CN1653617A - 背面照射型光电二极管阵列及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
将半导体基板1的光电二极管的阳极及阴极这两类电极集中在基板的单面上。这可以利用贯穿半导体基板1的孔H将其中一方电气地引导至另一面来实现，半导体基板1通过研磨被薄膜化，因此，可缩短孔H的形成时间。另外，由于贴合有用于对在制造工序中薄膜化的半导体基板进行加固的支撑基板3，所以在加工过程中容易进行晶片的处理，适合于量产化。
Description
技术领域
本发明涉及背面照射型光电二极管阵列及其制造方法。
背景技术
三维封装技术在众多的领域都在被研究。目前，在进行三维封装时，形成贯穿基板上下面的孔，通过该孔把一侧的电极引导至另一侧。
发明内容
但是，在这种三维封装的贯穿孔形成工序中，通常使用ICP等离子体蚀刻，但是，由于晶片的厚度为300μm～400μm左右，因此，形成贯穿孔需要很长的时间。此外，由于使用ICP等离子体蚀刻装置进行蚀刻处理时，一次只能处理一枚晶片，因此无法同时处理多枚晶片，这样在一枚晶片上形成贯穿孔需要花费很多时间。因此，如果使用这种蚀刻技术，一次蚀刻只能形成少量的产品，即无法在工业上大批量生产大面积光电二极管阵列。例如，在形成孔时，每一枚晶片都需要数小时，即使形成多个大面积光电二极管阵列，在工业生产上也无法实现。
本发明是鉴于这样的课题而产生的，其目的在于提供一种可以进行量产的背面照射型光电二极管阵列及其制造方法。
为了解决上述课题，本发明的背面照射型光电二极管阵列的制造方法的特征在于，它包括以下工序：(a)在半导体基板的一面形成高浓度杂质区域的工序；(b)使上述半导体基板的上述一面与支撑基板贴合的工序；(c)对上述半导体基板的另一面进行研磨、从而使上述半导体基板薄膜化的工序；(d)在上述半导体基板的上述另一面形成高浓度杂质区域及多个光电二极管的工序；(e)形成从上述半导体基板的上述另一面的上述高浓度杂质区域到达上述一面的上述高浓度杂质区域的孔的工序；(f)通过上述孔使上述一面与上述另一面的上述高浓度杂质区域电连接的工序；(g)上述工序(f)完成后、除去上述支撑基板的工序。光电二极管的阳极及阴极中的一个，位于半导体基板的一面及另一面中的任一面，而另一个则位于剩余的一面。
如果采用该制造方法，由于通过研磨工序使光电二极管薄膜化，因此，孔的形成时间缩短，而且，由于通过该孔连接形成于半导体基板的两面的高浓度杂质区域，因此，可以把光电二极管的阳极及阴极电气地引导至半导体基板的相同一面(另一面)。虽然薄膜化使基板强度降低，甚至出现晶片损坏这样的问题，但在晶片制造过程中，由于半导体基板的另一面设置有支撑基板，因此，可以对其进行强固。通过本发明，具备多个光电二极管的光电二极管阵列可以首次实现工业量产。还有，由于该光电二极管阵列是背面照射型，因此，它可以用于信号杂音比高、高精确度的光检测装置内。
上述半导体基板及上述高浓度杂质区域是第一导电型(例如为n型)，上述多个光电二极管用多个第二导电型(例如为p型)杂质区域与半导体基板构成，位于任何一个上述光电二极管的上述一面的阳极或者阴极可以被电气地引导至上述另一面。
此外，如果该制造方法包括在上述半导体基板的一面的整个面上形成比上述高浓度杂质区域浅的第一导电型的全面杂质半导体层的工序，则该全面杂质半导体层作为累积层而发挥作用。
此外，这种制造方法包括在上述半导体基板的一面上形成氧化膜工序时，可以使其作为保护膜而发挥作用。
此外，本发明的背面照射型光电二极管阵列的制造方法，其特征在于它还包括向上述孔内填充树脂的工序。通过向孔内填充树脂，可以提高半导体基板的强度。
本制造方法优选还包括：向上述孔内填充的树脂具有感光性、把作为该树脂的感光胶涂在上述半导体基板的另一面的整个面的工序；仅除去上述半导体基板的另一面的电极形成预定区域的感光胶的工序；在除去感光胶的区域形成电极的工序。此时，不仅可以通过通常的使用感光胶的光刻工艺填充树脂，还可以通过用该感光胶而进行电极露出作业。
从三维封装的观点来看，上述背面照射型光电二极管阵列的制造方法优选还包括：通过凸块把上述半导体基板的上述另一面安装在上述电路基板上、以使上述光电二极管的阳极及阴极与电路基板电连接的工序。此时，通过凸块而与电路基板电连接的光电二极管的阳极及阴极的连接配线沿着电路基板方向即半导体基板厚度方向而延伸，因此，可以缩小封装面积。即，由于在平面方向上静区变少，因此可以在半导体基板横向(二维)排列多个背面照射型光电二极管阵列，作为整体，可以提供更大面积的摄像装置。
此外，这种大面积的背面照射型光电二极管阵列，通过与使X线、γ线转换成可见光的闪烁器组合，可以适用于计算机断层摄影(CT)装置和阳电子放射断层摄影(PET)装置。
此外，本发明的背面照射型光电二极管阵列，可以通过上述方法来制造，在半导体基板的一面及另一面形成高浓度杂质区域，分别有选择地与在上述半导体基板的另一面上形成的光电二极管的阳极及阴极连接，其特征在于：上述高浓度杂质区域彼此通过沿着厚度方向贯穿上述半导体基板的孔而电连接，在上述孔内填充着树脂。
该背面照射型光电二极管阵列具有三维封装及制造方法上的优点，同时，孔内的树脂可以抑制背面照射型光电二极管的基板强度降低。
此外，上述半导体基板、及上述高浓度杂质区域是第一导电型，形成于上述半导体基板的另一面的光电二极管由第二导电型杂质区域和半导体基板构成，在上述半导体基板的整个一面上具备比上述高浓度杂质区域浅的第一导电型全面杂质半导体层，这是优选的。
此时，不但可以使全面杂质半导体层作为累积层而发挥作用，还可以进行高性能的检测。
附图说明
图1A是用于说明实施方式的背面照射型光电二极管阵列的制造方法的说明图，表示背面照射型光电二极管阵列的纵剖面结构。
图1B是用于说明实施方式的背面照射型光电二极管阵列的制造方法的说明图，表示背面照射型光电二极管阵列的纵剖面结构。
图1C是用于说明实施方式的背面照射型光电二极管阵列的制造方法的说明图，表示背面照射型光电二极管阵列的纵剖面结构。
图1D是用于说明实施方式的背面照射型光电二极管阵列的制造方法的说明图，表示背面照射型光电二极管阵列的纵剖面结构。
图1E是用于说明实施方式的背面照射型光电二极管阵列的制造方法的说明图，表示背面照射型光电二极管阵列的纵剖面结构。
图1F是用于说明实施方式的背面照射型光电二极管阵列的制造方法的说明图，表示背面照射型光电二极管阵列的纵剖面结构。
图1G是用于说明实施方式的背面照射型光电二极管阵列的制造方法的说明图，表示背面照射型光电二极管阵列的纵剖面结构。
图1H是用于说明实施方式的背面照射型光电二极管阵列的制造方法的说明图，表示背面照射型光电二极管阵列的纵剖面结构。
图1I是用于说明实施方式的背面照射型光电二极管阵列的制造方法的说明图，表示背面照射型光电二极管阵列的纵剖面结构。
图1J是用于说明实施方式的背面照射型光电二极管阵列的制造方法的说明图，表示背面照射型光电二极管阵列的纵剖面结构。
图2是在电路基板C上具备多个图1J所示的背面照射型光电二极管阵列PDA的摄像装置的说明图。
具体实施方式
下面，对实施方式的背面照射型光电二极管阵列进行说明。此外，相同的要素使用相同的符号，重复性的说明将省略。
图1A～图1J用于说明实施方式的背面照射型光电二极管阵列的制造方法的说明图，表示背面照射型光电二极管阵列的纵剖面结构。下面对其进行详细地说明。
在该制造方法中，依次进行以下工序(1)～(10)。
工序(1)
首先，准备由Si制成的半导体基板(晶片)1。半导体基板1的传导型是n型，比电阻是1kΩ·cm左右。半导体基板1的比电阻要考虑低容量、低噪音、高速响应的均衡来设定。然后，在半导体基板1的背面(其中一面)形成多个以规定间隔而分隔的厚度为数μm的n型高浓度杂质区域1n(图1A)。此处所说的“背面”是指最终制造的背面照射型光电二极管中的光入射面，是为了便于说明而规定的，注意它并不是附图下侧的面。此外，高浓度杂质区域1n是n型，通过磷的扩散而形成，高浓度的意思是指至少具有1×1017cm-3以上的载体浓度的区域。
工序(2)
之后，在半导体基板1的相同背面的整个表面形成较薄的杂质半导体Inc(图1B)。杂质半导体层Inc的传导型是n型，杂质浓度为高浓度。此外，该形成工序中所使用的杂质是砷，由于离子注入的射程被设定为小于磷的扩散深度，因此，其深度较浅(0.1μm以下)。该层的形成方法是离子注入法，例如，注入能量为80kev，剂量为2×1015cm-2。由于该层的深度较浅，因此，作为光检测器的性能为高灵敏度。
工序(3)
然后，在半导体基板1的背面通过热氧化而形成氧化膜2(图1C)。
工序(4)
使半导体基板1的背面与支撑基板3贴合(图1D)。该支撑基板3的材料，如后文所述，它将在之后的工序中除去，因此无需使用特殊的材料，例如一般使用较易获得的数10kΩ·cm左右的p型硅。在贴合工序中，通过氧化膜2把支撑基板3押在半导体基板1上，并施加1000℃以下的热使其贴合。
工序(5)
这样之后，将支撑基板3从表面一侧(与背面相反的一面：另一面)进行研磨，直至使半导体基板1达到规定厚度，使之薄膜化(图1E)。进行该镜面研磨工序之后的半导体基板1的厚度，例如是数10μm～150μm，其最佳厚度为50μm～100μm左右。
工序(6)
然后，在半导体基板1的表面一侧形成以规定间隔而分隔的多个n型高浓度杂质区域1n’及多个p型杂质区域1p，而且，在半导体基板1的表面一侧通过热氧化而形成氧化膜(SiO2)4(图1F)。n型高浓度杂质区域1n’通过扩散磷而形成。此外，p型杂质区域1p是通过在基板内扩散或者离子注入硼而形成。这样的p型杂质区域1p通过构成n型半导体基板1和PN结，从而构成光电二极管。该光电二极管位于半导体基板1的表面一侧。此外，该光电二极管也可以是雪崩光电二极管或PIN光电二极管。
工序(7)
之后，形成从半导体基板1的表面一侧到达背面一侧的孔H(图1G)。该孔H是，利用半导体基板1的表面一侧的氧化膜4，在高浓度杂质区域1n’上形成具有开口的掩模，通过该掩模对半导体基板1的表面进行蚀刻处理而得到的。也可以通过光刻法使该氧化膜4图案化，在进行蚀刻处理时，把氧化膜4作为掩模。在进行该蚀刻时，不仅可以使用各向同性的湿蚀刻，也可以使用常压等离子体蚀刻(ADP)等各向同性的干蚀刻。作为湿蚀刻之际使用的蚀刻液，可以使用HF/HNO3等。
如果使用这种蚀刻方法，不仅可以进行生产性较高的蚀刻，而且孔H的形状还可以形成研钵形状即圆锥状，因此，可以提高后面的电极形成中的分步覆盖度。就孔H来说，半导体基板1的表面一侧的高浓度杂质区域1n’的露出侧面和背面一侧的高浓度杂质区域1n的露出侧面和半导体基板1的被蚀刻了的侧面构成孔H的内面。
工序(8)
进一步，从孔H的侧面向半导体基板1内添加n型杂质，将表面一侧的n型高浓度杂质区域1n’与背面一侧的n型高浓度杂质区域1n进行电连接(图1H)。该杂质添加区域用符号h1表示。该杂质添加工序，也可以保留上述掩模或者以氧化膜4为掩模，从半导体基板1的表面一侧进行n型杂质的离子注入或者扩散而进行。
工序(9)
然后，为了降低串联电阻，在孔H的内面上形成由铝构成的金属电极膜h2。它形成阴极共通电极，并一直延伸至半导体基板1的表面。在形成金属电极膜h2之前，如果事先使氧化膜4图案化以使半导体基板1的p型杂质区域1p的表面露出，则可以在形成金属电极膜h2的同时而形成p型杂质区域1p的接触点(Contact)。这样之后，在半导体基板1的表面上涂敷感光性树脂(聚酰亚胺等感光胶)R，填充孔H的内面，通过光刻工序使由铝构成的金属电极露出。而且，在该露出的金属电极部依次镀Ni、Au，于是在光电二极管阵列上形成电极OM。
最后通过研磨及干蚀刻完全除去支撑基板3，使作为光入射面的氧化膜2露出。
然后，利用切割工具，切割成规定的芯片尺寸，于是，仅在半导体基板其中一个表面(另一面)上具有电极的背面照射型光电二极管阵列完成(图1I)。
工序(10)
使该光电二极管阵列芯片上下反转，即，使半导体基板1的表面一侧位于电路基板的C侧，光入射面为背面而进行配置。即，通过由Au或焊锡等制成的凸块B将半导体基板1设置在电路基板C上，通过该凸块B使上述光电二极管的电极OM与电路基板C上的配线电连接(图1J)。光电二极管的阴极、即n型半导体基板1及n型高浓度杂质区域1n，通过金属电极膜h2及杂质添加区域h1与位于半导体基板1表面一侧的电极OM连接。此外，光电二极管的阳极、即p型杂质区域1p与金属电极膜h2及电极OM连接。这些电极分别通过凸块B与电路基板C的阴极用配线及阳极用配线连接。
如上说明，上述的背面照射型光电二极管阵列的制造方法具备以下工序：(a)在半导体基板1的一面(背面)形成高浓度杂质区域1n的工序；(b)使半导体基板1的背面与支撑基板3贴合的工序；(c)对半导体基板1的另一面(表面)进行研磨、从而使半导体基板1薄膜化的工序；(d)在半导体基板1的表面形成高浓度杂质区域1n’及多个光电二极管的工序；(e)形成从半导体基板1表面的高浓度杂质区域1n’到达背面的高浓度杂质区域1n的孔H的工序；(f)通过孔H使背面与表面的高浓度杂质区域1n、1n’电连接的工序；(g)上述工序(f)完成后、除去支撑基板3的工序。光电二极管的阳极及阴极中的一个，位于半导体基板的一面及另一面中的任一面，而另一个则位于剩余的一个面。
如果采用该制造方法，由于通过研磨工序使光电二极管阵列、即半导体基板1薄膜化，形成为规定的厚度，所以，孔H的形成时间缩短，而且，由于通过该孔H连接形成于半导体基板1的两面的高浓度杂质区域1n、1n’，所以，可以把光电二极管的阳极及阴极电气地引导至半导体基板1的相同一面(表面)。虽然薄膜化使基板强度降低，但是，由于半导体基板1的背面设置有支撑基板，因此，在进行前处理(Process)工序的过程中，可以对其进行强固，通过该构造，具备多个光电二极管的光电二极管阵列可以首次实现工业量产。还有，由于该光电二极管阵列是背面照射型，因此，它可以用于信号杂音比高、高精确度的检测装置内。
此外，上述的背面照射型光电二极管阵列的制造方法还包括向孔H内填充树脂R的工序，通过向孔H内填充树脂，则可以提高半导体基板1的强度。
此外，上述制造方法还包括以下工序：向该孔H内填充的树脂具有感光性、把作为该树脂的感光胶涂敷在半导体基板1的另一面(表面)的整个表面的工序；仅除去半导体基板1的另一面的电极(h2、OM)形成预定区域的感光胶的工序；和，在除去感光胶的区域形成电极h2的工序。因此，可以通过通常的使用感光胶的光刻工艺填充树脂R，同时，也可以在电极形成之前，通过感光胶进行图案化的氧化膜，使形成了接触点的电极露出。
此外，半导体基板1及高浓度杂质区域1n、1n’是第一导电型(上述为n型)，多个光电二极管用多个第二导电型(上述为p型)杂质区域1p和半导体基板1构成，位于任何一个光电二极管的一面(背面)的阳极或者阴极被电气地引导至另一面(表面)。
此外，在上述的制造方法中，由于具备在半导体基板1的一面的整个面上形成比高浓度杂质区域浅的第一导电型(上述为n型)的全面杂质半导体层1nc的工序，所以，可以使全面杂质半导体层1nc作为累积层而发挥作用。
此外，在上述的制造方法中，由于具备在半导体基板1的一面(背面)形成氧化膜2的工序，所以，可以使其作为保护膜而发挥作用。
还有，从三维封装的观点来看，上述的背面照射型光电二极管阵列的制造方法具备以下工序，即，通过凸块B把半导体基板1的表面一侧安装在电路基板C上、以使光电二极管的阳极及阴极与电路基板C电连接的工序。此时，通过凸块B而与电路基板C电连接的光电二极管的阳极及阴极的连接配线沿着电路基板方向即半导体基板1的厚度方向而延伸，因此，可以缩小封装面积。
此外，上述的背面照射型光电二极管阵列，在半导体基板1的背面及表面形成高浓度杂质区域1n、1n’，它们分别有选择地与在半导体基板1的表面形成PN结的光电二极管的阳极及阴极连接，在这种背面照射型光电二极管阵列中，高浓度杂质区域1n、1n’彼此通过沿着厚度方向贯穿半导体基板1的孔H而电连接，孔H内被填充着树脂R。
该背面照射型光电二极管阵列具有三维封装及制造方法上的优点，同时，孔内的树脂可以抑制背面照射型光电二极管的基板强度降低。
此外，根据上述背面照射型光电二极管阵列的构造，半导体基板1及高浓度杂质区域1n、1n’是第一导电型(上述为n型)，在半导体基板1的另一面形成的光电二极管由第二导电型(上述为p型)杂质区域1p和半导体基板1构成，它具有在半导体基板1的一面的整个面形成比高浓度杂质区域1n浅的第一导电型(上述为n型)的全面杂质半导体层1nc，因此，不仅可以把全面杂质半导体层1nc作为累积层而发挥作用，还可以进行高性能的检测。
图2是在电路基板C上具备多个图1J所示的背面照射型光电二极管阵列PDA的摄像装置的说明图。根据上述构造，由于可以进行三维封装，因此，可以在多个平面方向没有间隙地对静区较少的背面照射型光电二极管阵列PDA进行二维排列。即，作为整体，可以提供更大面积的摄像装置。
此外，这种大面积的背面照射型光电二极管阵列，可以适用于X射线计算机断层摄影(CT)装置，具体地是它可以适用于面板状的多功能X射线CT装置或阳电子放射断层摄影(PET)装置。当应用于这种装置的情况下，在光入射面上设置被二维分割的闪烁器(BGO、CSO、CWO等)。
此外，在上述的研磨工序中，除了机械研磨外，还可以使用化学研磨，半导体基板1的露出面可以进行镜面加工。此外，背面的全面杂质半导体层1nc作为累积层而发挥作用。累积层不仅可以为接地电位，但也可以赋予正电位以便施加反偏压。
此外，上述的背面照射型光电二极管阵列，由于可以较薄地形成成为累积层的全面杂质半导体层，所以，可以提高紫外灵敏度。
此外，在除去支撑基板3之前的工序中，进行了电极OM形成或共通电极取出孔穴填埋之后，在半导体基板1上贴附切割胶带，并进行切割(不是进行完全分离芯片的切割，而是放入切割刀片直至半导体基板1作为芯片而被分离的位置(达到氧化膜4的位置))之后，通过机械研磨及干蚀刻而除去贴合的支持基板3。此时，除了使用一般的刀片切割之外，还可以采用激光切割等其它方式。
在该制造方法中，由于切割结束之前的所有工序都是在较厚的晶片上进行，因此，它的工艺生产性高，并使成品率得以提高，它是一种划时代的单面电极光电二极管生产方式。而且，通过凸块B可以施加偏压，不仅可以实现零偏压光电二极管，还可以实现高速、低噪音传感器(PIN光电二极管、雪崩光电二极管)。
根据本发明的背面照射型光电二极管阵列及其制造方法，可以实现量产。
产业上的可利用性
本发明可以用于背面照射型光电二极管阵列及其制造方法。
Claims (9)
1.一种背面照射型光电二极管阵列的制造方法，其特征在于：包括以下工序：
(a)在半导体基板的一面形成高浓度杂质区域的工序；
(b)使所述半导体基板的所述一面与支撑基板贴合的工序；
(c)对所述半导体基板的另一面进行研磨、从而使所述半导体基板薄膜化的工序；
(d)在所述半导体基板的所述另一面形成高浓度杂质区域及多个光电二极管的工序；
(e)形成从所述半导体基板的所述另一面的所述高浓度杂质区域到达所述一面的所述高浓度杂质区域的孔的工序；
(f)通过所述孔使所述一面和所述另一面的所述高浓度杂质区域电连接的工序；
(g)所述工序(f)完成后、除去支撑基板的工序。
2.根据权利要求1所述的背面照射型光电二极管阵列的制造方法，其特征在于：
所述半导体基板、及所述高浓度杂质区域是第一导电型，所述多个光电二极管用多个第二导电型杂质区域和半导体基板构成，位于任何一个所述光电二极管的所述一面的阳极或阴极可以电气地引导至所述另一面。
3.根据权利要求1所述的背面照射型光电二极管阵列的制造方法，其特征在于：包括在所述半导体基板的一面的整个面上形成比所述高浓度杂质区域浅的第一导电型的全面杂质半导体层的工序。
4.根据权利要求1所述的背面照射型光电二极管阵列的制造方法，其特征在于：包括在所述半导体基板的一面上形成氧化膜的工序。
5.根据权利要求1所述的背面照射型光电二极管阵列的制造方法，其特征在于：还包括在所述孔内填充树脂的工序。
6.根据权利要求1所述的背面照射型光电二极管阵列的制造方法，其特征在于：
还包括以下工序：向所述孔内填充的树脂具有感光性、把作为该树脂的感光胶涂敷在所述半导体基板的另一面的整个面上的工序；仅除去所述半导体基板的另一面的电极形成预定区域的感光胶的工序；在除去感光胶的区域形成电极的工序。
7.根据权利要求1所述的背面照射型光电二极管阵列的制造方法，其特征在于：
还包括以下工序：通过凸块把所述半导体基板的所述另一面安装在所述电路基板上、以使所述光电二极管的阳极及阴极与电路基板电连接的工序。
8.一种背面照射型光电二极管阵列，在半导体基板的一面及另一面形成高浓度杂质区域，分别有选择地与在所述半导体基板的另一面上形成的光电二极管的阳极及阴极连接，其特征在于：
所述高浓度杂质区域彼此通过沿着厚度方向贯穿所述半导体基板的孔而电连接，在所述孔内填充着树脂。
9.根据权利要求8所述的背面照射型光电二极管阵列，其特征在于：所述半导体基板、及所述高浓度杂质区域是第一导电型，在所述半导体基板的另一面形成的光电二极管用第二导电型杂质区域和半导体基板构成，在所述半导体基板的一面的整个面上具备比所述高浓度杂质区域浅的第一导电型全面杂质半导体层。
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