)或研磨等进行。在通过干式蚀刻而去除基板部件SM时，绝缘膜61也作为蚀刻阻止层而发挥功能。因去除基板部件SM而露出的绝缘膜61以后述方式被去除。
在n+型半导体层72的表面，遍及形成有多个光检测通道CH的整个区域而形成不规则的凹凸10。n+型半导体层72的表面上的形成有不规则的凹凸10的区域光学性露出。所谓n+型半导体层72的表面光学性露出，不仅指n+型半导体层72的表面与空气等的环境气体接触，而且也包含在n+型半导体层72的表面上形成有光学上透明的膜的情形。不规则的凹凸10也可仅形成于与各光检测通道CH相对的区域上。
与上述实施方式同样地，不规则的凹凸10通过对因去除基板部件SM而露出的绝缘膜61照射脉冲激光而形成。即，若对露出的绝缘膜61照射脉冲激光，则可去除绝缘膜61，并且n+型半导体层72的表面遭脉冲激光破坏而形成不规则的凹凸10。
优选为照射脉冲激光而形成不规则的凹凸10之后，对基板62进行热处理(退火)。例如，将基板62在N2气体等的环境下，在800～1000℃左右的范围内进行0.5～1.0小时左右的加热。经上述热处理而可谋求n+型半导体层72中的结晶损伤的恢复及再结晶化，从而可防止暗电流的增加等的不良。
当将如此构成的光电二极管阵列PDA3用于光子计数时，使其在被称作盖革模式(Geiger Mode)的动作条件下动作。在盖革模式动作时，对各光检测通道CH施加比雪崩电压更高的逆向电压(例如50V以上)。若在该状态下使被检测光从上表面侧入射至各光检测通道CH，则被检测光在各光检测通道CH中会被吸收而产生载流子。所产生的载流子伴随着各光检测通道CH内的电场而加速并移动，在各倍增区域AM倍增。而且，已倍增的载流子经由电阻64并由信号导线63而向外部送出，根据该输出信号的峰值来进行检测。由于从已检测光子的通道可获得均为相同量的输出，故通过检测来自所有通道的总输出而计数从光电二极管阵列PDA3中的多少个光检测通道CH有输出。因此，光电二极管阵列PDA3中，通过被检测光的一次照射而完成光子计数。
而且，光电二极管阵列PDA3中，在n+型半导体层72的表面形成有不规则的凹凸10，因此，入射至光电二极管阵列PDA3的光通过凹凸10而发生反射、散射或扩散，从而在光电二极管阵列PDA3内行进较长的距离。
例如，使用光电二极管阵列PDA3作为表面入射型光电二极管阵列，在光从保护膜76侧入射至光电二极管阵列PDA3的情形时，若该光到达形成于n+型半导体层72表面的不规则的凹凸10，则以相对于来自凹凸10的出射方向为16.6°以上的角度而到达的光成分会通过凹凸10而发生全反射。由于凹凸10不规则地形成，故相对于出射方向而具有各种角度，全反射后的光成分会朝各种方向扩散。因此，全反射后的光成分中，存在有被各光检测通道CH吸收的光成分，也存在有到达保护膜76侧的表面或n+型半导体层72的侧面的光成分。
到达保护膜76侧的表面或n+型半导体层72的侧面的光成分会因在凹凸10处的扩散而朝各种方向行进。因此，到达保护膜76侧的表面或n+型半导体层72的侧面的光成分在保护膜76侧的表面或n+型半导体层72的侧面发生全反射的可能性极高。已在保护膜76侧的表面或n+型半导体层72的侧面发生全反射的光成分会反复地在不同的面上发生全反射，从而其行进距离变得更长。入射至光电二极管阵列PDA3的光在光电二极管阵列PDA3的内部行进较长距离的期间被各光检测通道CH吸收，并作为光电流被检测。
使用光电二极管阵列PDA3作为背面入射型光电二极管阵列，在光从n+型半导体层72的表面侧入射至光电二极管阵列PDA3的情形时，所入射的光会通过凹凸10而散射，在光电二极管阵列PDA3内朝各种方向行进。到达保护膜76侧的表面或n+型半导体层72的侧面的光成分会因凹凸10处的扩散而朝各种方向行进，因此，到达保护膜76侧的表面或n+型半导体层72的侧面的光成分在各面发生全反射的可能性极高。已在保护膜76侧的表面或n+型半导体层72的侧面发生全反射的光成分会反复地在不同的面上发生全反射及或于凹凸10处发生反射、散射或扩散，从而其行进距离变得更长。入射至光电二极管阵列PDA3的光通过凹凸10而发生反射、散射或扩散，从而在光电二极管阵列PDA3内行进较长的距离而被各光检测通道CH吸收，并作为光电流被检测。
入射至光电二极管阵列PDA3的光L的大部分并未穿透光电二极管阵列PDA3，其行进距离变长，并被各光检测通道CH吸收。因此，对于光电二极管阵列PDA3，在近红外光的波长区域的光谱灵敏度特性提高。
第9实施方式中，在n+型半导体层72的表面形成有不规则的凹凸10。因此，使在形成有不规则的凹凸10的上述表面侧并非由光而产生的无用载流子再结合，从而可减少暗电流。n+型半导体层72作为累积层而发挥功能，其抑制在n+型半导体层72的上述表面附近由光所产生的载流子被该表面捕获。因此，由光所产生的载流子可朝倍增区域AM有效率地移动，从而可提高光电二极管阵列PDA3的光检测灵敏度。
第9实施方式中，与n+型半导体层72中的多个光检测通道CH之间对应的表面也形成有不规则的凹凸10，并且光学性露出。因此，入射至多个光检测通道CH之间的光也会通过不规则的凹凸10而发生反射、散射或扩散，并被任一光检测通道CH吸收。由此，在光检测通道CH之间检测灵敏度并未下降，光电二极管阵列PDA3的光检测灵敏度进一步提高。
在第9实施方式中，n+型半导体层72的厚度大于不规则的凹凸10的高低差。因此，可确实地确保n+型半导体层72的作为累积层的作用效果。
光电二极管阵列PDA3中，pn结由基板62的n+型半导体层72、及形成于该基板62的n+型半导体层72上的外延半导体层即p-型半导体层73所构成。倍增区域AM形成于实现pn结的p-型半导体层73中，各倍增区域AM与各光检测通道CH的对应通过形成于光检测通道CH之间的隔离部80而实现。pn结由n+型半导体层72与p-型半导体层73的界面、及隔离部80与p-型半导体层73的界面所构成。因此，高浓度杂质区域成为凸，不存在电场变高的区域。由此，光电二极管阵列PDA3不具有在以盖革模式动作时会产生边缘雪崩的pn结的端部(边缘)。因此，光电二极管阵列PDA3中，无需对各光检测通道CH的pn结设置保护环。由此，可显著提高光电二极管阵列PDA3的开口率。
通过提高开口率，光电二极管阵列PDA3也可加大检测效率。
由于各光检测通道CH之间被隔离部80隔离，因此可良好地抑制干扰。
当以盖革模式动作，使入射有光子的光检测通道与未入射的通道之间电压差变大时，也会由于在光检测通道CH之间形成有隔离部80而可将通道间充分地隔离。
光电二极管阵列PDA3中，信号导线63的读出部63a形成于隔离部80的上方，故可抑制信号导线63横穿倍增区域AM上方、即横穿光检测面上。因此，开口率会进一步提高。进而，认为在暗电流的抑制方面也有效。在光电二极管阵列PDA3中，由于电阻64也形成于隔离部80的上方，因此，开口率会更进一步提高。
本申请发明者由剩余脉冲的波长相依性发现：在使用n型的半导体基板并在其上形成有p型的外延半导体层时，产生如下问题：n型的半导体基板上所产生的空穴的一部分会延迟并进入到倍增区域而成为剩余脉冲。针对该种问题，光电二极管阵列PDA3中，在形成有多个光检测通道CH的区域中，由于基板部件SM被去除，故可抑制剩余脉冲。
在第9实施方式中，形成为光电二极管阵列的光检测通道的个数并不限定于上述实施方式中的个数(4×4)。形成于光检测通道CH之间的隔离部80的个数也不限定于上述实施方式及变形例所示的个数，例如也可为3个以上。信号导线63也可不形成于隔离部40的上方。电阻64也可不形成于隔离部80的上方。各层等并不限定于上述实施方式所示的例子。
(第10实施方式)
参照图33，说明第10实施方式的MOS(Metal Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体)影像传感器MI1。图33为概率性地表示第10实施方式的MOS影像传感器的俯视图。图34为表示沿图33所示的MOS影像传感器的XXXIV-XXXIV线的剖面结构的图。
MOS影像传感器MI1具备由硅构成的第1导电类型的半导体基板90。在半导体基板90上，形成有受光部91、用于选择行的垂直移位寄存器92、及用于选择列的水平移位寄存器93。如图34(a)所示，受光部91配置于半导体基板90的第1主面90a侧。在受光部91上，二维状配置有多个像素(未图示)。垂直移位寄存器92配置于受光部91的侧方(图33中为左侧)。水平移位寄存器93也配置于受光部91的侧方(图33中为下侧)。
在半导体基板90的第2主面90b中的与受光部91对应的区域上，如图34(a)所示形成有不规则的凹凸10。在半导体基板90的第2主面90b侧，形成有累积层11，第2主面90b光学性露出。如图34(b)所示，不规则的凹凸10也可遍及半导体基板90的整个第2主面90b而形成。
继而，参照图35及图36，说明配置于MOS影像传感器MI1的受光部91上的各像素PX的结构。图35为放大表示第10实施方式的MOS影像传感器中的一个像素的俯视图。图36为表示沿图35中的XXXVI-XXXVI线的剖面结构的图。
如图35所示，各像素PX由受光区域101与随附电路102构成。当MOS影像传感器MI1为PPS(Passive Pixel Sensor，被动式像素传感器)时，随附电路102由读出用FET构成。当MOS影像传感器MI1为APS(Active Pixel Sensor，主动式像素传感器)时，随附电路102由包含4个晶体管等的放大电路构成。
如图36(a)所示，受光区域101包含由半导体基板90与第2导电类型的半导体区域111所构成的pn结的光电二极管。随附电路102配置于第2导电类型的半导体区域111的侧方(图36(a)中为左侧)。在半导体基板90的第2主面90b上，遍及整个像素PX而形成有不规则的凹凸10。如图36(b)所示，不规则的凹凸10也可仅形成于半导体基板90的第2主面90b中的与受光区域101(第2导电类型的半导体区域111)对应的区域上。
在第10实施方式中，也与其它实施方式同样地，入射至MOS影像传感器MI1的光的行进距离变长，光被吸收的距离也变长。由此，对于MOS影像传感器MI1，也可提高在近红外光的波长区域的光谱灵敏度特性。
在第10实施方式中，也可在结束半导体基板90的第1主面90a侧的加工制程后，薄化半导体基板90。此时，可获得将半导体基板90的第1主面90a及第2主面90b侧分别作为光入射面的MOS影像传感器。
第10实施方式所示的形态并不仅适用于MOS影像传感器。第10实施方式所示的形态可适用于检测于近红外光的波长区域的光的CMOS影像传感器、光IC、或CMOS光IC等。
以上，对本发明的优选的实施方式进行了说明，但本发明未必限定于上述实施方式，在不脱离其主旨的范围内可进行各种变更。
在第1～第5实施方式中，遍及第2主面1b的整个表面而照射脉冲激光，形成不规则的凹凸10，但并不限于此。例如，也可仅对n-型半导体基板1的第2主面1b中的与p+型半导体区域3相对的区域照射脉冲激光，形成不规则的凹凸10。
在第1～第5实施方式中，将电极15与形成于n-型半导体基板1的第1主面1a侧的n+型半导体区域5电性接触且连接，但并不限于此。例如，也可将电极15与形成于n-型半导体基板1的第2主面1b侧的累积层11电性接触且连接。此时，优选在n-型半导体基板1的第2主面1b中的与p+型半导体区域3相对的区域以外形成电极15。其原因在于，若在n-型半导体基板1的第2主面1b中的与p+型半导体区域3相对的区域上形成电极15，则形成于第2主面1b上的不规则的凹凸10会被电极15阻挡，从而产生在近红外光的波长区域的光谱灵敏度下降的现象。
也可将本实施方式的光电二极管PD1～PD5、光电二极管阵列PDA1～3、固体摄像元件SI1、及MOS影像传感器MI1中的p型及n型的各导电类型替换成与以上所述相反。
但是，在先前技术中，存在有在日本专利特表2008-515196号公报所揭示的「具有掺杂硫且由激光进行微结构化的表面层的硅基底的检测器制造方法」。在日本专利特表2008-515196号公报中，对硅基板表面的多个位置的各位置照射一个以上的飞秒激光脉冲，同时使上述表面曝露于含有硫的物质中，在基板的表面层形成多个含硫物。如此，在日本专利特表2008-515196号公报中，在硅的带隙中形成杂质等级，由此使红外线灵敏度提高。因此，入射至半导体光检测元件的光的行进距离变长，光被吸收的距离也变长，故于近红外光的波长区域的光谱灵敏度特性提高的本实施方式的各半导体光检测元件与日本专利特表2008-515196号公报所揭示的光检测器不同。另外，日本专利特表2008-515196号公报所揭示的光检测器由光电效应而检测光，与本实施方式的各半导体光检测元件不同。
先前，波长为1000nm以上的具有实用的光谱灵敏度的半导体受光元件仅存在使用化合物半导体的半导体受光元件。然而，根据本发明，可实现能使用原料与加工成本均便宜、且加工也容易的硅来检测波长为1000nm以上的近红外光的半导体受光元件，因此成为产业上较大的优点。
产业上的可利用性
本发明可利用于半导体光检测元件及光检测装置。
符号说明
1   n-型半导体基板
1a  第1主面
1b  第2主面
3   p+型半导体区域
5   n+型半导体区域
10  不规则的凹凸
11  累积层
13、15  电极
PL  脉冲激光
PD1～PD5 光电二极管
PDA1～3  光电二极管阵列
SI1 固体摄像元件
MI1 MOS影像传感器

Claims (4)

1.一种半导体光检测元件，其特征在于：
具备：
硅基板，具有由第1导电类型的半导体区域与第2导电类型的半导体区域所形成的pn结，
在所述硅基板上，在该硅基板的一个主面侧形成有第1导电类型的累积层，并且在所述一个主面上的至少与所述pn结相对的区域上形成有不规则的凹凸，
所述硅基板的所述一个主面上的与所述pn结相对的所述区域光学性露出。
2.一种半导体光检测元件，其特征在于：
具备硅基板，该硅基板由第1导电类型的半导体构成，且具有彼此相对的第1主面及第2主面，并且在所述第1主面侧形成有第2导电类型的半导体区域，
在所述硅基板上，在所述第2主面侧形成有具有比所述硅基板更高的杂质浓度的第1导电类型的累积层，并且在所述第2主面上的至少与第2导电类型的所述半导体区域相对的区域上形成有不规则的凹凸，
所述硅基板的所述第2主面上的与第2导电类型的所述半导体区域相对的所述区域光学性露出。
3.如权利要求2所述的半导体光检测元件，其特征在于，
所述硅基板中，从所述第2主面侧起薄化与第2导电类型的所述半导体区域对应的部分，并保留该部分的周边部分。
4.如权利要求2或3所述的半导体光检测元件，其特征在于，
第1导电类型的所述累积层的厚度大于不规则的所述凹凸的高低差。
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