JP2004296825A - ホトダイオードアレイおよびその製造方法並びに放射線検出器 - Google Patents

ホトダイオードアレイおよびその製造方法並びに放射線検出器 Download PDF

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Abstract

【課題】ホトダイオードアレイおよびその製造方法並びに放射線検出器において、実装時におけるホトダイオードの対応領域にもたらされるダメージによるノイズの発生を防止する。
【解決手段】ｎ型シリコン基板３の被検出光Ｌの入射面の反対面側に、複数のホトダイオード４がアレイ状に形成されたホトダイオードアレイにおいて、その入射面側のホトダイオード４が形成された領域と対応しない領域に、所定の高さを有し、樹脂、金属又は絶縁材からなるスペーサ６を設けてホトダイオードアレイ１とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホトダイオードアレイおよびその製造方法並びに放射線検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のホトダイオードアレイとして、従来から、バンプ電極等の形成されている面の反対側（裏面側）から光を入射させるタイプの裏面入射型ホトダイオードアレイが知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１に開示されているホトダイオードアレイは、図２６および図２７に示すように、ｎ型シリコン基板１３３に、角柱状ｐ層１３４を形成してｐｎ接合によるホトダイオード１４０を形成し、そのホトダイオード１４０が形成されている表面側（図面の下側）とは反対側の裏面（図面の上側）に、負電極膜１３６を介してシンチレータ１３１が接着されてなっている。そして、そのシンチレータ１３１から、波長変換された光をホトダイオード１４０に入射させるとともに、その入射光に応じた電流をホトダイオード１４０により得て、その電流を表面側の正電極１３５、半田球１３９を介して、プリント基板１３７に設けられた半田パッド１３８に接続している。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−３３３３４８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のホトダイオードアレイ、例えばＣＴ用ホトダイオードアレイを実装するには、チップを吸着するコレットとして、平コレットと角錐コレットを使用することができるが、通常フリップチップボンディングを行う場合は平コレットが使用されている。ＣＴ用ホトダイオードアレイは、チップ面積が大きく（例えば、１辺２０ｍｍの矩形状）、図２５（ｂ）に示すように、通常のマウンタで使用される角錐コレット１６１を使用すると、チップ１６２と角錐コレット１６１との隙間１６３により反り返りを生じ、この反り返りにより位置ずれを生じて実装精度が低下するおそれがある。また、フリップチップボンディングの際には加熱や加圧が必要となるが、角錐コレット１６１では熱伝達の効率が良くなくしかも、加えられる圧力によってチップエッジに損傷がもたらされるおそれもあり、角錐コレット１６１は薄いチップには不向きである。このような理由から、フリップチップボンディングを行う場合は、図２５（ａ）に示すように、チップ面に面接触する平コレット１６０でチップ１６２を吸着しつつ、そのチップ１６２にヒータブロック１６４から熱と圧力を加えている。
【０００５】
しかしながら、平コレット１６０を使用すると、チップ１６２のチップ面全体が平コレット１６０に接触することになる。この光入射面となるチップ面全体が平コレット１６０に接触して加圧および加熱を受けると、そのチップ面上の、ホトダイオードを構成する不純物拡散層と対応する領域に物理的なダメージ（損傷）が及ぶので、そのダメージによる外観不良や特性劣化（暗電流や雑音の増加など）がホトダイオードアレイにもたらされる。
【０００６】
そこで、本発明は上記課題を解決し、実装時において、ホトダイオードが形成されている領域と対応する領域に及ぶダメージによる特性劣化を防止することが可能なホトダイオードアレイおよびその製造方法並びに放射線検出器を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明によるホトダイオードアレイは、被検出光の入射面の反対面側に、複数のホトダイオードがアレイ状に形成された半導体基板を備え、入射面側の、ホトダイオードが形成された領域と対応しない領域に所定の高さを有する凸状部を設けたことを特徴とする。
このホトダイオードアレイは、凸状部がホトダイオードの対応領域よりも突出しているため、実装時に使用される平コレットとの間に隙間を形成するスペーサとして機能する。そのため、対応領域が平コレットに直に接触することなく保護され、加圧や加熱によるダメージを受けることがない。
【０００８】
また、上記ホトダイオードアレイは上記半導体基板が、入射面の反対面側に、周囲の領域よりも窪んだ表面側凹部を有し、その表面側凹部の底部にホトダイオードが形成されているようにすることができる。
このホトダイオードアレイは、半導体基板の被検出光の入射面からホトダイオードまでの距離が短縮されるので、被検出光の入射により発生するキャリアの移動過程における再結合が抑制される。
【０００９】
また、上記ホトダイオードは、上記凸状部が、遮光性を有する樹脂または金属からなるようにすることができる。そうすることにより、入射面側のホトダイオードが形成された領域と対応しない領域への光入射を防止でき、ホトダイオードアレイの解像度が向上することになる。
さらに、凸状部が複数のスペーサユニットからなり、各スペーサユニットを所定間隔で断続的に配置して形成されているようにすることもできる。
このホトダイオードアレイは、入射面側が凸状部により複数の領域に仕切られるが、その各領域が互いに連通するため、例えば後述するシンチレータパネルを装着するために、芯入射面側に樹脂を塗布したときに、その樹脂が各領域に行き渡り、また各領域内ではボイドが発生し難くなる。
【００１０】
さらに、これらのホトダイオードアレイにおいて、半導体基板には、隣接する各ホトダイオードの間に、その各ホトダイオードを分離する不純物領域（分離層）が設けられているとよい。これらのホトダイオードアレイは、分離層により表面リークが抑えられるために、隣接するホトダイオード同士が電気的に確実に分離されている。
上記いずれのホトダイオードアレイも、半導体基板の入射面側に、上記半導体基板と同じ導電型の高不純物濃度層が形成されていることが好ましい。このホトダイオードアレイは、半導体基板内部の光入射面付近で発生したキャリアがトラップされることなく各ホトダイオードへ効率的に移動して、光検出感度を高めることができる。
【００１１】
そして、本発明は、第１導電型の半導体からなる半導体基板の片側表面に、不純物を添加して複数の第２導電型の不純物拡散層を形成し、各不純物拡散層と半導体基板とによる複数のホトダイオードをアレイ状に配列して形成する第１工程と、不純物拡散層を形成した側の反対側表面において、ホトダイオードが形成された領域と対応しない領域に、所定の高さを有する凸状部を設ける第２工程とを備えるホトダイオードアレイの製造方法を提供する。
【００１２】
このホトダイオードアレイの製造方法によれば、半導体基板の片側表面にホトダイオードがアレイ状に配列して形成され、その反対側表面のホトダイオードが形成された領域と対応しない領域に、所定の高さを有する凸状部を設けたホトダイオードアレイが得られる。
また、本発明は、第１導電型の半導体からなる半導体基板の片側表面に、周囲の領域よりも窪んだ表面側凹部をアレイ状に配列して複数形成する第１工程と、各表面側凹部の底部に不純物を添加して複数の第２導電型の不純物拡散層を形成し、各不純物拡散層と上記半導体基板とによる複数のホトダイオードをアレイ状に配列して形成する第２工程と、上記不純物拡散層を形成した側の反対側表面において、ホトダイオードが形成された領域と対応しない領域に、所定の高さを有する凸状部を設ける第３工程とを備えるホトダイオードアレイの製造方法を提供する。
【００１３】
この製造方法によれば、半導体基板の片側表面に表面側凹部が形成されて、その表面側凹部の底部にホトダイオードがアレイ状に配列して形成され、その反対側のホトダイオードの非対応領域に、所定の高さを有する凸状部を設けたホトダイオードアレイが得られる。
上記いずれのホトダイオードアレイの製造方法も、凸状部を設ける前に、反対側表面に半導体基板と同じ導電型の高不純物濃度層を形成する工程を更に有するとよい。この製造方法によれば、半導体基板と同じ導電型の高不純物濃度層が形成され、半導体基板内部の光入射面付近で発生したキャリアがトラップされることなく各ホトダイオードへ効率的に移動し、光検出感度を高めたホトダイオードアレイが得られる。
【００１４】
また、上記いずれのホトダイオードアレイの製造方法も、隣接する不純物を添加する領域の間に別の不純物を添加して第１導電型の不純物領域を設ける工程を更に有するようにすることができる。この製造方法によれば、隣接する各ホトダイオードが電気的に確実に分離されたホトダイオードアレイが得られる。
そして本発明は、上記いずれかのホトダイオードアレイと、ホトダイオードアレイの被検出光の入射面の側に取り付けられ、入射した放射線により発光するシンチレータパネルとを備える放射線検出器を提供する。
【００１５】
また、上記いずれかの製造方法で製造されたホトダイオードアレイと、ホトダイオードアレイの凸状部が設けられた側に取り付けられ、入射した放射線により発光するシンチレータパネルとを備える放射線検出器を提供する。
これらの放射線検出器は、上記ホトダイオードアレイを備えているため、その光入射面側に設けられたホトダイオードが凸状部により、実装時における加圧や加熱によるダメージを受けることなく、これらによるノイズや暗電流等による特性劣化を防止できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
（第１の実施形態）
まず、ホトダイオードアレイとその製造方法の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るホトダイオードアレイ１を模式的に示す断面図である。なお、以下の説明においては、光Ｌの入射面（図１の上側）を裏面、その反対側（図１の下側）の面を表面としている。以下の各図においては、図示の都合上、寸法が適宜変更されている。
【００１７】
ホトダイオードアレイ１は、表面側において、ｐｎ接合による複数のホトダイオード４が縦横に規則正しいアレイ状に２次元配列されて、その一つ一つのホトダイオード４がホトダイオードアレイ１の一画素としての機能を有し、全体で一つの光検出部を構成している。
ホトダイオードアレイ１は、厚さが３０〜３００μｍ（好ましくは１００μｍ）程度で、不純物濃度が１×１０１２〜１０１５／ｃｍ３程度のｎ型（第１導電型）シリコン基板３を有している。そして、その表面側において、不純物濃度が１×１０１３〜１０２０／ｃｍ３程度で、膜厚が０．０５〜２０μｍ程度（好ましくは０．２μｍ）のｐ型（第２導電型）不純物拡散層５が縦横の規則正しいアレイ状に２次元配列されている。このｐ型不純物拡散層５とｎ型シリコン基板３とによるｐｎ接合がホトダイオード４を構成している。さらに、表面側にはシリコン酸化膜２２が形成され、重ねてＳｉＮからなるパッシベーション膜２が形成されている。
【００１８】
また、各ホトダイオード４について、電極配線９が形成されている。この電極配線９は、膜厚が１μｍ程度のアルミニウムからなり、表面側において、各ｐ型不純物拡散層５に電気的に接続されている。また、各電極配線９には、所定の位置でパッシベーション膜２が開口された部分に、Ｎｉ−Ａｕからなるアンダーバンプメタル（ＵＢＭ）１１を介して半田のバンプ電極１２が電気的に接続されている。
【００１９】
一方、ｎ型シリコン基板３の裏面側には、高不純物濃度層であるアキュムレーション層８が設けられている。このアキュムレーション層８は裏面側の略全体にわたって略均一な深さで形成されていて、ｎ型シリコン基板３と同じ導電型であり、ｎ型シリコン基板３よりも不純物濃度が高くなっている。また、このアキュムレーション層８を被覆し、保護すると同時に光Ｌの反射を抑制するＡＲ膜２４が形成されている。ＡＲ膜２４は、ＳｉＯ２からなり、厚さ０．０１〜数μｍ程度で形成されている。なお、ホトダイオードアレイ１はアキュムレーション層８を設けているが、アキュムレーション層８を設けなくても実用上十分許容しえる程度の光検出感度を有している。なお、ＡＲ膜２４は、ＳｉＯ２の他にＳｉＮや必要な波長において反射防止ができるような光学膜を積層あるいは複合して形成してもよい。
【００２０】
そして、表面側の各ｐ型不純物拡散層５の存在する領域がホトダイオード４の形成されている領域（形成領域）で、それ以外の領域がホトダイオードの形成されない非形成領域となっており、裏面側ＡＲ膜２４上の、各ホトダイオード４の形成領域と対応しない領域（以下「非対応領域」という）に、所定の高さで突出する凸状部であるスペーサ６が設けられている。このスペーサ６は、樹脂、金属または絶縁材からなり、所定の平面パターンを有し、ｎ型シリコン基板３の裏面上に、各ホトダイオード４の形成領域に対応する領域（以下「対応領域」という）よりも適宜な高さ（厚さ）で突出している。
【００２１】
さらに、図示したホトダイオードアレイ１は、ｐ型不純物拡散層５同士の間、すなわち、隣接するホトダイオード４同士の間に、ｎ＋型不純物領域（分離層）７を膜厚０．１〜数１０μｍ程度で設けている。このｎ＋型不純物領域（分離層）７は、隣接するホトダイオード４同士を電気的に分離する機能を有するもので、これを設けることにより、隣接するホトダイオード４同士が電気的に確実に分離され、ホトダイオード４同士のクロストークを低減することができる。しかし、ホトダイオードアレイ１はこのｎ＋型不純物領域７は設けなくても、実用上十分許容し得る程度の光検出特性を有している。
図２は、ホトダイオードアレイ１を構成する半導体チップ３０の側面図およびその要部を拡大して示す断面図である。図２に示すように、半導体チップ３０は幅Ｗ１が２２．４ｍｍ程度で、厚さＤが約０．３ｍｍの極めて薄い板状であり、上述のホトダイオード４を多数有し（例えば１６×１６個の２次元配列）、隣接する画素間のピッチＷ２が１．４ｍｍ程度の大面積（例えば２２．４ｍｍ×２２．４ｍｍ）のチップである。
【００２２】
以上のように構成されたホトダイオードアレイ１は、ホトダイオード４が形成されていない裏面側から光Ｌが入射すると、その被検出光Ｌがアキュムレーション層８を通過して、ｐｎ接合部に達し、その入射光に応じたキャリアを各ホトダイオード４が生成する。このとき、アキュムレーション層８は、光Ｌの入射によって、ｎ型シリコン基板３内部の光入射面（裏面）付近で発生したキャリアが光入射面やＡＲ膜２４との界面でトラップすることを抑制でき、そのキャリアをｐｎ接合部へ効率的に移動させて、ホトダイオードアレイ１の光検出感度を高めるように機能する。生成されたキャリアによる光電流は、各ｐ型不純物拡散層５に接続された電極配線９とＵＢＭ１１を介してバンプ電極１２から取り出される。このバンプ電極１２からの出力によって、入射光の検出が行われる。
【００２３】
上述のとおり、ホトダイオードアレイ１は、入射面側（すなわち裏面側）において、各ホトダイオード４の非対応領域に適宜な高さで突出するスペーサ６が設けられている。このスペーサ６は、半導体チップ３０を平コレットに吸着してフリップチップボンディングを行う場合に平コレットに接触して、その平コレットと各ホトダイオード４の対応領域との間に隙間を確保するように機能する。これにより、光検出部を構成するホトダイオード４の対応領域はこのスペーサ６により、平コレットに直接接触することはない。したがって、ホトダイオードアレイ１は対応領域が加圧によるストレスや加熱によるストレスを直接受けないので、その対応領域のアキュムレーション層８に物理的なダメージ（損傷）が及ぶことはなく、ホトダイオード４にそのようなダメージによる結晶欠陥等に起因する暗電流やノイズが発生することもない。よって、ホトダイオードアレイ１は、高精度な（Ｓ／Ｎ比が高い）光検出を行うことができる。
【００２４】
また、後述するように、フリップチップボンディング以外、例えばホトダイオードアレイ１をシンチレータに一体化してＣＴ用センサとする場合にも、シンチレータが直接対応領域に接触することがないから、シンチレータの取り付け時におけるダメージも回避することができる。
ところで、上述したように、スペーサ６は、フリップチップボンディングを行う際に平コレットに直に接触して、加圧され、加熱されるものであるから、この加圧や加熱から各ホトダイオード４の対応領域を保護し得る材料によって設けることが好ましい。例えば、スペーサ６を樹脂で形成する場合は熱膨張係数、可撓性、弾性特性、或いは加熱により不純物イオンが各ホトダイオード４へ拡散しないなどの条件を考慮すると、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂或いはこれらの複合材料を用いるとよく、膜厚は、２〜３０μｍ（好ましくは５〜６μｍ）程度とするのがよい。これらの樹脂を用いてスペーサ６を設けると、ホトダイオードアレイ１を実装する際の表面保護効果が高くなる。しかも、そのスペーサ６がホトダイオード４の電気的特性に影響を与えることがなく、製造方法も簡単である。特に、ポリイミド樹脂は耐熱性が良好であるため、実装する際に平コレットから受け得る熱を効果的に遮断することができて好適である。また、スペーサ６の樹脂にフィラーを添加して遮光性を持たせても良い。
【００２５】
また、スペーサ６は、金属で設けてもよいが、その場合は遮光性を有する金属がよく、例えば、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｒ（クロム）、Ｔｉ、シリサイド系等を用いることができ、これらの金属を互いに積層して設けてもよい。これらの金属を用いてスペーサ６を設けると、画素間に入射する光を遮断するためにホトダイオードアレイの解像度が向上することになり、また、放熱特性を高めることもできるために熱による雑音や誤動作を抑制することも可能となる。その効果はスペーサ６の平面パターン（詳しくは後述する）によっては著しいものとなる。また、例えば、スペーサ６をＡｌとＮｉめっきの積層膜とした場合は、前者の膜厚を１μｍ程度、後者の膜厚を５μｍ程度とするのが好適である。
【００２６】
さらに、スペーサ６は絶縁材を用いてもよく、その場合はガラス（ＳｉＯ２）、ＳｉＮ、低融点ガラス等を用いることができる。
スペーサ６を非対応領域に設ける場合、その平面パターン（ホトダイオードアレイ１の平面図を想定すると、スペーサ６はホトダイオードアレイ１の表面上に所定のパターンを有している。そのパターンを「平面パターン」という）としては、種々のものが考えられ、例えば、図１２や図１３に示す平面パターンが考えられる。ここで、図１２、図１３は、ホトダイオードアレイ１を模式的に示す入射面からみた平面図である。
【００２７】
スペーサ６は、例えば、図１２（ａ）に示すように、複数の連続した長い壁状スペーサユニット１３ａを縦横に規則的に配置して、そのそれぞれを十字状に交差させてなる連続十字パターン６ａで形成することができる。また、同図（ｂ）に示すように、非対応領域の辻部１３ｂ以外の部分に、複数の短い壁状スペーサユニット１３ｃを所定間隔で断続的に配置した断続パターン６ｂで形成することもでき、同図（ｃ）に示すように、複数の十字状スペーサユニット１３ｄを各辻部１３ｂに配置して得られる断続十字パターン６ｃでもよい。
【００２８】
これらの平面パターンは、いずれも複数のスペーサユニットを規則的に配置し得られる規則的なパターンであるが、例えば、短い壁状スペーサユニット１３ｃや十字状スペーサユニット１３ｄを互いの配置間隔を不規則に設定する等して、不規則なパターンにしてもよい。
スペーサ６を以上のような平面パターンで設けると、表面側には、スペーサ６によって仕切られた画素領域１７が複数形成されるが、隣接する画素領域１７はスペーサ６により完全に仕切られることなく連通している方がよい。そのためには、例えば、スペーサ６は上述の断続パターン６ｂや、断続十字パターン６ｃのように、スペーサユニットを断続的に配置した平面パターンで設けるとよい。
【００２９】
また、隣接する画素領域１７を連通させる代わりに、ｎ型シリコン基板３の裏面側に、例えば、図１３（ａ）に示すように、スペーサ６をホトダイオード４の対応領域全体を取り囲める位置に縁取りした枠状スペーサユニット１３ｅを配置した枠状パターン６ｄで形成し、その内側全体が画素領域１７になるようにしてもよい。この場合は、同図（ｂ）に示すように、この枠状スペーサユニット１３ｅの代わりに欠落部付の枠状スペーサユニット１３ｆを設けて、枠状パターン６ｅとしてもよい。いずれの場合も、画素領域１７が互いにスペーサ６により仕切られることなく形成される。
【００３０】
上述のように、複数の画素領域１７が形成され、しかも、スペーサ６を、複数のスペーサユニットを断続的に配置する等して、隣接する画素領域１７が互いに仕切られることなく連通するような平面パターンで設けると、隣接するスペーサユニット同士の隙間が樹脂（例えば、後述のシンチレータパネル３１を接着して放射線検出器５０を設ける際に用いる光学樹脂３５）の逃げ道として機能する。したがって、ｎ型シリコン基板３の裏面側に樹脂を塗布したときに、画素領域１７内にボイド（気泡）が発生し難くなり（ボイドが少なくなる）、その塗布した樹脂を各画素領域１７に偏りなく行き渡らせて均一に充填することができる。
【００３１】
なお、スペーサ６は、図１３（ｃ）に示すように、壁状スペーサユニット１３ａと枠状スペーサユニット１３ｅをともに有する平面パターンで設けることもできるが、この場合は各画素領域１７がスペーサ６により仕切られることとなる。また、この場合、スペーサ６に遮光性を有するものを適用すれば、各画素領域１７がすべてスペーサ６により均一に仕切られていることから、ホトダイオードアレイ１の解像度を向上させるために適した構造になる。
次に、本実施形態に係るホトダイオードアレイ１の製造方法について、図３〜図１１に基づいて説明する。
【００３２】
まず、図３に示すように、１５０〜５００μｍ（好ましくは３５０μｍ）程度の厚さを有するｎ型シリコン基板３を準備して、そのｎ型シリコン基板３の表面および裏面に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）２０を形成する（図４参照）。
次に、ｎ型シリコン基板３の表面側のシリコン酸化膜２０に、所定のホトマスクを用いたパターニングを行い、ｎ＋型不純物領域７を設けようとする領域のみ開口し、その開口された部分（開口部）からリンをドープしてｎ＋型不純物領域７を設ける。この実施の形態では、裏面側にもｎ＋型不純物領域７を形成しているが、表面側、裏面側ともｎ＋型不純物領域７を設けない場合はこの工程（不純物領域形成工程）を省略してもよい。その後再び基板の表面および裏面にシリコン酸化膜２１を形成する（図５参照）。このシリコン酸化膜２１は後続の工程において、ｐ型不純物拡散層５を形成する際のマスクとして利用される。
【００３３】
続いて、表面側のシリコン酸化膜２１に、所定のホトマスクを用いたパターニングを行い、各ｐ型不純物拡散層５を形成しようとする領域のみ開口する。そして、その開口部からボロンをドープし、ｐ型不純物拡散層５を縦横のアレイ状に２次元配列で形成する。これにより、各ｐ型不純物拡散層５とｎ型シリコン基板３のｐｎ接合によるホトダイオード４が表面側に、縦横のアレイ状に２次元配列で形成され、このホトダイオード４が画素に対応する部分となる。その後再び熱酸化して基板の表面側にシリコン酸化膜２２を形成する（図６参照）。
【００３４】
次に、ｎ型シリコン基板３の全体の厚さが所定の厚さ（３０〜３００μｍ程度）になるまで裏面を研摩してｎ型シリコン基板３の薄型（薄板）化を行い、裏面側にｎ型イオン種（例えば、リンや砒素）を０．０５〜数１０μｍ程度の深さまで拡散させて、ｎ型シリコン基板３よりも不純物濃度が高い上述のアキュムレーション層８を形成する。さらに、熱酸化を行い、裏面側にＡＲ膜２４を形成する（図７参照）。
【００３５】
そして、ホトエッチング技術により各ホトダイオード４の形成領域において、各ｐ型不純物拡散層５へつながるコンタクトホールをシリコン酸化膜２２に形成する。続いて、蒸着により、アルミニウム金属膜を表面側の全体に形成した上で所定のホトマスクを用いてパターニングを行い、その金属膜の不要な部分を除去して電極配線９を形成する（図８参照）。
次に、ｎ型シリコン基板３の裏面側にスペーサ６を設ける（図９参照）。
【００３６】
図９に示すように、スペーサ６を樹脂で設ける場合は次のようにする。まず、その材料となる樹脂（スペーサ樹脂）を裏面側に塗布し、それをスピンコーティングやスクリーン印刷法により全体に広げて硬化させる。その後、感光性樹脂（ホトレジスト）を塗布した上で、所定のホトマスクを用い、露光および現像して形成しようとするスペーサ６に対応させたレジストパターンを形成し、それをマスクにしてスペーサ樹脂を所定の領域にのみ残し、スペーサ６を所定の平面パターンで設ける。あるいは、スペーサ６の樹脂が感光性のものである場合は、直接、所定のホトマスクを用いて露光および現像して適宜キュアを行うことで得ることができる。このスペーサ６を設けることにより、光検出部を構成するホトダイオード４の対応領域が平コレットを用いて実装する際に接触せず、すなわち保護されることとなる。
【００３７】
また、スペーサ６を金属で形成する場合は、上述の要領でスペーサ樹脂を塗布して硬化させる代わりに、スペーサ６の材料となる金属の被膜を、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等の手法で形成した上で、上述の要領でレジストパターンを設け、それをマスクにして所定の領域にのみ被膜を残して、所定の平面パターンでスペーサ６を設ければよい。この場合、その被膜の膜厚をめっきにより厚くしてもよい。そして、以上のようにしてスペーサ６を形成した後、表面側にスパッタやプラズマＣＶＤなどにより、パッシベーション膜２となるＳｉＮ２５を形成する。パッシベーション膜２は、ＳｉＯ２やＰＳＧ，ＢＰＳＧなどの絶縁膜、ポリイミド、アクリレート、エポキシ、フッ素樹脂やそれら複合膜や積層膜などであってもよい。なお、パッシベーション２の形成工程は透明樹脂膜６の形成する前に行ってもよい。
【００３８】
続いて、そのＳｉＮ２５の所定の位置にコンタクトホールを形成し、電極取り出し部とする（図１０参照）。さらに、バンプ電極１２を設けるが、そのバンプ電極１２として半田を用いる場合、半田はアルミニウムに対する濡れ性が悪いので各電極取り出し部とバンプ電極１２を仲介するためのＵＢＭ１１を各電極取り出し部に形成し、そのＵＢＭ１１に重ねてバンプ電極１２を形成する（図１１参照）。以上の工程を経ることにより、実装時におけるダメージに起因するノイズが発生せず、高精度な光検出を行えるホトダイオードアレイ１を製造することができる。
【００３９】
この場合、ＵＢＭ１１は、無電解メッキにより、Ｎｉ−Ａｕを形成するが、リフトオフ法により、Ｔｉ−Ｐｔ−ＡｕやＣｒ−Ａｕを形成してもよい。また、バンプ電極１２は半田ボール搭載法や印刷法で所定のＵＢＭ１１に半田を形成し、リフロすることによって得られる。なお、バンプ電極１２は、半田に限られるものではなく、金バンプ、ニッケルバンプ、銅バンプでもよく、導電性フィラー等の金属を含む導電性樹脂バンプでもよい。なお、図にはアノード電極の取り出しのみを示しているが、カソード（基板）電極もアノード電極同様に、ｎ＋型不純物領域７から取り出すことができる（図示せず）。また、図ではアノード電極のバンプ電極１２がｎ＋型不純物領域７のエリアに形成された場合を示しているが、アノード電極のバンプ電極１２は、ｐ型不純物拡散層５のエリアに形成してもよい。
【００４０】
次に、本発明の放射線検出器の第１の実施形態について説明する。
図２３は、本実施形態に係る放射線検出器５０の側断面図である。この放射線検出器５０は、放射線を入射して、その放射線によって生じた光を光出射面３１ａから出射するシンチレータパネル３１と、シンチレータパネル３１から出射された光を光入射面から入射し、電気信号に変換する上述のホトダイオードアレイ１とを備えている。この放射線検出器５０は、本発明に係るホトダイオードアレイ１を備えることを特徴としている。
【００４１】
シンチレータパネル３１はホトダイオードアレイ１の裏面側（入射面側）に取り付けられているが、ホトダイオードアレイ１は、その裏面側に上述したスペーサ６が設けられている。そのため、シンチレータパネル３１の裏面、すなわち、光出射面３１ａが直接ホトダイオード４の対応領域に接することはない。また、シンチレータパネル３１の光出射面３１ａと、スペーサ６を含む裏面側との隙間には光が十分透過するように特性を考慮した屈折率を有する光学樹脂３５が充填されていて、この光学樹脂３５により、シンチレータパネル３１から出射された光が効率よくホトダイオードアレイ１に入射するようになっている。この光学樹脂３５は、シンチレータパネル３１から出射された光を透過する性質を有するエポキシ樹脂や、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂等を用いることができるが、これらの複合材料を用いてもよい。
【００４２】
そして、ホトダイオードアレイ１を図示しない実装配線基板上にボンディングする際には平コレットで表面を吸着する。しかし、ホトダイオードアレイ１の裏面には、上述したスペーサ６が設けられているため、平コレットの吸着面が直接対応領域に接することはなく、シンチレータパネル３１を取り付けたときにその光出射面３１ａがホトダイオード４の対応領域に直接接することもない。したがって、このようなホトダイオードアレイ１とシンチレータパネル３１とを有する放射線検出器５０は、実装時における対応領域のダメージによるノイズや暗電流等の発生を防止することができるから、光検出が精度よく行われ、放射線の検出も精度良く行える。
【００４３】
（第２の実施形態）
次に、ホトダイオードアレイとその製造方法の第２の実施形態について説明する。
本実施形態では、図１４に示すように、光Ｌの入射面の反対面側（表面側）に表面側凹部４５を設けたｎ型シリコン基板４３を有するホトダイオードアレイ４１を対象としている。なお、このホトダイオードアレイ４１は、ホトダイオードアレイ１と共通部分を有するので、以下の説明は双方の相違点を中心に行い、共通部分については、その説明を省略ないし簡略化する。
【００４４】
ホトダイオードアレイ４１は、ｎ型シリコン基板４３の表面側において、表面側凹部４５が、縦横の規則正しいアレイ状に２次元配列で形成されている。各表面側凹部４５は、その周囲の領域よりも厚さが薄くなるように窪ませて形成したもので、１．４〜１．５ｍｍ程度の配置間隔で形成されている。そして、そのそれぞれの底部４５ａに上述のホトダイオード４が一つづつ形成されることによって、ホトダイオード４がアレイ状に２次元配列されたホトダイオードアレイ４１を構成している。
【００４５】
各表面側凹部４５は、表面側において、例えば１ｍｍ×１ｍｍ程度の大きさの矩形状開口部を有し、その開口部からその底部４５ａに向かい（表面側から裏面側に向かって）開口寸法が漸次縮小するように窪んで形成され、その底部４５ａまでの深さは例えば５０μｍ程度になっている。こうすることにより、表面側凹部４５は、斜面状の側面４５ｂを有している。また、表面側では、ホトダイオード４それぞれについて、ｐ型不純物拡散層５に電気的に接続された電極配線９が側面４５ｂに沿って形成されている。この電極配線９にホトダイオードアレイ１と同様にパッシベーション膜２の所定の位置に開口部が形成され、さらに、ＵＢＭ１１を介してバンプ電極１２が電気的に接続されている。また、ホトダイオード４，４の間に、ｎ＋型不純物領域７も設けられている。
【００４６】
一方、ホトダイオードアレイ４１は、裏面側ではその全体にアキュムレーション層８が形成され、重ねてＡＲ膜２４が形成されている。このアキュムレーション層８、ＡＲ膜２４ともに、上述したホトダイオードアレイ１と同様である。そして、ＡＲ膜２４上の各ホトダイオード４の非対応領域に、上述のスペーサ６が設けられている。このスペーサ６も上述したホトダイオードアレイ１と同様である。
【００４７】
図１５は、ホトダイオードアレイ４１を構成する半導体チップ３６の側面図およびその要部を拡大して示す断面図である。図１５に示すように、半導体チップ３６は、幅Ｗ１が２２．４ｍｍ程度で、厚さＤが１５０〜３００μｍの極めて薄い板状であり、上述のホトダイオード４を多数有し（例えば１６×１６個の２次元配列）、隣接する画素間のピッチＷ２が１．４ｍｍ程度の大面積（例えば２２．４ｍｍ×２２．４ｍｍ）のチップである。
【００４８】
以上のように構成されたホトダイオードアレイ４１は、ホトダイオード４が形成されていない裏面側から光Ｌが入射すると、ホトダイオードアレイ１と同様にその被検出光Ｌがアキュムレーション層８を通過して、ｐｎ接合部に達し、その入射光に応じたキャリアを各ホトダイオード４が生成する。このとき、ｐｎ接合部が表面側凹部４５の底部４５ａに設けられているのでｎ型シリコン基板４３の裏面からホトダイオード４までの距離が短縮されている（例えば、１０〜１００μｍ程度）。したがって、ホトダイオードアレイ４１は、光Ｌの入射により発生するキャリアが移動する過程において、再結合により消滅してしまう事態が抑制され、そのことにより、検出感度を高く維持できるようになっている。
【００４９】
また、アキュムレーション層８により、光Ｌの入射によって、ｎ型シリコン基板４３内部の光入射面（裏面）付近で発生したキャリアが再結合することなくｐｎ接合部へ無駄なく効率的に移動することになるから、ホトダイオードアレイ４１は、光検出感度が一層高くなっている（ただし、アキュムレーション層８を設けていなくても、ホトダイオードアレイ４１は実用上十分許容しえる程度の検出感度を有している）。
なお、生成されたキャリアによる光電流は各ｐ型不純物拡散層５に接続された電極配線９とＵＢＭ１１を介してバンプ電極１２から取り出される。このバンプ電極１２からの出力によって、入射光の検出が行われる。この点については、ホトダイオードアレイ１と同様である。
【００５０】
このホトダイオードアレイ４１も、ホトダイオードアレイ１と同様に、各ホトダイオード４の非対応領域にスペーサ６が設けられているため、その半導体チップ３６を平コレットに吸着してフリップチップボンディングを行う場合は、ホトダイオード４の対応領域がスペーサ６により保護され、平コレットに直接接触することはない。したがって、ホトダイオードアレイ４１は、対応領域が加圧によるストレスや加熱によるストレスを直接受けないので、その対応領域のアキュムレーション層８に物理的なダメージ（損傷）が及ぶことはなく、ホトダイオード４にそのようなダメージに起因するノイズや暗電流が発生することもない。よって、ホトダイオードアレイ４１は高精度な（Ｓ／Ｎ比が高い）光検出を行うことができる。また、フリップチップボンディング以外、例えばホトダイオードアレイ４１をシンチレータに一体化してＣＴ用センサとする場合にも、シンチレータが直接対応領域に接触することがないから、シンチレータの取り付け時におけるダメージも回避することができる。
【００５１】
次に、本実施形態に係るホトダイオードアレイ１の製造方法について、図３〜図６、図１６〜図２２に基づいて説明する。なお、図示の都合上、図面の一部のハッチングを省略している。
まず、図３〜図６までの各工程をホトダイオードアレイ１と同様にして実行する。次に、ｎ型シリコン基板３の厚さが所定の厚さになるまで裏面を研摩してｎ型シリコン基板３の薄型（薄板）化を行う。続いて、ｎ型シリコン基板３の表面および裏面に、ＬＰ−ＣＶＤ（またはプラズマＣＶＤ）によりシリコン窒化膜（ＳｉＮ）２６を形成し、さらに続いて表面側のシリコン酸化膜２２とシリコン窒化膜２６に、所定のホトマスクを用いてパターニングを行い、各表面側凹部４５を形成しようとする領域のみ開口する（図１６参照）。
【００５２】
次に、ｎ型シリコン基板３の表面に、その各ｐ型不純物拡散層５が形成されている領域を対象として、ｐ型不純物拡散層５の枠状周辺部５ａが残るように、その内側をアルカリエッチングにより除去して表面側凹部４５を形成し、これによってｎ型シリコン基板４３を得る。すると、表面側凹部４５の開口部に、ｐ型不純物の拡散した領域として枠状周辺部５ａが形成され、それに続く側面４５ｂと底部４５ａが形成される。なお、枠状周辺部５ａは必須というわけではないがこれを形成すると、表面側凹部４５の凹部エッチングのエッジ部分でのダメージによる雑音や暗電流を防止する効果が得られる。図１４、１５、２４ではホトダイオードアレイチップに、枠状周辺部５ａがない場合の例を示している。
【００５３】
次いで、形成された各表面側凹部４５の底部４５ａにボロン等をドープする。これにより、各表面側凹部４５の底部４５ａにｐ型不純物拡散層５ｂが形成されることとなり、表面側に、そのｐ型不純物拡散層５ｂとｎ型シリコン基板４３のｐｎ接合によるホトダイオード４が縦横のアレイ状に２次元配列で形成される。さらに、表面側のシリコン窒化膜２６で被覆されていなかった部分にシリコン酸化膜２２を形成する（図１７参照）。なお、このとき、図示はしないが裏面側のシリコン窒化膜２６にもシリコン酸化膜が形成される。
【００５４】
続いて、表面側を保護した状態のまま裏面側からシリコン窒化膜２６を除去した後、裏面側にｎ型イオン種（例えば、リンや砒素）のイオン注入などにより、ｎ型シリコン基板４３よりも不純物濃度が高い上述のアキュムレーション層８を形成する。さらに、熱酸化を行い、裏面側にＡＲ膜２４を形成する。その後、表面側からシリコン窒化膜２６を除去する（図１８参照）。
【００５５】
そして、ホトエッチング技術により各ホトダイオード４の形成領域において、各ｐ型不純物拡散層５ｂへつながるコンタクトホールを表面側のシリコン酸化膜２２に形成する。続いて、蒸着によりアルミニウム金属膜を表面側全体に形成した上で、所定のホトマスクを用いてパターニングを行い、ホトエッチング技術により、その金属膜の不要な部分を除去して電極配線９を形成する（図１９参照）。次に、第１の実施形態と同じ要領で裏面側にスペーサ６を設ける（図２０参照）。
【００５６】
続いて、表面側にスパッタやプラズマＣＶＤなどによりパッシベーション膜２となるＳｉＮ２５を形成して、そのＳｉＮ２５の所定の位置にコンタクトホールを形成する。続いて、各電極配線９の所定の場所のみが開口するようにＳｉＮ２５をパターニングする（図２１参照）。さらに、第１の実施形態と同様の要領で、その開口部の電極配線９と電気的に接続するＮｉ−ＡｕからなるＵＢＭ１１を無電解メッキ等により形成し、そのＵＢＭ１１に重ねてバンプ電極１２を形成すると（図２２参照）、実装時におけるダメージに起因するノイズや暗電流が発生せず高精度な光検出を行えるホトダイオードアレイ４１を製造することができる。なお、図にはアノード電極の取り出しのみを示しているが、カソード（基板）電極もアノード電極と同様に、ｎ＋型不純物領域７から取り出すことができる（図示せず）。
【００５７】
次に、本発明の放射線検出器の第２の実施形態について説明する。
図２４は、本実施形態に係る放射線検出器５５の側断面図である。この放射線検出器５５は、放射線を入射して、その放射線によって生じた光を光出射面３１ａから出射するシンチレータパネル３１と、シンチレータパネル３１から出射された光を光入射面から入射し、電気信号に変換する上述のホトダイオードアレイ４１とを備えている。この放射線検出器５５は、本発明に係るホトダイオードアレイ４１を備えることを特徴としている。
【００５８】
シンチレータパネル３１はホトダイオードアレイ４１の裏面側（入射面側）に取り付けられているが、ホトダイオードアレイ４１は、その裏面側に上述したスペーサ６が設けられている。そのため、シンチレータパネル３１の裏面、すなわち、光出射面３１ａが直接ホトダイオード４の対応領域に接することはない。また、シンチレータパネル３１の光出射面３１ａと、スペーサ６を含む裏面側との隙間には光が十分透過するように特性を考慮した屈折率を有する第１の実施形態と同様の光学樹脂３５が充填され、この光学樹脂３５により、シンチレータパネル３１から出射された光が効率よくホトダイオードアレイ４１に入射するようになっている。
【００５９】
そして、ホトダイオードアレイ４１を図示しない実装配線基板上にボンディングする際には平コレットで表面を吸着する。しかし、ホトダイオードアレイ４１の裏面には、上述したスペーサ６が設けられているため、平コレットの吸着面が直接対応領域に接することはなく、シンチレータパネル３１を取り付けたときにその光出射面３１ａがホトダイオード４の対応領域に直接接することもない。したがって、このようなホトダイオードアレイ４１とシンチレータパネル３１とを有する放射線検出器５５は、実装時における対応領域のダメージによるノイズや暗電流等の発生を防止することができるから、光検出が精度よく行われ、放射線の検出も精度良く行える。
【００６０】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、ホトダイオードアレイおよびその製造方法並びに放射線検出器において、実装時におけるホトダイオードの対応領域のダメージによるノイズや暗電流等の発生を効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るホトダイオードアレイの要部を拡大して模式的に示す断面図である。
【図２】第１の実施形態に係るホトダイオードアレイを構成する半導体チップの側面図およびその要部を拡大して示す断面図である。
【図３】第１の実施形態のホトダイオードアレイの製造工程を示す要部拡大断面図である。
【図４】図３の後続の工程を示す要部拡大断面図である。
【図５】図４の後続の工程を示す要部拡大断面図である。
【図６】図５の後続の工程を示す要部拡大断面図である。
【図７】図６の後続の工程を示す要部拡大断面図である。
【図８】図７の後続の工程を示す要部拡大断面図である。
【図９】図８の後続の工程を示す要部拡大断面図である。
【図１０】図９の後続の工程を示す要部拡大断面図である。
【図１１】図１０の後続の工程を示す要部拡大断面図である。
【図１２】第１の実施形態に係るホトダイオードアレイを模式的に示す平面図で、（ａ）は連続した壁部を縦横に配置し十字状に交差させて非対応領域を設けた場合、（ｂ）は辻部以外の部分に壁部を断続的に配置して設けた場合、（ｃ）は辻部に十字状壁部を配置して設けた場合である。
【図１３】第１の実施形態に係るホトダイオードアレイを模式的に示す別の平面図で、（ａ）は形成領域全体を取り囲める位置に縁取りした枠状壁部を設けた場合、（ｂ）は（ａ）の一部欠落した枠状壁部を設けた場合、（ｃ）は図１２（ａ）と図１３（ａ）の壁部をともに設けた場合である。
【図１４】第２の実施形態に係るホトダイオードアレイの要部を拡大して模式的に示す断面図である。
【図１５】第２の実施形態に係るホトダイオードアレイを構成する半導体チップの側面図およびその要部を拡大して示す断面図である。
【図１６】第２の実施形態のホトダイオードアレイの製造過程の途中の工程を示す要部拡大断面図である。
【図１７】図１６の後続の工程を示す要部拡大断面図である。
【図１８】図１７の後続の工程を示す要部拡大断面図である。
【図１９】図１８の後続の工程を示す要部拡大断面図である。
【図２０】図１９の後続の工程を示す要部拡大断面図である。
【図２１】図２０の後続の工程を示す要部拡大断面図である。
【図２２】図２１の後続の工程を示す要部拡大断面図である。
【図２３】本発明に係るホトダイオードアレイを有する第１の実施形態に係る放射線検出器の要部を拡大して模式的に示す断面図である。
【図２４】本発明に係るホトダイオードアレイを有する第２の実施形態に係る放射線検出器の要部を拡大して模式的に示す断面図である。
【図２５】半導体チップをコレットにより吸着した状態を模式的に示し、（ａ）は平コレットにより吸着した状態を示す断面図、（ｂ）は角錐コレットにより吸着した状態を示す断面図である。
【図２６】従来技術のホトダイオードアレイを示す斜視図である。
【図２７】図２６のＤ−Ｄ線断面図である。
【符号の説明】
１，４１…ホトダイオードアレイ
３，４３…ｎ型シリコン基板
４…ホトダイオード、５…ｐ型不純物拡散層
６…スペーサ、７…ｎ＋型不純物領域
８…アキュムレーション層
１３ａ、１３ｃ…壁状スペーサユニット
１３ｄ…十字状スペーサユニット
１３ｅ、１３ｆ…枠状スペーサユニット
３１…シンチレータパネル
４５…表面側凹部、４５ａ…底部
５０，５５…放射線検出器

Claims (12)

  1. 被検出光の入射面の反対面側に、複数のホトダイオードがアレイ状に形成された半導体基板を備え、
    前記入射面側の、前記ホトダイオードが形成された領域と対応しない領域に所定の高さを有する凸状部を設けた
    ことを特徴とするホトダイオードアレイ。
  2. 前記半導体基板が、前記入射面の反対面側に、周囲の領域よりも窪んだ表面側凹部を有し、該表面側凹部の底部に前記ホトダイオードが形成されている
    ことを特徴とする請求項１記載のホトダイオードアレイ。
  3. 前記凸状部が、遮光性を有する樹脂または金属からなる
    ことを特徴とする請求項１または２記載のホトダイオードアレイ。
  4. 前記凸状部が、複数のスペーサユニットからなり、該各スペーサユニットを所定間隔で断続的に配置して形成されている
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のホトダイオードアレイ。
  5. 前記半導体基板には、隣接する前記各ホトダイオードの間にその各ホトダイオードを分離する不純物領域が設けられている
    ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のホトダイオードアレイ。
  6. 前記半導体基板の入射面側に、前記半導体基板と同じ導電型の高不純物濃度層が形成されている
    ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のホトダイオードアレイ。
  7. 第１導電型の半導体からなる半導体基板の片側表面に、不純物を添加して複数の第２導電型の不純物拡散層を形成し、各不純物拡散層と前記半導体基板とによる複数のホトダイオードをアレイ状に配列して形成する第１工程と、
    前記不純物拡散層を形成した側の反対側表面において、前記ホトダイオードが形成された領域と対応しない領域に、所定の高さを有する凸状部を設ける第２工程と
    を備えることを特徴とするホトダイオードアレイの製造方法。
  8. 第１導電型の半導体からなる半導体基板の片側表面に、周囲の領域よりも窪んだ表面側凹部をアレイ状に配列して複数形成する第１工程と、
    前記各表面側凹部の底部に不純物を添加して複数の第２導電型の不純物拡散層を形成し、各不純物拡散層と前記半導体基板とによる複数のホトダイオードをアレイ状に配列して形成する第２工程と、
    前記不純物拡散層を形成した側の反対側表面において、前記ホトダイオードが形成された領域と対応しない領域に、所定の高さを有する凸状部を設ける第３工程と
    を備えることを特徴とするホトダイオードアレイの製造方法。
  9. 前記凸状部を設ける前に、前記反対側表面に前記半導体基板と同じ導電型の高不純物濃度層を形成する工程
    を更に有することを特徴とする請求項７または８記載のホトダイオードアレイの製造方法。
  10. 隣接する前記不純物を添加する領域の間に別の不純物を添加して第１導電型の不純物領域を設ける工程
    を更に有することを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項記載のホトダイオードアレイの製造方法。
  11. 請求項１〜６のいずれか一項記載のホトダイオードアレイと、
    該ホトダイオードアレイの前記被検出光の入射面の側に取り付けられ、入射した放射線により発光するシンチレータパネルと
    を備えることを特徴とする放射線検出器。
  12. 請求項７〜１０のいずれか一項記載の製造方法で製造されたホトダイオードアレイと、
    該ホトダイオードアレイの前記凸状部が設けられた側に取り付けられ、入射した放射線により発光するシンチレータパネルと
    を備えることを特徴とする放射線検出器。
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