JP4499385B2 - 裏面入射型光検出素子及び裏面入射型光検出素子の製造方法 - Google Patents

裏面入射型光検出素子及び裏面入射型光検出素子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、裏面入射型光検出素子及び裏面入射型光検出素子の製造方法に関するものである。
図２０に示す従来の裏面入射型ホトダイオード１００においては、Ｎ型シリコン基板１０１の上面側の表層にＰ+型高濃度不純物半導体領域１０２及びＮ+型高濃度不純物半導体領域１０３が形成されている。Ｐ+型高濃度不純物半導体領域１０２及びＮ+型高濃度不純物半導体領域１０３には、それぞれアノード電極１０４及びカソード電極１０５が接続されている。両電極１０４，１０５上には、半田からなるバンプ電極１０６が形成されている。また、Ｎ型シリコン基板１０１は、Ｐ+型高濃度不純物半導体領域１０２に対応する部分が裏面側から薄板化されている。この薄板化された部分が被検出光の入射部となる。
裏面入射型ホトダイオード１００は、図２０に示すように、フリップチップボンディングによりセラミックパッケージ１０７に実装される。すなわち、裏面入射型ホトダイオード１００のバンプ電極１０６が、セラミックパッケージ１０７の底面配線１０８上に設けられた半田パッド１０９と接続されている。底面配線１０８はワイヤボンディングで、出力端子ピン１１０に電気的に接続されている。また、セラミックパッケージ１０７の上面には、窓枠１１１がロウ材１１２でシーム溶接されている。窓枠１１１には、裏面入射型ホトダイオード１００の薄板化された部分に対応する位置に開口が形成されており、この開口部分に被検出光を透過させるコバールガラス等の窓板１１３が設けられている。
特開平９−２１９４２１号公報
裏面入射型ホトダイオードにおいては、セラミックパッケージを用いる上記構成では、そのパッケージが大きくなってしまうという問題がある。
一方、特許文献１には、半導体電子部品に対するＣＳＰ（チップサイズパッケージ）技術が開示されている。この技術においては、半導体電子部品が作りこまれたウエハの両面を樹脂等の有機材料により封止するとともに、ウエハの一面側に設けられた有機材料にフォトリソグラフィーにより開口を形成し、その開口に電極を形成している。
しかしながら、上記のＣＳＰ技術を裏面入射型ホトダイオードに適用して、そのパッケージを小さくしようとすると、以下の問題を生じる。裏面が樹脂で封止された裏面入射型ホトダイオードにおいては、その樹脂の表面が被検出光の入射面となる。ところが、樹脂表面を被検出光の波長レベルで充分に平坦化することは困難な場合がある。樹脂表面が充分に平坦化されていないと、被検出光の入射面が粗くなり、それゆえ入射面において被検出光が散乱を受けてしまうという問題がある。そして、被検出光が散乱を受けることは、裏面入射型ホトダイオードの感度低下にもつながってしまう。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、パッケージを充分に小さくでき、且つ被検出光の散乱を抑制することができる裏面入射型光検出素子及び裏面入射型光検出素子の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明による裏面入射型光検出素子は、第１導電型の半導体基板と、半導体基板の第１面側における表層に設けられ、第２導電型の不純物半導体領域と、半導体基板の第２面における不純物半導体領域に対向する領域に形成され、被検出光が入射する凹部と、第２面上に設けられ、被検出光を凹部へと透過させる樹脂からなるとともに、表面が実質的に平坦な被覆層と、被覆層の表面上に設けられ、被検出光を被覆層へと透過させる窓板と、を備えることを特徴とする。
この裏面入射型光検出素子においては、被覆層が設けられていることにより、裏面入射型光検出素子の機械的強度が向上している。機械的強度の向上により、ウエハレベルでのダイシングが可能となるため、チップサイズの裏面入射型光検出素子を得ることができる。これにより、パッケージが充分に小さい裏面入射型光検出素子が実現されている。また、被覆層は、被検出光を透過させる樹脂からなるため、裏面入射型光検出素子の機械的強度を向上させるだけでなく、被検出光に対する透過窓材としても機能することができる。
さらに、窓板が被覆層の表面上に設けられている。したがって、窓板の表面が被検出光の入射面となり、入射面における被検出光の散乱が抑制される。また、窓板を設ける際に、被覆層の表面が窓板に押し付けられることにより、窓板と被覆層との界面すなわち被覆層の表面も充分に平坦化される。このため、被覆層の表面における被検出光の散乱も抑制される。よって、高感度な裏面入射型光検出素子が実現される。また、窓板は、裏面入射型光検出素子の機械的強度を一層向上させる。
被覆層は、第２面上に設けられた第１樹脂層と、第１樹脂層上に設けられ、第１樹脂層と反対側の面が実質的に平坦な第２樹脂層とから構成されており、第１樹脂層は、第２面の凹部上に設けられた部分が、凹部の外縁部上に設けられた部分に対して窪んでいることが好適である。この場合、製造工程の途中で平コレットを用いても、裏面入射型光検出素子の高感度な光検出が保証される。
本発明による裏面入射型光検出素子は、半導体基板の第１面上に設けられ、半導体基板を支持する支持膜を備えることが好適である。この場合、裏面入射型光検出素子の機械的強度が一層向上する。
本発明による裏面入射型光検出素子は、支持膜を貫通するとともに、一端が不純物半導体領域と電気的に接続された充填電極を備えることが好適である。この場合、検出信号を裏面入射型光検出素子の外部に容易に取り出すことができる。
窓板は、その厚さ方向に垂直な面での断面形状が、少なくとも１つの角が切り欠かれた四角形であることが好適である。この場合、裏面入射型光検出素子のダイシング時におけるチッピングの発生が抑制される。
半導体基板の側面全体に、第１導電型の不純物が高濃度に添加された高濃度不純物半導体領域が露出していることが好適である。この場合、半導体基板の側面がダイシング等によりダメージを受けている場合であっても、半導体基板の側面付近で発生した不要キャリアを高濃度不純物半導体領域によりトラップすることができ、それゆえ暗電流や雑音を抑えることができる。
半導体基板の第２面側における表層のうち、凹部の底面部分に、第１導電型の不純物が高濃度に添加された高濃度不純物半導体層が設けられていることが好適である。この高濃度不純物半導体層は、アキュームレーション層として機能する。これにより、被検出光の入射により発生したキャリアが凹部の底面付近で再結合するのを防ぐことができ、半導体基板の第１面側の表層に設けられた第２導電型の不純物半導体領域の方へキャリアが移動し易くなり、それゆえ感度が向上する。
半導体基板の外縁部の第２面側における表層に、第１導電型の不純物が高濃度に添加された高濃度不純物半導体層が設けられていることが好適である。この場合、外縁部の第２面側における表面付近に結晶欠陥が生じている場合であっても、結晶欠陥に起因して発生する暗電流やノイズを高濃度不純物半導体層により抑制することができる。
本発明によれば、パッケージを充分に小さくでき、且つ被検出光の散乱を抑制することができる裏面入射型光検出素子及び裏面入射型光検出素子の製造方法が実現される。
以下、図面とともに本発明による裏面入射型光検出素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
図１は、本発明による裏面入射型光検出素子の第１実施形態を示す断面図である。裏面入射型ホトダイオード１は、裏面側から被検出光を入射し、被検出光の入射によりキャリアを生成し、生成したキャリアを検出信号として上面側から出力するものである。裏面入射型ホトダイオード１は、Ｎ型半導体基板１０、Ｐ+型不純物半導体領域１１、凹部１２、被覆層１３、及び窓板１４を備えている。Ｎ型半導体基板１０としては、例えば、リン等のＮ型不純物が添加されたシリコン基板を用いることができる。Ｎ型半導体基板１０の不純物濃度は、例えば１０12〜１０15／ｃｍ3である。また、Ｎ型半導体基板１０の厚さｔ１は、例えば２００〜５００μｍである。
Ｎ型半導体基板１０の上面（第１面）Ｓ１側における表層の一部には、Ｐ+型不純物半導体領域１１が形成されている。Ｐ+型不純物半導体領域１１は、ボロン等のＰ型不純物が添加されており、Ｎ型半導体基板１０とｐｎ接合を構成している。Ｐ+型不純物半導体領域１１の不純物濃度は、例えば１０15〜１０20／ｃｍ3である。また、Ｐ+型不純物半導体領域１１の深さは、例えば０．１〜２０μｍである。
Ｎ型半導体基板１０の裏面（第２面）Ｓ２におけるＰ+型不純物半導体領域１１に対向する領域には、凹部１２が形成されている。凹部１２は、被検出光の入射部となる。凹部１２は、裏面Ｓ２から上面Ｓ１に向かって幅が次第に狭くなる形状をしている。具体的には、凹部１２の形状は、例えば裏面Ｓ２から上面Ｓ１に向かって幅が次第に狭くなる四角錐状又はテーパ状とすることができる。凹部１２の深さは、例えば２〜４００μｍである。また、凹部１２が形成されることにより、Ｎ型半導体基板１０のうち凹部底面Ｓ４及びＰ+型不純物半導体領域１１で挟まれた領域は、裏面Ｓ２側からの被検出光の入射により発生したキャリアが上面Ｓ１側表層に設けられたＰ+型不純物半導体領域１１付近まで達し易くなるように、他の領域よりも薄板化されている。また、この薄板化された領域の厚さは、例えば１０〜２００μｍである。
Ｎ型半導体基板１０の裏面Ｓ２上には、被覆層１３が設けられている。被覆層１３は、Ｎ型半導体基板１０と後述する窓板１４との間に充填されるとともに、Ｎ型半導体基板１０と窓板１４とを光学的に接続している。また、被覆層１３は、Ｎ型半導体基板１０と窓板１４とを物理的にも接続している。被覆層１３は、裏面Ｓ２上に設けられた樹脂層１３ａ（第１樹脂層）と、樹脂層１３ａ上に設けられた樹脂層１３ｂ（第２樹脂層）とから構成されている。樹脂層１３ａ，１３ｂには、被検出光に対して透明な樹脂、すなわち被検出光の波長に対して充分な透過率をもつ樹脂が用いられる。このような樹脂として、例えば、エポキシ系、シリコーン系、アクリル系若しくはポリイミド系のもの、又はこれらの複合素材からなるものが挙げられる。また、樹脂は接着性を有するものが望ましく、その場合には、Ｎ型半導体基板１０と窓板１４とを接着して強固なものとできるため物理的強度を一層向上させることが可能となる。樹脂層１３ａ，１３ｂには、同一の樹脂を用いてもよいし、相異なる樹脂を用いてもよい。相異なる樹脂を用いる場合は、互いに同程度の屈折率を有する樹脂を用いることが望ましい。この被覆層１３は、裏面Ｓ２を保護する保護層として機能するとともに、被検出光を凹部１２へと透過させる透過窓材としても機能する。
樹脂層１３ａは、凹部１２上に設けられている部分が、凹部１２の外縁部１５上に設けられている部分に対して窪んでいる。すなわち、凹部１２が形成されている部分に設けられた樹脂層１３ａの表面は、凹部１２の外縁部１５に設けられた樹脂層１３ａの表面よりもＮ型半導体基板１０側に入り込んでいる。樹脂層１３ｂは、樹脂層１３ａと隙間なく密着しており、それゆえ樹脂層１３ａの窪みに一致する突出部を樹脂層１３ａ側に有する形状をしている。一方で、樹脂層１３ｂの表面Ｓ３（樹脂層１３ａと反対側の面）の形状は、実質的に平坦である。ここで、外縁部１５とは、Ｎ型半導体基板１０のうち凹部１２を側方から包囲している部分を指す。外縁部１５を基準とした被覆層１３の厚さｔ２は、例えば１〜２００μｍ、好ましくは３０μｍ程度である。
被覆層１３の表面、すなわち樹脂層１３ｂの表面Ｓ３上には、窓板１４が設けられている。窓板１４は、被覆層１３と隙間なく密着している。窓板１４は、平板状をしており、被検出光の波長に対して充分な透過率をもつ材料からなる。窓板１４の材料としては、例えば、ガラス又は光学結晶を用いることができる。窓板１４の材料の具体例としては、コルツ、サファイヤ、コバールガラス等が挙げられる。窓板１４の厚さは、例えば０．２ｍｍ〜１ｍｍである。なお、窓板１４には、ＡＲ（anti-reflection）コーティングが施されていてもよい。
また、裏面入射型ホトダイオード１は、Ｎ+型高濃度不純物半導体層２１、Ｎ+型高濃度不純物半導体領域２２、絶縁膜２３，２４、アノード電極２５、及びカソード電極２６を備えている。Ｎ+型高濃度不純物半導体層２１は、Ｎ型半導体基板１０の裏面Ｓ２側の表層全体に形成されている。Ｎ+型高濃度不純物半導体層２１は、Ｎ型不純物がＮ型半導体基板１０よりも高濃度に添加されている。Ｎ+型高濃度不純物半導体層２１の不純物濃度は、例えば１０15〜１０20／ｃｍ3である。また、Ｎ+型高濃度不純物半導体層２１の深さは、例えば０．１〜２０μｍである。
Ｎ+型高濃度不純物半導体領域２２は、Ｎ型半導体基板１０の上面Ｓ１側における表層に、Ｐ+型不純物半導体領域１１と所定の距離を隔てて形成されている。Ｎ+型高濃度不純物半導体領域２２は、Ｎ+型高濃度不純物半導体層２１と同様にＮ型不純物が高濃度に添加されており、後述するカソード電極２６とのコンタクト層である。Ｎ+型高濃度不純物半導体領域２２の不純物濃度は、例えば１０15〜１０20／ｃｍ3である。また、Ｎ+型高濃度不純物半導体領域２２の深さは、例えば０．１〜３０μｍである。
絶縁膜２３及び絶縁膜２４は、それぞれＮ型半導体基板１０の上面Ｓ１及び裏面Ｓ２上に形成されている。絶縁膜２３，２４は、例えばＳｉＯ2からなる。絶縁膜２３の厚さは、例えば０．１〜２μｍである。一方、絶縁膜２４の厚さは、例えば０．０５〜１μｍである。また、絶縁膜２３には、開口（コンタクトホール）２３ａ，２３ｂが形成されており、一方の開口２３ａはＰ+型不純物半導体領域１１の部分に、他方の開口２３ｂはＮ+型高濃度不純物半導体領域２２の部分に設けられている。
絶縁膜２３上の開口２３ａ，２３ｂを含む領域には、それぞれアノード電極２５及びカソード電極２６が形成されている。これらの電極２５，２６の厚さは、例えば１μｍである。また、これらの電極２５，２６は、それぞれ開口２３ａ，２３ｂを充填するように設けられている。これにより、開口２３ａを介してアノード電極２５がＰ+型不純物半導体領域１１と、開口２３ｂを介してカソード電極２６がＮ+型高濃度不純物半導体領域２２とそれぞれ直接に接続されている。アノード電極２５及びカソード電極２６としては、例えばＡｌが用いられる。
さらに、裏面入射型ホトダイオード１は、パッシベーション膜３１、支持膜３２、充填電極３３ａ，３３ｂ、ＵＢＭ（Under Bump Metal）３４ａ，３４ｂ、及びバンプ３５ａ，３５ｂを備えている。パッシベーション膜３１は、Ｎ型半導体基板１０の上面Ｓ１上において、絶縁膜２３、アノード電極２５及びカソード電極２６を覆うように設けられている。また、パッシベーション膜３１のうちアノード電極２５及びカソード電極２６上に設けられた部分に、後述する充填電極３３ａ，３３ｂが充填される貫通孔３１ａが形成されている。パッシベーション膜３１は、例えばＳｉＮからなり、Ｎ型半導体基板１０の上面Ｓ１を保護するものである。パッシベーション膜３１は、例えばプラズマＣＶＤ法により形成することができる。また、パッシベーション膜３１の厚さは、例えば１μｍである。
パッシベーション膜３１上には、支持膜３２が形成されている。支持膜３２は、Ｎ型半導体基板１０を支持するものである。また、支持膜３２のうちパッシベーション膜３１の貫通孔３１ａに対応する部分に、貫通孔３１ａと共に充填電極３３ａ，３３ｂが充填される貫通孔３２ａが形成されている。支持膜３２の材料としては、例えば樹脂、或いはプラズマＣＶＤ等により形成可能なＳｉＯ2等を用いることができる。また、支持膜３２の厚さは、例えば２〜１００μｍ、好ましくは５０μｍである。
充填電極３３ａ，３３ｂは、貫通孔３１ａ，３２ａに充填されるとともに、一端がそれぞれアノード電極２５及びカソード電極２６に接することにより、Ｐ+型不純物半導体領域１１及びＮ+型高濃度不純物半導体領域２２と電気的に接続されている。また、充填電極３３ａ，３３ｂの他端は、ともに支持膜３２の表面に露出している。すなわち、充填電極３３ａ，３３ｂは、パッシベーション膜３１及び支持膜３２を貫通して、それぞれアノード電極２５及びカソード電極２６から支持膜３２表面まで延びている。また、充填電極３３ａ，３３ｂは、略円柱状をしている。これらの充填電極３３ａ，３３ｂは、電極２５，２６と後述するバンプ３５ａ，３５ｂとを電気的に接続するためのものである。充填電極３３ａ，３３ｂは、例えばＣｕからなる。また、貫通孔３１ａ，３２ａの直径は、例えば１０〜２００μｍ、好ましくは１００μｍである。
充填電極３３ａ，３３ｂの支持膜３２表面に露出する部分には、ＵＢＭ３４ａ，３４ｂが形成されている。ＵＢＭ３４ａ，３４ｂは、例えばＮｉ及びＡｕの積層膜からなる。また、ＵＢＭ３４ａ，３４ｂの厚さは、例えば０．１〜５μｍである。
ＵＢＭ３４ａ，３４ｂの充填電極３３ａ，３３ｂと反対側の面上には、バンプ３５ａ，３５ｂが形成されている。したがって、バンプ３５ａ，３５ｂは、それぞれアノード電極２５及びカソード電極２６と電気的に接続されている。バンプ３５ａ，３５ｂは、ＵＢＭ３４ａ，３４ｂとの接触面を除いては略球状をしている。バンプ３５ａ，３５ｂとしては、例えば半田、金、Ｎｉ−Ａｕ、Ｃｕ、又は金属フィラーを含む樹脂等を用いることができる。
図２に、上記構成の裏面入射型ホトダイオード１の斜視図を示す。この図からわかるように、裏面入射型ホトダイオード１は、ＵＢＭ３４ａ，３４ｂ及びバンプ３５ａ，３５ｂを除く全体形状が略直方体となるように、ダイシングされたものである。なお、図２においては、Ｎ型半導体基板１０の側面に露出するＮ+型高濃度不純物半導体層２１，Ｎ+型高濃度不純物半導体領域２２の図示を省略している。
裏面入射型ホトダイオード１の動作について説明する。ここでは、裏面入射型ホトダイオード１に逆バイアス電圧が印加されており、Ｎ型半導体基板１０には、薄板化された領域に空乏層が生じているものとする。窓板１４及び被覆層１３を順に透過して、凹部１２からＮ型半導体基板１０に入射した被検出光は、主に薄板化された領域で吸収される。すると、この領域でキャリア（正孔及び電子）が発生する。発生した正孔及び電子は、逆バイアス電界に従って、それぞれＰ+型不純物半導体領域１１及びＮ+型高濃度不純物半導体領域２２へと移動する。Ｐ+型不純物半導体領域１１及びＮ+型高濃度不純物半導体領域２２に達した正孔及び電子は、充填電極３３ａ，３３ｂ及びＵＢＭ３４ａ，３４ｂを通ってバンプ３５ａ，３５ｂへと移動し、バンプ３５ａ，３５ｂから検出信号として出力される。
裏面入射型ホトダイオード１の効果について説明する。裏面入射型ホトダイオード１においては、被覆層１３が設けられていることにより、裏面入射型ホトダイオード１の機械的強度が向上している。特に、凹部１２上に被覆層１３が設けられていることにより、アセンブリ時に裏面入射型ホトダイオード１に圧力や熱を加えても、Ｎ型半導体基板１０の薄板化された領域の反り、撓み、破損等を防ぐことができる。また、機械的強度の向上により、ウエハレベルでのダイシングが可能となるため、チップサイズの裏面入射型ホトダイオード１を得ることができる。これにより、パッケージが充分に小さい裏面入射型ホトダイオード１が実現されている。また、セラミックパッケージ等が不要であるので、裏面入射型ホトダイオード１の製造コストを低減することができる。以上より、安価で信頼性が高く且つ小型な裏面入射型ホトダイオード１が実現されている。
さらに、窓板１４が被覆層１３の表面Ｓ３上に設けられている。したがって、窓板１４の表面が被検出光の入射面となり、入射面における被検出光の散乱が抑制される。また、窓板１４を設ける際に、被覆層１３の表面Ｓ３が窓板１４に押し付けられることにより、窓板１４と被覆層１３との界面すなわち被覆層１３の表面Ｓ３も充分に平坦化される。このため、被覆層１３の表面Ｓ３における被検出光の散乱も抑制される。よって、高感度な裏面入射型ホトダイオード１が実現されている。また、窓板１４は、裏面入射型ホトダイオード１の機械的強度を一層向上させている。なお、表面Ｓ３が平坦であるとは、表面Ｓ３が被検出光の波長レベルで滑らかであるという意味である。よって、被覆層１３の表面Ｓ３形状は、平面に限定されず、曲面であってもよい。
また、被覆層１３の表面Ｓ３が実質的に平坦な形状をしていることにより、凹部１２へと入射する被検出光の透過損失の増大を抑えることができる。仮に、被覆層１３が樹脂層１３ａのみから構成されている場合、樹脂層１３ａの窪みに対応して樹脂層１３ａと窓板１４との間に空気層が生じる。これにより樹脂層１３ａは、凹レンズとして作用し、被検出光を拡散させてしまう可能性がある。このような拡散が起こると、凹部１２に入射する被検出光の光量が低下し、裏面入射型ホトダイオード１の感度低下につながるため望ましくない。
これに対して、裏面入射型ホトダイオード１においては、樹脂層１３ａ上に樹脂層１３ｂを設けることにより、被覆層１３の表面Ｓ３を実質的に平坦化している。これにより、裏面入射型ホトダイオード１においては、被覆層１３と窓板１４との間に空気層が生じないため、裏面入射型ホトダイオード１の高感度な光検出が保証されている。
また、外縁部１５上にも被覆層１３が設けられていることにより、平コレットは外縁部１５と直接接触しない。このため、平コレットとの接触により外縁部１５に結晶欠陥が生じるのを抑制することができ、したがって、結晶欠陥に起因する暗電流やノイズの発生も抑制することができる。
また、被覆層１３として樹脂を用いているため、被覆層１３を所望の形状に加工することが容易となる。
被覆層１３が樹脂層１３ａ，１３ｂの２層から構成されていることは、裏面入射型ホトダイオード１の高感度な光検出を保証しつつ、製造工程の途中において平コレットを好適に用いる機会を提供している。すなわち、窓板１４が設けられる前に平コレットを使用したい場合、樹脂層１３ａ，１３ｂがともに設けられた後では、上述のように平コレットとの接触により樹脂層１３ｂの表面Ｓ３が損傷を受けてしまう可能性があるし、一方で樹脂層１３ａ，１３ｂが何れも設けられていない状態では、上述のように平コレットとの接触により外縁部１５に結晶欠陥が生じる可能性がある。その結晶欠陥は、暗電流の増加や雑音の増加につながる。これに対して、被覆層１３が樹脂層１３ａ，１３ｂの２層から構成されていれば、樹脂層１３ａ，１３ｂのうち樹脂層１３ａのみが設けられた状態で平コレットを使用することができる。そして、樹脂層１３ａは、凹部１２上に設けられている部分が窪んでいるため、図３に示すように、凹部１２上に設けられた樹脂層１３ａの表面は、平コレットＦＣと接触しない。これにより、樹脂層１３ａ表面のうち被検出光が透過する部分は損傷を受けることがない。したがって、製造工程の途中で平コレットを用いても裏面入射型ホトダイオード１の高感度な光検出が保証される。
さらに、樹脂層１３ｂは、窓板１４を被覆層１３の表面Ｓ３上に設ける際の接着剤として機能することができる。
支持膜３２が設けられていることにより、裏面入射型ホトダイオード１の機械的強度が一層向上している。
充填電極３３ａ，３３ｂが設けられていることにより、検出信号を電極２５，２６から外部に容易に取り出すことができる。なお、充填電極３３ａ，３３ｂは、貫通孔３１ａ，３２ａの側壁に形成され、アノード電極２５及びカソード電極２６に電気的に接続されるものであってもよい。
Ｎ型半導体基板１０の裏面Ｓ２側の表層全体にＮ+型高濃度不純物半導体層２１が形成されている。裏面Ｓ２表層のうち凹部１２の底面Ｓ４部分に設けられたＮ+型高濃度不純物半導体層２１は、アキュームレーション層として機能する。これにより、Ｎ型半導体基板１０で発生したキャリアをその電界分布により効果的に上面Ｓ１側のＰＮ接合部へと導くことができる。このため、より高感度な裏面入射型ホトダイオード１が実現されている。このとき、Ｎ+型高濃度不純物半導体層２１の不純物濃度は、１０15／ｃｍ3以上であることが好ましい。この場合、Ｎ+型高濃度不純物半導体層２１は、アキュームレーション層として好適に機能することができる。
また、Ｎ型半導体基板１０の外縁部１５の裏面Ｓ２側における表層に設けられたＮ+型高濃度不純物半導体層２１は、外縁部１５に結晶欠陥が生じている場合であっても、結晶欠陥に起因して発生する暗電流やノイズを抑制する。このため、裏面入射型ホトダイオード１によれば、高いＳＮ比で検出信号を得ることができる。このときも、Ｎ+型高濃度不純物半導体層２１の不純物濃度は、１０15／ｃｍ3以上であることが好ましい。この場合、Ｎ+型高濃度不純物半導体層２１は、結晶欠陥に起因して発生するノイズを充分に抑制することができる。
図４〜図１０を参照しつつ、図１に示す裏面入射型ホトダイオード１の製造方法の一例を説明する。まず、上面Ｓ１及び裏面Ｓ２が（１００）面であるＮ型シリコンウエハからなるＮ型半導体基板１０を準備する。このＮ型半導体基板１０に熱酸化を施すことにより、Ｎ型半導体基板１０の上面Ｓ１にＳｉＯ2からなる絶縁膜を形成する。また、絶縁膜の所定部分に開口を形成し、開口からＮ型半導体基板１０にリンをドープすることによりＮ+型高濃度不純物半導体領域２２を形成する。その後、Ｎ型半導体基板１０を酸化させて、上面Ｓ１に絶縁膜を形成する。同様に、絶縁膜の所定部分に開口を形成し、開口からＮ型半導体基板１０にボロンをドープすることによりＰ+型不純物半導体領域１１を形成する。その後、Ｎ型半導体基板１０を酸化させて、上面Ｓ１に絶縁膜２３を形成する（図４）。
次に、Ｎ型半導体基板１０の裏面Ｓ２を研磨するするとともに、Ｎ型半導体基板１０の裏面Ｓ２上に、ＬＰ−ＣＶＤによりＳｉＮ８４を堆積させる（図５（ａ））。また、凹部１２を形成するために、裏面Ｓ２上のＳｉＮ８４に開口８５を形成する（図５（ｂ））。そして、開口８５からＫＯＨ等によるエッチングを行うことにより凹部１２を形成する（図５（ｃ））。
次に、裏面Ｓ２上のＳｉＮ８４を除去した後、凹部１２が形成されたＮ型半導体基板１０の裏面Ｓ２に対しイオン注入等を用いてＮ型不純物をドープすることにより、裏面Ｓ２側における表層全体にＮ+型高濃度不純物半導体層２１を形成する（図６（ａ））。その後、熱酸化を施すことにより裏面Ｓ２上に絶縁膜２４を形成する（図６（ｂ））。上面Ｓ１の絶縁膜２３に電極のためのコンタクトホールを形成し、上面Ｓ１にアルミニウムを堆積させてから所定のパターニングを施すことにより、アノード電極２５及びカソード電極２６を形成する（図６（ｃ））。
次に、アノード電極２５及びカソード電極２６が形成されたＮ型半導体基板１０の上面Ｓ１上に、ＳｉＮからなるパッシベーション膜３１をプラズマＣＶＤ法により堆積させる。また、パッシベーション膜３１におけるバンプ３５ａ，３５ｂに対応する部分に開口３１ａを形成する（図７（ａ））。さらに、上面Ｓ１上に樹脂や無機絶縁膜からなる厚い支持膜３２を形成するとともに、パッシベーション膜３１の開口３１ａに対応する部分に開口３２ａを形成する。このとき、支持膜３２としては、樹脂であれば、例えばエポキシ系、アクリル系、又はポリイミド系のものを用いることができ、無機絶縁膜であれば、例えばＣＶＤやＳＯＧ（Spin On Glass）等により形成可能なＳｉＯ2等を用いることができる。また、支持膜３２の開口３２ａは、例えば樹脂として感光性のものを用いてフォトリソグラフィー法で形成するか、或いはエッチング等によるパターニングで形成することができる（図７（ｂ））。また、開口３１ａ及び開口３２ａを充填するように、上面Ｓ１上にＣｕからなる導電性部材３３を堆積させる。これは、例えば、開口３１ａ及び開口３２ａから露出するアノード電極２５及びカソード電極２６の表面にＣｕシード層等をスパッタ等により堆積させた後、そのＣｕシード層上にメッキによりＣｕ等を堆積させることにより行うことができる（図７（ｃ））。
次に、導電性部材３３の表面を研磨することにより、支持膜３２上に堆積された導電性部材３３を除去する。これにより、充填電極３３ａ，３３ｂが形成される（図８（ａ））。また、裏面Ｓ２上に樹脂層１３ａをスピンコート又は印刷等により塗布するとともに、塗布した樹脂層１３ａを硬化させる。このとき、樹脂層１３ａのうち凹部１２上に設けられている部分が窪むようにする（図８（ｂ））。さらに、樹脂層１３ａ上に樹脂層１３ｂを塗布する（図８（ｃ））。
次に、樹脂層１３ｂの表面Ｓ３に窓板１４を貼り付ける。このとき、樹脂層１３ｂを硬化させる前に窓板１４の貼り付けを行うことにより、樹脂層１３ｂを接着剤として機能させる。また、貼り付けの際に窓板１４を樹脂層１３ｂに対して軽く押し付けることにより、樹脂層１３ｂの表面Ｓ３を充分に平坦化する（図９（ａ））。また、上面Ｓ１上の充填電極３３ａ，３３ｂ上に、それぞれＮｉとＡｕ等の積層膜からなるＵＢＭ３４ａ，３４ｂを無電解メッキにより形成する。さらに、ＵＢＭ３４ａ，３４ｂ上に、半田等からなるバンプ３５ａ，３５ｂを印刷又はボール搭載法等により形成する（図９（ｂ））。
最後に、個片化された裏面入射型ホトダイオード１を得るために、ダイシングを行う。ダイシングは、図１０（ａ）に一点鎖線Ｌ１で示すように、Ｎ型半導体基板１０の裏面Ｓ２における外縁部１５の中央を通るように切断する。以上により、裏面入射型ホトダイオード１を得る（図１０（ｂ））。
図１１は、図１の裏面入射型ホトダイオード１の変形例を示す斜視図である。裏面入射型ホトダイオード１ａは、窓板１４に切り欠き部１４ａが形成されている点で、図１の裏面入射型ホトダイオード１と相違する。裏面入射型ホトダイオード１ａのその他の構成については、図１の裏面入射型ホトダイオード１と同様である。図１１からわかるように、窓板１４は厚さ方向に垂直な面での断面が四角形であり、その四角形の４角にそれぞれ切り欠き部１４ａが形成されている。切り欠き部１４ａの形状は、上記断面において、四角形の角を中心とする中心角９０°の扇形である。また、切り欠き部１４ａからは、被覆層１３（樹脂層１３ｂ）の表面Ｓ３が露出している。なお、切り欠き部１４ａは、上記断面における形状が扇形のものに限らず、角状のものであってもよい。
このように、裏面入射型ホトダイオード１ａにおいては、窓板１４の角、すなわちダイシング時に２本のダイシングラインが交わる位置に切り欠き部１４ａが形成されているため、ダイシング時におけるチッピング（クラック）の発生が抑制されている。
図１２を用いて、窓板１４とダイシングラインとの位置関係について説明する。図１２は、図１の裏面入射型ホトダイオード１について、ダイシング前のウエハ（例えば、図１０（ａ）に示す状態のウエハ）を窓板１４側から見たときの様子を示す平面図である。この平面図においては、凹部１２が形成されている部分を破線Ｌ２で示している。凹部１２は、ダイシング前のウエハにおいて格子状に等間隔で配列されていることがわかる。また、ダイシング時のダイシングラインを一点鎖線Ｌ３で示している。ダイシングラインは図中の上下方向及び左右方向にそれぞれ設定されており、互いに隣り合う凹部１２間の真中をダイシングラインが通っている。ダイシングラインで囲まれている各々の領域が、ダイシング後の裏面入射型ホトダイオード１に対応する。図１２からわかるように、ダイシング後の裏面入射型ホトダイオード１における窓板１４の角は、２本のダイシングラインが交わる位置Ｐに当たる。Ｎ型半導体基板１０における位置Ｐに対応する位置、すなわち裏面Ｓ２の４角は、ダイシング時に応力を集中的に受けるため、チッピングが生じる可能性がある。
これに対して、図１１の裏面入射型ホトダイオード１ａにおいては、窓板１４の角に切り欠き部１４ａを形成することにより、ダイシングラインが交わる位置Ｐにおける窓板１４のダイシングを避けている。これにより、Ｎ型半導体基板１０の裏面Ｓ２の４角にかかる応力が緩和されるため、裏面入射型ホトダイオード１ａにおいては、ダイシング時のチッピングの発生が抑制されている。
図１３は、図１１の裏面入射型ホトダイオード１ａについて、ダイシング前のウエハを窓板１４側から見たときの様子を示す平面図である。この平面図に示すように、ダイシングラインが交わる位置Ｐには、円柱状の孔部１４ｂが形成されている。この孔部１４ｂは、窓板１４に形成されているもので、窓板１４を貫通している。切り欠き部１４ａは、この孔部１４ｂに由来している。すなわち、孔部１４ｂは、ダイシングにより４等分されて、裏面入射型ホトダイオード１ａにおける切り欠き部１４ａとなる。なお、裏面入射型ホトダイオード１ａの製造工程においては、所定位置に予め孔部１４ｂが形成された窓板１４を、ダイシングラインが交わる位置Ｐと孔部１４ｂとが一致するように被覆層１３の表面Ｓ３に貼り付ければよい。なお、孔部１４ｂは円柱状のものに限らず、角柱状のもの等であってもよい。
図１４は、本発明による裏面入射型光検出素子の第２実施形態を示す断面図である。裏面入射型ホトダイオード２は、Ｎ型半導体基板１０、Ｐ+型不純物半導体領域１１、凹部１２、被覆層１６、及び窓板１４を備えている。Ｎ型半導体基板１０の上面Ｓ１側における表層の一部には、Ｐ+型不純物半導体領域１１が形成されている。Ｎ型半導体基板１０の裏面Ｓ２におけるＰ+型不純物半導体領域１１に対向する領域には、凹部１２が形成されている。
Ｎ型半導体基板１０の裏面Ｓ２上には、被覆層１６が設けられている。被覆層１６は、被検出光に対して透明な樹脂からなり、Ｎ型半導体基板１０の裏面Ｓ２上に設けられている。また、被覆層１６の表面Ｓ３の形状は、実質的に平坦である。被覆層１６は、２つの樹脂層１３ａ，１３ｂから構成されている図１の被覆層１３とは異なり、１層から構成されている。外縁部１５を基準とした被覆層１６の厚さｔ３は、例えば１〜１００μｍ、好ましくは２０μｍである。また、被覆層１６の表面Ｓ３上には、窓板１４が設けられている。
また、裏面入射型ホトダイオード２は、Ｎ+型高濃度不純物半導体層２１、Ｎ+型高濃度不純物半導体領域２２、絶縁膜２３，２４、アノード電極２５、及びカソード電極２６を備えている。Ｎ+型高濃度不純物半導体層２１は、Ｎ型半導体基板１０の裏面Ｓ２側の表層全体に形成されている。Ｎ+型高濃度不純物半導体領域２２は、Ｎ型半導体基板１０の上面Ｓ１側における表層に、Ｐ+型不純物半導体領域１１と所定の距離を隔てて形成されている。絶縁膜２３及び絶縁膜２４は、それぞれＮ型半導体基板１０の上面Ｓ１及び裏面Ｓ２上に形成されている。絶縁膜２３には、開口２３ａ，２３ｂが形成されている。絶縁膜２３上の開口２３ａ，２３ｂを含む領域には、それぞれアノード電極２５及びカソード電極２６が形成されている。
さらに、裏面入射型ホトダイオード２は、パッシベーション膜３１、支持膜３２、充填電極３３ａ，３３ｂ、ＵＢＭ３４ａ，３４ｂ、及びバンプ３５ａ，３５ｂを備えている。パッシベーション膜３１は、Ｎ型半導体基板１０の上面Ｓ１上において、絶縁膜２３、アノード電極２５及びカソード電極２６を覆うように設けられている。パッシベーション膜３１上には、支持膜３２が形成されている。また、充填電極３３ａ，３３ｂは、パッシベーション膜３１及び支持膜３２を貫通して、それぞれアノード電極２５及びカソード電極２６から支持膜３２表面まで延びている。充填電極３３ａ，３３ｂの支持膜３２表面に露出する部分には、ＵＢＭ３４ａ，３４ｂが形成されている。ＵＢＭ３４ａ，３４ｂの充填電極３３ａ，３３ｂと反対側の面上には、バンプ３５ａ，３５ｂが形成されている。
裏面入射型ホトダイオード２の効果について説明する。裏面入射型ホトダイオード２においては、被覆層１６が設けられていることにより、裏面入射型ホトダイオード２の機械的強度が向上している。また、機械的強度の向上により、ウエハレベルでのダイシングが可能となるため、チップサイズの裏面入射型ホトダイオード２を得ることができる。これにより、パッケージが充分に小さい裏面入射型ホトダイオード２が実現されている。
さらに、窓板１４が被覆層１６の表面Ｓ３上に設けられている。したがって、窓板１４の表面が被検出光の入射面となり、入射面における被検出光の散乱が抑制される。また、窓板１４と被覆層１６との界面すなわち被覆層１６の表面Ｓ３も充分に平坦化されるため、被覆層１６の表面Ｓ３における被検出光の散乱も抑制される。よって、高感度な裏面入射型ホトダイオード２が実現されている。
また、裏面入射型ホトダイオード２においては、被覆層１６が１層から構成されている。このため、被覆層１６は、２層から構成されている図１の被覆層１３に比して製造工程が簡略化され、ひいては裏面入射型ホトダイオード２全体の製造工程が簡略化される。
図１５は、本発明による裏面入射型光検出素子の第３実施形態を示す断面図である。裏面入射型ホトダイオード３は、Ｎ型半導体基板２０、Ｐ+型不純物半導体領域１１、凹部１２、被覆層１３、及び窓板１４を備えている。
Ｎ型半導体基板２０の上面Ｓ１側における表層の一部には、Ｐ+型不純物半導体領域１１が形成されている。Ｎ型半導体基板２０の裏面Ｓ２におけるＰ+型不純物半導体領域１１に対向する領域には、凹部１２が形成されている。Ｎ型半導体基板２０の裏面Ｓ２上には、樹脂層１３ａ，１３ｂから構成される被覆層１３が設けられている。被覆層１３の表面Ｓ３の形状は、実質的に平坦である。被覆層１３の表面Ｓ３上には、窓板１４が設けられている。
また、裏面入射型ホトダイオード３は、Ｎ+型高濃度不純物半導体領域２８、絶縁膜２３，２４、アノード電極２５、及びカソード電極２６を備えている。Ｎ+型高濃度不純物半導体領域２８は、Ｎ型半導体基板２０の側面Ｓ５全体に露出するようにして形成されている。また、Ｎ+型高濃度不純物半導体領域２８は、Ｎ型半導体基板２０の裏面Ｓ２全体にも達している。したがって、Ｎ型半導体基板２０のうち、Ｐ+型不純物半導体領域１１及びＮ+型高濃度不純物半導体領域２８の何れも形成されていない部分２０ａが、Ｎ型半導体基板２０の側面Ｓ５及び裏面Ｓ２側からＮ+型高濃度不純物半導体領域２８によって完全に囲まれている。
図１６（ａ）〜図１６（ｃ）を参照しつつ、Ｎ+型高濃度不純物半導体領域２８を形成する方法の一例を示す。まず、Ｎ型半導体基板２０を準備する。Ｎ型半導体基板２０においては、Ｎ+型高濃度不純物層４１が、上面Ｓ１側の一部分を残して裏面Ｓ２から拡がっている。残された上面Ｓ１側の一部分が、Ｎ+型高濃度不純物層４１よりも不純物濃度が低いＮ型不純物層４２である（図１６（ａ））。次に、上面Ｓ１側からＮ型不純物を高濃度にドープさせることにより、Ｎ+型高濃度不純物半導体領域４３を形成する（図１６（ｂ））。そして、Ｎ型不純物を熱処理により更に深く拡散させることにより、このＮ+型高濃度不純物半導体領域４３がＮ+型高濃度不純物層４１まで達するようにする（図１６（ｃ））。以上より、Ｎ+型高濃度不純物層４１とＮ+型高濃度不純物半導体領域４３とからなるＮ+型高濃度不純物半導体領域２８が形成される。なお、図１６（ｃ）には、Ｐ+型不純物半導体領域１１及び凹部１２が形成される領域をそれぞれ破線Ｌ４，Ｌ５によって示している。この方法によれば、Ｎ型半導体基板２０の裏面Ｓ２側から不純物をドープする工程を省略することができるので、Ｎ+型高濃度不純物半導体領域２８の製造工程が簡略化され、ひいては裏面入射型ホトダイオード３全体の製造工程が簡略化される。
図１５に戻って、Ｎ型半導体基板２０の上面Ｓ１及び裏面Ｓ２には、それぞれ絶縁膜２３及び絶縁膜２４が形成されている。また、絶縁膜２３には、開口２３ａ，２３ｂが形成されており、一方の開口２３ａはＰ+型不純物半導体領域１１の部分に、他方の開口２３ｂはＮ+型高濃度不純物半導体領域２８の部分に設けられている。
絶縁膜２３上の開口２３ａ，２３ｂを含む領域には、それぞれアノード電極２５及びカソード電極２６が形成されている。これらの電極２５，２６は、それぞれ開口２３ａ，２３ｂを充填するように設けられている。これにより、開口２３ａを介してアノード電極２５がＰ+型不純物半導体領域１１と、開口２３ｂを介してカソード電極２６がＮ+型高濃度不純物半導体領域２８とそれぞれ直接に接続されている。
さらに、裏面入射型ホトダイオード３は、パッシベーション膜３１、支持膜３２、充填電極３３ａ，３３ｂ、ＵＢＭ３４ａ，３４ｂ、及びバンプ３５ａ，３５ｂを備えている。パッシベーション膜３１は、Ｎ型半導体基板２０の上面Ｓ１上において、絶縁膜２３、アノード電極２５及びカソード電極２６を覆うように設けられている。パッシベーション膜３１上には、支持膜３２が形成されている。また、充填電極３３ａ，３３ｂは、パッシベーション膜３１及び支持膜３２を貫通して、それぞれアノード電極２５及びカソード電極２６から支持膜３２表面まで延びている。充填電極３３ａ，３３ｂの支持膜３２表面に露出する部分には、ＵＢＭ３４ａ，３４ｂが形成されている。ＵＢＭ３４ａ，３４ｂの充填電極３３ａ，３３ｂと反対側の面上には、バンプ３５ａ，３５ｂが形成されている。
裏面入射型ホトダイオード３の効果について説明する。裏面入射型ホトダイオード３においては、被覆層１３が設けられていることにより、裏面入射型ホトダイオード３の機械的強度が向上している。また、機械的強度の向上により、ウエハレベルでのダイシングが可能となるため、チップサイズの裏面入射型ホトダイオード３を得ることができる。これにより、パッケージが充分に小さい裏面入射型ホトダイオード３が実現されている。
さらに、窓板１４が被覆層１３の表面Ｓ３上に設けられている。したがって、窓板１４の表面が被検出光の入射面となり、入射面における被検出光の散乱が抑制される。また、窓板１４と被覆層１３との界面すなわち被覆層１３の表面Ｓ３も充分に平坦化されるため、被覆層１３の表面Ｓ３における被検出光の散乱も抑制される。よって、高感度な裏面入射型ホトダイオード３が実現されている。
また、裏面入射型ホトダイオード３においては、Ｎ+型高濃度不純物半導体領域２８がＮ型半導体基板２０の側面Ｓ５全体に露出するようにして形成されている。これにより、ダイシングの際のダメージ等により、Ｎ型半導体基板２０の側面Ｓ５付近で発生した不要キャリアによる暗電流やノイズをＮ+型高濃度不純物半導体領域２８により抑制することができる。側面Ｓ５は、ダイシングラインに当たるため、ダイシング時に結晶欠陥が生じている可能性があるが、かかる結晶欠陥に起因して発生する暗電流等のノイズもＮ+型高濃度不純物半導体領域２８によって抑制される。このため、裏面入射型ホトダイオード３によれば、より高いＳＮ比で検出信号を得ることができる。
また、Ｎ型半導体基板２０の一部分２０ａが、Ｎ型半導体基板２０の側面Ｓ５及び裏面Ｓ２側からＮ+型高濃度不純物半導体領域２８によって完全に囲まれている。これにより、囲まれた部分２０ａをＩ層とするＰＩＮ構造が実現されている。このため、裏面入射型ホトダイオード３は、このようなＰＩＮ構造により、空乏層を厚くして光の吸収する長さを増やすことによる感度増加と、空乏層が厚いことによる電気二重層の間隔が大きくなることにより容量が低下して高速応答が可能となる。
図１７は、本発明による裏面入射型光検出素子の第４実施形態を示す断面図である。裏面入射型ホトダイオード４は、Ｎ型半導体基板２０、Ｐ+型不純物半導体領域１１、凹部１２、被覆層１６、及び窓板１４を備えている。Ｎ型半導体基板２０の上面Ｓ１側における表層の一部には、Ｐ+型不純物半導体領域１１が形成されている。Ｎ型半導体基板２０の裏面Ｓ２におけるＰ+型不純物半導体領域１１に対向する領域には、凹部１２が形成されている。
Ｎ型半導体基板２０の裏面Ｓ２上には、被覆層１６が設けられている。被覆層１６は、被検出光に対して透明な樹脂からなり、Ｎ型半導体基板２０の裏面Ｓ２上に設けられている。また、被覆層１６の表面Ｓ３の形状は、実質的に平坦である。被覆層１６の表面Ｓ３上には、窓板１４が設けられている。
また、裏面入射型ホトダイオード４は、Ｎ+型高濃度不純物半導体領域２８、絶縁膜２３，２４、アノード電極２５、及びカソード電極２６を備えている。Ｎ+型高濃度不純物半導体領域２８は、Ｎ型半導体基板２０の側面Ｓ５全体に露出するようにして形成されている。また、Ｎ+型高濃度不純物半導体領域２８は、Ｎ型半導体基板２０の裏面Ｓ２全体にも達している。したがって、Ｎ型半導体基板２０のうち、Ｐ+型不純物半導体領域１１及びＮ+型高濃度不純物半導体領域２８の何れも形成されていない部分２０ａが、Ｎ型半導体基板２０の側面Ｓ５及び裏面Ｓ２側からＮ+型高濃度不純物半導体領域２８によって完全に囲まれている。
Ｎ型半導体基板２０の上面Ｓ１及び裏面Ｓ２には、それぞれ絶縁膜２３及び絶縁膜２４が形成されている。また、絶縁膜２３には、開口２３ａ，２３ｂが形成されており、一方の開口２３ａはＰ+型不純物半導体領域１１の部分に、他方の開口２３ｂはＮ+型高濃度不純物半導体領域２８の部分に設けられている。
絶縁膜２３上の開口２３ａ，２３ｂを含む領域には、それぞれアノード電極２５及びカソード電極２６が形成されている。これらの電極２５，２６は、それぞれ開口２３ａ，２３ｂを充填するように設けられている。これにより、開口２３ａを介してアノード電極２５がＰ+型不純物半導体領域１１と、開口２３ｂを介してカソード電極２６がＮ+型高濃度不純物半導体領域２８とそれぞれ直接に接続されている。
さらに、裏面入射型ホトダイオード４は、パッシベーション膜３１、支持膜３２、充填電極３３ａ，３３ｂ、ＵＢＭ３４ａ，３４ｂ、及びバンプ３５ａ，３５ｂを備えている。パッシベーション膜３１は、Ｎ型半導体基板２０の上面Ｓ１上において、絶縁膜２３、アノード電極２５及びカソード電極２６を覆うように設けられている。パッシベーション膜３１上には、支持膜３２が形成されている。また、充填電極３３ａ，３３ｂは、パッシベーション膜３１及び支持膜３２を貫通して、それぞれアノード電極２５及びカソード電極２６から支持膜３２表面まで延びている。充填電極３３ａ，３３ｂの支持膜３２表面に露出する部分には、ＵＢＭ３４ａ，３４ｂが形成されている。ＵＢＭ３４ａ，３４ｂの充填電極３３ａ，３３ｂと反対側の面上には、バンプ３５ａ，３５ｂが形成されている。
裏面入射型ホトダイオード４の効果について説明する。裏面入射型ホトダイオード４においては、被覆層１６が設けられていることにより、裏面入射型ホトダイオード４の機械的強度が向上している。また、機械的強度の向上により、ウエハレベルでのダイシングが可能となるため、チップサイズの裏面入射型ホトダイオード４を得ることができる。これにより、パッケージが充分に小さい裏面入射型ホトダイオード４が実現されている。
さらに、窓板１４が被覆層１６の表面Ｓ３上に設けられている。したがって、窓板１４の表面が被検出光の入射面となり、入射面における被検出光の散乱が抑制される。また、窓板１４と被覆層１６との界面すなわち被覆層１６の表面Ｓ３も充分に平坦化されるため、被覆層１６の表面Ｓ３における被検出光の散乱も抑制される。よって、高感度な裏面入射型ホトダイオード４が実現されている。
また、裏面入射型ホトダイオード４においては、被覆層１６が１層から構成されている。このため、被覆層１６は、製造工程が簡略化され、ひいては裏面入射型ホトダイオード４全体の製造工程が簡略化される。
また、裏面入射型ホトダイオード４においては、Ｎ+型高濃度不純物半導体領域２８がＮ型半導体基板２０の側面Ｓ５全体に露出するようにして形成されている。これにより、ダイシングの際のダメージ等により、Ｎ型半導体基板２０の側面Ｓ５付近で発生した不要キャリアによる暗電流やノイズをＮ+型高濃度不純物半導体領域２８により抑制することができる。このため、裏面入射型ホトダイオード４によれば、より高いＳＮ比で検出信号を得ることができる。さらに、Ｎ型半導体基板２０の一部分２０ａが、Ｎ型半導体基板２０の側面Ｓ５及び裏面Ｓ２側からＮ+型高濃度不純物半導体領域２８によって完全に囲まれている。このため、裏面入射型ホトダイオード４は、このようなＰＩＮ構造により、空乏層を厚くして光の吸収する長さを増やすことによる感度増加と、空乏層が厚いことによる電気二重層の間隔が離れることにより容量が低下して高速応答が可能となる。
図１８は、本発明による裏面入射型光検出素子の第５実施形態を示す平面図である。裏面入射型ホトダイオードアレイ５は、縦横にそれぞれ８列、全部で６４個の裏面入射型ホトダイオードが格子状に配列されて成っている。これらのホトダイオードの配列ピッチは、例えば１ｍｍとされる。図１８は、裏面入射型ホトダイオードアレイ５を裏面側から見たときの様子を示している。各ホトダイオードにおいては、図１の裏面入射型ホトダイオード１と同様に、裏面が被覆層及び窓板で覆われている。なお、図１８には、凹部が形成されている部分を破線Ｌ６で示している。
図１９は、図１８に示す裏面入射型ホトダイオードアレイ５のXIX−XIX線に沿った断面図である。この断面図においては、図１８に示す６４個のホトダイオードのうち２個のホトダイオードＰ１，Ｐ２が示されている。図１９に示すように、裏面入射型ホトダイオードアレイ５は、Ｎ型半導体基板５０、Ｐ+型不純物半導体領域５１、凹部５２、被覆層５３、及び窓板５４を備えている。
Ｎ型半導体基板５０の上面Ｓ１側における表層には、Ｐ+型不純物半導体領域５１が複数形成されている。これらのＰ+型不純物半導体領域５１は、ホトダイオードＰ１，Ｐ２に対してそれぞれ設けられている。各Ｐ+型不純物半導体領域５１の面積は、例えば０．７５×０．７５ｍｍ2である。Ｎ型半導体基板５０の裏面Ｓ２におけるＰ+型不純物半導体領域５１に臨む領域には、凹部５２が形成されている。ここでは、Ｐ+型不純物半導体領域５１が複数設けられていることに伴い、凹部５２も複数形成されている。Ｐ+型不純物半導体領域５１及び凹部５２は、各ホトダイオードＰ１，Ｐ２に一組ずつ設けられている。また、Ｎ型半導体基板５０の裏面Ｓ２上には、被覆層５３が設けられている。
被覆層５３は、裏面Ｓ２上に設けられた樹脂層５３ａと、樹脂層５３ａ上に設けられた樹脂層５３ｂとから構成されている。樹脂層５３ａ，５３ｂには、被検出光に対して透明な樹脂が用いられる。樹脂層５３ａは、凹部５２上に設けられている部分が、凹部５２の外縁部５５上に設けられている部分に対して窪んでいる。樹脂層５３ｂは、樹脂層５３ａと隙間なく密着しており、それゆえ樹脂層５３ａの窪みに一致する突出部を樹脂層５３ａ側に複数有する形状をしている。一方で、樹脂層５３ｂの表面Ｓ３の形状は、実質的に平坦である。被覆層５３の表面Ｓ３上には、窓板５４が設けられている。
また、裏面入射型ホトダイオードアレイ５は、Ｎ+型高濃度不純物半導体層６１、Ｎ+型高濃度不純物半導体領域６２、絶縁膜６３，６４、アノード電極６５、及びカソード電極６６を備えている。Ｎ+型高濃度不純物半導体層６１は、Ｎ型半導体基板５０の裏面Ｓ２側の表層全体に形成されている。Ｎ+型高濃度不純物半導体領域６２は、Ｎ型半導体基板５０の上面Ｓ１側における表層に形成されている。このＮ+型高濃度不純物半導体領域６２は、各ホトダイオードを構成するＰ+型不純物半導体領域５１を取り囲むように設けることが望ましい。
Ｎ型半導体基板５０の上面Ｓ１及び裏面Ｓ２上には、それぞれ絶縁膜６３及び絶縁膜６４が形成されている。絶縁膜６３には、開口６３ａ，６３ｂが形成されており、一方の開口６３ａはＰ+型不純物半導体領域５１の部分に、他方の開口６３ｂはＮ+型高濃度不純物半導体領域６２の部分に設けられている。
絶縁膜６３上の開口６３ａ，６３ｂを含む領域には、それぞれアノード電極６５及びカソード電極６６が形成されている。アノード電極６５及びカソード電極６６は、各ホトダイオードＰ１，Ｐ２に１組ずつ設けられている。また、これらの電極６５，６６は、それぞれ開口６３ａ，６３ｂを充填するように設けられている。これにより、開口６３ａを介してアノード電極６５がＰ+型不純物半導体領域５１と、開口６３ｂを介してカソード電極６６がＮ+型高濃度不純物半導体領域６２とそれぞれ直接に接続されている。
さらに、裏面入射型ホトダイオードアレイ５は、パッシベーション膜７１、支持膜７２、充填電極７３ａ，７３ｂ、ＵＢＭ７４ａ，７４ｂ、及びバンプ７５ａ，７５ｂを備えている。パッシベーション膜７１は、Ｎ型半導体基板５０の上面Ｓ１上において、絶縁膜６３、アノード電極６５及びカソード電極６６を覆うように設けられている。パッシベーション膜７１上には、支持膜７２が形成されている。また、充填電極７３ａ，７３ｂは、パッシベーション膜７１及び支持膜７２を貫通して、それぞれアノード電極６５及びカソード電極６６から支持膜７２表面まで延びている。充填電極７３ａ，７３ｂの支持膜７２表面に露出する部分には、ＵＢＭ７４ａ，７４ｂが形成されている。ＵＢＭ７４ａ，７４ｂの充填電極７３ａ，７３ｂと反対側の面上には、バンプ７５ａ，７５ｂが形成されている。
裏面入射型ホトダイオードアレイ５の効果について説明する。裏面入射型ホトダイオードアレイ５においては、被覆層１６が設けられていることにより、裏面入射型ホトダイオードアレイ５の機械的強度が向上している。また、機械的強度の向上により、ウエハレベルでのダイシングが可能となるため、周辺に余分なエリアのないアレイサイズぴったりの裏面入射型ホトダイオードアレイ５を得ることができる。これにより、パッケージが充分に小さい裏面入射型ホトダイオードアレイ５が実現されている。
さらに、窓板５４が被覆層５３の表面Ｓ３上に設けられている。したがって、窓板５４の表面が被検出光の入射面となり、入射面における被検出光の散乱が抑制される。また、また、窓板５４と被覆層５３との界面すなわち被覆層５３の表面Ｓ３も充分に平坦化されるため、被覆層５３の表面Ｓ３における被検出光の散乱も抑制される。よって、高感度な裏面入射型ホトダイオードアレイ５が実現されている。
さらに、Ｎ型半導体基板５０の上面Ｓ１側の表層における複数の領域にＰ+型不純物半導体領域５１が形成されるとともに、裏面Ｓ２におけるそれぞれのＰ+型不純物半導体領域５１に対向する領域に凹部５２が形成されることにより、複数のホトダイオードが構成されている。このため、裏面入射型ホトダイオードアレイ５は、各ホトダイオードが１画素に対応するイメージセンサ等に好適に用いることができる。
本発明による裏面入射型光検出素子は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、図１の裏面入射型ホトダイオード１において、Ｎ型半導体基板１０の代わりにＰ型半導体基板を用いてもよい。この場合には、不純物半導体領域１１はＮ型高濃度不純物半導体層２１及び高濃度不純物半導体領域２２はＰ型の導電型をもつようにする。
また、図７（ｃ）において、Ｃｕからなる導電性部材３３を堆積させる例を示したが、Ｃｕの代わりにＮｉを用い、開口３１ａ及び開口３２ａから露出するアノード電極２５及びカソード電極２６の表面に直接、Ｎｉの無電解メッキを施してもよい。この場合、図８（ａ）において説明した導電性部材３３表面を研磨する工程を省くことができる。
また、図９（ｂ）においては、充填電極３３ａ，３３ｂ上にＵＢＭ３４ａ，３４ｂ及びバンプ３５ａ，３５ｂを形成する例を示したが、充填電極３３ａ，３３ｂ自体をバンプとする方法もある。すなわち、開口３２ａに充填電極３３ａ，３３ｂが充填された状態の支持膜３２（図９（ａ）参照）表面を、Ｏ2等を用いてドライエッチングする。これにより、充填電極３３ａ，３３ｂの一部が支持膜３２表面から突出するので、この突出した部分をバンプとして用いればよい。この場合、ＵＢＭ３４ａ，３４ｂも形成する必要がない。或いは、充填電極３３ａ，３３ｂを形成する導電性部材として、導電性樹脂を用いてもよい。これによれば、印刷等により貫通孔への電極充填作業を短時間で完了させることが可能となる。
また、図１１においては、窓板１４の４角にそれぞれ切り欠き部１４ａが形成されている構成を示したが、窓板１４の４角のうち少なくとも１つの角に切り欠き部１４ａが形成されていればよい。この場合も、切り欠き部１４ａが全く設けられていない場合に比してチッピングの発生確率を低減することができる。
また、図１６（ａ）においては、Ｎ+型高濃度不純物層とＮ+型高濃度不純物層よりも不純物濃度が低いＮ型不純物層とが貼り合わされた貼り合わせウエハをＮ型半導体基板２０として用いてもよい。この場合、Ｎ型半導体基板２０の上面Ｓ１側にＮ型不純物層が、裏面Ｓ２側にＮ+型高濃度不純物層が設けられる。
本発明による裏面入射型光検出素子の第１実施形態を示す断面図である。 図１の裏面入射型ホトダイオード１を示す斜視図である。 図１に示す裏面入射型ホトダイオード１の効果を説明するための図である。 図１の裏面入射型ホトダイオード１を製造する方法を示す工程図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１の裏面入射型ホトダイオード１を製造する方法を示す工程図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１の裏面入射型ホトダイオード１を製造する方法を示す工程図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１の裏面入射型ホトダイオード１を製造する方法を示す工程図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１の裏面入射型ホトダイオード１を製造する方法を示す工程図である。 （ａ）及び（ｂ）は、図１の裏面入射型ホトダイオード１を製造する方法を示す工程図である。 （ａ）及び（ｂ）は、図１の裏面入射型ホトダイオード１を製造する方法を示す工程図である。 図１の裏面入射型ホトダイオード１の変形例を示す斜視図である。 図１の裏面入射型ホトダイオード１について、ダイシング前のウエハを窓板１４側から見たときの様子を示す平面図である。 図１１の裏面入射型ホトダイオード１ａについて、ダイシング前のウエハを窓板１４側から見たときの様子を示す平面図である。 本発明による裏面入射型光検出素子の第２実施形態を示す断面図である。 本発明による裏面入射型光検出素子の第３実施形態を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１５におけるＮ+型高濃度不純物半導体領域２８を形成する方法の一例を説明するための図である。 本発明による裏面入射型光検出素子の第４実施形態を示す断面図である。 本発明による裏面入射型光検出素子の第５実施形態を示す平面図である。 図１８に示す裏面入射型ホトダイオードアレイ５のXIX−XIX線に沿った断面図である。 従来の裏面入射型ホトダイオードを示す断面図である。
符号の説明
１，１ａ，２，３，４…裏面入射型ホトダイオード、５…裏面入射型ホトダイオードアレイ、１０，２０，５０…Ｎ型半導体基板、１１，５１…Ｐ+型不純物半導体領域、１２，５２…凹部、１３，１６，５３…被覆層、１３ａ，１３ｂ，５３ａ，５３ｂ…樹脂層、１４，５４…窓板、１４ａ…切り欠き部、１４ｂ…孔部、１５，５５…外縁部、２１，６１…Ｎ+型高濃度不純物半導体層、２２，２８，６２…Ｎ+型高濃度不純物半導体領域、２３，２４，６３，６４…絶縁膜、２５，６５…アノード電極、２６，６６…カソード電極、３１，７１…パッシベーション膜、３２，７２…支持膜、３３ａ，３３ｂ，７３ａ，７３ｂ…充填電極、３４ａ，３４ｂ，７４ａ，７４ｂ…ＵＢＭ、３５ａ，３５ｂ，７５ａ，７５ｂ…バンプ、Ｓ１…上面、Ｓ２…裏面、Ｓ３…被覆層１３の表面、Ｓ４…凹部底面、Ｓ５…Ｎ型半導体基板２０の側面。

Claims (9)

  1. 第１導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板の第１面側における表層に設けられ、第２導電型の不純物半導体領域と、
    前記半導体基板の第２面における前記不純物半導体領域に対向する領域に形成され、被検出光が入射する凹部と、
    前記凹部上から前記凹部の外縁部上に亘って前記第２面上に設けられ、前記被検出光を前記凹部へと透過させる樹脂からなるとともに、表面が実質的に平坦な被覆層と、
    前記被覆層の前記表面上に設けられ、前記被検出光を前記被覆層へと透過させる窓板と、
    を備え、
    前記窓板は、前記凹部上から前記凹部の前記外縁部上に亘って、前記被覆層と密着していることを特徴とする裏面入射型光検出素子。
  2. 前記被覆層は、前記第２面上に設けられた第１樹脂層と、前記第１樹脂層上に設けられ、前記第１樹脂層と反対側の面が実質的に平坦な第２樹脂層とから構成されており、
    前記第１樹脂層は、前記第２面の前記凹部上に設けられた部分が、前記凹部の前記外縁部上に設けられた部分に対して窪んでいることを特徴とする請求項１に記載の裏面入射型光検出素子。
  3. 前記半導体基板の前記第１面上に設けられ、前記半導体基板を支持する支持膜を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の裏面入射型光検出素子。
  4. 前記支持膜を貫通するとともに、一端が前記不純物半導体領域と電気的に接続された充填電極を備えることを特徴とする請求項３に記載の裏面入射型光検出素子。
  5. 前記窓板は、その厚さ方向に垂直な面での断面形状が、少なくとも１つの角が切り欠かれた四角形であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の裏面入射型光検出素子。
  6. 前記半導体基板の側面全体に、前記第１導電型の不純物が高濃度に添加された高濃度不純物半導体領域が露出していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の裏面入射型光検出素子。
  7. 前記半導体基板の前記第２面側における表層のうち、前記凹部の底面部分に、前記第１導電型の不純物が高濃度に添加された高濃度不純物半導体層が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の裏面入射型光検出素子。
  8. 前記半導体基板の前記外縁部の前記第２面側における表層に、前記第１導電型の不純物が高濃度に添加された高濃度不純物半導体層が設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の裏面入射型光検出素子。
  9. 第１導電型の半導体基板の第１面側における表層に、第２導電型の不純物半導体領域を形成する不純物半導体領域形成工程と、
    前記半導体基板の第２面における前記不純物半導体領域に対向する領域に、被検出光が入射する凹部を形成する凹部形成工程と、
    前記第２面の前記凹部上から前記凹部の外縁部上に亘って、樹脂層を形成する樹脂層形成工程と、
    前記樹脂層を硬化させる前に、前記被検出光を透過させる窓板を前記樹脂層に対して押し付けることにより、前記窓板を、前記凹部上から前記凹部の前記外縁部上に亘って、前記樹脂層に密着して貼り付ける窓板貼り付け工程と、
    を備えることを特徴とする裏面入射型光検出素子の製造方法。
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