JP5107092B2 - 半導体受光素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体受光素子の製造方法に関する。

半導体受光素子の製造方法として、光入射面側に形成されたフォトダイオードを含む画素部が複数配置されている半導体基板に対し、隣接する画素部間の所定位置に集光点を合わせ、光入射面側からレーザ光を照射して改質領域を形成するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された製造方法により製造された半導体受光素子では、入射光によって発生するキャリアを改質領域がトラップすることにより、隣接する画素部間のクロストークを抑制している。
特開２００５−１９４６５号公報

ところで、特許文献１に記載された半導体受光素子の製造方法に対し、半導体基板の耐久性の低下を抑制すると共に、画素部間のクロストークを抑制することが可能な改質領域を更に容易に形成することが望まれている。特許文献１に記載された半導体受光素子の製造方法では、半導体基板の光入射面側からレーザ光が照射されており、レーザ光の集光点から半導体基板の光入射面側に改質領域が拡がって形成されるため、この拡がりをレーザ光の集光位置や照射強度により予測して、所望の位置に改質領域を形成することには限界があった。

そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、半導体基板の光入射面側の所望の位置に改質領域を容易に形成することが可能な半導体受光素子の製造方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係る半導体受光素子の製造方法は、互いに対向する第１及び第２の主面を有し、第１の主面側に形成されたフォトダイオードを含む画素部が複数配置されている半導体基板を準備する工程と、隣接する画素部間の所定位置に集光点を合わせて半導体基板の第２の主面側からレーザ光を照射することによって改質領域を形成する工程と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る半導体受光素子の製造方法では、半導体基板の第２の主面側からレーザ光を照射することによって改質領域を形成している。この場合、改質領域は集光点から半導体基板の第２の主面側へ拡がって形成されるため、第１の主面近傍に改質領域を形成する場合において、この拡がりを予測する必要性が低下する。従って、第１の主面側の所望の位置に改質領域を容易に形成することができる。

本発明によれば、半導体基板の光入射面側の所望の位置に改質領域を容易に形成することが可能な半導体受光素子の製造方法を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、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。

図１及び図２を参照して、本実施形態に係る製造方法が適用される半導体受光素子について説明する。図１は、本実施形態に係る製造方法が適用される半導体受光素子の断面図である。図２は、本実施形態に係る製造方法が適用される半導体受光素子の平面図である。

図１及び図２に示すように、半導体受光素子１は、半導体基板３と、絶縁層５と、画素部７と、アノード電極１５と、カソード電極（図示せず）と、を備えている。以下の説明においては、半導体基板３における光Ｌ１の入射面を表面（第１の主面）３ａとし、その反対側の面を裏面（第２の主面）３ｂとしている。

半導体基板３は、半導体材料（例えば、Ｓｉ（シリコン）等）からなり、厚さが例えば３００μｍである。半導体基板３は、不純物（例えば、リン等）を含み、その濃度は例えば１×１０^１２〜１×１０^１６／ｃｍ^３のｎ型半導体である。半導体基板３は、後述する改質領域２０を有している。

絶縁層５は、シリコン酸化物（ＳｉＯ_２）又はシリコン窒化物（ＳｉＮ）からなり、半導体基板３の表面３ａ上に形成されている。絶縁層５は、表面３ａを保護するための保護膜として機能する。

画素部７は、半導体基板３の表面３ａ側において、例えば１次元に並んで複数形成されている。画素部７は、半導体材料（例えば、Ｓｉ等）によって矩形状に形成されており、厚さが例えば０．５μｍである。画素部７は、不純物（例えば、ボロン等）を含み、その濃度が例えば１×１０^１２〜１×１０^１６／ｃｍ^３のｐ型半導体領域によって形成されている。画素部７は、半導体基板３とのｐｎ接合１１によりフォトダイオード１３を構成している。ｐｎ接合１１は、電圧が印加され、半導体基板３に空乏層が広がることによりフォトダイオード１３の光感応領域として機能する。

アノード電極１５は、金属材料（例えば、Ａｌ又はＡｕ等）からなり、例えばスパッタ法又は蒸着法等によって形成されている。アノード電極１５は、絶縁層５上において、画素部７の並列方向と垂直な方向の両端に対応する位置に形成されている。アノード電極１５は、絶縁層５に設けられたコンタクトホールを介して、画素部７と電気的に接続されている。図示しないカソード電極は、絶縁層５に設けられたコンタクトホールを介して、半導体基板３と電気的に接続されている。

次に、改質領域２０について説明する。改質領域２０は、隣接する画素部７間の中央において、半導体基板３の表面３ａから所定の深さ位置（例えば、２０〜５０μｍ）に複数形成されている。複数の改質領域２０の形状は、例えば長手方向及び該長手方向に直交する短手方向を有しており、複数の改質領域２０は、隣接する改質領域２０同士が連なって、連続的な直線状をなしている。複数の改質領域２０は、長手方向に沿った平面で切断した断面が深さ方向に長軸を有する楕円状を呈していると共に、短軸方向の幅が例えば３μｍに形成されている。改質領域２０は、後述するように半導体基板３の内部の所定位置に集光点Ｆを合わせてレーザ光Ｌａを照射することによって、例えば多光子吸収により形成されている。なお、集光点Ｆとはレーザ光Ｌａが集光した箇所のことである。

次に、図３及び図４を用いて、多光子吸収により改質領域２０を形成するためのレーザ加工方法について説明する。図３は、改質領域の形成方法を説明するための半導体受光素子の背面図である。図４は、改質領域の形成方法を説明するための半導体受光素子の断面図である。

多光子吸収について簡単に説明する。光子のエネルギーｈνが、材料の吸収のバンドギャップＥ_Ｇよりも小さい場合、光学的に透明となる。よって、ｈν＞Ｅ_Ｇである場合には、材料に吸収が生じる。しかし、光学的に透明であっても、レーザ光の強度を非常に大きくした場合には、ｎｈν＞Ｅ_Ｇの条件（ｎ＝２，３，４，・・・）において材料に吸収が生じる。この現象を多光子吸収という。パルス波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点のピークパワー密度（Ｗ／ｃｍ^２）で決まり、例えばピークパワー密度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上の条件で多光子吸収が生じる。ピークパワー密度は、（集光点におけるレーザ光の１パルス当たりのエネルギー）÷（レーザ光のビームスポット断面積×パルス幅）により求められる。また、連続波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点の電界強度（Ｗ／ｃｍ^２）で決まる。

まず、半導体受光素子１において改質領域２０を除く部分が形成されている構成を有する加工対象物２５を準備する。改質領域２０は、図３に示すように、加工対象物２５の裏面３ｂに形成されている形成予定ライン３０に沿って、レーザ光Ｌａの集光点Ｆを相対移動させることにより形成される。形成予定ライン３０は、直線状に延びた仮想線である。

レーザ光Ｌａを多光子吸収が生じる条件に設定し、図４に示すように、加工対象物２５における表面３ａから所定の深さ位置に対し、加工対象物２５の裏面３ｂよりレーザ光Ｌａの集光点Ｆを合わせる。改質領域２０は、集光点Ｆより加工対象物２５の裏面３ｂ側に向かって拡がることにより、断面が深さ方向に長軸を有する楕円状を呈して形成される。

次に、集光点Ｆを形成予定ライン３０に沿って、例えばＡ方向に直線状に相対移動させる。その後、同様に他の形成予定ライン３０に沿って集光点Ｆを相対移動させ、隣接する画素部７間のそれぞれに改質領域２０を形成する。以上により、図１及び図２に示されるような改質領域２０が形成される。

本実施形態に係るレーザ加工では、加工対象物２５がレーザ光Ｌａを吸収することにより、加工対象物２５を発熱させて改質領域２０を形成するのではない。加工対象物２５にレーザ光Ｌａを透過させ加工対象物２５の内部に多光子吸収を発生させて改質領域２０を形成している。よって、加工対象物２５の裏面３ｂではレーザ光Ｌａがほとんど吸収されないので、加工対象物２５の裏面３ｂが溶融することはない。

本実施形態において多光子吸収により形成される改質領域２０の一つの例として、溶融処理領域がある。

この場合には、レーザ光を加工対象物２５の内部に集光点Ｆを合わせて、集光点Ｆにおける電界強度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上でかつパルス幅が１μｓ以下の条件で照射する。これにより、加工対象物２５の内部は多光子吸収によって局所的に加熱される。この加熱により、加工対象物２５の内部に溶融処理領域が形成される。

溶融処理領域とは一旦溶融後再固化した領域、溶融状態中の領域及び溶融から再固化する状態中の領域のうち少なくともいずれか一つを意味する。溶融処理領域は、相変化した領域や結晶構造が変化した領域ということもできる。溶融処理領域は、単結晶構造、非晶質構造又は多結晶構造において、ある構造が別の構造に変化した領域ということもできる。つまり、例えば、単結晶構造から非晶質構造に変化した領域、単結晶構造から多結晶構造に変化した領域、単結晶構造から非晶質構造及び多結晶構造を含む構造に変化した領域を意味する。加工対象物２５がシリコン単結晶構造の場合、溶融処理領域は例えば非晶質シリコン構造である。なお、電界強度の上限値としては、例えば１×１０^１２（Ｗ／ｃｍ^２）である。パルス幅は例えば１〜２００ｎｓが好ましい。

以上のように、本実施形態では、半導体基板３の裏面３ｂ側からレーザ光Ｌａを照射することによって改質領域２０を形成している。この場合、改質領域２０は集光点Ｆから半導体基板３の裏面３ｂ側へ拡がって形成されるため、表面３ａ近傍に改質領域２０を形成する場合において、この拡がりを予測する必要性が低下する。従って、表面３ａ側の所望の位置に改質領域２０を容易に形成することができる。

本実施形態では、改質領域２０が半導体基板３の表面３ａに露出することなく形成されているため、半導体基板３の耐久性の低下を抑制することができる。また、ダイシング工程や実装工程における半導体基板３の割れを防止することができるため、半導体受光素子１の製造における歩留まりを向上させることもできる。

本実施形態では、改質領域２０が半導体基板３の表面３ａ近傍に形成されていることから、半導体基板３の表面３ａと改質領域２０との間から隣接する画素部７へキャリアが拡散することを妨げることとなり、隣接する画素部７間のクロストークを抑制することができる。さらに、集光点Ｆの近くに位置しており十分に改質が進行している領域が、半導体基板３の表面３ａ近傍に形成されているため、光Ｌ１の入射によるキャリア発生量の多い半導体基板３の表面３ａ近傍において、隣接する画素部７に流れ込もうとするキャリアを効率良くトラップし、クロストークを確実に抑制することができる。

本実施形態では、半導体基板３の裏面３ｂ側からレーザ光Ｌａを照射しているため、半導体基板３の表面３ａ側に金属材料（例えば、Ａｌ等）からなる被膜が形成されている場合であっても、レーザ光Ｌａを半導体基板３の内部へ照射し、改質領域２０を形成することができる。

ところで、図５及び図６のように、改質領域２０が半導体基板３の表面３ａ側の所定の位置に形成されていない場合には、上述した本実施形態と同様の効果を得ることはできない。図５は、半導体基板の表面から浅い位置に集光点を合わせて表面側からレーザ光を照射した場合の改質領域を示す断面図である。図６は、半導体基板の表面から深い位置に集光点を合わせて表面側からレーザ光を照射した場合の改質領域を示す断面図である。

図５のように、表面３ａから浅い位置に集光点を合わせて表面側からレーザ光Ｌａを照射した場合には、集光点Ｆから表面３ａ側へ改質領域２０が拡がって形成されることとなり、表面３ａが広範囲に改質されて表面３ａが削りとられてしまう。従って、半導体基板３の耐久性の低下を抑制することには限界がある。

図６のように、表面３ａから深い位置に集光点を合わせて表面側からレーザ光Ｌａを照射した場合には、半導体基板３の表面３ａと改質領域２０との間から隣接する画素部７へキャリアが拡散してしまうため、隣接する画素部７間のクロストークを十分に抑制することができない。また、集光点Ｆから離れており十分に改質が進行していない領域が、半導体基板３の表面３ａ側に形成されているため、隣接する画素部７間のクロストークを確実に抑制することには限界がある。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、加工対象物２５を形成した後に改質領域２０を形成することに限定されず、半導体基板３に改質領域２０を形成した後に、画素部７等を形成してもよい。

複数の改質領域２０は、形状、半導体基板３の表面３ａからの深さ位置、断面における短軸方向の幅は、上述した形態に限定されるものではない。複数の改質領域２０は、隣接する改質領域２０が連続して直線状に形成されていることに限定されるものではなく、例えば断続的な直線状に形成されていてもよい。複数の改質領域２０は、すべての部分が半導体基板３の内部に形成されていることに限定されず、表面３ａに改質領域２０が露出した部分を有して形成されていてもよい。複数の改質領域２０は、多光子吸収以外によって改質されて形成されていてもよい。

本実施形態に係る製造方法が適用される半導体受光素子の断面図である。 本実施形態に係る製造方法が適用される半導体受光素子の平面図である。 改質領域の形成方法を説明するための半導体受光素子の背面図である。 改質領域の形成方法を説明するための半導体受光素子の断面図である。 半導体基板の表面から浅い位置に集光点を合わせて表面側からレーザ光を照射した場合の改質領域を示す断面図である。 半導体基板の表面から深い位置に集光点を合わせて表面側からレーザ光を照射した場合の改質領域を示す断面図である。

符号の説明

１…半導体受光素子、３…半導体基板、３ａ…半導体基板の表面（第１の主面）、３ｂ…半導体基板の裏面（第２の主面）、７…画素部、１３…フォトダイオード、２０…改質領域、Ｆ…集光点、Ｌａ…レーザ光。

Claims (1)

1. 互いに対向する第１及び第２の主面を有し、前記第１の主面側に形成されたフォトダイオードを含む画素部が複数配置されている半導体基板を準備する工程と、
   隣接する前記画素部間の所定位置に集光点を合わせて前記半導体基板の前記第２の主面側からレーザ光を照射することによって、隣接する画素部へキャリアが拡散することを妨げる改質領域を形成する工程と、を備え、
   前記改質領域が、前記第１の主面に露出することなく、前記集光点から前記第２の主面側へ拡がって形成されていることを特徴とする半導体受光素子の製造方法。

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