KR101019807B1 - 포토 다이오드 어레이, 그 제조 방법, 및 방사선 검출기 - Google Patents

포토 다이오드 어레이, 그 제조 방법, 및 방사선 검출기 Download PDF

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Abstract

포토 다이오드 어레이(1)에서는 피검출광의 입사면측으로부터 박화됨으로써 형성된 입사면측 요(凹)부(7)가 어레이 형상으로 배열되고, 입사면측 요(凹)부(7)가 형성된 영역에 대응하는 영역이 입사면의 반대면측으로부터 박화됨으로써 형성된 반대면측 요(凹)부(11)가 어레이 형상으로 배열되어 있다. 반대면측 요(凹)부(11)의 저부에 pn 접합(3)이 형성됨으로써 pn 접합형의 포토 다이오드가 어레이 형상으로 배열되어 있다.

Description

포토 다이오드 어레이, 그 제조 방법, 및 방사선 검출기 {PHOTODIODE ARRAY, PRODUCTION METHOD THEREFOR, AND RADIATION DETECTOR}
본 발명은 포토 다이오드 어레이, 그 제조 방법 및 방사선 검출기에 관한 것이다.
CT용 포토 다이오드 어레이를 실장할 때는 3차원 방향에의 실장이 필요하다. 3차원으로 실장을 행하려면, 광입사면의 반대측으로부터 신호를 출력할 필요가 있고, 이를 위해서는 일반적으로 이(裏)면 입사형 포토 다이오드 어레이가 이용된다.
이면 입사형의 포토 다이오드 어레이에 있어서는 pn 접합부와 광입사면과의 사이의 거리가 크면 기판내에서 발생한 캐리어는 pn 접합부까지의 이동 과정에서 재결합하여 신호로서 취출할 수 없게 된다. 따라서, 검출 감도 향상을 위해서는 pn 접합부와 광입사면과의 거리를 가능한 작게 할 필요가 있다.
이 거리를 작게 하는 이면 입사형 포토 다이오드 어레이가 제안되어 있다(일본 특개평 7-333348호 공보).
도 15는 이 포토 다이오드 어레이의 측단면도이다.
이 포토 다이오드 어레이(101)에서는 기판의 한쪽 측으로부터 n형층(103)에 각주 형상의 p형 확산층(105)을 형성하고 있다.
그러나, p형 확산층(105)은 불순물을 주입함으로써 형성되어 있기 때문에, 충분한 감도를 얻기 위한 두께로까지 불순물층을 균일하게 형성하는 것은 곤란하다.
이와 같이, 상기 포토 다이오드 어레이는 제조가 곤란하다는 결점이 있다.
또, 포토 다이오드 어레이 전체를 박판화하는 것으로 하면 기계적 강도를 유지할 수 없고, 그 후의 공정에서 파손되기 쉽다고 하는 문제가 있다.
그래서, 포토 다이오드 어레이를 부분적으로 박막화하는 방법이 고려된다. 즉, 포토 다이오드가 형성된 영역만을 얇게 하고, 기계적 강도를 유지하면서 pn 접합부와 광입사면과의 거리를 작게 하는 것이 고려된다.
도 16은 이 포토 다이오드 어레이의 측단면도이다.
이 포토 다이오드 어레이에서는 n형층(103)의 p형 확산층(105)이 형성된 영역만을 피검출 광입사면측으로부터 박화(薄化)하고, 박화하지 않는 영역을 틀부로서 원래의 반도체 기판의 두께 그대로 남겨서 기계적 강도를 유지하고 있다. 이 포토 다이오드 어레이는 pn 접합부가 형성된 측(표면)과는 반대측(이면)으로부터, 각각의 pn 접합부에 대응하는 위치에 n형 기판의 요(凹)부가 형성되어 있다. 즉, 1 개의 pn 접합부 화소에 대응하여 1 개의 요(凹)부가 형성되어 있다. pn 접합부 화소와 인접하는 pn 접합부 화소와의 사이에는 철(凸)부가 형성됨으로써 된다.
그러나, 상기 포토 다이오드 어레이를 방사선 검출기로서 이용한다고 하면, 포토 다이오드 어레이의 철(凸)부를 콜릿에 흡착하여 실장 기판에 플립칩 본딩하거 나, 신틸레이터를 포토 다이오드 어레이의 철(凸)부에 접촉키는 것으로 된다.
그 때에 철(凸)부의 접촉면이 기계적인 데미지를 받아서 리크 전류나 캐리어 발생에 의한 암전류가 증가한다.
이 철(凸)부는 n형층에서 구성되어 있으므로, 철(凸)부 자체에 입사하는 빛이나 방사선에 의해 캐리어가 발생하고, 어느 한 pn 접합부 화소에 입사하는 것으로 되기 때문에 크로스 토크의 원인으로 된다.
또, 이 포토 다이오드 어레이에 있어서는 이면측으로부터 약 55°의 경사면에서 요(凹)부가 형성되기 때문에, pn 접합 형성면측에 가까워질수록 요(凹)부의 면적이 좁아져서 요(凹)부 저(底)면의 면적이 작게 된다.
따라서, 기계적 강도를 얻기 위해서 틀부의 폭을 확보하고자 하면, pn 접합 형성면측에 있어서 충분한 광검출부 면적을 취할 수 없으며, 개구율의 향상을 도모할 수 없다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 기계적 강도를 확보하면서, 개구율을 향상시켜서 검출 감도를 향상시킬 수 있는 포토 다이오드 어레이 및 방사선 검출기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 관한 포토 다이오드 어레이는 광입사면측에 복수의 입사면측 요(凹)부를 가지는 동시에, 상기 광입사면과는 반대측에 상기 입사면측 요(凹)부의 각각 대응하여 복수의 반대면측 요(凹)부를 가지는 반도체 기판을 구비하고, 상기 반도체 기판의 상기 반대면측 요(凹)부의 저부에 pn 접합을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 포토 다이오드 어레이에서는 반도체 기판의 양면에 요(凹)부가 형성되어 있다.
개개의 요(凹)부의 저부는 대향하게 되므로, 반대면측 요(凹)부의 저부에 형성된 pn 접합과 광입사면과의 거리는 작아진다.
또, pn 접합이 형성된 영역 이외는 원래의 기판의 두께 그대로 틀부로서 남길 수 있으므로, 반도체 기판의 기계적 강도를 유지할 수 있다.
凹부는 반도체 기판을 양면으로부터 박화됨으로써 형성할 수 있다.
박화시에 있어서는 기판의 깊이 방향으로 진행함에 따라서 요(凹)부의 저부의 면적이 작아진다.
따라서, pn 접합과 광입사면과의 거리가 같으면, 어느 편(片)면측으로부터만 요(凹)부가 형성된 경우보다도, 양면에 요(凹)부가 형성된 경우가 요(凹)부 저면의 면적을 넓게 할 수 있고, 광검출부의 면적을 증가, 즉 개구율을 향상시킬 수 있다.
또, 입사면측 요(凹)부의 저면의 면적이 반대면측 요(凹)부의 저면의 면적보다도 큰 경우에는 입사면측 요(凹)부의 주위에 위치하는 두꺼운 틀부에서 감쇠하는 에너지선의 양을 감소시킬 수 있고, 개구율을 향상시킬 수 있다.
pn 접합은 반대면측 요(凹)부의 저부로부터 상기 반대면측 요(凹)부를 둘러싸는 반대면측 틀부에까지 뻗어 있는 것을 특징으로 해도 된다.
이 경우, 저부와 틀부 사이에서 발생하는 불필요한 캐리어의 영향을 억제할 수 있다.
또한, p형 불순물 확산층이 반대면측 틀부로까지 뻗어 있으므로, 반대면측 틀부에 형성하는 범프 전극과 p형 불순물 확산층을 접속하는 알루미늄 전극을 반대면측 요(凹)부의 내측면을 기게 할 필요가 없어져서 프로세스가 용이하게 된다.
입사면측 요(凹)부를 둘러싸는 입사면측 틀부에는 불순물이 고농도로 첨가된 고불순물 농도 영역이 형성되어 있는 것으로 해도 무방하다.
이 경우, 입사면측 틀부에 입사한 빛에 의해 발생한 캐리어는 고불순물 농도 영역에서 재결합하여 소멸하기 때문에, 반대면측 요(凹)부의 저부의 pn 접합까지 이동하는 캐리어가 감소하고, 각 포토 다이오드 사이의 크로스 토크를 저감할 수 있다.
입사면측 요(凹)부를 둘러싸는 입사면측 틀부는 피검출광의 입사 방향에서 봐서 격자 형상으로 되도록 형성되어 있는 것으로 해도 무방하다.
이 경우, 각 입사면측 요(凹)부의 위치는 매트릭스 형상으로 좌표가 결정되므로 피검출광의 입사 위치가 용이하게 판별할 수 있다.
본 포토 다이오드 어레이는 반대면측 요(凹)부를 둘러싸는 반대면측 틀부 상에 pn 접합으로 이루어지는 포토 다이오드의 출력을 취출하는 전극 패드를 구비하는 것으로 해도 된다.
이 경우, 실장 시에 요(凹)부로부터 봐서 철(凸)부에 상당하는 틀부 상의 전극 패드를 실장 배선 기판에 접촉시킬 수 있고, 실장 배선 기판의 배선이 용이하게 된다.
본 포토 다이오드 어레이는 반대면측 요(凹)부의 측면부를 통과하여 포토 다이오드와 전극 패드를 전기적으로 접속하는 배선 전극을 구비하는 것으로 해도 된 다.
즉, 배선 전극은 이면으로부터 입사하는 피검출광을 차폐하는 일이 없는 위치에서 포토 다이오드와 전극 패드를 접속할 수 있고, 또 전극 패드로부터 포토 다이오드에 바이어스 전압을 부여하거나 신호를 취출할 수 있다.
본 발명에 관한 방사선 검출기는 상술한 포토 다이오드 어레이와, 포토 다이오드 어레이에의 피검출광의 입사면 전방에 배열 설치된 신틸레이터를 구비하는 것을 특징으로 한다.
신틸레이터에 조사된 X선 등의 에너지선은 가시광으로 변환되므로, 상기 가시광을 pn 접합으로 이루어지는 포토 다이오드로 검출할 수 있다.
또, 본 발명의 포토 다이오드 어레이는 피검출광의 입사면과 반대면측에 pn 접합형의 복수의 포토 다이오드가 어레이 형상으로 형성된 반도체 기판을 구비하고, 반도체 기판은 복수의 포토 다이오드가 형성된 영역이 피검출광의 입사면측으로부터 박화됨으로써, 상기 복수의 포토 다이오드가 형성된 영역에 끼워진 영역이 피검출광의 입사면측에 향하여 단면 철(凸) 형상의 철(凸)부로 되고, 철(凸)부에는 포토 다이오드의 피검출광의 입사면측과 동일 도전형의 고농도 불순물 영역이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 포토 다이오드 어레이에 의하면, 단면 철(凸) 형상의 철(凸)부에 입사한 빛에 의해 발생한 캐리어는 고불순물 농도 영역에서 재결합하여 소멸하기 때문에, 포토 다이오드 사이의 크로스 토크를 저감할 수 있다. 동시에, 포토 다이오드가 형성된 영역만을 박화하고, 그 이외의 영역은 두께 그대로 함으로써, 기판 전체 의 기계적 강도를 유지할 수 있고, 기판 자체의 휨·일그러짐 등의 발생을 억제할 수 있다.
또, 본 발명의 포토 다이오드 어레이는 적어도 피검출광의 입사면과 반대면측이 제1 도전형으로 된 반도체 기판과, 이 반도체 기판의 반대면측의 제1 도전형 영역 내부에 어레이 형상으로 배열하여 형성된 제2 도전형의 복수의 광검출층을 구비하고, 반도체 기판의 피검출광의 입사면측에는 광검출층에 대응하는 영역이 상기 입사면측에서부터 박화됨으로써 어레이 형상으로 배열된 복수의 요(凹)부가 형성되고, 복수의 요(凹)부를 구분하는 철(凸)부에는 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 포토 다이오드 어레이는 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가되어 있는 반도체 기판과, 이 반도체 기판의 피검출광의 입사면과 반대면측에 접하여 설치된 제1 도전형의 반도체층과, 이 제1 도전형의 반도체층의 내부에 어레이 형상으로 배열하여 형성된 제2 도전형의 복수의 광검출층을 구비하고, 반도체 기판은 광검출층에 대응하는 영역이 제거됨으로써, 격자 형상으로 성형되어 있는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 포토 다이오드 어레이는 반도체 기판과 반도체층의 사이에는 에칭 스톱층이 개재되어 있는 것을 특징으로 해도 된다.
상기 포토 다이오드에 의하면, 에칭 스톱층을 가지고 있으므로, 요(凹)부 형성 공정에 있어서 그 층에서 에칭을 스톱할 수 있으며, 상기 공정의 제어가 용이하게 된다.
또, 본 발명의 포토 다이오드 어레이는 반도체 기판과 반도체층과의 사이에는 절연층이 개재되어 있는 것을 특징으로 해도 된다.
상기 포토 다이오드에 의하면, 반도체 기판과 반도체층과의 사이에 절연층을 가지고 있으므로, 반도체 기판에서 생긴 캐리어가 절연층에서 제지되어서 반도체층 내부의 포토 다이오드를 형성하는 pn 접합부까지 도달할 수 없게 되기 때문에, 크로스 토크를 더욱 저감할 수 있다.
또, 본 발명의 포토 다이오드 어레이는 반도체 기판과 반도체층은 서로 접하는 계면에 있어서 결정 방위가 교차하는 것을 특징으로 해도 된다.
상기 포토 다이오드에 의하면, 반도체 기판과 반도체층이 서로 접하는 계면에 있어서 결정 방위가 교차하고 있으므로, 요(凹)부 형성 공정에 있어서 반도체 기판과 반도체층의 계면에서 에칭을 스톱할 수 있으며, 상기 공정의 제어가 용이하게 된다.
본 발명의 포토 다이오드 어레이의 제조 방법은 적어도 피검출광의 입사면측과 그 반대면측이 제1 도전형의 반도체로 형성되고, 입사면측에는 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가되어 있는 기판을 준비하는 제1 공정과, 기판의 반대면측의 제1 도전형 영역의 내부에 제2 도전형의 복수의 광검출층을 어레이 형상으로 배열시켜서 형성하는 제2 공정과, 기판의 광검출층에 대응하는 영역을 입사면측으로부터 에칭하여 박화함으로써, 어레이 형상으로 배열된 복수의 요(凹)부와, 이들을 구분하는 격자 형상의 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가된 철(凸)부를 형성하는 제3 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 포토 다이오드 어레이의 제조 방법은 제1 공정은 제1 도전형의 반도체 기판을 준비하는 공정과, 반도체 기판의 피검출광의 입사면측에 제1 도전형의 불순물을 고농도로 첨가시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 해도 된다.
상기 제조 방법에 의하면, 제1 도전형의 불순물 영역을 다른 방법(예를 들면, 기판의 첩합(貼合) 등)에 의해 형성한 경우와 달리, 기판의 피검출광의 입사면측일수록 불순물 농도가 높고, 철(凸)부의 불순물 농도가 높다. 이 때문에 발생한 캐리어를 재결합·소멸시키는 효과가 높아져서 암전류, 리크 전류, 크로스 토크를 저감시키는 효과도 커진다.
본 발명의 포토 다이오드 어레이의 제조 방법은 제1 공정은 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가되어 있는 반도체 기판을 준비하는 공정과, 반도체 기판의 피검출광의 입사면과 반대면측에 제1 도전형의 반도체층을 결정 성장시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 해도 된다.
상기 제조 방법에 의하면, 제1 도전형의 반도체층을 결정 성장에 의해 형성하고 있으므로, 에칭 공정으로 평탄한 요(凹)부의 면을 형성할 수 있다.
또, 상기 제조 방법에 의하면, 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가 되어 있는 반도체 기판은 두껍고, 깊이 방향으로 농도가 균일하게 할 수 있으므로, 철(凸)부에 입사한 단파장으로부터 장파장의 빛에 의해 발생하는 캐리어를 재결합시키는 것이 가능하게 되고, 크로스 토크를 저감시키는 효과가 있다.
본 발명의 포토 다이오드 어레이의 제조 방법은 제1 공정은 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가되어 있는 반도체 기판을 준비하는 공정과, 반도체 기판의 피 검출광의 입사면과 반대면측에 제1 도전형의 반도체 박판을 접합시키는 공정을 포함하고, 반도체 기판과 반도체 박판은 접합 계면에 있어서 결정 방위가 교차하도록한 것을 특징으로 해도 된다.
상기 제조 방법에 의하면, 반도체 기판과 반도체 박판이 접합 계면에 있어서 결정 방위가 교차하고 있으므로, 요(凹)부 형성 공정에 있어서 반도체 기판과, 반도체 박판의 계면에서 에칭을 스톱할 수 있으며, 상기 공정의 제어가 용이하게 된다.
또, 상기 제조 방법에 의하면, 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가되어 있는 반도체 기판은 두껍고, 깊이 방향으로 농도를 균일하게 할 수 있기 때문에, 철(凸)부에 입사한 단파장으로부터 장파장의 빛에 의해 발생하는 캐리어를 재결합시키는 것이 가능하게 되며, 크로스 토크를 저감시키는 효과가 있다.
본 발명의 포토 다이오드 어레이의 제조 방법은 제1 공정은 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가되어 있는 반도체 기판을 준비하는 공정과, 반도체 기판의 피검출광의 입사면과 반대면측에 에칭 스톱막을 개재시켜서 제1 도전형의 반도체 박판을 접합하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 해도 된다.
상기 제조 방법에 의하면, 기판의 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가 되어 있는 반도체 기판과 제1 도전형의 반도체 박판과의 사이에 에칭 스톱층을 가지고 있으므로, 요(凹)부 형성 공정에 있어서 그 층에서 에칭을 스톱할 수 있으며, 이 공정의 제어가 용이하게 된다.
또, 본 발명의 포토 다이오드 어레이의 제조 방법은 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가되어 있는 반도체 기판을 준비하는 공정과, 반도체 기판의 피검출광의 입사면과 반대면측에 절연층을 개재시켜서 제1 도전형의 반도체 박판을 접합하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 해도 된다.
상기 제조 방법에 의하면, 반도체 기판과 반도체층과의 사이에 절연층을 형성하고 있다. 이 때문에 반도체 기판에서 생긴 캐리어가 절연층에서 제지되며, 반도체층 내부의 포토 다이오드 수광면까지 도달하는 일이 없고, 크로스 토크를 추가로 저감할 수 있는 포토 다이오드를 제조할 수 있다.
본 발명의 방사선 검출기는 본 발명의 포토 다이오드 어레이와, 이 포토 다이오드 어레이의 피검출광의 입사면측에 장착되고, 방사선의 입사에 의해 발광하는 신틸레이터 패널을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 방사선 검출기는 본 발명의 제조 방법으로 제조된 포토 다이오드 어레이와 이 포토 다이오드 어레이의 피검출광의 입사면측에 장착되고, 방사선의 입사에 의해 발광하는 신틸레이터 패널을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 방사선 검출기는 본 발명의 포토 다이오드 어레이를 구비하고 있다. 이 때문에 포토 다이오드 어레이의 철(凸)부에서 발생한 캐리어는 재결합·소멸하므로 암전류나 크로스 토크를 저감할 수 있다. 또 실장 시에 포토 다이오드 어레이의 요(凹)부에 광검출 영역이 있기 때문에, 기계적 데미지를 받기 어렵고, 광검출 영역의 결함이 생기기 어렵다.
도 1은 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 개략 평면도.
도 2는 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 단면도.
도 3은 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하는 도면.
도 4는 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하는 도면.
도 5는 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하는 도면.
도 6은 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하는 도면.
도 7은 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하는 도면.
도 8은 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하는 도면.
도 9는 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하는 도면.
도 10은 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하는 도면.
도 11은 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하는 도면.
도 12는 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하는 도면.
도 13a는 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 개략 단면도.
도 13b는 비교예의 포토 다이오드 어레이의 개략 단면도.
도 14는 제1 실시형태에 관한 방사선 검출기의 단면도.
도 15는 종래 기술에 관한 포토 다이오드 어레이의 단면도.
도 16은 비교예에 관한 포토 다이오드 어레이의 개략 단면도.
도 17은 제2 실시형태의 포토 다이오드 어레이의 상면도.
도 18은 제2 실시형태의 포토 다이오드 어레이의 측단면도
도 19는 제2 실시형태의 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하는 도면.
도 20은 제2 실시형태의 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하는 도면.
도 21은 제2 실시형태의 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하는 도면.
도 22는 제2 실시형태의 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하는 도면.
도 23은 제2 실시형태의 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하는 도면.
도 24는 제3 실시형태의 포토 다이오드 어레이의 측단면도.
도 25는 제4 실시형태의 포토 다이오드 어레이의 측단면도.
도 26은 제5 실시형태의 포토 다이오드 어레이의 측단면도.
도 27은 실시형태에 관한 반도체 기판의 측단면도.
도 28은 실시형태에 관한 방사선 검출기의 측단면도.
도 29a는 수광 화소부와 범프 전극의 위치 관계를 나타내는 상면도.
도 29b는 도 29A에 나타낸 포토 다이오드 어레이의 XIV-XIV 단면도.
도 30a는 수광 화소부와 범프 전극의 위치 관계를 나타내는 표면도.
도 3Ob는 도 3Oa에 나타낸 포토 다이오드 어레이의 XV-XV 단면도.
도 31a는 수광 화소부와 범프 전극의 위치 관계를 나타내는 상면도.
도 31b는 도 31a에 나타낸 포토 다이오드 어레이의 XVI-XVI 단면도.
도 32a는 도 32b에 나타낸 포토 다이오드 어레이의 칩단부분의 확대도.
도 32b는 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이 칩단의 수광 화소부와 범프 전극의 위치 관계를 나타내는 상면도.
[행예]
이하, 도면을 참조하여 실시형태에 관한 방사선 촬상 장치에 대해 설명한다. 또한, 설명에 있어서 동일 요소 또는 동일 기능을 갖는 요소에는 동일 부호를 이용하는 것으로 하고, 중복하는 설명은 생략한다.
(제1 실시형태)
도 1은 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이를 표면측으로부터 본 포토 다이오드 어레이의 평면도이며, 도 2는 도 1에 나타낸 포토 다이오드 어레이의 II-II 화살표 단면도이다. 이하의 설명에 있어서, 피검출광의 입사면을 이면(back side) 으로 하고, 피검출광의 입사면의 반대측의 면을 표면(front side)으로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 포토 다이오드 어레이(1)는 복수의 pn 접합(3)이 2 차원적으로 종횡으로 규칙 바르게 배열되어 있고, pn 접합의 하나하나가 포토 다이오드의 광감응 화소로서의 기능을 가지고 있다.
포토 다이오드 어레이(1)는 실리콘(Si)으로부터 되는 n형의 반도체 기판(5)을 구비하고 있다. n형 반도체 기판(5)은 n형 반도체층(5a)과 기판 이면측으로부터 n형 불순물을 확산하여 이루어지는 n+형 고불순물 농도층(5b)을 가지고 있다.
n형 반도체 기판(5)의 이면측은 목적으로 하는 광감응 화소를 구성하는 소정의 피치, 소정의 크기·깊이로 사각뿔 형상으로 요(凹)부가 형성됨으로써 박화되어 있고, 이 박형부(凹부)는 입사면측 요(凹)부(7)를 구성하여 2 차원적으로 배열되어 있다. 인접하는 입사면측 요(凹)부(7) 사이에 끼워진 영역은 입사면측 요(凹)부(7)를 둘러싸는 입사면측 틀부(9)를 구성한다.
n형 반도체 기판(5)의 표면측에는 입사면측 요(凹)부(7)에 대응하는 위치가 박화됨으로써 반대면측 요(凹)부(11)가 형성되고, 이차원 형상으로 배열되어 있다. 인접하는 반대면측 요(凹)부(11) 사이에 끼워진 영역은 반대면측 요(凹)부(11)를 둘러싸는 반대면측 틀부(13)를 형성하고 있다. n형 반도체 기판(5)에는 입사면측 요(凹)부(7)와 반대면측 요(凹)부(11)에서 두께 방향으로 끼워진 박화부분인 박형부가 어레이 형상으로 배열되어 있다.
n형 반도체 기판(5)의 박형부 이외의 부분은 입사면측 틀부(9) 및 반대면측 틀부(13)에 의해 후(厚)판부로 되어 있다. 박형부가 소정의 피치, 소정의 크기로 2 차원적으로 매트릭스 배열되어 있는 것으로부터, 틀부로서의 후판부는 피검출광의 입사 방향에서 봐서 격자 형상으로 형성되는 것으로 된다. 이 경우, 각 입사면측 요(凹)부의 위치는 매트릭스 형상으로 좌표가 결정되므로, 피검출광의 입사 위치가 용이하게 판별할 수 있다.
반대면측 요(凹)부(11) 및 입사면측 요(凹)부(7)의 내측면은 기판 표면과 약 55°의 각도를 이루고, 사각추대를 구성하고 있다. 반대면측 요(凹)부(11) 및 입사면측 요(凹)부(7)의 형상은 상사형이거나 상사형이 아니어도 좋으며, 깊이가 같거나 상위하고 있어도 무방하나, 본 예의 경우 입사면측 요(凹)부(7)의 깊이는 반대면측 요(凹)부(11)의 깊이보다도 얕고, 입사면측 요(凹)부(7)의 저면의 면적이 반대면측 요(凹)부(11)의 저면의 면적보다도 커지도록 설정되어 있다. 이 경우, 입사면측 요(凹)부(7)의 주위에 위치하는 후판의 틀부에서 감쇠하는 에너지선의 양을 감소시킬 수 있으며, 개구율을 향상시킬 수 있다.
n형 반도체 기판(5)은 두께 10O~35O㎛, 반도체층(5a)의 불순물 농도는 1×1012~1O15/㎤이다. 입사면측 요(凹)부(7)의 크기는 1mm×1mm, 배열 피치는 종횡 모두 1.5mm, 깊이는 5O㎛ 정도로 되어 있다. 반대면측 요(凹)부(11)는 크기가 입사면측 요(凹)부(7)보다도 작아지고, 배열 피치에 대해서는 입사면측 요(凹)부(7)와 동일하다.
각각의 반대면측 요(凹)부(11)에는 p형 불순물 확산층(15)이 상기 반대면측 요(凹)부(11)를 둘러싸는 반대면측 틀부(13)로부터 상기 반대면측 요(凹)부(11)의 저면까지 연속하여 뻗어 있다. n형 반도체 기판(5)과 p형 불순물 확산층(15)과의 사이에 형성되는 pn 접합(3)에 의해 포토 다이오드의 광감응 화소가 구성되어 있다. 인접하는 p형 불순물 확산층(15) 사이에는 포토 다이오드 사이를 분리하는 채널 스토퍼로서 기능하는 n+형 불순물 영역(분리층)(17)이 배치되어 있다.
p형 불순물 확산층(15)의 불순물 농도는 1×1013~1O20/㎤, n+형 불순물 영역(분리층(17))의 불순물 농도는 1×1013~1O20/㎤이다.
p형 불순물 확산층(15)은 반대면측 틀부(13)상에 배열 설치된 알루미늄 전극(19)(배선 전극)에 접촉하여 접속되어 있고, 알루미늄 전극(19), 언더 범프 메탈(이하 「UBM」라 함)(23), 및 범프 전극(25)(전극 패드)을 통해 표면측으로부터 외부와 전기적인 컨택트를 취하여 포토 다이오드의 출력이 외부에 취출되도록 되어 있다.
본 실시형태에서는 p형 불순물 확산층(15)이 반대면측 틀부(13)에까지 연결되어서 범프 전극(25)의 근방으로 뻗어서 형성되고, 알루미늄 전극(19)은 반대면측 틀부(13)상에 형성되어 p형 불순물 확산층(15)과 UBM(23)을 전기적으로 접속하고 있다. p형 불순물 확산층(15)이 반대면측 요(凹)부(11)의 저부에만 형성되어 있는 경우에는 알루미늄 전극은 p형 불순물 확산층(15)과 반대면측 틀부(13)에 배열 설치된 범프 전극(25)을 접속하기 위해, 반대면측 요(凹)부(11)의 안쪽의 측면부에 형성되게 된다. UBM(23)은 SiN 또는 Si02 등으로 이루어지는 패시베이션층(21)을 두께 방향으로 관통하고, 알루미늄 전극(19)과 범프 전극(25)을 전기적으로 접속하고 있다.
또, 도시하지 않으나, 기판 전극도 동일하게 분리층(n+)에 콘택트 홀을 형성하고, 반대면측 틀부(13) 상에 알루미늄 전극과 UBM과 범프 전극을 형성함으로써 취출할 수 있다.
n형 반도체 기판(5)의 이면측에는 입사면측 요(凹)부(7)로부터 입사면측 틀부(9)까지 연속하여 이면 전체를 덮도록 어큐뮬레이션층(27)이 형성되어 있다. 어큐뮬레이션층(27)은 n+형 불순물 확산에 의해 불순물 농도가 높아지도록 되어 있고, 입사면측 틀부(9)에 대응하는 영역에 있어서는 n+형 불순물 농도층(5b)과 연결되어 있다. 즉, 입사면측 틀부(9)에는 불순물이 고농도로 첨가된 n+형 고불순물 농도층(5b)이 차지하는 영역이 이루어지는 것으로 된다.
어큐뮬레이션층(27)은 고감도화, 저암(低暗) 전류화를 도모하기 위해 이면측에서 발생하는 불필요한 캐리어를 재결합시키는 역할과, 확산 전위에 의한 내장 전계에 의해서 캐리어를 pn 접합 방향으로 이끄는 역할을 완수한다. 어큐뮬레이션층(27)의 불순물 농도는 1×1015~1O20/㎤, 어큐뮬레이션층(27)의 두께는 0.1㎛~수 ㎛이다. 또, 어큐뮬레이션층(27)의 추가 이면측에는 실리콘 산화막(29)이 설치되어 있고, 반사 방지막(AR 코트)으로서 기능한다.
상기와 같이 본 실시형태의 포토 다이오드 어레이(1)에서는 pn 접합(3)에 대응하는 영역은 이면측 및 표면측의 양쪽으로부터 박화되어서 기판의 두께가 얇게 되어 있다. 한편, 박화된 영역 이외의 영역은 기판이 원래의 기판의 두께 그대로 남겨지고 요(凹)부를 둘러싸는 후판의 틀부를 형성하고 있다. 입사면측 틀부(9)에는 고불순물 농도의 영역인 n+형 고불순물 농도층(5b)이 형성되어 있다. n+형 고불순물 농도층(5b)의 불순물 농도는 1×1015~1O20/㎤이다.
이어서, 본 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이(1)의 제조 방법에 대해, 도 3 ~ 도 12에 근거하여 설명한다.
우선, 두께 150㎛~50O㎛ 정도의 결정면(1OO)의 n형 실리콘의 기판(5)을 준비한다. n형 실리콘의 기판(5)의 이면측에 n+형 고불순물 농도층(5b)을 열확산에 의해 형성하고, n형 반도체층(5a), n+형 고불순물 농도층(5b)의 2층 구조의 기판을 제작한다(도 3 참조).
다음에, 기판의 표면, 이면에 열산화를 행하여 실리콘 열산화막(41)을 형성한다(도 4 참조). 실리콘 열산화막(41)은 후속 공정의 고농도 n형 불순물의 도핑용 마스크로서 이용된다.
다음에, 분리층(17)을 형성한다. 포토 리소그래피와 에칭액에 의해 분리층(17)의 예정 위치의 실리콘 열산화막(41)을 개구시킨다. 또한, 실리콘 열산화막(41)을 마스크로서 인을 기판내에서 도핑시켜서 분리층(17)을 형성하고, 기판을 열 산화함으로써 상기 개구를 폐색한다(도 5 참조).
다음에, 분리층(17) 사이의 영역의 실리콘 열산화막을 포토 리소그래피와 에칭액에 의해 개구시킨다. 또한, 이 열산화막을 마스크로서 붕소를 기판내에서 도핑하여 p형 불순물 확산층(15)을 형성하여 열산화함으로써 상기 개구를 폐색(閉塞)한다. 이로 인해, 분리층(17)에 의해 격리된 복수의 pn 접합(3)이 매트릭스 형상으로 형성되고, 이 pn 접합(3)이 광감응 화소에 대응하는 부분으로 된다(도 6 참조). 또한, 포토 다이오드를 구성하는 pn 접합은 p형 불순물 확산층(15)과 n형 반도체층(5a)과의 사이에 형성된다.
다음에, 기판의 광감응 영역을 원하는 두께로 조정하기 위해서 이면측을 화학 기계 연마(CMP)한다.
기판의 표면측 및 이면측에 플라스마 CVD(화확적 기상 성장)법 또는 LP-CVD(저압 기상 성장법)으로 실리콘 질화(SiN)막(43)을 형성하고, 반대면측 요(凹)부(11), 입사면측 요(凹)부(7)에 대응하는 부분의 실리콘 질화막(43)과 실리콘 열산화막(41)을 에칭에 의해 제거한다.
즉, 우선 SiN 막(43)을 반대면상에 형성하고, 포토 리소그래피에 의해 패턴화된 포토레지스트를 마스크로 하여 pn 접합(3) 위의 영역을 에칭에 의해 제거하고, p형 불순물 확산층(15)의 표면을 노출시킨다(도 7 참조).
그리고, 알칼리 에칭(수산화칼륨 용액이나 TMAH 등을 이용함)에 의해, 기판의 반대면측에 이방성 에칭을 행한다. 이로 인해, 광감응 화소에 대응하는 부분에 반대면측 요(凹)부(11)가 형성되고, 에칭되지 않은 부분이 각각의 반대면측 요(凹) 부(11)를 둘러싸는 반대면측 틀부(13)로 된다. 이 에칭은 적어도 2㎛ 이상의 깊이로 될 때까지 행하고, p형 불순물을 반대면측의 노출 표면으로부터 확산 또는 이온 주입하여 요(凹)부내에도 p형 불순물층(15)를 형성하고, 다음에 상기 요(凹)부 내면을 덮는 열산화막(21')을 형성한다.
동일하게, 광입사측으로서의 기판 이면측에도, 반대면측 요(凹)부(11)에 대향한 위치에서 SiN 막(43)과 실리콘 열산화막(41)을 개구하고, 이를 마스크로 하여(도 8 참조) 기판에 이방성 에칭을 행하고, 각각의 반대면측 요(凹)부(11)에 대응하는 위치에 입사면측 요(凹)부(7) 및 각각의 입사면측 요(凹)부(7)를 둘러싸는 입사면측 틀부(9)를 형성한다. 에칭은 적어도 2㎛ 이상의 깊이로 될 때까지 행하고, 적어도 표면측의 pn 접합(3)과 후에 형성하는 이면측의 어큐뮬레이션층(27)이 경합 하지 않는 기판 두께가 남도록 행한다.
기판 양면에 위치하는 실리콘 질화막(43)을 제거한 후, 이면측의 요(凹)부내에 n형 이온종(인이나 비소)을 도핑하는 것으로, 불순물 농도 1015~1O20/㎤의 어큐뮬레이션층(27)을 형성한다. 그 후, 열산화막(45)을 형성한다. 이로 인해, n+형 고불순물 농도층(5b)은 어큐뮬레이션층(27)과 일체화한다. 어큐뮬레이션층(27)의 두께는 표면측의 pn 접합(3)에 도달하지 않는 두께로 설정된다.
다음에, 원하는 분광 특성을 얻기 위한 AR 코트(29)를 이면측에 형성한다(도 9 참조). 상술한 열산화막(45)을 그대로 AR 코트(29)로 하거나 또는 버퍼 산화막을 제거하고, 재열산화 또는 추가 열산화에 의해 막후 조정함으로써 AR 코트(29)로 해 도 된다. 또는 열산화막과 SiN, 그 외 광학 박막 등과의 복합막이나 적층막으로 AR 코트(29)를 형성해도 된다.
그 후, 표면에 p형 불순물 확산층(15)의 컨택트 홀을 열산화막(21')에 형성하고, 적어도 컨택트 홀내에 매설되도록 알루미늄 전극(19)을 형성한다(도 10 참조). 이 알루미늄 전극(19) 상에 범프 전극을 형성하는 부분을 개구한 상태로 패시베이션층(21)을 패터닝한다. 또한, 알루미늄 전극(19)은 p형 불순물 확산층(15)과 범프 전극을 전기적으로 접속하도록 형성하면 된다.
또, 도시하지 않으나, 기판 전극도 동일하게 분리층(17)을 통해 범프 전극을 설치할 수 있다.
패시베이션층(21)에는 플라스마 CVD에 의해 형성된 SiN나 SiO2, PSG, PSAG, SiON 또는 폴리이미드 수지나 아크릴 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지나 이를 함유하는 복합 소재를 이용할 수 있다.
범프 전극으로서 땜납을 이용하는 경우, 땜납은 알루미늄에 대한 습(濡)성이 나쁘기 때문에 알루미늄과 땜납 범프 전극(25)을 중개하기 위한 UBM(23)을 패시베이션막(21)의 개구내에 형성하고(도 11 참조), 추가로 UBM(23) 상에 땜납 범프 전극(25)을 형성한다(도 12 참조). UBM(23)은 무전해 도금으로 Ni-Au를 형성하나, 리프트 오프법으로 Ti-Pt-Au나 Cr-Au를 형성하는 것으로도 실현할 수 있다.
땜납 범프는 땜납 볼 탑재법이나 인쇄법으로, 소정의 UBM 부분에 땜납을 형성하여 리플로우함으로써 얻을 수 있다. 또, 범프는 땜납에 한정되는 것이 아니고, 금 범프, 니켈 범프, 동 범프, 도전성 수지 범프 등 금속을 함유하는 도전성 범프로 해도 된다.
상기 포토 다이오드 어레이(1)에서는 반도체 기판이 양면측으로부터 박화된 영역에 pn 접합(3)이 형성되어 있으므로, pn 접합부(3)와 광입사면과의 거리를 작게 하면서 pn 접합(3)이 형성된 영역 이외는 원래의 기판의 두께 그대로 틀부로서 남게 되며, 기판 전체의 기계적 강도를 유지할 수 있다.
상기 포토 다이오드 어레이(1)에서는 기판의 양측으로부터 박화됨으로써 요(凹)부가 형성되어 있다.
도 13a는 기판 편(片)면측으로부터만 박화된 포토 다이오드 어레이의 단면 형상을, 도 13b는 기판의 양면으로부터 박화된 본 실시형태의 포토 다이오드 어레이의 단면 형상을 모식적으로 나타낸 것이다. 양자는 기판 두께(T1, T2), 포토 다이오드 영역의 두께(tl, t2), 틀부의 폭(u1, u2)이 동일하지만, 요(凹)부의 저면의 면적(S1, S2)은 본 실시형태의 포토 다이오드 어레이가 큰 것을 알 수 있다. 따라서, 본 실시형태의 포토 다이오드 어레이(1)에 의하면, pn 접합부(3)와 광입사면과의 거리가 같고 틀부의 폭이 동일해도, 어느 편(片)면측으로부터의 요(凹)부가 형성된 경우보다도 양면에서 에칭을 행하는 쪽이 요(凹)부의 저면의 면적이 넓어지기 때문에, 넓은 광검출 국면적을 확보할 수 있고, 개구율을 향상시킬 수 있다.
상기 포토 다이오드 어레이(1)에서는 반대면측 요(凹)부(11) 형성시에 내측면과 반대면측 틀부(13)와의 엣지부가 데미지나 스트레스를 받기 쉽고, 불필요한 캐리어가 발생하기 쉽다. 그러나, p형 불순물 확산층(15)이 반대면측 틀부(13)로부 터 반대면측 요(凹)부(11)의 내측면을 통해 상기 반대면측 요(凹)부(11)의 저면까지 연결되어서 형성되어 있기 때문에, 엣지부는 p형 불순물 확산층(15)으로 구성되어 있는 것으로 되며, 엣지부에서 발생한 불필요한 캐리어의 영향을 억제할 수 있으며, 암전류나 크로스 토크의 저감을 도모할 수 있다.
상기 포토 다이오드 어레이(1)에서는 입사면측 요(凹)부(7)의 저면의 면적이 반대면측 요(凹)부(11)의 면적보다도 커지고 있다. 따라서, 입사면측 틀부(9)에 입사한 검출광에 의해 발생한 캐리어가 요(凹)부 저면의 pn 접합까지 이동하는 것을 억제할 수 있고, 암전류나 크로스 토크의 저감을 도모할 수 있다.
상기 포토 다이오드 어레이(1)에 의하면, 입사면측 틀부(9) 및 입사면측 요(凹)부(7)에는 n형 불순물 농도가 높은 영역인 n+형 고불순물 농도층(5b)이 존재하기 때문에, 입사면측 틀부(9)에 빛이 입사함으로써, 발생한 캐리어는 n+형 고불순물 농도층(5b)에서 재결합하여 소멸하고, p형 불순물 확산층(15)으로까지 이동하는 일은 적게 된다. 이 n+형 고불순물 농도층(5b)의 두께는 캐리어의 확산 길이보다도 길게 설정할 수 있다. 따라서 포토 다이오드를 흐르는 전류 채널 사이에 상당하는 입사면측 틀부(9)에 입사하는 빛에 의해 발생하는 포토 다이오드 사이의 크로스 토크를 저감할 수 있다.
또, 틀부(凸부)(9)를 이용함으로써 틀부(9)에서 발생한 불요 캐리어(캐리어 출력용의 전극까지의 주행거리가 긴 캐리어)는 n+형 고불순물 농도층(불감 영역 )(5b)에서 드롭되기 때문에, 광검출 파형의 끌림이 없어져서 응답 속도가 빨라진다고 하는 효과도 있다. 또한, 이러한 틀부(9)에 설정되는 불감 영역으로서는 절연층 등을 채용할 수도 있다.
상기 포토 다이오드 어레이(1)에 의하면 반대면측 틀부(13) 상에 범프 전극(25)이 형성되어 있기 때문에 실장 시에는 반대면측 틀부(13)에 있어서 실장 배선 기판과 접촉시킬 수 있고, 실장 배선 기판의 배선이 번잡하게 되는 것을 피할 수 있다.
상기 포토 다이오드 어레이(1)에 의하면, 반대면측 요(凹)부(11)의 내측면에 알루미늄 전극(19)이 형성되어 있으므로, 포토 다이오드를 반대면측 요(凹)부(11)의 저부에만 형성하는 경우에도, 알루미늄 전극(19)에 의해 p형 불순물 확산층(15)과 반대면측 틀부(13)의 접촉을 중개할 수 있고, 범프 전극(25)을 반대면측 틀부(13) 상에 형성할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 포토 다이오드 어레이에서는 n형 실리콘의 기판(5)의 이면측에 n+형 고불순물 농도층(5b)을 열확산에 의해 형성하고, n형 반도체층(5a), n+형 고불순물 농도층(5b)을 가지는 2층 구조의 반도체 기판(5)을 제작하고, 상기 2층의 사이에 절연막 또는 상기 2층과의 계면에 있어서 결정 방위가 교차하는 반도체층을 설치하고, 박형부 형성시의 에칭 스톱층으로서 기능시켜서 에칭 공정의 제어를 용이하게 해도 무방하다.
다음에, 본 발명의 방사선 검출기의 실시형태에 대해 설명한다.
도 14는 본 실시형태에 관한 방사선 검출기(70)의 측단면도이다.
본 방사선 검출기(70)는 X선 등의 방사선 hv가 입사한 경우에 형광이 생기고, 그 광출사면으로부터 출사하는 신틸레이터(71)와, 신틸레이터(71)로부터 출사된 빛을 입사하고, 전기 신호로 변환하는 상술한 포토 다이오드 어레이(1)와 실장 배선 기판(73)을 구비하고 있다.
신틸레이터(71)는 포토 다이오드 어레이(1)의 이면측에 설치되고, 입사면측 틀부(9)에 있어서 포토 다이오드 어레이(1)에 접촉하고 있다. 신틸레이터(71)와 입사면측 요(凹)부(7)와의 사이에는 간극이 존재하게 되지만, 이 간극에는 신틸레이터(71)로부터의 형광을 투과시키는데 충분한 굴절률을 가진 커플링 수지(75)가 충전되고, 신틸레이터(71)로부터 출사된 빛이 양호한 효율로 포토 다이오드 어레이(1)에 입사할 수 있게 되어 있다.
실장 배선 기판(73) 상의 배선(73')은 포토 다이오드 어레이(1)의 표면측에 설치되고, 범프 전극(25)을 통해 포토 다이오드 어레이(1)를 구성하는 개개의 포토 다이오드와 전기적으로 접속되어 있다. 이 실장 형태는 플립칩 실장이며, 범프 전극(25)은 땜납 범프, 금 범프, 니켈 범프, 동 범프, 도전성 수지 범프 등 금속을 함유하는 도전성 범프 등이 이용된다.
또, 본딩 방식으로서는 다이렉트 본딩 방식 또는 이것에 언더 필 수지를 충전하는 방식, 이방성 도전성 필름(ACF), 이방성 도전성 페이스트 방식(ACP), 비도전성 페이스트(NCP) 방식 등의 형태를 이용해도 무방하다
실장 배선 기판(73) 상에 포토 다이오드 어레이(1)를 본딩할 때에는 흡착 콜 릿으로 입사면측 틀부(9)를 흡착하게 되나, 그 때에 입사면측 틀부(9)에 기계적 데미지가 가해지고, 그 결함 부분에 의해 암전류나 잡음으로 되는 캐리어가 발생하게 된다. 또, 포토 다이오드 어레이(1)의 이면측에 신틸레이터(71)를 설치할 때는 입사면측 틀부(9)에 신틸레이터(71)를 접촉시키게 되지만, 그 때에도 입사면측 틀부(9)에 기계적 데미지가 가해져서 불요한 캐리어가 발생하게 된다.
그런데, 상기 방사선 검출기에 의하면, 상기 본 발명에 관한 포토 다이오드 어레이를 이용하고 있으며, 입사면측 틀부(9)가 고불순물 농도의 n+형 확산층(5b)으로 구성되어 있으며, 발생한 캐리어를 재결합시켜서 이러한 암전류나 잡음을 저감할 수 있다.
또, 상기 방사선 검출기에서는 포토 다이오드 어레이(1)의 광감응 화소 사이에 입사면측 틀부(9)를 배치하고 있으므로, 입사하는 빛을 화소마다 분리할 수 있다. 또한, 입사면측 틀부(9)가 고불순물 농도의 n+형 확산층(5b)으로 이루어져 있으므로, 입사면측 틀부(9)에 입사한 빛에 의해 발생한 캐리어가 재결합한다. 이 때문에 광감응 화소와 광감응 화소와의 사이, 즉 틀부(9)에 입사한 빛은 신호로서 취출되는 것이 억제된다. 즉, 상기 방사선 검출기는 광감응 화소간의 크로스 토크를 개선하는 것이 가능하게 된다.
방사선 검출기에 있어서, 이면에 요철(凹凸)이 없는 포토 다이오드 어레이를 이용하는 것으로 하면, 실장 배선 기판(73) 상에 포토 다이오드 어레이를 본딩할 때에 흡착 콜릿이 직접 광감응 화소에 접촉하게 된다. 또 신틸레이터 장착 시에도 동일하게 신틸레이터가 직접 광감응 화소에 접촉하게 되기 때문에 광감응 화소를 손상시켜서 화소 결함의 원인으로 되기 쉽다. 그런데 상기 방사선 검출기에 의하면, 광감응 화소부는 반대면측 요(凹)부(11)에 배치되어 있기 때문에, 실장 공정에 있어서 직접 광감응 화소가 접촉을 받는 일도 없어지기 때문에 기계적인 데미지를 받기 어려워져서 광감응 화소 결함을 방지할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 포토 다이오드 어레이 및 방사선 검출기에 의하면, 검출 감도를 향상시켜서 기계적 강도를 확보하면서, 개구율을 향상시킬 수 있다.
다음에, 기판의 편면에 요철(凹凸)부가 형성된 포토 다이오드 어레이에 대해 설명한다.
도 17은 제2 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 평면도이고, 도 18은 그 II-II 단면도이다.
이하의 설명에 있어서, 기판의 pn 접합(204)이 형성되는 면을 표면으로 하고, 빛의 입사면(凹부측)을 이면으로 한다.
도 17에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 포토 다이오드 어레이(201)는 복수의 pn 접합이 종횡으로 규칙 바르게 배열되어 있고, pn 접합의 하나하나가 포토 다이오드 어레이의 한 수광 화소로서의 기능을 가지고 있다. 포토 다이오드 어레이(201)는 50~6OO㎛의 두께, 불순물 농도 1×1012~1O15/㎤의 n형 실리콘 기판(203)을 가지며, 500㎛×500㎛의 크기로, 600㎛ 정도의 피치로 불순물 농도 1×1015~1020/㎤ 의 복수의 p형 불순물 확산층(2O5)이 배치되어 있다. n형 실리콘 기판(203)과 복수의 p형 불순물 확산층(205)과의 사이에 형성되는 pn 접합에 의해, 상기 수광 화소가 구성되어 있다. p형 불순물 확산층(205)끼리의 사이에는 포토 다이오드간을 분리하는 n+형 불순물 영역(분리층)(207)이 배치되어 있고 있다.
n형 실리콘 기판(203)의 이면측에서 p형 불순물 확산 영역(205)에 대응하고 있지 않는 영역에는 두께 2㎛~2OO㎛ 정도로, 불순물 농도 1×1015~1O20/㎤ 정도의 n +형 불순물 확산층(209)이 배치되어 있다. 따라서, 본 발명의 포토 다이오드 어레이에서는 p형 불순물층이 형성된 영역은, 예를 들면 50㎛~3OO㎛ 정도의 두께로 박판화되어서 요(凹)부(211)가 형성되어 있고, 그 이외의 영역에서는 150~5OO㎛ 정도의 두께부 이면측에 철(凸)부(틀부)(213)가 형성되어 있다. 두께부은 pn 접합이 형성되어 있지 않은 영역, 즉 각 포토 다이오드의 사이에 형성되어 있고, 2㎛~2OO㎛의 n+형 불순물 확산층(209)과 50㎛~30O㎛ 정도의 n형 실리콘 기판(203)으로 구성된다. pn 접합(수광 화소) 하나에 대해서는 하나의 요(凹)부(211)가 설치되게 된다.
박판화된 n형 기판(포토 다이오드 대응 영역)의 이면측에는 0.1~수 ㎛의 두께로 n+ 불순물 확산층(215)이 전면에 형성되어 있다. n+ 불순물 확산층(215)은 이 이면측으로부터 빛(특히 단파장에 있어서)이 입사함으로써, n형 실리콘 기판 표면 부근에서 발생한 신호 캐리어를 기판 내부로 이송하는 어큐뮬레이션 기능을 가지고 있다. 또, 기판의 표면측에는 SiN 또는 SiO2 또는 폴리이미드 등으로 이루어지는 패 시베이션막(223)이 형성되어 있다.
각각의 p형 불순물 확산층(205)의 표면측에는 p형 불순물 확산층(205)보다도 약간 큰 알루미늄 배선 전극(221)이 설치되어 있고, p형 불순물 확산층(205)과 전기적으로 컨택트 하고 있다. 각각의 철(凸)부(213)에 대응하는 위치의 표면측에는 알루미늄 배선 전극(221)에 접촉하는 Ni-Au 등으로 이루어지는 언더 범프 메탈(UBM)(217)을 통해 땜납의 범프 전극(219)이 패시베이션층(223)을 관통하여 설치되어 있고, 포토 다이오드 어레이(201)의 실장 시에는 범프 전극(219), UBM(217), 알루미늄 배선 전극(221)을 통해 표면측으로부터 p형 불순물 확산층(205)에의 전기적인 컨택트를 취하도록 되어 있다.
다음에, 본 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 방법에 있어서 도 19~도 23에 근거하여 설명한다. 우선, 두께 50㎛~6OO㎛ 정도의 결정면(100)의 n형 실리콘 기판(203)의 기판을 준비한다. 기판의 이면측에 깊이 150~250㎛의 균일한 n+확산층(209)을 열확산에 의해 형성함으로써, n형층, n+형층의 2층 구조의 기판을 제작한다. 다음에, 기판의 표면, 이면에 열산화를 행하고 Si02 열산화막(202)을 형성한다(도 19 참조). Si02 열산화막(202)은 후속 공정의 n+ 열확산의 마스크로서 이용된다.
다음에, 인접하는 포토 다이오드 사이의 분리층을 형성할 예정 위치에 존재하는 Si02 열산화막(202)을 포토 에칭 프로세스에 의해 개구시켜서 도핑하고, 열산 화함으로써 분리층(207)을 형성한다.
다음에, n형 실리콘 기판(203)의 표면측의 소정의 영역에 pn 접합(204)을 형성하기 위해 p형 불순물층(205)를 확산한다. 우선, 수광 화소로 되는 위치의 Si02 열산화막을 포토 에칭 프로세스에 의해 개구시키고, 붕소를 도핑하여 열산화한다. 이로 인해, n형 기판의 다른쪽 면에 복수의 pn 접합(204)이 형성되고, 이 pn 접합 영역(204)이 수광 화소에 대응하는 부분으로 된다. 즉 포토 다이오드로 이루어지는 포토 다이오드 어레이가 형성된다(도 2O 참조).
필요에 따라 기판 두께를 조정하기 위해서 이면을 연마한다. 이면에 플라스마 CVD 또는 LP-CVD에 의해 실리콘 질화막(SiN)을 형성하고, 수광 화소에 대응한 부분의 SiN를 에칭에 의해 제거한다. 그리고, 알칼리 에칭(수산화칼륨 용액이나 TMAH 등을 이용함)에 의해 이면에 이방성 에칭을 행한다(도 21 참조). 이 때 각 수광 소자에 대응한 부분 이외는 박판화되지 않고 n+ 확산층(209)을 남겨서 두께부를 구성한다. 이로 인해, 수관 화소에 대응하는 부분에 요(凹)부(211)가 형성되고, 수광 화소와 인접하는 수광 화소와의 사이에 철(凸)부(213)가 형성된다. 에칭은 적어도 2㎛ 이상의 깊이까지 행하고, 기판의 n+층(209)과 n층(203)과의 계면 부근까지 행한다. 즉, 에칭은 n+층(209)을 조금 남겨도 좋고, n층(203)이 노출하도록 해도 된다.
에칭 마스크(SiN)를 제거한 후, 열산화(버퍼 산화)하고, 이면에 n형 이온종 (예를 들면 인이나 비소)을 도핑함으로써, 불순물 농도 1015~1O20/㎤의 어큐뮬레이션층(215)을 형성한다(도 22 참조). 그 후에, 열산화를 행한다. 어큐뮬레이션층(215)의 두께는 기판의 표면측의 p+층(205)에 도달하지 않도록 한다. 원하는 분광 특성을 얻기 위해서 이면에 AR 코트를 행하나, 상술한 산화막을 막두께 조정하여 AR 코트로 해도 된다. 또는 열산화막과 SiN이나 그외 광학 박막과의 복합막으로 AR 코트를 형성해도 된다.
그 후, 표면에 p+층, n+층의 콘택트 홀(222)을 형성하여 알루미늄 배선 전극(221)을 형성한다(도 22 참조). 이 알루미늄 배선 전극(221)을 덮도록 패시베이션막(223)을 퇴적한다. 알루미늄 배선 전극(221)은 p+층과 n+ 영역의 폭보다도 약간 폭을 크게 하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 바이어스 인가할 때에 내압 특성이 좋아지는 동시에, 표면 데미지에 의한 땜납층 형성을 저지할 수 있다. 이 알루미늄 배선 전극상에 범프 전극을 형성하는 부분을 개구한 상태로 패시베이션막(223)을 패터닝한다(도 22 참조). 패시베이션층(223)에는 플라스마 CVD에 의해 형성된 SiN나 SiO2, BPSG, PSG, SiON, 또는 폴리이미드나 아크릴, 엑폭시, 우레탄이나 이를 함유하는 복합 소재를 이용할 수 있다.
범프 전극으로서 땜납을 이용하는 경우, 땜납은 알루미늄에 대한 습성이 나쁘기 때문에 알루미늄과 땜납 범프 전극(219)을 중개하기 위한 중개 금속층(217)(언더 범프 메탈, UBM)을 형성하고, 추가로 겹쳐서 땜납 범프 전극(219)을 형성한다 (도 23 참조). UBM는 무전해 도금으로 Ni-Au를 형성하지만, 리프트 오프법으로 Ti-Pt-Au나 Cr-Au를 형성하는 것으로도 실현할 수 있다. 땜납 범프는 땜납 볼 탑재법이나 인쇄법으로 소정의 UBM 부분에 땜납을 형성하여 리플로우함으로써 얻을 수 있다. 또, 범프는 땜납에 한정되는 것은 아니며, 금 범프, 니켈 범프, 동 범프, 도전성 수지 범프 등 금속을 함유하는 도전성 범프라도 된다.
여기서, 포토 다이오드 사이의 철(凸)부(213)를 구성하는 n+형 확산층(209)은 n형 기판보다도 n형 불순물 농도가 높기 때문에, 철(凸)부(213)의 n+형 확산층(209)에 빛이 입사함으로써 캐리어가 발생하나, 상기 포토 다이오드 어레이에 의하면 발생하는 캐리어는 철(凸)부(213)의 n+형 확산층(209)에서 재결합하여 소멸하기 때문에, n형 기판(203)에는 이동하는 일이 없다. 따라서 포토 다이오드 체널 사이에 입사하는 빛에 의해 발생하는 포토 다이오드 사이의 크로스 토크를 저감할 수 있다. 동시에, 수광 화소간을 두껍게 함으로써, 기판 전체의 기계적 강도를 유지할 수 있고, 기판 자체의 휨·일그러짐 등의 발생을 억제할 수 있다. 포토 다이오드 어레이의 철(凸)부(213)를 콜릿에 흡착하여 실장 기판에 플립칩 본딩할 때나, 신틸레이터를 포토 다이오드 어레이의 철(凸)부(213)에 실장할 때의 기계적인 데미지에 의해 생기는 암전류의 증가를 억제할 수 있다.
또, 기판의 n+층을 형성할 때에 열확산을 이용하고 있다. 따라서, n+층을 다른 방법(예를 들면 기판의 접합댐 등)에 의해 형성한 경우와 달리, 기판의 이면측 일수록 불순물 농도가 높고 철(凸)부(213)의 불순물 농도가 높다. 이 때문에 발생한 캐리어를 재결합·소멸시키는 효과가 높아져서 암전류, 리크 전류, 크로스 토크를 저감시키는 효과도 커진다.
(제3 실시형태)
다음에, 본 발명의 제3 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이에 대해서 설명한다.
도 24는 본 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 측단면도이다. 제2 실시형태의 포토 다이오드 어레이와의 구성상의 차이점을 설명하면, 제2 실시형태의 포토 다이오드 어레이에서는 n+형 어큐뮬레이션층(215)이 n형 기판(203)내에 형성되어 있으나, 본 실시형태의 포토 다이오드 어레이에서는 n+형 불순물 확산층(209)을 수 ㎛ 남겨서 어큐뮬레이션층으로서 기능시키고 있다(도 24 참조). 어큐뮬레이션층의 기능으로서는 제2 실시형태에 있어서 설명한 기능과 차이는 없다.
상기 차이점은 포토 다이오드 어레이의 제조 방법의 차이점에 유래하는 것이다. 수광 화소에 대응하는 부분에 요(凹)부를 형성하는 에칭시에, 제1 실시형태에서는 에칭을 n층(203)에 도달할 때까지 행하는데 있어서, 본 실시형태에서는 에칭을 n+층과 n층과의 계면에 도달하기 전 O.1~수 ㎛ 정도에서 스톱시킨다.
상기 포토 다이오드 어레이에 의하면, 에칭 되지 않고 남은 두께 수 ㎛의 n+형 불순물 확산층이 그대로 어큐뮬레이션층으로서도 작용하므로, 제1 실시형태와 같이 재차 이온 주입에 의한 어큐뮬레이션층을 형성할 필요가 없고, 공정을 생략 할 수 있다. 또한, 상기 이외의 구성 및 제조 방법에 대해서는 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이와 완전히 동일하다.
상술한 제2 실시형태 및 제3 실시형태에 관한 포토 다이오드에서는 n형 실리콘 기판(203)의 이면측에 n+ 확산층(209)을 열확산에 의해 형성하여 n-n+기판을 형성하고 있으나, n-n+기판을 준비하는 공정으로서 이하와 같은 변형이 고려된다.
n+형 기판을 준비하고, 그 표면측에 결정면(100) 또는 (110)에서 n층을 에피터셜 성장시켜서 n-n+ 기판을 형성할 수 있다. 또, 반대로 n형 기판을 준비하고, 그 표면측에 결정면(10O 또는 110)에서 n+층을 에피택셜 성장시켜서 n-n+ 기판을 형성할 수 있다. 이와 같이 하여, 불순물 농도 프로파일이 계단 형상으로 되고, 요(凹)부 형성의 에칭시에 평탄한 에칭이 가능하게 되는 장점이 있다.
또, 불순물이 고농도로 첨가되어 있는 n+ 기판 또는 n+ 에피택셜 성장층은 깊이 방향으로 농도가 균일하게 할 수 있기 위해, 철(凸)부에 입사한 단파장으로부터이나 장파장의 빛에 의해 발생하는 캐리어를 재결합시키는 것이 가능하게 되며, 크로스 토크를 저감할 수 있다고 하는 이점도 있다.
또, 제1 도전형의 불순물을 p형으로 하고, 그 불순물 농도를 1×1O17/㎤이하의 반도체층을 결정 성장에 의해 형성한 경우, 상기 반도체계면이 노출할 때까지, 알칼리 에칭을 행하고, 그 후 불산, 질산 및 초산을 이용한 혼합 용액으로 에칭을 행함으로써, 계면에서 에칭이 스톱하여 평탄한 요(凹)부를 형성할 수 있다.
또, 결정면(100) 또는 (110)의 n형 기판을 준비하고, 그 이면측에 상기 n형 기판과 결정면을 맞추어서 n+형 기판을 접합하여 n-n+ 기판을 형성할 수도 있다. 이와 같이 하여, n층, n+층내의 불순물 농도 프로파일이 계단 형상으로 되고, 요(凹)부 형성의 에칭시 평탄한 에칭이 가능하게 되는 장점이 있다.
또, 불순물이 고농도로 첨가되어 있는 n+ 기판은 깊이 방향으로 농도가 균일하게 할 수 있기 때문에, 철(凸)부에 입사한 단파장으로부터 장파장의 빛에 의해 발생하는 캐리어를 재결합시키는 것이 가능하게 되며, 크로스 토크를 저감할 수 있다고 하는 이점도 있다.
또, 제1 도전형의 불순물을 p형으로 하고, 그 불순물 농도를 1×1O17/㎤ 이하의 반도체 기판을 첩합(貼合)함으로써 형성한 경우, 상기 반도체 계면이 노출할 때까지 알칼리 에칭을 행하고, 그 후 불산, 질산 및 초산을 이용한 혼합 용액으로 에칭을 행함으로써, 계면에서 에칭이 스톱하여 평탄한 요(凹)부를 형성할 수 있다.
또, 결정면(111)의 n형 기판을 준비하고, 그 이면측에 결정면(100) 또는 (110)의 n+형 기판을 첩합함으로써 n-n+ 기판을 형성할 수도 있다. 이와 같이 하여, n+ 층측으로부터 알칼리 에칭할 때에 (111)면은 (10O)면이나 (110)면에 비해 에칭 속도가 매우 늦기 때문에, 거의 n층에 이른 시점에서 에칭 스톱할 수 있으며, 에칭의 제어가 용이하게 된다고 하는 장점이 있다.
(제4 실시형태)
다음에, 본 발명의 제4 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이에 대해 설명한다.
도 25는 본 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 단면도이다. 제3 실시형태의 포토 다이오드 어레이와의 구성상의 차이점을 설명하면, 제3 실시형태의 포토 다이오드 어레이에서는 n+층과 n층이 직접 접하고 있었으나, 본 실시형태에서는 n+층과 n층과의 사이에 두께 O.1~3㎛의 Si02층(225)을 끼우고 있다.
상기 차이점은 포토 다이오드 어레이의 제조 방법의 차이점에 유래하는 것이다. 제3 실시형태에서는 n형 실리콘 기판의 기판을 준비하고, 기판의 이면측에 n+ 확산층을 열확산에 의해 형성함으로써 n-n+ 확산 기판을 작성하여 기판으로서 이용하였으나, 본 실시형태에서는 SOI(Silicon On Insulator) 기판을 기판으로서 이용하고 있다. 즉, 우선 n형 실리콘 기판을 준비하고, 이면측을 열산화시켜서 Si02 산화막을 형성한다. 다음에, 결정면(100) 또는 (110)의 n+층을 이면측에 첩합함으로써, 도 27과 같은 3층 구조의 SOI 기판을 형성하여 기판으로서 이용하고 있다.
상기 포토 다이오드 어레이에 의하면, 알칼리 에칭 공정시에 Si02층(225)에 서 에칭이 스톱하는 것으로 되기 때문에, 에칭의 제어가 용이하게 된다. 또, n+층에서 캐리어가 발생했다고 해도, Si02층(225)은 절연층이기 때문에 캐리어를 통과시키지 않는다. 이 때문에 발생한 캐리어는 각 수광 화소까지 도달하는 일은 없고, 크로스 토크를 더욱 저감할 수 있다.
또한, 상기 이외의 구성 및 제조 방법에 대해서는 제3 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이와 완전히 동일하다.
(제5 실시형태)
다음에, 본 발명의 제5 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이에 대해 설명한다.
도 26은 본 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 단면도이다. 제4 실시형태의 포토 다이오드 어레이와의 구성상의 차이점을 설명하면, 제4 실시형태의 포토 다이오드 어레이에서는 포토 다이오드에 대응하는 부분의 요(凹)부(211)가 이면측에 갈수록 넓고, 표면측에 갈수록 좁게 되는 바와 같이, 요(凹)부 측면이 기판의 두께 방향에 대해 기울고 있는데, 본 실시형태의 포토 다이오드 어레이의 요(凹)부 측면은 기판의 두께 방향과 거의 평행으로 되어 있다.
상기 차이점은 포토 다이오드 어레이의 제조 방법의 차이점에 유래하는 것이다. 제4 실시형태에서는 요(凹)부(211)를 형성할 때에 제4 실시형태에서는 알칼리 에칭을 이용하였으나, 본 실시형태에서는 예를 들면 고밀도 플라즈마를 이용한 딥 드라이 에칭을 이용하고 있다.
상기 포토 다이오드 어레이에 의하면, 요(凹)부를 형성할 때의 방법으로서 딥 드라이 에칭을 이용하기 때문에, 준비하는 SOI 기판의 n+층은 결정면을 (1OO) 또는 (11O)에 한정할 필요가 없어진다. 또, SiO2층(225)에서 에칭이 스톱하게 되기 때문에, 에칭의 제어가 용이하게 된다. 또한, 상기 이외의 구성 및 제조 방법에 대해서는 제4 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이와 완전히 동일하다.
다음에, 본 발명의 방사선 검출기의 실시형태에 대해 설명한다.
도 28은 본 실시형태에 관한 방사선 검출기의 측단면도이다. 본 방사선검출기(230)는 방사선을 입사하고, 그 방사선에 의해 생긴 빛을 광출사면으로부터 출사하는 신틸레이터 패널(231)과 신틸레이터 패널(231)로부터 출사된 광을 입사면으로부터 입사하고, 전기 신호로 변환하는 포토 다이오드 어레이(201)와 실장 배선 기판(233)을 구비하고 있다.
상기 방사선 검출기는 본 발명에 관한 포토 다이오드 어레이를 준비하는 것을 특징으로 하고 있고, 본 실시형태에서는 상술한 본 발명의 제2 실시형태에 관련되는 포토 다이오드 어레이를 구비하고 있다. 따라서, 신틸레이터 패널(231)은 포토 다이오드 어레이(201)의 이면측에 설치되고, 철(凸)부(213)에 있어서 포토 다이오드 어레이(201)와 접촉하고 있다. 이 때문에 신틸레이터 패널(231)과 요(凹)부(211)와의 사이에는 간극이 존재하게 되나, 이 간극에는 신틸레이터 패널(231)로부터의 형광을 투과 시키기에 충분한 굴절률을 가지는 커플링 수지(235)가 충전되고, 신틸레이터 패널(231)로부터 출사된 빛이 효율적으로 포토 다이오드 어레이(201)에 입사 할 수 있게 되어 있다.
실장 배선 기판(233)은 포토 다이오드 어레이(201)의 표면측에 설치되고, 범프 전극(219)을 통해 포토 다이오드 어레이(201)와 전기적으로 접속되어 있다. 실장 형태는 플립 칩 실장이며, 범프 전극(219)는 땜납 범프, 금 범프, 니켈 범프, 동 범프, 도전성 수지 범프 등 금속을 함유하는 도전성 범프 등이 이용된다. 또, 본딩 방식으로서는 다이렉트 본딩 방식 또는 이것에 언더 필 수지를 충전하는 방식, 이방성 도전성 필름(ACF), 이방성 도전성 페이스트 방식(ACP), 비도전성 페이스트(NCP) 방식 등의 형태를 이용해도 무방하다.
다음에, 상기 방사선 검출기의 작용에 대해 설명한다. 실장 배선 기판(233) 상에 포토 다이오드 어레이(201)를 본딩할 때 흡착 콜릿으로 철(凸)부(213)를 흡착하게 되나, 그 때에 철(凸)부에 기계적 데미지가 가해져서 그 결함 부분에 의해 암전류나 잡음으로 되는 캐리어가 발생하게 된다. 또, 포토 다이오드 어레이(201)의 이면측에 신틸레이터 패널(231)을 설치할 때는 철(凸)부(213)에 신틸레이터 패널(231)을 접촉시키게 되나, 그 때에도 철(凸)부(213)에 기계적 데미지가 가해져서 캐리어가 발생하게 된다. 이 상기 방사선 검출기에 의하면, 상기 본 발명에 관련되는 포토 다이오드 어레이를 이용하고 있고, 철(凸)부(213)가 고불순물 농도의 n+형 확산층에서 구성되어 있으므로 발생한 캐리어를 재결합시켜서 이러한 암전류나 잡음을 저감할 수 있다.
또, 상기 방사선 검출기에서는 포토 다이오드 어레이(201)의 수광 화소간에 철(凸)부(213)를 배치하고 있으므로, 입사하는 빛을 화소 마다 분리할 수 있다. 또한, 철(凸)부(213)가 고불순물 농도의 n+형 확산층에서 구성되어 있으므로 철(凸)부(213)에 입사한 빛에 의해 발생한 캐리어는 재결합한다. 이 때문에 수광 화소와 수광 화소와의 사이에 입사한 빛은 신호로서 취출되는 일이 없다.
즉, 상기 방사선 검출기는 수광 화소간의 크로스 토크를 개선하는 것이 가능하게 된다.
방사선 검출기에 있어서, 이면에 요철(凹凸)이 없는 포토 다이오드 어레이를 이용하는 것으로 하면, 실장 배선 기판(233) 상에 포토 다이오드 어레이를 본딩할 때에 흡착 콜릿이 직접 수광 화소에 접촉하게 된다. 또 신틸레이터 패널 장착 시에도 이와 같이 신틸레이터 패널이 직접 수광 화소에 접함하는 것으로 되기 때문에, 수광 화소를 손상시켜서 화소 결함의 원인으로 되기 쉽다. 그런데 상기 방사선 검출기에 의하면, 수광 화소부는 요(凹)부(211)에 배치되어 있기 때문에, 실장 공정에 있어서 직접 수광 화소가 접촉을 받는 일도 없어지므로, 기계적인 데미지를 받기 어려워져서 수광 화소 결함을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기한 본 실시형태로 한정되는 일 없이 각종 변형이 가능하다.
도 29a는 수광 화소부와 범프 전극의 위치 관계를 나타내는 상면도, 도 29b는 도 29a에 나타낸 포토 다이오드 어레이의 XIV-XIV 단면도이다. 도 3Oa는 수광 화소부와 범프 전극의 위치 관계를 나타내는 상면도, 도 3Ob는 도 3Oa에 도시된 포 토 다이오드 어레이의 XV-XV 단면도이다. 도 31a는 수광 화소부와 범프 전극의 위치 관계를 나타내는 상면도, 도 31b는 도 31a에 나타낸 포토 다이오드 어레이의 XVI-XVI 단면도이다.
예를 들면, 상기한 포토 다이오드 어레이의 각 실시형태에서는 도 29a, 도 29b와 같이 범프 전극(219)을 두께부, 즉 철(凸)부(213)에 상당하는 부분에 설치하여 실장시의 기계적 강도를 확보하는 것으로 하고 있으나, 기계적 강도를 충분히 확보할 수 있는 경우라면 도 3Oa, 도 30b에 도시된 바와 같이 수광 화소에 상당하는 위치에 범프 전극(219)을 설치해도 된다.
또, 철(凸)부(213)에 상당하는 부분에 범프 전극(219)를 설치하는 경우에 있어서, 도 31a, 도 31b에 도시된 바와 같이 범프 전극(219)의 이면측에 상당하는 부분만 분리층(207)이 단절되도록 구성할 수도 있다. 이와 같이 하여, 플립칩 실장을 행할 때에 기계적 데미지가 가해졌다고 해도 애노드와 캐소드가 쇼트하지 않도록 할 수 있다. 또, 이 경우는 단절된 분리층끼리를 알루미늄 전극 배선에 의해 접속하고, 분리층(207)이 전역적으로 접속되도록 해도 무방하다.
또, 포토 다이오드 어레이상에 격자 형상으로 수광 소자를 배치하는 경우에는 포토 다이오드 어레이 칩단의 끝까지 수광 화소 구역(area)인 것이 바람직하다. 이 때문에, 도 17에 도시된 바와 같이 칩단의 두께부 영역(213z)에 범프 전극을 설치하는 것은 가능한한 피하는 쪽이 좋다. 그래서, 두께부에 범프 전극(219)을 설치하는 경우에는 도 32a에 도시된 바와 같이 칩단의 두께부 영역(213z) 이외의 철(凸)부에 모든 범프 전극(219)을 배치하는 구성으로 할 수도 있다. 도 32b는 포토 다이오드 어레이 칩단에 있어서의 수광 화소부와 범프 전극의 위치 관계를 나타내는 상면도이다. 예를 들면, 도 32a에 있어서 좌상의 수광 화소(204a)는 그 우측의 범프 전극(219a)으로부터, 좌상의 수광 화소(204b)는 그 아래 쪽의 범프 전극(219b)로부터, 우하의 수광 화소(204c)는 그 좌측의 범프 전극(219c)으로부터 컨택트를 취하도록 배치되어 있다. 이와 같이 범프 전극(219)의 위치를 칩단의 두께부 영역(213z)에 배치하지 않도록 설계함으로써, 포토 다이오드 어레이 칩단의 끝까지 수광 화소 구역으로 할 수 있다.
이상 상술한 것처럼 본 발명에 의하면, 포토 다이오드 어레이의 기계적 강도를 유지하며, 소자간 크로스 토크를 저감할 수 있는 포토 다이오드 어레이를 제공하는 것이 가능하게 된다.
본 발명은 포토 다이오드 어레이, 그 제조 방법, 및 방사선 검출기에 이용할 수 있다.

Claims (22)

  1. 광입사면측에 복수의 입사면측 요(凹)부를 가지는 동시에, 상기 광입사면과는 반대측에 상기 입사면측 요부의 각각에 대응하여 복수의 반대면측 요부를 가지는 반도체 기판을 구비하고, 상기 반도체 기판의 상기 반대면측 요부의 저(底)부에 pn 접합을 구비하며,
    상기 pn 접합은 상기 반대면측 요부의 저부로부터 당해 반대면측 요부를 둘러싸는 반대면측 틀부에까지 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이.
  2. 광입사면측에 복수의 입사면측 요(凹)부를 가지는 동시에, 상기 광입사면과는 반대측에 상기 입사면측 요부의 각각에 대응하여 복수의 반대면측 요부를 가지는 반도체 기판을 구비하고, 상기 반도체 기판의 상기 반대면측 요부의 저(底)부에 pn 접합을 구비하며,
    상기 입사면측 요부의 저면의 면적은 상기 반대면측 요부의 저면의 면적보다도 큰 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이.
  3. 광입사면측에 복수의 입사면측 요(凹)부를 가지는 동시에, 상기 광입사면과는 반대측에 상기 입사면측 요부의 각각에 대응하여 복수의 반대면측 요부를 가지는 반도체 기판을 구비하고, 상기 반도체 기판의 상기 반대면측 요부의 저(底)부에 pn 접합을 구비하며,
    상기 입사면측 요부를 둘러싸는 입사면측 틀부에는 고불순물 농도 영역이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이.
  4. 광입사면측에 복수의 입사면측 요(凹)부를 가지는 동시에, 상기 광입사면과는 반대측에 상기 입사면측 요부의 각각에 대응하여 복수의 반대면측 요부를 가지는 반도체 기판을 구비하고, 상기 반도체 기판의 상기 반대면측 요부의 저(底)부에 pn 접합을 구비하며,
    상기 입사면측 요부를 둘러싸는 입사면측 틀부의 형상은 피검출광의 입사 방향으로부터 봐서 격자 형상인 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이.
  5. 광입사면측에 복수의 입사면측 요(凹)부를 가지는 동시에, 상기 광입사면과는 반대측에 상기 입사면측 요부의 각각에 대응하여 복수의 반대면측 요부를 가지는 반도체 기판을 구비하고, 상기 반도체 기판의 상기 반대면측 요부의 저(底)부에 pn 접합을 구비하며,
    상기 반대면측 요부를 둘러싸는 반대면측 틀부 상에 상기 pn 접합으로 이루어지는 포토 다이오드의 출력을 취출하는 전극 패드를 구비한 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 반대면측 요부의 측면부를 통과하여 상기 포토 다이오드와 상기 전극 패드를 전기적으로 접속하는 배선 전극을 구비한 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 기재된 포토 다이오드 어레이와, 상기 포토 다이오드 어레이로의 피검출광의 입사면 전방에 배열 설치된 신틸레이터를 구비하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  8. 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가되어 있는 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판의 피검출광의 입사면과 반대면측에 접촉하여 설치된 제1 도전형의 반도체층과,
    상기 제1 도전형의 반도체층의 내부에 어레이 형상으로 배열하여 형성된 제2 도전형의 복수의 광검출층을 구비하고,
    상기 반도체 기판은 상기 광검출층에 대응하는 영역이 제거됨으로써 격자 형상으로 성형되어 있고,
    상기 반도체 기판과 상기 반도체층의 사이에는 에칭 스톱층이 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이.
  9. 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가되어 있는 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판의 피검출광의 입사면과 반대면측에 접촉하여 설치된 제1 도전형의 반도체층과,
    상기 제1 도전형의 반도체층의 내부에 어레이 형상으로 배열하여 형성된 제2 도전형의 복수의 광검출층을 구비하고,
    상기 반도체 기판은 상기 광검출층에 대응하는 영역이 제거됨으로써 격자 형상으로 성형되어 있고,
    상기 반도체 기판과 상기 반도체층은 서로 접하는 계면에 있어서 결정 방위가 교차하는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이.
  10. 적어도 피검출광의 입사면측과 그 반대면측이 제1 도전형의 반도체로 형성되고, 상기 입사면측에는 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가되어 있는 기판을 준비하는 제1 공정과,
    상기 기판의 상기 반대면측의 제1 도전형 영역의 내부에 제2 도전형의 복수의 광검출층을 어레이 형상으로 배열시켜서 형성하는 제2 공정과,
    상기 기판의 상기 광검출층에 대응하는 영역을 상기 입사면측에서부터 에칭하여 박화함으로써 어레이 형상으로 배열된 복수의 요부와, 이들을 구분하는 격자 형상의 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가된 철부를 형성하는 제3 공정을 구비하고,
    상기 제1 공정은 제1 도전형의 반도체 기판을 준비하는 공정과,
    상기 반도체 기판의 상기 피검출광의 입사면측에 제1 도전형의 불순물을 고농도로 첨가시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이의 제조 방법.
  11. 적어도 피검출광의 입사면측과 그 반대면측이 제1 도전형의 반도체로 형성되고, 상기 입사면측에는 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가되어 있는 기판을 준비하는 제1 공정과,
    상기 기판의 상기 반대면측의 제1 도전형 영역의 내부에 제2 도전형의 복수의 광검출층을 어레이 형상으로 배열시켜서 형성하는 제2 공정과,
    상기 기판의 상기 광검출층에 대응하는 영역을 상기 입사면측에서부터 에칭하여 박화함으로써 어레이 형상으로 배열된 복수의 요부와, 이들을 구분하는 격자 형상의 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가된 철부를 형성하는 제3 공정을 구비하고,
    상기 제1 공정은 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가되어 있는 반도체 기판을 준비하는 공정과,
    상기 반도체 기판의 상기 피검출광의 입사면과 반대면측에 제1 도전형의 반도체층을 결정 성장시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이의 제조 방법.
  12. 적어도 피검출광의 입사면측과 그 반대면측이 제1 도전형의 반도체로 형성되고, 상기 입사면측에는 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가되어 있는 기판을 준비하는 제1 공정과,
    상기 기판의 상기 반대면측의 제1 도전형 영역의 내부에 제2 도전형의 복수의 광검출층을 어레이 형상으로 배열시켜서 형성하는 제2 공정과,
    상기 기판의 상기 광검출층에 대응하는 영역을 상기 입사면측에서부터 에칭하여 박화함으로써 어레이 형상으로 배열된 복수의 요부와, 이들을 구분하는 격자 형상의 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가된 철부를 형성하는 제3 공정을 구비하고,
    상기 제1 공정은 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가되어 있는 반도체 기판을 준비하는 공정과,
    상기 반도체 기판의 상기 피검출광의 입사면과 반대면측에 제1 도전형의 반도체 박판을 첩합(貼合)하는 공정을 포함하고,
    상기 반도체 기판과 상기 반도체 박판은 첩합 계면에 있어서 결정 방위가 교차하도록 한 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이의 제조 방법.
  13. 적어도 피검출광의 입사면측과 그 반대면측이 제1 도전형의 반도체로 형성되고, 상기 입사면측에는 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가되어 있는 기판을 준비하는 제1 공정과,
    상기 기판의 상기 반대면측의 제1 도전형 영역의 내부에 제2 도전형의 복수의 광검출층을 어레이 형상으로 배열시켜서 형성하는 제2 공정과,
    상기 기판의 상기 광검출층에 대응하는 영역을 상기 입사면측에서부터 에칭하여 박화함으로써 어레이 형상으로 배열된 복수의 요부와, 이들을 구분하는 격자 형상의 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가된 철부를 형성하는 제3 공정을 구비하고,
    상기 제1 공정은 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가되어 있는 반도체 기판을 준비하는 공정과,
    상기 반도체 기판의 상기 피검출광의 입사면과 반대면측에, 에칭 스톱층을 개재시켜서 제1 도전형의 반도체 박판을 첩합하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이의 제조 방법.
  14. 적어도 피검출광의 입사면측과 그 반대면측이 제1 도전형의 반도체로 형성되고, 상기 입사면측에는 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가되어 있는 기판을 준비하는 제1 공정과,
    상기 기판의 상기 반대면측의 제1 도전형 영역의 내부에 제2 도전형의 복수의 광검출층을 어레이 형상으로 배열시켜서 형성하는 제2 공정과,
    상기 기판의 상기 광검출층에 대응하는 영역을 상기 입사면측에서부터 에칭하여 박화함으로써 어레이 형상으로 배열된 복수의 요부와, 이들을 구분하는 격자 형상의 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가된 철부를 형성하는 제3 공정을 구비하고,
    상기 제1 공정은 제1 도전형의 불순물이 고농도로 첨가되어 있는 반도체 기판을 준비하는 공정과,
    상기 반도체 기판의 상기 피검출광의 입사면과 반대면측에, 절연층을 개재시켜서 제1 도전형의 반도체 박판을 첩합시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이의 제조 방법.
  15. 청구항 8 또는 9에 기재된 포토 다이오드 어레이와,
    상기 포토 다이오드 어레이의 상기 피검출광의 입사면측에 장착되며, 방사선의 입사에 의해 발광하는 신틸레이터 패널을 구비하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  16. 청구항 10 내지 14 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법으로 제조된 포토 다이오드 어레이와,
    상기 포토 다이오드 어레이의 상기 피검출광의 입사면측에 장착되며, 방사선의 입사에 의해 발광하는 신틸레이터 패널을 구비하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  17. 삭제
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