KR20050116157A - 포토 다이오드 어레이 및 그 제조 방법 및 방사선 검출기 - Google Patents

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

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Abstract

포토 다이오드 어레이(1)는 n형 실리콘 기판(3)을 구비한다. n형 실리콘 기판(3)에 있어서 피검출광 L의 입사면의 반대면측에, 복수의 포토 다이오드(4)가 어레이 형상으로 형성되어 있다. n형 실리콘 기판(3)의 피검출광 소정의 높이를 갖는 스페이서(6)가 설치되어 있다.

Description

포토 다이오드 어레이 및 그 제조 방법 및 방사선 검출기{PHOTODIODE ARRAY AND PRODUCTION METHOD THEREOF, AND RADIATION DETECTOR}
본 발명은 포토 다이오드 어레이 및 그 제조 방법, 및 방사선 검출기에 관한 것이다.
이런 종류의 포토 다이오드 어레이로서, 종래부터 범프 전극 등의 형성되어 있는 면의 반대면(이면)으로부터 광을 입사시키는 타입의 이면 입사형 포토 다이오드 어레이가 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 이 특허 문헌 1에 개시되어 있는 포토 다이오드 어레이는 도 26 및 도 27에 나타낸 바와 같이 n형 실리콘 기판(133)에 각주(角柱) 형상의 p층(134)을 형성함으로써, pn 접합에 의한 포토 다이오드(140)를 갖고 있다. 신틸레이터(scintillator)(131)는 포토 다이오드(140)가 형성되어 있는 표면(도면의 아래쪽)의 이면(도면의 위쪽)에, 부전극막(136)을 통하여 신틸레이터(131)가 접착되어 있다. 신틸레이터(131)에서 파장 변환된 광이 포토 다이오드(140)에 입사하면, 포토 다이오드(140)는 입사광에 따른 전류를 생성한다. 포토 다이오드(140)에서 생긴 전류는 표면측에 형성된 정(正)전극(135), 땜납구(半田球)(139), 및 프린트 기판(137)에 설치된 땜납 패드(138)를 통과하여 출력된다.
[특허 문헌 1]특개평 7-333348호 공보
도 1은 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 단면 구성을 나타내는 도면.
도 2는 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 구성을 설명하기 위한 도면.
도 3은 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하기 위한 도면.
도 4는 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하기 위한 도면.
도 5는 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하기 위한 도면.
도 6은 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하기 위한 도면.
도 7은 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하기 위한 도면.
도 8은 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하기 위한 도면.
도 9는 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하기 위한 도면.
도 10은 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하기 위한 도면.
도 11은 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하기 위한 도면.
도 12a는 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 일례를 모식적으로 나타내는 평면도.
도 12b는 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 일례를 모식적으로 나타내는 평면도.
도 12c는 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 일례를 모식적으로 나타내는 평면도.
도 13a는 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 일례를 모식적으로 나타내는 평면도.
도 13b는 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 일례를 모식적으로 나타내는 평면도.
도 13c는 제1 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 일례를 모식적으로 나타내는 평면도.
도 14는 제2 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 단면 구성을 나타내는 도면.
도 15는 제2 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 구성을 나타내는 도면.
도 16은 제2 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하기 위한 도면.
도 17은 제2 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하기 위한 도면.
도 18은 제2 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하기 위한 도면.
도 19는 제2 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하기 위한 도면.
도 20은 제2 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하기 위한 도면.
도 21은 제2 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하기 위한 도면.
도 22는 제2 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 공정을 설명하기 위한 도면.
도 23은 제3 실시형태에 관한 방사선 검출기의 단면 구성을 나타내는 도면.
도 24는 제4 실시형태에 관한 방사선 검출기의 단면 구성을 나타내는 도면.
도 25a는 반도체 칩을 평콜릿에 의해 흡착한 상태를 모식적으로 나타내는 도면.
도 25b는 반도체 칩을 각뿔 콜릿에 의해 흡착한 상태를 모식적으로 나타내는 도면.
도 26은 종래 기술의 포토 다이오드 어레이를 나타내는 사시도.
도 27은 도 26에 있어서 XXVII-XXVII 방향의 단면 구성을 나타내는 모식도.
그러나, 상술한 포토 다이오드 어레이 예를 들면 CT용 포토 다이오드 어레이를 실장하려면, 칩을 흡착하는 콜릿(collet)으로서 평콜릿과 각뿔 콜릿을 사용할 수 있다. 통상, 플립칩 본딩을 행하는 경우는 평콜릿이 사용되고 있다. CT용 포토 다이오드 어레이는 칩 면적이 크다(예를 들면, 1변 20mm의 직사각 형상). 도 25b에 나타낸 바와 같이 통상의 마운터에서 사용되는 각뿔 콜릿(161)을 사용하는 경우, 칩(162)과 각뿔 콜릿(161)과의 틈새(163)에 의해, 칩(162)에 젖혀져서 돌아감(反返)이 생긴다. 이 때문에, 각뿔 콜릿(161)을 사용하는 경우, 상기 젖혀짐에 의해 위치 불균일이 생겨서 칩(162)의 실장 정밀도가 저하될 우려가 있다. 또, 플립칩 본딩을 행할 때 가열이나 가압이 필요하지만, 각뿔 콜릿(161)에서는 열전도의 효율이 양호하지 않다. 또, 가해지는 압력에 의하여, 칩(162)의 엣지가 손상될 우려도 있다. 이상으로부터, 각뿔 콜릿(161)은 얇은 칩을 흡착하는데 적합하지 않다. 따라서, 플립칩 본딩을 행하는 경우는 도 25a에 나타낸 바와 같이 칩면에 면접촉하는 평콜릿(160)에서 칩(162)을 흡착하면서, 그 칩(162)에 히터 블록(164)으로부터 열과 압력을 가하고 있다.
그러나, 평콜릿(160)을 사용하면, 칩(162)의 칩면 전체가 평콜릿(160)에 접촉하게 된다. 광입사면으로 되는 칩면 전체가 평콜릿(160)에 접촉하여 가압 및 가열을 받으면, 그 칩면상의, 포토 다이오드를 구성하는 불순물 확산층에 대응하는 영역이 물리적인 데미지(손상)를 받는 경우가 있다. 이와 같이 칩면이 데미지를 받으면, 외관 불량이나 특성 열화(암(暗)전류나 잡음의 증가 등)라고 하는 문제가 생기게 된다.
본 발명은 상술한 점을 감안한 것으로, 그 목적은 실장시에 포토 다이오드에 대응하는 영역이 데미지를 받게 되는 것을 방지하고, 특성 열화를 막는 것이 가능한 포토 다이오드 어레이 및 그 제조 방법, 및 방사선 검출기를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 관한 포토 다이오드 어레이는 반도체 기판을 구비하고, 반도체 기판에 있어서 피검출광의 입사면의 반대면측에 복수의 포토 다이오드가 어레이 형상으로 형성되어 있고, 반도체 기판의 피검출광의 입사면측에 있어서 포토 다이오드가 형성된 영역에 대응하지 않는 영역에 소정의 높이를 갖는 돌출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 포토 다이오드 어레이에서는 돌출부가 반도체 기판의 입사면측에 있어서, 포토 다이오드가 형성된 영역에 대응하는 영역보다 돌출하고 있다. 실장시에 평콜릿을 사용하는 경우에, 돌출부는 평콜릿과의 사이에 틈새를 형성하는 스페이서로서 기능한다. 이 때문에, 상기 포토 다이오드가 형성된 영역에 대응하는 영역이 평콜릿에 직접적으로 접촉하는 일 없으며, 가압이나 가열에 의한 데미지를 받는 일이 없다. 그 결과, 노이즈나 암전류 등에 의한 특성 열화를 효과적으로 방지할 수 있다.
또, 반도체 기판에 있어서 피검출광의 입사면의 반대면측에는 소정의 깊이를 갖는 리세스(recess, 窪)부가 어레이 형상으로 복수 형성되어 있고, 각 포토 다이오드는 리세스부의 저(底)부에 각각 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 반도체 기판의 피검출광의 입사면에서부터 포토 다이오드까지의 거리가 단축되므로, 피검출광의 입사에 의해 발생하는 캐리어의 이동 과정에 있어서 재결합이 억제된다. 그 결과, 광검출 감도가 향상한다.
또한, 돌출부는 차광성을 갖는 수지 또는 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 경우, 반도체 기판의 입사면에 있어서 포토 다이오드가 형성된 영역에 대응하지 않는 영역으로의 광입사가 방지된다. 그 결과, 포토 다이오드 어레이의 해상도가 향상되게 된다.
또한, 돌출부는 복수 설치되어 있으며, 각 돌출부는 소정의 간극을 갖도록 단속적으로 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 반도체 기판의 입사면의 전방 공간이 돌출부에 의해 서로 연통하는 복수의 공간으로 나누어지게 된다. 이 때문에, 예를 들면 후술하는 신틸레이터 패널을 장착하기 위하여, 상기 신틸레이터 패널과 입사면과의 사이에 수지를 도포하였을 때에, 이 수지가 돌출부에 의해 나누어지는 각 공간에 널리 퍼지기 쉬워진다. 또, 각 공간부내에서의 보이드의 발생도 억제할 수 있다.
또, 반도체 기판에는 인접하는 각 포토 다이오드의 사이에 그 각 포토 다이오드를 분리하는 불순물 영역이 설치되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 불순물 영역에 의해 표면 리크의 발생이 억제되기 때문에, 인접하는 포토 다이오드끼리를 확실히 전기적으로 분리할 수 있다.
또, 반도체 기판의 피검출광의 입사면측에는 해당 반도체 기판과 동일한 도전형의 고불순물 농도층이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 반도체 기판 내부의 광입사면 근방에서 발생한 캐리어가 트랩되는 일 없이 각 포토 다이오드에 효율적으로 이동하게 된다. 그 결과, 광검출 감도를 높일 수 있다.
본 발명에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 방법은 제1 도전형의 반도체로 이루어지는 반도체 기판을 준비하고, 반도체 기판의 한 쪽의 면측에 복수의 제2 도전형의 불순물 확산층을 형성하고, 해당 각 불순물 확산층과 반도체 기판에 의해 구성되는 복수의 포토 다이오드를 어레이 형상으로 배열하여 형성하는 공정과, 반도체 기판의 다른 쪽의 면에 있어서, 포토 다이오드가 형성된 영역에 대응하지 않는 영역에, 소정의 높이를 갖는 돌출부를 설치하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 방법에서는 반도체 기판의 한 쪽의 면에 포토 다이오드가 어레이 형상으로 배열하여 형성되는 동시에, 다른 쪽의 면에 있어서 포토 다이오드가 형성된 영역에 대응하지 않는 영역에 상기 돌출부가 설치된 포토 다이오드 어레이를 얻을 수 있다.
또, 본 발명에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 방법은 제1 도전형의 반도체로 이루어지는 반도체 기판을 준비하고, 반도체 기판의 한 쪽의 면측에 리세스부를 어레이 형상으로 배열하여 복수 형성하는 공정과, 리세스부의 저부에 복수의 제2 도전형의 불순물 확산층을 형성하고, 해당 각 불순물 확산층과 반도체 기판에 의해 구성되는 복수의 포토 다이오드를 어레이 형상으로 배열하여 형성하는 공정과, 반도체 기판의 다른 쪽의 면에 있어서 포토 다이오드가 형성된 영역에 대응하지 않는 영역에 소정의 높이를 갖는 돌출부를 형성하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 포토 다이오드 어레이의 제조 방법에서는 반도체 기판의 한 쪽의 면에 형성된 리세스부의 저부에 포토 다이오드가 어레이 형상으로 배열하여 형성되는 동시에, 다른 쪽의 면에 있어서 포토 다이오드가 형성된 영역에 대응하지 않는 영역에 상기 돌출부가 설치된 포토 다이오드 어레이를 얻을 수 있다.
또, 상기 돌출부를 설치하는 공정 이전에, 반도체 기판의 다른 쪽의 면에, 제1 도전형의 고불순물 농도층을 형성하는 공정을 추가로 구비하는 것이 바람직하다. 이 경우, 반도체 기판의 다른 쪽의 면에, 반도체 기판과 동일한 도전형의 고불순물 농도층이 형성된다. 이 때문에, 반도체 기판 내부의 광입사면 근방에서 발생한 캐리어가 트랩되는 일 없이 각 포토 다이오드에 효율적으로 이동하게 된다. 그 결과, 광검출 감도를 높일 수 있다.
또, 인접하는 불순물 확산층의 사이에 제1 도전형의 불순물 영역을 설치하는 공정을 추가로 구비하는 것이 바람직하다. 이 경우, 인접하는 각 포토 다이오드가 확실히 전기적으로 분리된 포토 다이오드 어레이를 얻을 수 있다.
본 발명에 관한 방사선 검출기는 상기 포토 다이오드 어레이와, 포토 다이오드 어레이에 있어서 피검출광의 입사면에 대향하여 배치되고, 방사선의 입사에 의해 발광하는 신틸레이터 패널을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 관한 방사선 검출기는 상기 포토 다이오드 어레이의 제조 방법에 의해 제조된 포토 다이오드 어레이와, 포토 다이오드 어레이의 돌출부가 설치된 면에 대향하여 배치되고, 방사선의 입사에 의해 발광하는 신틸레이터 패널을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이들, 본 발명에 관한 방사선 검출기 각각에 있어서는 상기 포토 다이오드 어레이를 구비하고 있기 때문에, 노이즈나 암전류 등에 의한 특성 열화를 효과적으로 방지할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 의한 포토 다이오드 어레이 및 그 제조 방법, 및 방사선 검출기의 바람직한 실시형태에 대해 상세하게 설명한다. 또, 설명에 있어서, 동일 요소 또는 동일 기능을 갖는 요소에는 동일 부호를 이용하여, 중복하는 설명은 생략한다.
(제1 실시형태)
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이(1)의 단면 구성을 나타내는 도면이다. 또, 이하의 설명에 있어서는 광 L의 입사면(도 1의 표면)을 이면, 그 반대면(도 1의 아래쪽 면)을 표면으로 하고 있다. 이하의 각 도면에 대해서는 도시의 형편상, 치수가 적절히 변경되어 있다.
포토 다이오드 어레이(1)는 pn 접합에 의해 형성되는 복수의 포토 다이오드(4)를 갖고 있다. 복수의 포토 다이오드(4)는 포토 다이오드 어레이(1)의 표면측에 있어서, 종횡에 규칙적으로 어레이 형상으로 2차원 배열되어 있다. 각 포토 다이오드(4)는 포토 다이오드 어레이(1)의 한 화소로서의 기능을 갖고, 전체로 하나의 광감응 영역을 구성하고 있다.
포토 다이오드 어레이(1)는 n형(제1 도전형) 실리콘 기판(3)을 구비한다. n형 실리콘 기판(3)의 두께는 30~300㎛(바람직하게는 100㎛) 정도이다. n형 실리콘 기판(3)에 있어서 불순물 농도는 1×1012~1015/㎤ 정도이다. n형 실리콘 기판(3)의 표면측에 있어서, p형(제2 도전형) 불순물 확산층(5)이 종횡에 규칙적으로 어레이 형상으로 2차원 배열되어 있다. p형 불순물 확산층(5)의 두께는 0.05~20㎛ 정도(바람직하게는 0.2㎛)이다. p형 불순물 확산층(5)에 있어서 불순물 농도는 1×1013~1020/㎤ 정도이다. p형 불순물 확산층(5)과 n형 실리콘 기판(3)에 의해 형성되는 pn 접합이 포토 다이오드(4)를 구성하고 있다. n형 실리콘 기판(3)의 표면에는 실리콘 산화막(22)이 형성되어 있다. 이 실리콘 산화막(22)의 위에는 패시베이션막(2)이 형성되어 있다. 패시베이션막(2)는 예를 들면 SiN 등으로 이루어진다.
또, 실리콘 산화막(22)의 위에는 각 p형 불순물 확산층(5)(포토 다이오드(4))에 대응하여 전극 배선(9)이 형성되어 있다. 각 전극 배선(9)은 알루미늄으로 이루어지고, 그 두께는 1㎛ 정도이다. 각 전극 배선(9)의 한 단은 실리콘 산화막(22)에 형성된 컨택트홀을 통과하여 대응하는 p형 불순물 확산층(5)에 전기적으로 접속되어 있다. 각 전극 배선(9)의 다른 단은 패시베이션막(2)에 형성된 컨택트홀을 통과하여 대응하는 언더 범프 메탈(UBM)(11)에 전기적으로 접속되어 있다. 각 UBM(11)에는 땜납의 범프 전극(12)이 형성되어 있다. UBM(11)과 범프 전극(12)은 전기적으로 접속되어 있다.
UBM(11)은 땜납과의 계면 접합이 강하고, 알루미늄에의 땜납 성분의 확산을 방지할 수 있는 것이 바람직하고, 다층막 구조로 하는 것이 많다. 이 다층막 구조로서는 무전해 도금에 의한 니켈(Ni)-금(Au) 등이 있다. 이 구조는 알루미늄이 노출하고 있는 영역에 니켈의 도금을 두껍게(3~15㎛) 형성하고, 그 위에 얇고(0.05~0.1㎛) 금을 도금하는 것이다. 금은 니켈의 산화를 막기 위한 것이다. 그 밖에, 티탄(Ti)-백금(Pt)-금(Au)이나 크롬(Cr)-금(Au)을 리프트 오프에 의해 형성한 구조도 있다.
n형 실리콘 기판(3)의 이면측에는 고불순물 농도층으로서의 어큐뮬레이션층(8)이 설치되어 있다. 어큐뮬레이션층(8)은 이면의 거의 전체에 걸쳐서 거의 균일한 깊이로 형성되어 있다. 어큐뮬레이션층(8)은 n형 실리콘 기판(3)과 동일한 도전형이며, n형 실리콘 기판(3)보다 불순물 농도가 높다. 또, 본 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이(1)는 어큐뮬레이션층(8)을 갖고 있으나, 해당 어큐뮬레이션층(8)을 갖지 않아도, 실용상 충분히 허용할 수 있는 정도의 광검출 감도를 갖고 있다.
어큐뮬레이션층(8)의 위에는 해당 어큐뮬레이션층(8)을 피복하여 보호하는 동시에, 광 L의 반사를 억제하는 AR막(24)이 형성되어 있다. AR막(24)은 예를 들면 SiO2로 이루어지고, 그 두께는 0.01~수㎛ 정도이다. 또, AR막(24)은 SiO2 이외에 SiN이나 필요한 파장에 있어서 반사 방지가 가능한 광학막을 적층 또는 복합하여 형성해도 된다.
n형 실리콘 기판(3)의 표면측에 있어서, 각 p형 불순물 확산층(5)이 존재하는 영역이 포토 다이오드(4)가 형성되어 있는 영역(이하, 「형성 영역」이라고 함)에서, 그 이외의 영역이 포토 다이오드가 형성되지 않는 영역으로 되어 있다. AR막(24)상에는 각 포토 다이오드(4)의 형성 영역에 대응하지 않는 영역(이하, 「비대응 영역」이라고 함)에, 돌출부로서의 스페이서(6)가 복수 설치되어 있다. 스페이서(6)는 소정의 높이를 갖는다. 스페이서(6)는 수지, 금속 또는 절연재로 이루어지고, 소정의 평면 패턴을 나타내고 있다. 스페이서(6)는 n형 실리콘 기판(3)의 이면에 있어서 각 포토 다이오드(4)의 형성 영역에 대응하는 영역(이하, 「대응 영역」이라고 함)보다 적절한 높이(두께)로 돌출하고 있다.
n형 실리콘 기판(3)에 있어서 인접하는 p형 불순물 확산층(5)끼리의 사이 즉 인접하는 포토 다이오드(4)끼리의 사이에는 n＋형 불순물 영역(7)이 설치되어 있다. n＋형 불순물 영역(7)의 두께는 0.1~수 10㎛ 정도이다. n＋형 불순물 영역(7)은 인접하는 포토 다이오드(4)(p형 불순물 확산층(5))끼리를 전기적으로 분리하는 분리층으로서 기능한다. 이로 인해, 인접하는 포토 다이오드(4)끼리가 확실히 전기적으로 분리되고, 포토 다이오드(4) 사이의 크로스 토크(cross talk)를 감소시킬 수 있다. 또, 본 실시형태에 있어서 포토 다이오드 어레이(1)는 n＋형 불순물 영역(7)을 설치하지 않아도, 실용상 충분히 허용할 수 있는 정도의 광검출 특성을 갖고 있다.
포토 다이오드 어레이(1)는 도 2에 나타낸 바와 같이 극히 얇은 판 형상이다. 포토 다이오드 어레이(1)의 폭 W1은 22.4mm 정도이며, 포토 다이오드 어레이(1)의 두께 D는 약 0.3mm이다. 포토 다이오드 어레이(1)는 상술한 포토 다이오드(4)를 다수 갖고(예를 들면, 256(16×16)개의 2차원 배열) 있다. 인접하는 포토 다이오드(4)(화소) 사이의 피치 W2는 1.4mm 정도이다. 포토 다이오드 어레이(1)는 대면적(예를 들면, 22.4mm×22.4mm)의 칩이다. 또, 도 2에서 맨 위의 도면은 포토 다이오드 어레이(1)의 얇음을 나타내기 위한 것이며, 포토 다이오드 어레이(1)의 세부는 확대도에 나타내고 있다.
포토 다이오드 어레이(1)에서는 이면으로부터 광 L이 입사하면, 입사한 광 L은 어큐뮬레이션층(8)을 통과하여 pn 접합에 도달한다. 그리고, 각 포토 다이오드(4)는 그 입사광에 따른 캐리어를 생성한다. 이 때, 어큐뮬레이션층(8)은 n형 실리콘 기판(3)의 내부의 광입사면(이면) 근방에서 생성한 캐리어가 광입사면이나 AR막(24)과의 계면에서 트랩되는 것을 억제한다. 이로 인해, 캐리어가 pn 접합에 효율적으로 이동하고, 포토 다이오드 어레이(1)의 광검출 감도가 높아진다. 생성한 캐리어에 의한 광전류는 각 p형 불순물 확산층(5)에 접속하고 있는 전극 배선(9) 및 UBM(11)을 통과하여 범프 전극(12)으로부터 취출된다. 이 범프 전극(12)으로부터의 출력에 의하여 입사광의 검출을 행하게 된다.
이상과 같이 본 실시형태에 있어서는 포토 다이오드 어레이(1)에서 광 L의 입사면측(즉 이면측)에 있어서, 각 포토 다이오드(4)의 비대응 영역에 대응하여 스페이서(6)가 각각 설치되어 있다. 각 스페이서(6)는 포토 다이오드 어레이(1)를 평콜릿에 흡착하고 플립칩 본딩을 행하는 경우에, 그 평콜릿과 각 포토 다이오드(4)의 대응 영역과의 사이에 틈새를 확보하도록 기능한다. 이로 인해, 각 포토 다이오드(4)의 대응 영역은 각 스페이서(6)가 존재함으로써, 평콜릿에 직접 접촉하는 일은 없다. 따라서, 각 포토 다이오드(4)의 대응 영역이 가압에 의한 스트레스나 가열에 의한 스트레스를 직접 받지 않기 때문에, 해당 대응 영역의 어큐뮬레이션층(8)에 물리적인 데미지(손상)가 미치는 일은 없다. 포토 다이오드(4)에는 그러한 데미지에 의한 결정 결함 등에 기인하는 암전류나 노이즈가 발생하는 일도 없다. 그 결과, 포토 다이오드 어레이(1)는 고정밀의(S/N비가 높음) 광검출을 행할 수 있다.
또, 후술하는 바와 같이 플립칩 본딩 이외에, 예를 들면 포토 다이오드 어레이(1)를 신틸레이터에 일체화하여 CT용 센서로 하는 경우에도, 신틸레이터가 상기 대응 영역에 직접 접촉하는 일이 없기 때문에, 신틸레이터의 장착시에 있어서 데미지를 피할 수 있다.
스페이서(6)는 플립칩 본딩을 행할 때에 평콜릿에 직접적으로 접촉하고, 가압되어서 가열된다. 따라서, 스페이서(6)는 이 가압이나 가열로부터 각 포토 다이오드(4)의 대응 영역을 보호할 수 있는 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들면, 스페이서(6)를 수지로 형성하는 경우에는 열팽창 계수, 가요성, 탄성 특성, 또는 가열에 의해 불순물 이온이 각 포토 다이오드(4)에 확산하지 않는 등의 조건을 고려하면, 에폭시 수지, 폴리이미드 수지, 실리콘 수지, 우레탄 수지, 아크릴 수지, 불소 수지 또는 이들의 복합 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 스페이서(6)의 두께는 2~30㎛(보다 바람직하게는 5~6㎛) 정도가 좋다. 상술한 수지에 의해 스페이서(6)를 구성하면, 포토 다이오드 어레이(1)를 실장할 때의 표면 보호 효과가 높아진다. 다시, 스페이서(6)가 포토 다이오드(4)의 전기적 특성에 영향을 주는 일도 없고 제조 방법도 간단하다. 특히, 폴리이미드 수지는 내열성이 양호하기 때문에, 실장할 때에 평콜릿으로부터 받을 수 있는 열을 효과적으로 차단할 수 있으며 매우 적합하다. 또, 스페이서(6)를 구성하는 수지에 필러를 첨가하고, 스페이서(6)에 차광성을 갖게 해도 된다.
스페이서(6)의 재료로서 금속을 이용해도 된다. 이 경우, 차광성을 갖는 금속이 바람직하고, 예를 들면 Al(알루미늄), Au(금), Ni(니켈), Cr(크롬), Ti, 실리사이드계 등을 이용할 수 있다. 또, 스페이서(6)를 이러한 금속을 서로 적층하여 구성해도 된다. 상술한 금속에 의해 스페이서(6)를 구성하면, 스페이서(6)가 화소간에 입사하는 광을 차단하기 때문에, 포토 다이오드 어레이(1)의 해상도를 향상시킬 수 있다. 또, 방열 특성이 높아짐으로써, 열에 의한 잡음이나 오동작을 억제하는 일도 가능하게 된다. 그 효과는 스페이서(6)의 패턴 형상(자세한 것은 후술함)에 따라서는 현저한 것으로 된다. 또, 예를 들면, 스페이서(6)를 Al과 Ni 도금의 적층막으로 했을 경우는 전자의 막 두께를 1㎛ 정도, 후자의 막 두께를 5㎛ 정도로 하는 것이 매우 적합하다.
또한, 스페이서(6)는 절연재를 이용해도 된다. 이 경우, 스페이서(6)의 재료로서 유리(SiO2), SiN, 저융점 유리 등을 이용할 수 있다.
포토 다이오드 어레이(1)의 평면도를 상정하면, 스페이서(6)는 포토 다이오드 어레이(1)의 표면상에 소정의 패턴을 형성한다. 이하, 스페이서(6)의 패턴을 「평면 패턴」이라고 칭한다. 스페이서(6)를 상기 비대응 영역에 설치하는 경우, 그 평면 패턴(6a)로서는 여러 가지의 것이 생각되며, 예를 들면 도 12a~도 12c 및 도 13a~도 13c에 나타나는 평면 패턴(6a)이 생각된다.
도 12a에 도시된 평면 패턴(6a)에서는 스페이서(6)는 격자 형상으로 형성되어 있고, 이 격자 형상의 스페이서(6)가 배치되어 있다. 도 12b에 도시된 평면 패턴(6b)에서, 각 스페이서(6)는 짧은 벽 형상으로 형성되어 있고, 이러한 짧은 벽 형상의 스페이서(6)가 각 포토 다이오드(4)의 비대응 영역에 있어서 십부(13b) 이외의 위치에 소정 간격으로 단속적으로 배치되어 있다. 도 12c에 도시된 평면 패턴(6c)에서는 각 스페이서(6)는 십자 형상으로 형성되어 있고, 이러한 십자 형상의 스페이서(6)가 각 십부(13b)에 배치되어 있다.
도 12a 내지 도 12c에 도시된 평면 패턴(6a~6c)은 모두 복수의 스페이서(6)를 규칙적으로 배치한 패턴이다. 평면 패턴은 이것에 한정되는 일 없이, 불규칙한 패턴이어도 된다. 불규칙한 패턴은 예를 들면, 짧은 벽 형상의 스페이서(6)나 십자 형상의 스페이서(6)의 배치 간격을 불규칙하게 설정함으로써 얻을 수 있다.
도 12a 내지 도 12c에 도시된 평면 패턴(6a~6c)에서는 포토 다이오드 어레이(1)의 표면에는 각 스페이서(6)에 의해서 나누어진 화소 영역(17)이 복수 형성된다. 이 경우, 인접하는 화소 영역(17)은 스페이서(6)에 의해 완전하게 나누어지는 일 없이 연통하고 있는 것이 좋다. 따라서, 도 12b 및 도 12c에 도시된 평면 패턴(6b, 6c)과 같이 스페이서(6)를 단속적으로 배치하는 것이 바람직하다.
도 13a에 도시된 평면 패턴(6d)에서, 스페이서(6)는 틀 형상으로 형성되어 있고, 이 틀 형상의 스페이서(6)는 포토 다이오드 어레이(1)의 가장자리에 배치되어 있다. 포토 다이오드(4)의 대응 영역은 틀 형상의 스페이서(6)에 의해 둘러싸여 있고, 인접하는 화소 영역(17)이 연통하게 된다. 도 13b에 도시된 평면 패턴(6e)에서, 각 스페이서(6)는 연속한 벽 형상으로 형성되어 있고, 이러한 벽 형상의 스페이서(6)가 포토 다이오드 어레이(1)의 가장자리에 배치되어 있다. 평면 패턴(6d, 6e)에서는 화소 영역(17)이 서로 스페이서(6)에 의해 나누어지는 일은 없다.
상술한 바와 같이, 인접하는 화소 영역(17)이 서로 나누어지는 일 없이 연통하도록 한 평면 패턴(6b, 6c, 6d, 6e)에서는 인접하는 스페이서(6)끼리의 틈새가 수지(예를 들면, 후술하는 신틸레이터 패널(31)을 접착할 때에 이용하는 광학 수지(35))의 피하는 길로서 기능한다. 따라서, 포토 다이오드 어레이(1)의 이면에 수지를 도포했을 때에, 화소 영역(17)내에 보이드(기포)가 발생하기 어려워지고(보이드가 적게 됨), 그 도포한 수지를 각 화소 영역(17)에 치우침 없이 널리 퍼지게 하여 균일하게 충전할 수 있다.
도 13에 도시된 평면 패턴(61f)에서는 격자 형상으로 된 스페이서(6)와 틀 형상의 스페이서(6)가 연속하여 형성되어 있고, 각 화소 영역(17)이 스페이서(6)에 의해 나누어지고 있다. 평면 패턴(6f)에 의하면, 스페이서(6)가 차광성을 갖고 있는 경우, 각 화소 영역(17)이 모두 스페이서(6)에 의해 균일하게 나누어짐으로써, 포토 다이오드 어레이(1)의 해상도를 향상시킬 수 있다.
다음에, 본 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이(1)의 제조 방법에 대해서 도 3 내지 도 11에 근거하여 설명한다.
우선, 도 3에 나타낸 바와 같이 150~500㎛(바람직하게는 350㎛) 정도의 두께를 갖는 n형 실리콘 기판(3)을 준비한다. 다음에, n형 실리콘 기판(3)의 표면 및 이면에 실리콘 산화막(SiO2)(20)을 형성한다(도 4 참조).
다음에, n형 실리콘 기판(3)의 표면에 형성된 실리콘 산화막(20)에, 소정의 포토 마스크를 이용한 패터닝을 행하고, n+형태 불순물 영역(7)을 형성할 예정 위치에 개구를 형성한다. 그리고, 실리콘 산화막(20)에 형성된 개구로부터 인을 도핑하고 n형 실리콘 기판(3)에 n＋형 불순물 영역(7)을 설치한다. 본 실시형태에서는 n형 실리콘 기판(3)의 이면측에도 n＋형 불순물 영역(7)을 형성하고 있다. n＋형 불순물 영역(7)을 설치하지 않는 경우는 이 공정(불순물 영역 형성 공정)을 생략해도 된다. 계속하여, n형 실리콘 기판(3)의 표면 및 이면에 실리콘 산화막(21)을 다시 형성한다(도 5 참조). 이 실리콘 산화막(21)은 후속의 공정에 있어서, p형 불순물 확산층(5)을 형성할 때의 마스크로서 이용된다.
다음에, n형 실리콘 기판(3)의 표면에 형성된 실리콘 산화막(21)에, 소정의 포토 마스크를 이용한 패터닝을 행하고, 각 p형 불순물 확산층(5)을 형성할 예정 위치에 개구를 형성한다. 실리콘 산화막(21)에 형성된 개구로부터 브롬을 도핑하고, p형 불순물 확산층(5)을 종횡의 어레이 형상으로 2차원 배열로 형성한다. 이로 인해, 각 p형 불순물 확산층(5)과 n형 실리콘 기판(3)의 pn 접합에 의한 포토 다이오드(4)가 종횡의 어레이 형상으로 2차원 배열로 형성되게 된다. 이 포토 다이오드(4)는 화소에 대응하는 부분으로 된다. 계속하여, 기판의 표면측에 실리콘 산화막(22)을 다시 형성한다(도 6 참조).
다음에, n형 실리콘 기판(3)의 이면을 그 두께가 소정의 두께(30~300㎛ 정도)가 될 때까지 연마하고, n형 실리콘 기판(3)의 박형(박판)화한다. 그래서, n형 이온종(예를 들면, 인이나 비소)을 n형 실리콘 기판(3)의 이면으로부터 0.05~수 10㎛ 정도의 깊이까지 확산시키고, n형 실리콘 기판(3)보다 불순물 농도가 높은 상술한 어큐뮬레이션층(8)을 형성한다. 또한, 열산화를 행하여, 어큐뮬레이션층(8)의 위에 AR막(24)을 형성한다(도 7 참조).
다음에, 각 포토 다이오드(4)의 형성 영역에, 포토 에칭 기술에 의해 각 p형 불순물 확산층(5)까지 성장하는 컨택트홀을 실리콘 산화막(22)에 형성한다. 계속하여, 알루미늄 금속막을 실리콘 산화막(22)의 위에 증착에 의해 형성한 후에 소정의 포토 마스크를 이용하여 패터닝을 행함으로써, 전극 배선(9)을 형성한다(도 8 참조).
다음에, AR막(24)의 위에 스페이서(6)를 설치한다(도 9 참조).
도 9에 나타낸 바와 같이, 스페이서(6)를 수지로 설치하는 경우는 다음과 같이 한다. 우선, 스페이서(6)의 재료로 되는 수지(스페이서 수지)를 AR막(24)의 위에 도포하고, 도포한 수지를 스핀 코팅이나 스크린 인쇄법에 의해 전체에 넓혀서 경화시킨다. 그 후, 감광성 수지(포토 레지스트)를 도포하고, 소정의 포토 마스크를 이용하여 노광 및 현상을 행하여 스페이서(6)에 대응시킨 레지스터 패턴을 형성한다. 형성한 레지스터 패턴을 마스크로 하여 스페이서 수지를 소정의 영역에 남김으로써, 스페이서(6)를 소정의 평면 패턴으로 설치한다. 또는, 스페이서(6)의 수지가 감광성의 것인 경우는 직접 소정의 포토 마스크를 이용하여 노광 및 현상하여 적당히 큐어를 행하여 얻을 수 있다. 이 스페이서(6)를 설치함으로써, 평콜릿을 이용하여 실장할 때에, 해당 평콜릿에 포토 다이오드(4)의 대응 영역이 직접 접촉하지 않아서 보호되게 된다.
또, 스페이서(6)를 금속으로 형성하는 경우는, 스페이서(6)의 재료로 되는 금속의 피막을 증착, 스패터링, CVD 등의 수법으로 형성한 다음, 상술한 바와 같이 형성된 레지스터 패턴을 마스크로 하여 소정의 영역에만 피막을 남기고, 소정의 평면 패턴으로 스페이서(6)를 설치하면 좋다. 이 경우, 그 피막의 막 두께를 도금에 의해 두껍게 해도 된다.
스페이서(6)를 형성한 후에, 전극 배선(9)을 덮도록, 실리콘 산화막(22)의 위에 패시베이션막(2)으로 되는 SiN막(25)을 형성한다. SiN막(25)은 스패터링이나 플라즈마 CVD 등에 의해 형성할 수 있다. 패시베이션막(2)은 SiO2나 PSG, BPSG 등의 절연막, 폴리이미드 수지, 아크릴레이트 수지, 에폭시 수지, 불소 수지나 이들의 복합막이나 적층막 등이어도 된다. 또, 패시베이션막(2)의 형성 공정은 스페이서(6)의 형성 이전에 행해도 된다.
다음에, SiN막(25)의 소정의 위치에 컨택트홀을 형성하고, 전극 취출부로 한다(도 10 참조). 또, 범프 전극(12)을 설치하지만, 그 범프 전극(12)으로서 땜납을 이용하는 경우, 땜납은 알루미늄에 대한 유성(濡性)이 나쁘기 때문에 각 전극 취출부와 범프 전극(12)을 중개하기 위한 UBM(11)을 각 전극 취출부에 형성한다. 그리고, UBM(11)에 겹쳐서 범프 전극(12)을 형성한다(도 11 참조).
이상의 공정을 거쳐서, 실장시에 있어서 데미지에 기인하는 노이즈가 발생하지 않고, 고정밀의 광검출을 행할 수 있는 포토 다이오드 어레이(1)를 제조할 수 있다.
범프 전극(12)은 땜납 볼 탑재법이나 인쇄법으로 소정의 UBM(11)에 땜납을 형성하여 리플로우함으로써 형성할 수 있다. 또, 범프 전극(12)은 땜납에 한정되는 것이 아니고, 금 범프, 니켈 범프, 동 범프이어도 좋고, 도전성 필러 등의 금속을 포함한 도전성 수지 범프라도 된다. 또, 도면에는 애노드 전극의 취출만을 나타내고 있지만, 캐소드(기판) 전극도 애노드 전극과 동일하게 n＋형 불순물 영역(7)으로부터 취출할 수 있다(도시하지 않음). 또, 도면에서는 애노드 전극의 범프 전극(12)이 n＋형 불순물 영역(7)의 에리어에 형성된 경우를 나타내고 있지만, 애노드 전극의 범프 전극(12)은 p형 불순물 확산층(5)의 에리어에 형성해도 된다.
(제2 실시형태)
다음에, 포토 다이오드 어레이와 그 제조 방법의 제2 실시형태에 대하여 설명한다.
본 실시형태에서는 도 14에 나타낸 바와 같이 광 L의 입사면의 반대면측(표면측)에 리세스부(45)가 형성된 n형 실리콘 기판(43)을 갖는 포토 다이오드 어레이(41)를 대상으로 하고 있다. 또, 이 포토 다이오드 어레이(41)는 포토 다이오드 어레이(1)와 공통 부분을 가지므로, 이하의 설명은 쌍방의 차이점을 중심으로 행하고, 공통 부분에 대해서는 그 설명을 생략 내지 간략화한다.
포토 다이오드 어레이(41)에서는 n형 실리콘 기판(43)의 표면측에, 리세스부(45)가 종횡에 규칙적으로 어레이 형상으로 2차원 배열로 복수 형성되어 있다. 각 리세스부(45)는 n형 실리콘 기판(43)의 소정의 영역을 그 주위의 영역보다 얇아지도록 움푹 들어가게 형성한 것으로, 1.4~1.5mm 정도의 배치 간격으로 형성되어 있다. 리세스부(45)의 저부(45a)에 상술한 포토 다이오드(4)가 1개씩 형성됨으로써, 포토 다이오드(4)가 어레이 형상으로 2차원 배열된 포토 다이오드 어레이(41)를 구성하고 있다.
각 리세스부(45)는 n형 실리콘 기판(43)의 표면에, 예를 들면 1mm×1mm 정도의 크기의 직사각 형상의 개구를 갖고, 그 개구로부터 그 저부(45a)에 향하여(표면측으로부터 이면측에 향하여) 개구 치수가 점차 축소하도록 형성되어 있다. 이로 인해, 리세스부(45)는 경사면의 측면(45b)을 갖게 된다. n형 실리콘 기판(43)의 표면에서부터 저부(45a)까지의 깊이는 예를 들면 50㎛ 정도이다.
전극 배선(9)은 측면(45b)을 따라서 실리콘 산화막(22)의 위에 형성되어 있다. 각 전극 배선(9)의 한 단은 실리콘 산화막(22)에 형성된 컨택트홀을 통과하여, 대응하는 p형 불순물 확산층(5)에 전기적으로 접속되어 있다. 각 전극 배선(9)의 다른 단은 패시베이션막(2)에 형성된 컨택트홀을 통과하여, 대응하는 UBM(11)에 전기적으로 접속되어 있다. 인접 포토 다이오드(4)의 사이에, n＋형 불순물 영역(7)이 설치되어 있다.
n형 실리콘 기판(3)의 이면측 전체에는 어큐뮬레이션층(8)이 형성되어 있다. 어큐뮬레이션층(8)의 위에는 AR막(24)이 형성되어 있다. 이 어큐뮬레이션층(8), AR막(24) 모두 상술한 포토 다이오드 어레이(1)와 동일하다. 그리고, 그리고, AR막(24)의 위의 각 포토 다이오드(4)의 비대응 영역에 상술한 스페이서(6)가 설치되어 있다. 이 스페이서(6)도 상술한 포토 다이오드 어레이(1)와 동일하다.
포토 다이오드 어레이(41)는 도 15에 나타낸 바와 같이 극히 얇은 판 형상이다. 포토 다이오드 어레이(41)의 폭 W1은 22.4mm 정도이며, 포토 다이오드 어레이(41)의 두께 D는 150~300㎛이다. 포토 다이오드 어레이(41)는 상술한 포토 다이오드(4)를 다수 갖는다(예를 들면, 256(16×16)개의 2차원 배열). 인접하는 포토 다이오드(4)간의 피치 W2는 1.4mm 정도이다. 포토 다이오드 어레이(41)는 대면적(예를 들면, 22.4mm×22.4mm)의 칩이다. 또, 도 15에서 맨 위의 도면은 포토 다이오드 어레이(41)의 얇음을 나타내기 위한 것이며, 포토 다이오드 어레이(41)의 세부는 확대도에 도시하고 있다.
이상과 같이 구성된 포토 다이오드 어레이(41)는 이면으로부터 광 L이 입사하면, 포토 다이오드 어레이(1)와 동일하게, 입사한 광 L은 어큐뮬레이션층(8)을 통과하여 pn 접합에 도달한다. 그리고, 각 포토 다이오드(4)는 그 입사광에 따른 캐리어를 생성한다. 이 때, pn 접합이 리세스부(45)의 저부(45a)에 설치되어 있으므로 n형 실리콘 기판(43)의 이면으로부터 pn 접합까지의 거리가 단축되어 있다(예를 들면, 10~100㎛ 정도). 따라서, 포토 다이오드 어레이(41)에서는 광 L의 입사에 의해 발생하는 캐리어가 이동하는 과정에서, 재결합에 의해 소멸하게 되는 사태가 억제된다. 그 결과, 포토 다이오드 어레이(41)는 검출 감도를 높게 유지할 수 있다.
또, 어큐뮬레이션층(8)에 의해, n형 실리콘 기판(3)의 내부의 광입사면(이면) 근방에서 생성한 캐리어가 재결합하는 일 없이 pn 접합에 효율적으로 이동하게 된다. 이로 인해, 포토 다이오드 어레이(41)는 광검출 감도가 한층 높아지고 있다(단, 본 실시형태의 포토 다이오드 어레이(41)는 어큐뮬레이션층(8)을 설치하지 않아도, 실용상 충분히 허용할 수 있는 정도의 검출 감도를 갖고 있음).
생성한 캐리어에 의한 광전류는 각 p형 불순물 확산층(5)에 접속하고 있는 전극 배선(9) 및 UBM(11)을 통해 범프 전극(12)으로부터 취출된다. 이 범프 전극(12)으로부터의 출력에 의하여, 입사광의 검출을 행하게 된다. 이 점에 대해서는 포토 다이오드 어레이(1)와 동일하다.
이상과 같이 본 실시형태의 포토 다이오드 어레이(41)도 포토 다이오드 어레이(1)와 동일하게, 각 포토 다이오드(4)의 비대응 영역에 대응하여 스페이서(6)가 각각 설치되어 있다. 포토 다이오드 어레이(41)를 평콜릿에 흡착하여 플립칩 본딩을 행하는 경우, 각 포토 다이오드(4)의 대응 영역이 스페이서(6)에 의해 보호되고, 평콜릿에 직접 접촉하는 일은 없다. 따라서, 각 포토 다이오드(4)의 대응 영역이 가압에 의한 스트레스나 가열에 의한 스트레스를 직접 받지 않기 때문에, 해당 대응 영역에 있어서 어큐뮬레이션층(8)에 물리적인 데미지(손상)가 미치는 일은 없다. 포토 다이오드(4)에는 그러한 데미지에 의한 결정 결함 등에 기인하는 암전류나 노이즈가 발생하는 일도 없다. 그 결과, 포토 다이오드 어레이(41)는 고정밀의(S/N비가 높음) 광검출을 행할 수 있다.
또, 후술하는 바와 같이 플립칩 본딩 이외에, 예를 들면 포토 다이오드 어레이(41)를 신틸레이터에 일체화하여 CT용 센서로 하는 경우에도, 신틸레이터가 상기 대응 영역에 직접 접촉하는 일이 없기 때문에, 신틸레이터의 설치시에 있어서 데미지를 피할 수 있다.
다음에, 본 실시형태에 관한 포토 다이오드 어레이(41)의 제조 방법에 대해서 도 3 내지 도 6, 도 16 내지 도 22에 근거하여 설명한다.
우선, 포토 다이오드 어레이(1)와 동일하게, 도 3 내지 도 6을 이용하여 설명한 각 공정을 실행한다. 다음에, n형 실리콘 기판(3)의 이면을 해당 n형 실리콘 기판(3)의 두께가 소정의 두께가 될 때까지 연마하고, n형 실리콘 기판(3)의 박형(박판)화를 행한다. 계속하여, n형 실리콘 기판(3)의 표면 및 이면에, LP-CVD(또는 플라즈마 CVD)에 의해 실리콘 질화막(SiN)(26)을 형성하고, 추가로 계속하여 표면측의 실리콘 산화막(22)과 실리콘 질화막(26)에, 소정의 포토 마스크를 이용하여 패터닝을 행하고, 각 리세스부(45)를 형성할 예정 위치에 개구를 형성한다(도 16 참조).
다음에, n형 실리콘 기판(3)의 표면에, 그 각 p형 불순물 확산층(5)이 형성되어 있는 영역을 대상으로 하고, p형 불순물 확산층(5)의 틀 형상 주변부(5a)가 남도록, p형 불순물 확산층(5) 및 n형 실리콘 기판(3)을 알칼리 에칭에 의해 제거하여 리세스부(45)를 형성한다. 이로 인해, n형 실리콘 기판(43)이 얻어지게 된다. 이 때, 리세스부(45)의 개구 가장자리부에, p형 불순물의 확산한 영역으로서 틀 형상 주변부(5a)가 형성된다. 리세스부(45)는 측면(45b)과 저부(45a)를 갖게 된다. 틀 형상 주변부(5a)는 반드시 필요하지 않다. 틀 형상 주변부(5a)를 형성한 경우, 리세스부(45)를 형성하기 위한 에칭에 의해 형성된 엣지 부분에서의 데미지에 의한 잡음이나 암전류를 방지하는 효과가 얻어진다. 도 14, 15, 24에서는 틀 형상 주변부(5a)를 형성하지 않는 예가 도시되어 있다.
그 다음에, 형성된 각 리세스부(45)의 저부(45a)에 브롬 등을 도핑한다. 이로 인해, 각 리세스부(45)의 저부(45a)에 p형 불순물 확산층(5b)이 형성되게 되고, 그 p형 불순물 확산층(5b)과 n형 실리콘 기판(43)의 pn 접합에 의한 포토 다이오드(4)가 종횡의 어레이 형상으로 2차원 배열로 형성된다. 계속하여, 표면에 형성된 실리콘 질화막(26)에서 피복되어 있지 않은 영역의 위에 실리콘 산화막(22)을 형성한다(도 17 참조). 또, 이 때, 도시는 하지 않았으나 이면에 형성된 실리콘 질화막(23)의 위에도 실리콘 산화막이 형성된다.
다음에, n형 실리콘 기판(43)의 이면측에 형성된 실리콘 질화막(26)을 제거한 후, n형 이온종(예를 들면, 인이나 비소)의 이온 주입 등에 의해, n형 실리콘 기판(43)보다 불순물 농도가 높은 어큐뮬레이션층(8)을 형성한다. 또, 열산화를 행하고, 어큐뮬레이션층(8)의 위에 AR막(24)을 형성한다. 그 후, n형 실리콘 기판(43)의 표면에 형성된 실리콘 질화막(26)을 제거한다(도 18 참조).
그리고, 각 포토 다이오드(4)의 형성 영역에 있어서, 포토 에칭 기술에 의해, 각 p형 불순물 확산층(5b)까지 뻗은 컨택트홀을 표면측의 실리콘 산화막(22)에 형성한다. 계속하여, 알루미늄 금속막을 실리콘 산화막(22)의 위에 증착에 의해 형성한 후에 소정의 포토 마스크를 이용하여 패터닝을 행함으로써 전극 배선(9)을 형성한다(도 19 참조).
다음에, 제1 실시형태와 동일한 요령으로, AR막(24)의 위에 스페이서(6)를 설치한다(도 20 참조).
스페이서(6)를 형성한 후, 전극 배선(9)을 덮도록, 실리콘 산화막(22)의 위에 패시베이션막(2)으로 되는 SiN막(25)을 형성한다. SiN막(25)은 스패터링이나 플라스마 CVD 등에 의해 형성할 수 있다. 계속하여, SiN막(25)의 각 전극 배선(9)에 대응하는 위치에 컨택트홀을 형성한다(도 21 참조). 계속하여, 제1 실시형태와 동일한 요령으로, 컨택트홀을 통하여 전극 배선(9)과 전기적으로 접속하는 UBM(11)을 무전해 도금 등에 의해 형성한다. 그리고, UBM(11)에 겹쳐서 범프 전극(12)을 형성한다(도 22 참조).
이상의 공정을 거쳐서, 실장시에 있어서 데미지에 기인하는 노이즈나 암전류가 발생하지 않고, 고정밀의 광검출을 행할 수 있는 포토 다이오드 어레이(41)를 제조할 수 있다. 또, 도면에는 애노드 전극의 취출만을 나타내고 있으나, 캐소드(기판) 전극도 애노드 전극과 동일하게, n＋형 불순물 영역(7)으로부터 취출할 수 있다(도시하지 않음).
(제3 실시형태)
다음에, 제3 실시형태에 관한 방사선 검출기에 대하여 설명한다.
도 23은 본 실시형태에 관한 방사선 검출기(50)의 단면 구성을 나타내는 도면이다. 이 방사선 검출기(50)는 방사선의 입사에 의해 발광하는 신틸레이터 패널(31)과, 상술한 포토 다이오드 어레이(1)를 구비하고 있다. 신틸레이터 패널(31)은 입사한 방사선에 의하여 생긴 광을 광출사면(31a)으로부터 출사한다. 신틸레이터 패널(31)은 포토 다이오드 어레이(1)의 광입사면, 즉 포토 다이오드 어레이(1)에 있어서 스페이서(6)가 형성된 면에 대향하여 배치되어 있다. 포토 다이오드 어레이(1)는 신틸레이터 패널(31)의 광출사면(31a)으로부터 출사한 광이 광입사면으로부터 입사하면, 입사한 광을 전기 신호로 변환한다.
신틸레이터 패널(31)은 포토 다이오드 어레이(1)의 이면측(입사면측)에 장착된다. 포토 다이오드 어레이(1)에는 상술한 스페이서(6)가 형성되어 있으므로, 신틸레이터 패널(31)의 이면, 즉 광출사면(31a)은 포토 다이오드(4)의 대응 영역에 직접 접촉하는 일은 없다. 스페이서(6)에 의해 형성되는 신틸레이터 패널(31)의 광출사면(31a)과 포토 다이오드 어레이(1)와의 사이의 공간에는 광이 충분히 투과하도록 설정된 굴절률을 갖는 광학 수지(35)가 충전되어 있다. 이 광학 수지(35)에 의해, 신틸레이터 패널(31)로부터 출사한 광이 효율적으로 포토 다이오드 어레이(1)에 입사한다. 이 광학 수지(35)는 신틸레이터 패널(31)로부터 출사한 광을 투과하는 성질을 갖는 에폭시 수지나, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지, 불소계 수지 등을 이용할 수 있으나, 이들의 복합 재료를 이용해도 된다.
그리고, 포토 다이오드 어레이(1)를 도시하지 않는 실장 배선 기판상에 본딩 할 때, 평콜릿에서 포토 다이오드 어레이(1)를 흡착한다. 그러나, 포토 다이오드 어레이(1)에는 상술한 스페이서(6)가 형성되어 있기 때문에, 평콜릿의 흡착면이 각 포토 다이오드(4)의 대응 영역에 직접 접촉하는 일은 없다. 또, 신틸레이터 패널(31)을 장착했을 때에, 그 광출사면(31a)이 포토 다이오드(4)의 대응 영역에 직접 접촉하는 일도 없다. 따라서, 이와 같은 포토 다이오드 어레이(1)와 신틸레이터 패널(31)을 갖는 방사선 검출기(50)는 실장시에 있어서 대응 영역의 데미지에 의한 노이즈나 암전류 등의 발생을 방지할 수 있다. 그 결과, 방사선 검출기(50)에 의하면, 광검출이 양호한 정밀도로 행해져서, 방사선의 검출도 양호한 정밀도로 행할 수 있다.
(제4 실시형태)
다음에, 제4 실시형태에 관한 방사선 검출기에 대하여 설명한다.
도 24는 본 실시형태에 관한 방사선 검출기(55)의 단면 구성을 나타내는 도면이다. 이 방사선 검출기(55)는 신틸레이터 패널(31)과, 상술한 포토 다이오드 어레이(41)를 구비하고 있다. 신틸레이터 패널(31)은 포토 다이오드 어레이(41)의 광입사면, 즉 포토 다이오드 어레이(41)에 있어서 스페이서(6)가 설치된 면에 대향하여 배치되어 있다.
신틸레이터 패널(31)은 포토 다이오드 어레이(41)의 이면측(입사면측)에 장착된다. 포토 다이오드 어레이(41)에는 상술한 스페이서(6)가 설치되어 있으므로, 신틸레이터 패널(31)의 이면, 즉 광출사면(31a)은 포토 다이오드(4)의 대응 영역에 직접 접촉하는 일은 없다. 또, 신틸레이터 패널(31)의 광출사면(31a)과 스페이서(6)와의 사이의 공간에는 광학 수지(35)가 충전되어 있다. 이 광학 수지(35)에 의해, 신틸레이터 패널(31)로부터 출사한 광이 효율적으로 포토 다이오드 어레이(41)에 입사한다.
그리고, 포토 다이오드 어레이(41)를 도시하지 않은 실장 배선 기판상에 본딩 할 때, 평콜릿에서 포토 다이오드 어레이(41)를 흡착한다. 그러나, 포토 다이오드 어레이(41)에는 상술한 스페이서(6)가 형성되어 있기 때문에, 평콜릿의 흡착면이 각 포토 다이오드(4)의 대응 영역에 직접 접촉하는 일은 없다. 또, 신틸레이터 패널(31)을 장착했을 때에, 그 광출사면(31a)이 포토 다이오드(4)의 대응 영역에 직접 접촉하는 일도 없다. 따라서, 이와 같은 포토 다이오드 어레이(41)와 신틸레이터 패널(31)을 갖는 방사선 검출기(55)는 실장시에 있어서 대응 영역의 데미지에 의한 노이즈나 암전류 등의 발생을 방지할 수 있다. 그 결과, 방사선 검출기(55)에 의하면, 광검출이 양호한 정밀도로 행해져서, 방사선의 검출도 양호한 정밀도로 행할 수 있다.
이상, 본 발명자 등에 의하여 된 발명을 실시형태에 근거하여 구체적으로 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 스페이서(6)는 n형 실리콘 기판(3, 43)의 위에 직접 설치하도록 해도 되고, AR막(24) 등의 구조체를 통하여 설치하도록 해도 된다.
본 발명은 X선 단층상 촬상 장치, 방사선상 촬상 장치에 이용할 수 있다.

Claims (12)

  1. 반도체 기판을 구비하고,
    상기 반도체 기판에 있어서 피검출광의 입사면의 반대면측에, 복수의 포토 다이오드가 어레이 형상으로 형성되어 있고,
    상기 반도체 기판의 피검출광의 상기 입사면측에 있어서 상기 포토 다이오드가 형성된 영역에 대응하지 않는 영역에, 소정의 높이를 갖는 돌출부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 기판에 있어서 피검출광의 상기 입사면의 상기 반대면측에는 소정의 깊이를 갖는 리세스(recess, 窪)부가 어레이 형상으로 복수 형성되어 있고,
    상기 각 포토 다이오드는 상기 리세스부의 저(底)부에 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 돌출부는 차광성을 갖는 수지 또는 금속으로 이루어는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 돌출부는 복수 형성되어 있고,
    상기 각 돌출부는 소정의 간격을 갖도록 단속적으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 기판에는 인접하는 상기 각 포토 다이오드의 사이에 상기 각 포토 다이오드를 분리하는 불순물 영역이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 피검출광의 상기 입사면측에는 해당 반도체 기판과 동일한 도전형의 고불순물 농도층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이.
  7. 제1 도전형의 반도체로 이루어지는 반도체 기판을 준비하고,
    상기 반도체 기판의 한 쪽의 면측에 복수의 제2 도전형의 불순물 확산층을 형성하고, 해당 각 불순물 확산층과 상기 반도체 기판에 의해 구성되는 복수의 포토 다이오드를 어레이 형상으로 배열하여 형성하는 공정과,
    상기 반도체 기판의 다른 쪽의 면에 있어서, 상기 포토 다이오드가 형성된 영역에 대응하지 않는 영역에, 소정의 높이를 갖는 돌출부를 설치하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이의 제조 방법.
  8. 제1 도전형의 반도체로 이루어지는 반도체 기판을 준비하고,
    상기 반도체 기판의 한 쪽의 면측에, 리세스부를 어레이 형상으로 배열하여 복수 형성하는 공정과,
    상기 리세스부의 저부에 복수의 제2 도전형의 불순물 확산층을 형성하고, 해당 각 불순물 확산층과 상기 반도체 기판에 의해 구성되는 복수의 포토 다이오드를 어레이 형상으로 배열하여 형성하는 공정과,
    상기 반도체 기판의 다른 쪽의 면에 있어서, 상기 포토 다이오드가 형성된 영역에 대응하지 않는 영역에 소정의 높이를 갖는 돌출부를 설치하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이의 제조 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 돌출부를 설치하는 상기 공정 이전에, 상기 반도체 기판의 상기 다른 쪽의 면에, 제1 도전형의 고불순물 농도층을 형성하는 공정을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이의 제조 방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    인접하는 상기 불순물 확산층의 사이에 제1 도전형의 불순물 영역을 설치하는 공정을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 포토 다이오드 어레이의 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 포토 다이오드 어레이와,
    상기 포토 다이오드 어레이에 있어서 상기 피검출광의 상기 입사면에 대향하여 배치되고, 방사선의 입사에 의해 발광하는 신틸레이터 패널을 구비하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
  12. 제7항 또는 제10항에 기재된 제조 방법에 의해 제조된 포토 다이오드 어레이와,
    상기 포토 다이오드 어레이에 있어서 상기 돌출부가 설치된 면에 대향하여 배치되고, 방사선의 입사에 의해 발광하는 신틸레이터 패널을 구비하는 것을 특징으로 하는 방사선 검출기.
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