JPH06318688A - 半導体エネルギー線検出器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小形化し、冷却効率を向上させる。 【構成】 この半導体エネルギー線検出器は、撮像機能
を持つ回路がその一方の面に形成され、他方の面から入
射したエネルギー線を検出するための基板と、基板をそ
の内部に格納すると共に外部との電気的接続をするため
のピンを持つパッケージと、基板を上記一方の面の側か
ら保護するとともに、ピンと基板に形成された回路とを
電気的に接続するための保護板と、基板で発生した熱を
上一方の面の側から放熱するための冷却ブロックとを備
え、基板と保護板とはバンプボンディングされるととも
に、保護板はバンプボンディングされた部分に凹部また
は貫通口が設けられていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、紫外線やγ線、あるい
は荷電粒子線などの吸収係数が極めて大きいエネルギー
線の照射に対して有効な、裏面照射型の電荷転送型半導
体エネルギー検出器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電荷転送素子（ＣＣＤ）は、アナログ電
荷群を外部からクロックパルスに同期した速度で一方向
に順繰りに送るものであり、一端に出力部を設けておけ
ば、空間情報を時系列信号に変換できる極めて巧妙な機
能デバイスである。しかし、２次元の画像情報を時系列
信号として取り出すには、デバイスの構成上の工夫が必
要である。上記デバイスに光を照射したままで電荷を転
送したのでは、それぞれの場所で光励起された電荷と転
送されてきた電荷とが混じり合って、いわゆるスミアと
呼ばれる現象が発生し、映像信号が劣化する。これを避
けるためには、光を照射している期間（電荷蓄積期間）
と電荷を転送する時間（電荷転送期間）とを時間的に分
けるいわゆる時分割動作が考えられる。この場合、映像
信号が出力される時間は電荷の転送時間内に限られ、映
像信号は間欠的な信号となる。

【０００３】一般に、実用的なＣＣＤ撮像デバイスとし
ては、フレーム転送（ＦＴ）、フル・フレーム転送（Ｆ
ＦＴ）、インターライン転送（ＩＴ）構成の三方式が代
表的であり、このうち計測用としては、主にフル・フレ
ーム転送方式が用いられる。

【０００４】以下、フル・フレーム転送方式について説
明する。図７及び８はフル・フレーム転送方式の構成を
示すものであり、図７はその上面図、図８はその要部の
断面図である。図７に示すようにこの方式では、基板に
形成されたチャンネルストップ拡散層１によって電荷転
送のチャンネルが垂直方向に分割され、水平画素数に対
応する画素列を形成する。一方、このチャンネルストッ
プ拡散層１に直交して転送電極群２を配置している。前
述のＦＴ方式では、この電極群は上下２つにグルーピン
グされ、上半分を受光用のＣＣＤ、下半分を信号電荷を
一時蓄積するＣＣＤとして使うが、同図に示すフル・フ
レーム転送方式ＣＣＤでは蓄積部はない。したがって、
電荷を転送する時間中、即ち読みだし時間中は、シャッ
タを閉じるなどしてＣＣＤに光が入射しないようにしな
ければいけない。なお、垂直方向の４列の画素列の間に
は３本のオーバーフロードレイン５が形成されている。

【０００５】図８に示すように、一画素はＣＣＤの一段
分を構成するクロックパルス（φ₁〜φ₄ ）の相数
（４）に対応する数の電極２０とチャンネルストップ拡
散層１で囲まれた面積となる。垂直転送クロックパルス
電極群２はクロックパルスφ₁ 〜φ₄ をポリシリコン電
極２０に供給する。ＰＳＧ（リンガラス）による層間絶
縁膜１９はポリシリコン電極２０の上面に堆積され、こ
の電極２０とシリコン基板４８上のｎ−ウェル２２との
間にはゲート酸化膜２１が介在されている。

【０００６】受光領域に光が入射すると、図８に示すよ
うに励起された信号電荷が一つの転送電極（蓄積電
極）、即ち立ち上がったクロックパルスφ₁ が加えられ
たポリシリコン電極２０下のポテンシャル井戸３に集め
られる。

【０００７】光信号を信号電荷に変換する電荷蓄積時間
が終わると、受光領域上にある垂直転送電極群２に与え
られたクロック電圧φ₁ 〜φ₄ が順次立ち上がり、信号
電荷の読み出しが開始される。しかしフル・フレーム転
送ＣＣＤにおいては、前述したようにＦＴ−ＣＣＤのよ
うな受光部とは別のいわゆる蓄積部というものがない。
このため、信号読み出しを開始する前にシャッタを閉じ
るなどして光信号の入力を遮断しなければ、転送してい
る途中の信号に新たに光信号が混入してくることにな
り、信号純度が低下する。但し、単発現象をとらえる場
合には、信号電荷の転送中に新たな光入力はないと考え
られるから、シャッタ等は必要ない。

【０００８】ここで、図７を用いて信号読みだし動作に
ついて説明する。信号電荷は垂直転送用クロックパルス
電極群２に与えられるパルスφ₁ 〜φ₄ によって１行ず
つ下方に送られ、水平読みだしレジスタ６を通して出力
端に転送される。すなわち同図において、まず一番下の
行にある信号電荷が同時に水平読みだしレジスタ６に送
り込まれ、水平方向に高い周波数のクロックφ₅ 、φ₆
で転送され、時系列信号として出力端から読み出され
る。なお、水平転送クロックφ₅ 、φ₆ は水平転送用ク
ロックパルス電極群７から加えられる。このときすでに
次の信号電荷が垂直レジスタの１段下方に移動している
ので、次の垂直転送クロックパルスで水平読みだしレジ
スタ６に入り、出力端に読み出される。このようにし
て、１画面分の信号電荷が全て水平読み出しレジスタ６
を通して読み出されると、シャッタを開き新たな信号蓄
積動作を開始する。以上のように、水平読みだしレジス
タ６は垂直レジスタに比べて高速で動作するので、２相
クロックパルスφ₅ 、φ₆ として高速転送を可能にして
いる。

【０００９】ここで、図９（ａ）にＣＣＤにオンチップ
された読み出し回路の例を、同図（ｂ）に印加クロック
パルスと出力波形の関係を表す例をそれぞれ示す。パル
スの基準点は０Ｖで、＋１２Ｖの振幅である。クロック
φ₅ 、φ₆ の与えられた電極下の領域１７、１８は水平
レジスタ６の最終部を表している。なお、ｎ−ウェル２
２には＋１２Ｖ_DC、アウトプットゲート（ＯＧ）１３に
は＋７Ｖ_DC、リセットドレイン（ＲＤ）１６には＋１２
Ｖ_DC、基板４８には＋５Ｖ_DCが加えられている。また、
増幅用のＭＯＳＦＥＴのドレイン８には１５Ｖ_DC、ソー
ス９は負荷抵抗を介して接地されている。したがって、
このＭＯＳＦＥＴはソースフォロワ回路として動作して
いる。以下、同図（ｂ）を用いて動作を説明する。

【００１０】水平レジスタ６によって信号電荷が次々と
読みだし回路に転送される場合、時刻ｔ₁ において、ク
ロックパルスφ₅ はハイレベルになっているので、クロ
ックφ₅ の加えられた電極７の下の領域１７にポテンシ
ャル井戸が形成されていて、信号電荷は領域１７に転送
されている。次に時刻ｔ₂ でクロックφ₅ がローレベ
ル、φ₆ がハイレベルになるので、クロックφ₅ の加え
られた電極７下の領域１７におけるポテンシャル井戸は
消え、クロックφ₆ の加えられた電極７下の領域１８に
ポテンシャル井戸が形成される。したがって、前述の信
号電荷は領域１８に転送される。時刻ｔ₃ においては、
リセットゲート（ＲＧ）１５にパルスが加えられるの
で、フローティングディフュージョンアンプ（ＦＤ）１
４の電位はＲＤ１６の電位である１２Ｖにリセットされ
る。

【００１１】時刻ｔ₄ では、ＦＤ１４にまだ信号電荷は
転送されてきていないので、電位はリセット値を維持し
ている。時刻ｔ₅ においてはクロックφ₆ がローレベル
になるので、水平レジスタ６の最終部の領域１８に存在
した信号電荷はＯＧ１３に加えられた低いＤＣバイアス
によって形成されている低いポテンシャル障壁を乗り越
え、ＦＤ１４に至り、その電位を変化させる。同図
（ｂ）の出力電圧の例でもわかるように、電子が流れ込
んでくるので、クロックφ₆ がローレベルになると出力
は下に向かって伸びる。ＦＤ１４は、配線によってソー
スフォロワ回路（ＭＯＳＦＥＴ）のゲートにつながれて
おり、そのソースからはゲートに入力されたのと同じ大
きさの出力を低インピーダンスで得ることができる。

【００１２】このようにフル・フレーム転送方式の特徴
は、蓄積部がなく受光部の面積が大きくとれるので、光
の利用率が高く、したがって計測用など微弱光の用途に
広く用いられる。反面、入射光が転送電極で吸収される
ので、波長が短い青色の光に対する感度低下が著しい。
先に述べたように、図８は典型的な受光部を示すもので
あるが、ポリシリコン電極２０が隙間なく表面を覆い、
またそれぞれの電極の分離のため、厚さ数ミクロンにも
及ぶＰＳＧ膜１９が重ねられている。特に、ポリシリコ
ンは、４００ｎｍ以下の波長の光や電子を吸収してしま
うので、光電変換に寄与することができない。

【００１３】このような光検出器に関しては、基板４８
を１５μｍから２０μｍ程度に薄くして、図１０に示す
ように光を裏面から照射するようにしたものがある。光
電変換部はゲ−ト酸化膜２１の下に設けられて、ポリシ
リコン電極２０が隙間無く覆い、短波長光を吸収してし
まうが、基板４８の裏面には薄い酸化膜２３の他に障害
物はなく、短波長光に対して高感度が期待できる。この
裏面照射型ＣＣＤは０．１ｎｍ程度の短波長光まで感度
があり、更に電子衝撃型ＣＣＤ撮像デバイスにも応用さ
れる。このデバイスは電子衝撃により生じる信号電荷の
増倍作用を利用できるので、高感度撮像デバイスとして
期待される。

【００１４】この裏面照射型ＣＣＤは新しいタイプのＣ
ＣＤなので、例は少ないのだが、その製造プロセスの例
としてはつぎのものがある。

【００１５】図１１（ａ）は、保護板（サブストレイ
ト）１２０の断面構造を示したものであり、この保護板
１２０の材料には焼結セラミックなどが用いられる。保
護板のうち後にウエファのＣＣＤが形成された部分には
貫通した穴２７が設けられており、セラミックの部分２
５には金属配線２６が施されている。

【００１６】図１１（ｂ）は、ＣＣＤ３１が形成された
ウエファ１３０の断面を示したものである。このウエフ
ァ１３０は、Ｐ⁺ 型ウエファ２８にＰ型エピ層２９を成
長させた後、ＣＣＤ３１及びＣＣＤ３１と外部回路をつ
なぐ金属配線（パッド）３２を形成したものである。

【００１７】ここで、ウエファ１３０には、Ｐ／Ｐ⁺ 型
エピウエファが用いられ、このエピ層２９の比抵抗及び
厚さは、それぞれ３０Ω−ｃｍ、２０μｍである。Ｐ⁺
型サブストレイト２８の比抵抗及び厚さは、それぞれ
０．０１Ω−ｃｍ、５００μｍである。ＣＣＤは通常Ｐ
／Ｐ⁺ 型エピタキシャル成長ウェファが用いられるのだ
が、これはＣＣＤ内蔵読みだし回路のＦＥＴがＮチャン
ネルになるので、ＰチャンネルＦＥＴに比較してオン抵
抗を小さくでき、発生する熱ノイズ（ジョンソンノイ
ズ）を低減できるから、という理由に基づく。さらに、
基板がＰ／Ｐ⁺ 型であれば、バルク（ウエファ）中の少
数キャリアのライフタイムが短くなり、バルク中の暗電
流成分がＣＣＤのポテンシャル井戸に流れ込んで暗電流
が大きくなるのが抑えられる、という利点がある。

【００１８】また、通常バルク領域は酸素濃度を高くし
ており、プロセス中の熱処理でバルク中には多くの結晶
欠陥が励起されるのであるが、ウェファにはＰ⁺ 型領域
が形成されており、この高濃度層が欠陥のシンクとなる
のを抑え、ＣＣＤを構成する表面付近に結晶欠陥が生じ
るのが抑えられる。

【００１９】保護板１２０及びウエファ１３０の位置合
わせをし、金属配線２６と金属配線３２とをワイアボン
ディングし、ボンディングワイア３８ａで接続する（図
１１（ｃ））。つぎに、保護板１２０の貫通穴２７に低
融点ガラスやエポキシ樹脂などの充填物３３を満たす
（図１１（ｄ））。この充填物３３は、ＣＣＤ基板１３
０と保護板１２０との接着，ボンディングワイアの保
護，ＣＣＤ基板１３０に薄膜を形成する際のＣＣＤの保
護，ＣＣＤ冷却時の冷却媒体などとして機能する。

【００２０】そして、ＣＣＤ基板１３０の裏面を削って
機械的及び化学的に薄形化する（図１２（ｅ））。ま
ず、グラインダー（ディスコ社）などの機械的な研磨
で、ＣＣＤ基板１３０の残り厚が３０〜４０μｍになる
までＰ⁺ 型サブストレイト２８を削って機械的なエッチ
ングをし、バルク中の高濃度欠陥層を除去する。始めに
機械的なエッチングをするのはつぎの理由による。化学
的エッチングは微視的には酸化−エッチングのプロセス
の繰り返しであり、欠陥層の酸化速度は純粋シリコンの
酸化速度とは異なる。化学的エッチングのみで薄形化す
るとなると、エッチング後の表面に凸凹や曇りを生じそ
れなりの手間と工夫が必要になる。そのため、予め機械
的なエッチングをある程度行うことで、良好な薄形化を
行っている。

【００２１】また、機械的なエッチングの後に化学的エ
ッチングを行うのは、機械的エッチングの後はどうして
も表面破砕層が残り、その除去が必要なのと、所定の厚
さにＣＣＤ基板１３０をコントロールする必要があるた
めであり、フッ酸−硝酸−酢酸系のエッチング液で化学
的エッチングを行う。例えば、ＨＦ：ＨＮＯ₃ ：ＣＨ₃
ＣＯＯＨ＝１：３：８の割合のエッチング液を用いる
と、数μｍ／min の速度でエッチングされるが、０．０
６８Ω−cm以上の比抵抗を持つＰ層はエッチングされな
い。したがって、Ｐ／Ｐ⁺ 型エピウエファのうち機械的
なエッチングでＰ⁺ 層３４を残した状態から化学的エッ
チングを行うと２０μｍのエピタキシャル成長層２９は
完全に残り、さらに１０¹⁸ｃｍ^-3のＰ⁺ 層を残した状態
でエッチングはストップする。このプロセスにより、２
０μｍの膜厚のコントロールとアキュムレーションが同
時に行われることになり、Ｐ⁺ 層３４がアキュムレーシ
ョン層として機能することになる（アキュムレーション
については後述する）。

【００２２】エネルギー線がＵＶ光である場合、反射防
止膜としてＳｉ酸化膜３５を形成する（図１２（ｅ）の
符号３５）。その条件としては１２０℃水蒸気中で４８
時間酸化を行う。

【００２３】つぎに、ダイシングを行い、個々のチップ
１４０に分割する（図１２（ｆ）、符号３６はダイシン
グラインを示す）。分割された個々のチップ１４０のア
センブリを行う（図１２（ｆ））。まず、セラミックパ
ッケージ３７にチップ１４０をダイボンディングし、チ
ップ１４０の金属配線２６とパッケージ３７の端子４１
とをワイアボンディングし、ボンディングワイア３８ｂ
で接続する。そして、チップ１４０の低融点ガラスの充
填物３３と熱的に容易に接続できるように、熱容量が小
さい充填物３９を介して放熱用の冷却ブロック４０で封
止する。ＣＣＤを冷却してリーク電流やｒｍｓノイズを
下げることは微弱光を計測するのに適したものにしてい
る。

【００２４】裏面照射型ＣＣＤでは、アキュムレーショ
ン層が必要なのはつぎの理由による。

【００２５】前述したように、裏面照射型ＣＣＤは、Ｃ
ＣＤの裏面が光の入射面となる。通常ＣＣＤを形成する
シリコンウエファの厚さは４００〜６００μｍである。
また、２００ｎｍから３００ｎｍの光は吸収係数が非常
に大きく、そのほとんどが表面からわずかに入ったとこ
ろ（具体的には０．０１μｍ程度）で吸収されてしま
う。したがって、数百μｍの厚さを有するＣＣＤをその
まま裏面照射型として使用しても、裏面で発生した光電
子は表面にあるＣＣＤのポテンシャル井戸に拡散してい
くことができず、ほとんどは再結合して失われてしま
う。また、そのうちのいくらかはポテンシャル井戸まで
到達できたとしても、長い道のりを拡散してくる間に信
号同士が混じり合い、いわゆる解像度を著しく低下させ
る。そこで、裏面照射型ＣＣＤでは、受光面である裏面
をエッチング、研磨によって薄くして、発生した電子が
最短距離で表面のポテンシャル井戸に到達できるように
している。図１０は、裏面に受光面を持つ裏面入射型Ｃ
ＣＤの断面図である。

【００２６】しかし、酸化膜２３には酸化膜電荷や界面
準位が必ず存在し、これらはいずれもＰ型シリコン基板
４８の表面を空乏化させるように働く。そのため、裏面
から浅いところで生じた光電子はＣＣＤのポテンシャル
井戸には行くことができず、裏面酸化膜２３とシリコン
の界面に押しやられ再結合するのを待つ運命となる。し
たがって、受光部を薄形化し裏面にＰ型シリコン４８の
表面をアキュームレーション状態にすることにより、裏
面の浅いところで生じた光電子も効率よく表面側のＣＣ
Ｄのポテンシャル井戸に到達することができる。

【００２７】図１３は、ポテンシャルプロファイルを比
較して示したものであり、実線はアキュームレーション
層がない場合、点線はある場合を示す。左側が裏面、右
側が表面を表している。基板４８の裏面には、保護膜で
ある酸化膜２３が成長されている。なお、代表的な検出
器において受光面のシリコンの厚さは１０〜１５μｍ程
度であり、酸化膜２３は、厚さ数十オングストロームか
ら数百オングストロームである。実線のように、裏面か
ら浅いところで生じた光電子は、裏面酸化膜２３とシリ
コンの界面に押しやられ再結合し、ＣＣＤ表面に形成さ
れた蓄積用のポテンシャル井戸には行くことが難しいも
のになる。これに対し、点線のように、裏面の酸化膜２
３に近付くにしたがって電子に対するポテンシャルが低
くなり、裏面から電極側に傾斜を持つポテンシャルが形
成されることにより、光電子が効率よく表面側に到達す
ることができるようになる。

【００２８】上述の工程では、エピウエファは予めアル
ミニウム（Ａｌ）配線工程まで含めたすべてのＣＣＤ製
造プロセスを終了させている。そのため、後の工程で受
光部シリコンの薄形化後にアルミニウム配線を施す場合
と比較して、薄形化した膜の部分に写真食刻法を用いる
のは困難であり、またアルミニウム配線プロセス中に薄
形化した部分が割れるなどのおそれがある、という問題
が抑えられるので、その意味では良好な工程と考えられ
る。

【００２９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、つぎのような
問題点がある。まず第１に、図１１（ｃ）において保護
板１２０及びＣＣＤ基板１３０の位置合わせを必要とし
ているが、この作業は非常に微妙なものであり、熟練を
要し、作業時間やコストなどを大幅に削減するのは困難
である。

【００３０】第２に、ボンディングワイアで保護板１２
０とＣＣＤ基板１３０との電気的な接続を行っている
が、ボンディングワイアが形成するワイアーループのた
め、図の横方向に余分な面積を必要とする。例えば、チ
ップの両側にワイアボンディングする場合、トータルで
およそ２mmチップが長くなる。１チップが大きくなれば
１枚のウェファからの取れ数が減りチップ単価を上げる
ことになる。また、チップが大きくなった分だけ装置全
体が大きくなり、それだけ熱容量が大きくなる。そのた
め、冷却時の効率が悪くなり、装置の小形化、軽量化の
妨げになる。

【００３１】第３に、図１１（ｄ）において充填物３３
を満たす必要があるが、ボンディングワイアを保護する
ために、ワイアーループを覆えるだけの厚みで充填物３
３を満たす必要がある。したがって、その分だけ余分な
充填物３３を必要とし、その分だけ装置全体が大きくな
り、それだけ熱容量が大きくなる。そのため、冷却時の
効率が悪くなり、装置の小形化、軽量化の妨げになる。
信頼性の観点からボンディングワイアの保護は不可欠で
あり、これによる厚さの増加はおよそ５００μｍと、お
よそ倍の厚みになる。

【００３２】また、第４に、充填物３３は保護板１２０
及びＣＣＤ基板１３０を十分に接着するだけの強度を要
するので硬化後に堅くなるものでなければならない。し
かも、その後の工程や使用環境を加味すれば、保護板１
２０及びＣＣＤ基板１３０と熱膨張率が良くあってお
り、ボンディングワイアに応力を与えないような材料が
必要である。接着強度の観点からは低融点ガラスが望ま
しいが、低融点ガラスは硬化後は非常に堅くなる一方、
熱膨張率がＣＣＤ基板１３０の材料であるＳｉとやや異
なる。そのため、冷却時或いは室温に戻す際非常にゆっ
くり行う必要がある。低融点ガラス以外の硬化後はあま
り堅くならず、ある程度柔らかな材料（例えば、ゲル状
の樹脂）を用いれば、Ｓｉと熱膨張率が完全に一致して
いなくても急冷急熱を行った場合にただちに破損すると
いうのが少なくなるが、保護板１２０及びＣＣＤ基板１
３０の接着強度が十分でなく、その後の工程を加味すれ
ば好ましいものではない。このように、充填物３３に用
いる材料は限られているうえに使用上の制限がある。

【００３３】そこで本発明は、上記の問題点を解決した
半導体エネルギー検出器を提供することを目的とする。

【００３４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の半導体エネルギー線検出器は、撮像機能を
持つ回路がその一方の面に形成され、他方の面から入射
したエネルギー線を検出するための基板と、基板をその
内部に格納すると共に外部との電気的接続をするための
ピンを持つパッケージと、基板を上記一方の面の側から
保護するとともに、ピンと基板に形成された回路とを電
気的に接続するための保護板と、基板で発生した熱を上
一方の面の側から放熱するための冷却ブロックとを備
え、基板と保護板とはバンプボンディングされるととも
に、保護板はバンプボンディングされた部分に凹部また
は貫通口が設けられていることを特徴とする。

【００３５】保護板は、基板に形成された回路上に開口
部を有するとともに開口部には硬化した充填物がつめら
れていることを特徴としても良い。

【００３６】冷却ブロックは充填物を介して基板で発生
した熱を放熱するとともに、冷却ブロックと充填物との
間には熱抵抗を低下させるための熱伝導物質が塗布され
ていることを特徴としても良い。

【００３７】凹部または貫通口に導電材料をさらに有す
ることを特徴としても良い。

【００３８】また、本発明の半導体エネルギー線検出器
の製造方法は、基板の一方の面に形成された撮像機能を
持つ回路の端子にバンプを形成する第１の工程と、保護
板に、基板上の回路の位置に対応して開口部と、回路の
各端子の位置に対応して凹部または貫通口と、回路に電
気的に接続するための配線とを設けておき、凹部または
貫通口とバンプとを重ね合わせて保護板と基板とのバン
ブボンディングをする第２の工程と、開口部に硬化性の
流動物をいれて硬化させ、開口部に充填物をつめる第３
の工程と、回路が掲載された反対側の基板の面を機械的
或いは化学的に削る第４の工程と、保護板及び基板を回
路ごとに切断し、切断された保護板及び基板をパッケー
ジにいれて保護板の配線とパッケージのピンとを接続
し、基板で発生した熱を放熱するための冷却ブロックで
パッケージに封止する第５の工程とを有する。

【００３９】第２の工程では、凹部または貫通口に導電
材料を注入した後にバンブボンディングをすることを特
徴としても良い。

【００４０】第５の工程では、冷却ブロックと充填物と
の間には熱抵抗を低下させるための熱伝導物質を塗布す
ることを特徴としても良い。

【００４１】

【作用】本発明の半導体エネルギー線検出器では、保護
板で製造時及び使用時で基板の機械的な保護がなされる
ので、基板を薄くして基板上の回路からの熱を冷却ブロ
ックで放熱して冷却しやすくなる。そのため、より感度
の良くエネルギー線（例えば、紫外線、軟Ｘ線、電子線
など）を検出できる。

【００４２】ここで、保護板及び基板がバンプボンディ
ングで重なるように接続・接着がなされることから、保
護板及び基板の面積及び体積を小さくすることができ
る。また、保護板には凹部または貫通口が設けられ、こ
れにあわせてバンプボンディングをしていることから、
電気的接続をより確実にして小形化することができる。

【００４３】また、開口部に硬化した充填物を詰めるよ
うにすることで、基板上の回路へのダメージを減少させ
ることができ、熱抵抗を低下させるための液体が塗布さ
れていることでより放熱しやすいものになる。さらに、
凹部または貫通口に導電材料をさらに有することで、電
気的接続をより確実にすることができる。

【００４４】本発明の半導体エネルギー線検出器の製造
方法では、予め保護板にもうけられた凹部または貫通口
がバンブとあわさるので、保護板と基板との位置合わせ
が簡単になると共に、貫通口の場合、位置合わせが目視
（またはカメラを通して）で確認できる。そのため、簡
単にバンブボンディングが可能で、保護板と基板との電
気的接続・及び接着が簡単なものになる。保護板で基板
の機械的保護がなされることから、基板の面を機械的薄
く削ることができ、開口部につめた充填物で回路が保護
されるから、合わせて化学的に精密に削ることもでき
る。そして、保護板及び基板がバンプボンディングで重
なるように接続・接着がなされることから、保護板及び
基板の面積及び体積を小さくすることができる。

【００４５】

【実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明する。
前述の従来例と同一または同等のものについてはその説
明を簡略化し若しくは省略するものとする。

【００４６】図１は、本発明の半導体エネルギー線検出
器の第１の実施例についての構造を示したものである。
この検出器は、パッケージ３７の内部に、ＣＣＤ基板１
３０，保護板２２０，冷却ブロック４０を有し、ＣＣＤ
基板１３０の電極３２と保護板２２０との電極１２６が
バンプ１４３で接続され、バンプ１４３が形成される位
置に保護板２２０に凹部が設けられている点に特徴を有
する。

【００４７】ＣＣＤ基板１３０は、パッケージ３７の内
部底面にその裏面を外側にしてダイボンディングされ、
表面には撮像のためのフルフレーム転送方式のＣＣＤ３
１が形成されている。ＣＣＤ３１の表面には、ｐｏｌｙ
−Ｓｉ電極，層間絶縁膜であるＰＳＧが形成されてい
る。ここで、表面側では吸収係数が大きいエネルギー線
（例えば、紫外線、軟Ｘ線、電子線など）を吸収してし
まうので、表面照射型ＣＣＤはこのようなエネルギー線
に対して感度が持たない。また、無理に照射を行えば、
ＣＣＤを構成するゲート酸化膜がいわゆる照射損傷を受
け、転送効率が低下する、ノイズが増大するなどの損傷
を生じる。図１の検出器では、吸収係数が大きいエネル
ギー線に感度を持つようにするために、裏面型ＣＣＤの
構造を持たせている。

【００４８】また、通常のＣＣＤを作る基板の厚みは４
００μｍあり、これをそのまま用い得ると、基板の裏面
入射面付近で生じた信号電荷は、表面にあるＣＣＤポテ
ンシャル井戸まで拡散で移動しなければならず、途中で
再結合で失われたり、長い距離を拡散してくる間に横方
向に広がり、解像度を著しく悪化させる。これを避ける
ために、入射面である裏面から表面にあるＣＣＤポテン
シャル井戸までの物理的な距離を短くしている。そのた
めに、ＣＣＤ基板１３０を１５μｍ程度まで薄形化し、
その後裏面をイオン注入などでアキュムレーション状態
にし、裏面界面付近で生じた信号電荷が効率良くＣＣＤ
ポテンシャル井戸に流れる構造にしている。

【００４９】冷却ブロック４０は、シリコン樹脂３９及
び硬化した充填物３３を介してＣＣＤ３１と接触し、Ｃ
ＣＤ３１で発生した熱を放熱するためのものであり、ま
た、パッケージ３７の蓋をもかねている。使用時には、
ペルチェ素子などにより冷却され、ＣＣＤ３１の冷却が
なされ、ＣＣＤ３１で発生するノイズの低減が図られて
いる。

【００５０】保護板２２０は、薄形化したＣＣＤ基板１
３０を組み立て時及び使用時において保護するとともに
電極１２６を介してパッケージ３７のピンのリード配線
４２（外部との電気的接続用）とＣＣＤ３１との電気的
に接続をも兼ねている。保護板２２０の電極１２６とピ
ン４２がボンディングワイア３８ｂで接続され、また、
電極１２６とＣＣＤ基板１３０の電極３２とはバンブ１
４３で（導電ペーストを介して）電気的接続されてい
る。保護板２２０には、バンプ１４３が形成される位置
に凹部が設けられていることで、この装置全体を小さく
製作することが可能になり、これによって良好な冷却が
行われ、リーク電流やｒｍｓノイズを下げて微弱光を計
測するのに適したものにしている。

【００５１】このように、図１の検出器は、薄くなった
シリコンのＣＣＤ基板１３０を十分に保護するとともに
暗電流を低減するための冷却も十分に行える構造になっ
ている。この構造を持つ検出器を良好に製作するには、
その製造工程もそれが十分に配慮されたものであること
を要する。図２，３は、図１の検出器の組み立て工程を
示したものであり、この工程は次ぎのようになる。

【００５２】図２（ａ）は、図１の検出器に用いられる
保護板２２０の断面構造を示したものである。保護板２
２０は、前述の従来例と同様にＣＣＤ基板１３０のＣＣ
Ｄ３１が形成された部分には貫通した穴１２７が設けら
れ、セラミックの部分１２５には金属配線１２６が施さ
れている。さらに、ＣＣＤ基板１３０の金属配線（パッ
ド）３２のバンプが設けられる部分に凹部１４１ａが設
けられ、この凹部１４１ａはバンプに対して余裕を持っ
た大きさで形成され、凹部１４１ａまで金属配線１２６
が施されている点に特徴を有する。この保護板１２０の
材料には、シリコン，ガラス，窒化アルミニウムなどの
研磨性セラミックを用いることができ、ＣＣＤ基板１３
０とよく熱膨張率があったものを用いるのがより望まし
く、厚さは３００μｍ程度の薄いものを用いる。

【００５３】図２（ｂ）は、ＣＣＤ基板１３０を示した
ものであり、このＣＣＤ基板１３０は、前述の従来例と
同様に、シリコンＰ⁺ 型ウエファ２８にＰ型エピ層２９
を成長させた後、ＣＣＤ３１を形成し、外部回路をつな
ぐ金属配線（パッド）３２が設けられたものである。

【００５４】まず、保護板２２０の凹部１４１ａに導電
ペースト１４２（例えば、銀ガラスなど、導電性があっ
て硬化前には液相の物質）をいれる（図２（ｃ））。つ
ぎに、ＣＣＤ基板１３０の金属配線３２に金属バンプ１
４３を形成する（図２（ｄ））。このバンプ１４３は、
ワイヤーボンダーを使用することにより、直径６０μ
ｍ，高さ８０μｍのものが容易に形成できる。

【００５５】そして、導電ペースト１４２が入った保護
板２２０（図２（ｃ））と、金属バンプ１４３を形成し
たＣＣＤ基板１３０（図２（ｄ））とのフリップチップ
ボンディングを行う（図２（ｅ））。このとき、保護板
２２０の凹部１４１ａがバンプ１４３が設けられる部分
に設けられていることから、凹部１４１ａがバンプ１４
３にかみあわさるので、保護板２２０とＣＣＤ基板１３
０との位置合わせは容易になされる。また、凹部１４１
ａの中にバンプ１４３が入り込むので、ボンディング後
の厚さがより小さなものになる。そのため、より小さな
ものにすることができる。

【００５６】ここで、保護板２２０の配線１２６が金
で、バンプ１４３が金であるならば互いに溶着するの
で、両者の接続に敢えて銀ガラスを使用する必要はない
ともいえる。しかし、バンプの高さのバラツキにより、
接続不良がないとはいえないので、電気的な伝導をより
確実にするため、銀ガラスを介したバンプボンディング
を行っている。

【００５７】つぎに、低融点ガラス，エポキシ樹脂，ゲ
ル状樹脂など、硬化前には液相の充填物３３を、保護板
２２０とＣＣＤ基板１３０とで形成された窪み（保護板
２２０の穴１２７の部分）に充填した後、充填物３３を
硬化する（図３（ｆ））。充填物３３は、電気的に絶縁
性であることを要し、さらに、保護板２２０及びＣＣＤ
基板１３０と熱膨張係数があっていること、熱伝導が良
いことが重要で、シリコンのエッチングに用いるエッチ
ャント（酸またはアルカリ系）に耐えること、数百℃以
上の高温に耐えること、アウトガスがないことがさらに
望ましい。これは、数百℃以上の高温に耐えうること
で、薄形化後のアキュムレーションで熱処理が行いやす
いし、アウトガスがなければ、エレクトロンボンバート
メント用として電子管に封入するのに適するからであ
る。

【００５８】また、つぎの薄形化の工程の前に充填物３
３を硬化させているので、もし硬化時に充填物３３が体
積減少を起こしても、ＣＣＤ基板に凸凹が生じることは
なく、薄形化の工程の後に入射面に凸凹が生じることも
少ない。また、従来構造では、充填物３３は、接着剤と
しての機能が強く要求され、保護板２２０とＣＣＤ基板
１３０とを強く接着することを要するのだが、本実施例
では、保護板２２０とＣＣＤ基板１３０とはバンプで強
く固定されているので、それほど接着剤としての機能が
要求されず、硬化後は若干柔らかくても良い。

【００５９】そして、前述の従来例と同様に、ＣＣＤ基
板１３０の裏面を削って機械的または化学的に薄形化す
る（図３（ｇ））。化学的エッチングのみで薄形化する
となると、基板のＰ⁺ 層は高濃度欠陥層を有し、欠陥層
の酸化速度は純粋シリコンの酸化速度とは異なるので、
エッチング後の表面に凸凹や曇りを生じそれなりの手間
と工夫が必要になる。しかし、この製造工程において
は、保護板２２０とＣＣＤ基板１３０とがバンプボンデ
ィングされ、充填物３３が満たされた構造になっている
ので、ＣＣＤ基板１３０全体をグラインダー（ディスコ
社）などの機械的な研磨での薄形化が可能となってい
る。機械的な研磨後、化学エッチングを行ない薄形化を
終了する。薄形化後、裏面のアキュムレーション及び酸
化を行ってアキュムレーション層３４及び酸化膜３５を
形成する。

【００６０】つぎに、ダイシングを行い、個々のチップ
１４０に分割する（図３（ｈ）、符号３６はダイシング
ラインを示す）。分割された個々のチップ１４０のアセ
ンブリを行う（図３（ｉ））。セラミックパッケージ３
７にチップ１４０をダイボンディングし、チップ１４０
の金属配線２６とパッケージ３７の端子４１とをワイア
ボンディングし、ボンディングワイア３８ｂで接続す
る。そして、チップ１４０の低融点ガラスの充填物３３
と熱的に容易に接続できるように、シリコン樹脂３９を
ぬって放熱用の冷却ブロック４０で封止する。

【００６１】このように、本製造工程では、まず、保護
板２２０とＣＣＤ基板１３０との位置合わせが、凹部１
４１ａ及びバンプ１４３でなされるので、高価で取扱い
の面倒なフリップチップボンダーを使用せずに簡易的に
容易に組み立てが行える。また、従来例のように、保護
板２２０とＣＣＤ基板１３０との電気的接続をワイアボ
ンディングで行う場合、ワイヤーループのために横方向
と高さ方向に余分なスペースを必要とし、チップ自体も
離して配置する必要があったので、１枚あたりのウエフ
ァのとれ数が少なくなる。それに加えて、縦，横，高さ
共に大きくなり小型軽量化が困難なうえに、おおきくな
った分熱容量が大きく、パワーの大きな冷却装置（ペル
チェ素子）を必要としていた。しかし、本発明では、保
護板２２０とＣＣＤ基板１３０との電気的接続がバンプ
１４３でなされるため、薄く小さく構成できるので、小
型軽量化が行え、熱容量が小さくなって冷却効率が向上
する。

【００６２】また、本製造工程では、薄形化の際、保護
板２２０とＣＣＤ基板１３０とがバンプボンディングさ
れ、充填物３３が満たされた構造で行っている。そのた
め、ＣＣＤ基板１３０上のＣＣＤは保護された構造であ
り、薄形化後に入射面に凸凹が生じることもない。さら
に、ＣＣＤがある部分は保護板２２０に穴が開けられて
おり、ＣＣＤの保護は充填物３３でなされる形なので、
保護板２２０とＣＣＤ基板１３０との間に熱抵抗の大き
な空気層が入り込む可能性がほとんど無い。したがっ
て、ＣＣＤの冷却時に暗電流のユニフォミティが悪化す
るのが小さくなることになる。また、ＣＣＤ基板１３０
全体を薄形化するので、機械研磨でほとんど削ってから
最後の仕上げで化学的なエッチングを行うことも可能で
あり、エッチング液の周り込みなどで生じるエッチング
の不均一も生じない。

【００６３】図４は、本発明の半導体エネルギー線検出
器の第２の実施例についての構造を示したものである。

【００６４】この検出器は、上記第１の実施例と同様、
パッケージ３７の内部に、ＣＣＤ基板１３０，保護板２
２０，冷却ブロック４０を有し、裏面型ＣＣＤの構造を
持たせたものである。そして、ＣＣＤ基板１３０の電極
３２と保護板２２０との電極１２６がバンプ１４３で接
続されているが、バンプ１４３が形成される位置の保護
板２２０に貫通口が設けられている点に特徴を有する。

【００６５】この図４の検出器も、図１と同様、薄くな
ったシリコンのＣＣＤ基板１３０を十分に保護するとと
もに暗電流を低減するための冷却も十分に行える構造に
なっており、図５，６は、図４の検出器の組み立て工程
を示したものであり、この工程は次のようになる。

【００６６】図５（ａ）は、図１の検出器に用いられる
保護板２２０の断面構造を示したものである。保護板２
２０は、前述の第１の実施例同様に、貫通した穴１２７
が設けられ、セラミックの部分１２５には金属配線１２
６が施されている。さらに、ＣＣＤ基板１３０の金属配
線（パッド）３２のバンプが設けられる部分にバンプに
対して余裕を持った大きさの貫通口１４１ｂが設けられ
ている点に特徴を有する。そして、貫通口１４１ｂにも
金属配線１２６が施され、いわばスルーホールが形成さ
れている。この保護板１２０の材料及び厚さは前述の第
１の実施例同様である。

【００６７】図５（ｂ）は、ＣＣＤ基板１３０を示した
ものであり、第１の実施例と同様にしてバンプ１４３を
形成したものである。保護板２２０とＣＣＤ基板１３０
とを重ね合わせる（図５（ｃ））。ここで、保護板２２
０の貫通口１４１ｂがバンプ１４３が設けられる部分に
設けられていることから、貫通口１４１ｂがバンプ１４
３にかみあわさるので、保護板２２０とＣＣＤ基板１３
０との位置合わせは容易になされる。また、図の上方か
ら貫通口１４１ｂを通してバンプ１４３が嵌まっている
かどうかを目視確認できる。

【００６８】そして、導電ペースト１４２（例えば導電
樹脂や銀ガラスなど）をニードル１４６から加圧して注
入する（図５（ｄ））。ここで、導電ペースト１４２を
注入するのは前述の第１実施例と同様の趣旨である。つ
ぎに、バンプ１４３を溶融させて保護板２２０とＣＣＤ
基板１３０とのフリップチップボンディングを行う。そ
の後、前述の第１実施例と同様の電気的に絶縁性の充填
物３３を、保護板２２０とＣＣＤ基板１３０とで形成さ
れた窪み（保護板２２０の穴１２７の部分）に充填し、
充填物３３を硬化する（図３（ｅ））。この実施例にお
いても、つぎの薄形化の工程の前に充填物３３を硬化さ
せているので、もし硬化時に充填物３３が体積減少を起
こしても、ＣＣＤ基板に凸凹が生じることはなく、薄形
化の工程の後に入射面に凸凹が生じることも少ない。ま
た、保護板２２０とＣＣＤ基板１３０とはバンプで強く
固定されているので、それほど接着剤としての機能が要
求されず、硬化後は若干柔らかくても良い。

【００６９】ＣＣＤ基板１３０の裏面を削って機械的ま
たは化学的に薄形化する。この製造工程においても、バ
ンプボンディングされ、充填物３３が満たされた構造に
なっているので、ＣＣＤ基板１３０全体を機械的な研磨
での薄形化が可能となっている。薄形化後、裏面のアキ
ュムレーション及び酸化を行ってアキュムレーション層
３４及び酸化膜３５を形成する（図３（ｆ））。

【００７０】つぎに、ダイシングを行い、個々のチップ
１４０に分割する（図３（ｇ）、符号３５はダイシング
ラインを示す）。分割された個々のチップ１４０のアセ
ンブリを行う（図３（ｈ））。セラミックパッケージ３
７にチップ１４０をダイボンディングし、チップ１４０
の金属配線２６とパッケージ３７の端子４１とをワイア
ボンディングし、ボンディングワイア３８ｂで接続す
る。そして、チップ１４０の低融点ガラスの充填物３３
と熱的に容易に接続できるように、シリコン樹脂３９を
介して放熱用の冷却ブロック４０で封止する。

【００７１】このように、本実施例の製造工程でも、前
述の第１実施例と同様の利点を持つ。さらに、合わせを
貫通口１４１ｂで行われるので、嵌まっているかどうか
を目視確認できる。また、合わせた後に導電ペースト１
４２をいれるので、合わせの最中にこれがバンプ１４３
周辺に付着して短絡を起こすことがなくなる、という利
点がある。

【００７２】

【発明の効果】以上の通り本発明の半導体エネルギー線
検出器によれば、保護板及び基板の面積及び体積を小さ
くすることができ、保護板の凹部または貫通口にあわせ
てバンプボンディングをして電気的接続をより確実にし
て小形化することができるので、より感度の良いエネル
ギー線の検出をすることができる。

【００７３】また、本発明の半導体エネルギー線検出器
の製造方法によれば、保護板と基板との電気的接続・及
び接着が簡単なものになり、保護板で基板の機械的保護
がなされて基板の面を機械的薄く削ることができるの
で、上記半導体エネルギー線検出器を小さく製造する事
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体エネルギー線検出器の第１実施
例の構成図である。

【図２】第１実施例の製造工程図である。

【図３】第１実施例の製造工程図である。

【図４】本発明の半導体エネルギー線検出器の第２実施
例の構成図である。

【図５】第２実施例の製造工程図である。

【図６】第２実施例の製造工程図である。

【図７】フル・フレーム転送方式の構成を示す上面図で
ある。

【図８】フル・フレーム転送方式の要部を示す断面図で
ある。

【図９】読み出し回路図とクロックパルス出力波形を示
す図である。

【図１０】従来の裏面照射型検出器を示す図である。

【図１１】従来例の製造工程図である。

【図１２】従来例の製造工程図である。

【図１３】従来の裏面照射型検出器のポテンシャルプロ
ファイルを示す図である。

【符号の説明】

３１…ＣＣＤ、３２…配線、３７…パッケージ、４０…
冷却ブロック、４２…ピン、１３０…ＣＣＤ基板、１３
２…金属バンプ、１４２…導電ペースト、２２０…保護
板、１２６…配線。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 撮像機能を持つ回路がその一方の面に形
   成され、他方の面から入射したエネルギー線を検出する
   ための基板と、 前記基板をその内部に格納すると共に外部との電気的接
   続をするためのピンを持つパッケージと、 前記基板を前記一方の面の側から保護するとともに、前
   記ピンと前記基板に形成された回路とを電気的に接続す
   るための保護板と、 前記基板で発生した熱を前記一方の面の側から放熱する
   ための冷却ブロックとを備え、 前記基板と前記保護板とはバンプボンディングされると
   ともに、前記保護板はバンプボンディングされた部分に
   凹部または貫通口が設けられていることを特徴とする半
   導体エネルギー線検出器。
2. 【請求項２】 前記保護板は、前記基板に形成された回
   路上に開口部を有するとともに前記開口部には硬化した
   充填物がつめられていることを特徴とする請求項１記載
   の半導体エネルギー線検出器。
3. 【請求項３】 前記冷却ブロックは前記充填物を介して
   前記基板で発生した熱を放熱するとともに、前記冷却ブ
   ロックと前記充填物との間には熱抵抗を低下させるため
   の熱伝導物質が塗布されていることを特徴とする請求項
   １記載の半導体エネルギー線検出器。
4. 【請求項４】 前記凹部または貫通口に導電材料をさら
   に有することを特徴とする請求項１記載の半導体エネル
   ギー線検出器。
5. 【請求項５】 基板の一方の面に形成された撮像機能を
   持つ回路の端子にバンプを形成する第１の工程と、 保護板に、前記基板上の前記回路の位置に対応して開口
   部と、前記回路の各端子の位置に対応して凹部または貫
   通口と、前記回路に電気的に接続するための配線とを設
   けておき、前記凹部または貫通口と前記バンプとを重ね
   合わせて前記保護板と前記基板とのバンブボンディング
   をする第２の工程と、 前記開口部に硬化性の流動物をいれて硬化させ、前記開
   口部に充填物をつめる第３の工程と、 前記回路が掲載された反対側の前記基板の面を機械的或
   いは化学的に削る第４の工程と、 前記保護板及び前記基板を前記回路ごとに切断し、切断
   された前記保護板及び前記基板をパッケージにいれて前
   記保護板の配線と前記パッケージのピンとを接続し、前
   記基板で発生した熱を放熱するための冷却ブロックでパ
   ッケージに封止する第５の工程とを有する半導体エネル
   ギー線検出器の製造方法。
6. 【請求項６】 前記第２の工程では、前記凹部に導電材
   料を注入した後にバンブボンディングをすることを特徴
   とする請求項５記載の半導体エネルギー線検出器の製造
   方法。
7. 【請求項７】 前記第４の工程では、前記冷却ブロック
   と前記充填物との間には熱抵抗を低下させるための熱伝
   導物質を塗布することを特徴とする請求項５記載の半導
   体エネルギー線検出器の製造方法。