TW201511314A - 半導體光檢測元件 - Google Patents

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Hamamatsu Photonics Kk
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Abstract

準備一n-型半導體基板1，其含有彼此對向之第1主面1a及第2主面1b，並且於第1主面1a側形成有p+型半導體區域3。對n-型半導體基板1之第2主面1a中之至少與p+型半導體區域3對向的區域照射脈衝雷射光，形成不規則的凹凸10。於形成不規則的凹凸10之後，在n-型半導體基板1之第2主面1a側，形成具有較n-型半導體基板1更高之雜質濃度的累積層11。於形成累積層11之後，對n-型半導體基板1進行熱處理。

Description

半導體光檢測元件
本發明係關於一種半導體光檢測元件。
作為於近紅外光之波長區域具有較高之光譜靈敏度特性之光二極體，已知使用有化合物半導體之光二極體(例如參照專利文獻1)。專利文獻1中所記載之光二極體包括：第1受光層，其包含InGaAsN、InGaAsNSb及InGaAsNP中之任一者；及第2受光層，其具有較第1受光層之吸收端更長波長之吸收端，且包含量子井結構。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2008-153311號公報
然而，該種使用有化合物半導體之光二極體之價格依然較高，且製造步驟亦複雜。因此，要求實用一種便宜且容易製造的矽光二極體，其於近紅外光之波長區域具有充分之光譜靈敏度。關於矽光二極體，一般而言，於光譜靈敏度特性之長波長側之極限為1100nm左右，但於1000nm以上之波長區域中之光譜靈敏度特性並不充分。
本發明之目的在於提供一種半導體光檢測元件，其係使用有矽者，且於近紅外光之波長區域具有充分之光譜靈敏度特性。
本發明之半導體光檢測元件包含矽基板，該矽基板含有由第1導電型之半導體區域與第2導電型之半導體區域所形成之pn接面，於矽基板上，在該矽基板之一主面側形成有第1導電型之累積層，並且在一主面中之至少與pn接面對向的區域上形成有不規則的凹凸，矽基板之一主面中之與pn接面對向的區域光學性露出(optical exposure)。
本發明之半導體光檢測元件中，在矽基板之一主面中之至少與pn接面對向的區域上形成有不規則的凹凸。因此，入射至半導體光檢測元件之光經該區域而發生反射、散射或擴散，從而於矽基板內行進較長之距離。藉此，入射至半導體光檢測元件之光之大部分會被矽基板吸收，而並未穿透半導體光檢測元件(矽基板)。因此，上述半導體光檢測元件中，入射至半導體光檢測元件之光之行進距離變長，光被吸收之距離亦變長，故於近紅外光之波長區域之光譜靈敏度特性提高。
本發明之半導體光檢測元件中，於矽基板之一主面側形成有第1導電型之累積層。因此，使於一主面側並非由光而產生之無用載子再結合，從而可減少暗電流。第1導電型之上述累積層會抑制在矽基板之一主面附近由光所產生之載子被該一主面捕獲。因此，由光所產生之載子可朝pn接面有效地移動，從而可提高半導體光檢測元件之光檢測靈敏度。
本發明之光二極體包含矽基板，該矽基板包含第1導電型之半導體，且含有彼此對向之第1主面及第2主面，並且於第1主面側形成有第2導電型之半導體區域，於矽基板上，在第2主面側形成有具有較矽基板更高之雜質濃度之第1導電型的累積層，並且在第2主面中之至少與第2導電型之半導體區域對向的區域上形成有不規則的凹凸，矽基板之第2主面中之與第2導電型之半導體區域對向的區域光學性露出。
本發明之光二極體中，如上所述，入射至光二極體之光之行進 距離變長，光被吸收之距離亦變長，因此於近紅外光之波長區域之光譜靈敏度特性提高。藉由形成於矽基板之第2主面側之第1導電型之累積層，可減少暗電流，並且可提高光二極體之光檢測靈敏度。
較好的是：矽基板中，自第2主面側起薄化與第2導電型之半導體區域對應之部分，保留該部分之周邊部分。此時，可獲得將矽基板之第1主面及第2主面側分別作為光入射面之光二極體。
較好的是：第1導電型之累積層之厚度大於不規則的上述凹凸之高低差。此時，如上所述，可確保累積層之作用效果。
根據本發明，可提供一種半導體光檢測元件，其係使用有矽者，且於近紅外光之波長區域具有充分之光譜靈敏度特性。
1‧‧‧n-型半導體基板
1a‧‧‧第1主面
1b‧‧‧第2主面
3‧‧‧p+型半導體區域
5‧‧‧n+型半導體區域
7‧‧‧絕緣層
10‧‧‧不規則的凹凸
11‧‧‧累積層
13、15‧‧‧電極
H1、H2‧‧‧接觸孔
MI1‧‧‧MOS影像感測器
PD1~PD5‧‧‧光二極體
PDA1~PDA3‧‧‧光二極體陣列
PL‧‧‧脈衝雷射光
SI1‧‧‧固體攝像元件
圖1係用於說明第1實施形態之光二極體之製造方法的圖。
圖2係用於說明第1實施形態之光二極體之製造方法的圖。
圖3係用於說明第1實施形態之光二極體之製造方法的圖。
圖4係用於說明第1實施形態之光二極體之製造方法的圖。
圖5係用於說明第1實施形態之光二極體之製造方法的圖。
圖6係用於說明第1實施形態之光二極體之製造方法的圖。
圖7係用於說明第1實施形態之光二極體之製造方法的圖。
圖8係用於說明第1實施形態之光二極體之製造方法的圖。
圖9係用於說明第1實施形態之光二極體之製造方法的圖。
圖10係用於說明第1實施形態之光二極體之製造方法的圖。
圖11係表示第1實施形態之光二極體之構成的圖。
圖12係表示實施例1及比較例1中的光譜靈敏度相對於波長之變化之線圖。
圖13係表示實施例1及比較例1中的溫度係數相對於波長之變化 的線圖。
圖14係用於說明第2實施形態之光二極體之製造方法的圖。
圖15係用於說明第2實施形態之光二極體之製造方法的圖。
圖16係用於說明第2實施形態之光二極體之製造方法的圖。
圖17係用於說明第3實施形態之光二極體之製造方法的圖。
圖18係用於說明第3實施形態之光二極體之製造方法的圖。
圖19係用於說明第3實施形態之光二極體之製造方法的圖。
圖20係用於說明第3實施形態之光二極體之製造方法的圖。
圖21係用於說明第3實施形態之光二極體之製造方法的圖。
圖22係用於說明第4實施形態之光二極體之製造方法的圖。
圖23係用於說明第4實施形態之光二極體之製造方法的圖。
圖24係用於說明第4實施形態之光二極體之製造方法的圖。
圖25係用於說明第5實施形態之光二極體陣列之構成的圖。
圖26係表示第6實施形態之半導體光檢測元件的立體圖。
圖27係用於說明第6實施形態之半導體光檢測元件之剖面構成的圖。
圖28係用於說明第7實施形態之光二極體之構成的圖。
圖29係用於說明第8實施形態之光二極體陣列之構成的圖。
圖30係概略性地表示第9實施形態之光二極體陣列的俯視圖。
圖31係表示沿圖30中之XXXI-XXXI線之剖面構成的圖。
圖32係用於概略性地說明各光檢測通道與信號導線及電阻之連接關係的圖。
圖33係概略性地表示第10實施形態之MOS影像感測器之俯視圖。
圖34(a)、(b)係表示沿圖33中之XXXIV-XXXIV線之剖面構成的圖。
圖35係放大表示第10實施形態之MOS影像感測器中之一個像素的俯視圖。
圖36係(a)、(b)係表示沿圖35中之XXXVI-XXXVI線之剖面構成的圖。
以下，參照隨附圖式，詳細地說明本發明之較佳實施形態。再者，於以下說明中，對於相同要素或具有相同功能之要素，使用相同符號而省略其重複之說明。
(第1實施形態)
參照圖1~圖10，說明第1實施形態之光二極體之製造方法。圖1~圖10係用於說明第1實施形態之光二極體之製造方法的圖。
首先，準備一n-型半導體基板1，其包含矽(Si)結晶，且含有彼此對向之第1主面1a及第2主面1b(參照圖1)。n-型半導體基板1之厚度為300μm左右，比電阻為1kΩ．cm左右。於本實施形態中，所謂「高雜質濃度」，係指例如雜質濃度為約1×1017cm-3以上，對其導電型附上「+」來表示。所謂「低雜質濃度」，係指例如雜質濃度為約1×1015cm-3以下，對其導電型附上「-」來表示。作為n型雜質，有銻(Sb)或砷(As)等，作為p型雜質，有硼(B)等。
其次，於n-型半導體基板1之第1主面1a側，形成p+型半導體區域3及n+型半導體區域5(參照圖2)。p+型半導體區域3係以如下方法形成：使用中央部設有開口之遮罩等，於n-型半導體基板1內自第1主面1a側使p型雜質高濃度地擴散。n+型半導體區域5係以如下方法形成：使用周邊部區域設有開口之另一遮罩等，以包圍p+型半導體區域3之方式，於n-型半導體基板1內自第1主面1a側使n型雜質以較n-型半導體基板1更高濃度地擴散。p+型半導體區域3之厚度例如為0.55μm左右，片材電阻例如為44Ω/sq.。n+型半導體區域5之厚度例如為1.5μm 左右，片材電阻例如12Ω/sq.。
接著，於n-型半導體基板1之第1主面1a側形成絕緣層7(參照圖3)。絕緣層7係包含SiO2，且藉由將n-型半導體基板1熱氧化而形成。絕緣層7之厚度例如為0.1μm左右。繼而，於p+型半導體區域3上之絕緣層7中形成接觸孔H1，於n+型半導體區域5上之絕緣層7中形成接觸孔H2。亦可代替絕緣層7而形成包含SiN之抗反射(AR，anti-reflective)層。
然後，於n-型半導體基板1之第2主面1b上及絕緣層7上，形成鈍化層9(參照圖4)。鈍化層9係包含SiN，且藉由例如電漿CVD(Chemical Vapor Deposition，化學氣相沈積)法而形成。鈍化層9之厚度例如為0.1μm。而且，為了使n-型半導體基板1之厚度成為所需之厚度，自第2主面1b側對n-型半導體基板1進行研磨(參照圖5)。藉此，形成於n-型半導體基板1之第2主面1b上之鈍化層9被去除，露出n-型半導體基板1。此處，經研磨而露出之面亦可作為第2主面1b。所需之厚度例如為270μm。
接下來，對n-型半導體基板1之第2主面1b照射脈衝雷射光PL，形成不規則的凹凸10(參照圖6)。此處，如圖7所示，將n-型半導體基板1配置於腔室C內，自配置於腔室C外側之脈衝雷射產生裝置PLD來對n-型半導體基板1照射脈衝雷射光PL。腔室C含有氣體導入部GIN及氣體排出部GOUT，將惰性氣體(例如氮氣或氬氣等)自氣體導入部GIN導入後自氣體排出部GOUT排出，藉此，於腔室C內形成有惰性氣體流Gf。照射脈衝雷射光PL時所產生之塵埃等會藉由惰性氣體流Gf而排出至腔室C外，從而能防止加工屑或塵埃等附著於n-型半導體基板1上。
本實施形態中，使用皮秒~飛秒脈衝雷射產生裝置作為脈衝雷射產生裝置PLD，且遍及第2主面1b之整個表面而照射皮秒~飛秒脈衝雷射光。第2主面1b被皮秒~飛秒脈衝雷射光破壞後，如圖8所示，於第2 主面1b之整個表面上形成有不規則的凹凸10。不規則的凹凸10含有相對於與第1主面1a正交之方向而交差之面。凹凸10之高低差例如為0.5~10μm左右，凹凸10中之凸部之間隔為0.5~10μm左右。皮秒~飛秒脈衝雷射光之脈衝時間寬度(time width)例如為50fs~2ps左右，強度例如為4~16GW左右，脈衝能量例如為200~800μJ/pulse左右。更一般而言，峰值強度為3×1011~2.5×1013(W/cm2)，通量為0.1~1.3(J/cm2)左右。圖8係對形成於第2主面1b上之不規則的凹凸10觀察所得的SEM(Scanning Electron Microscope，掃描式電子顯微鏡)圖像。
其次，於n-型半導體基板1之第2主面1b側，形成累積層11(參照圖9)。此處，於n-型半導體基板1內自第2主面1b側使n型雜質進行離子注入或擴散，以達到較n-型半導體基板1更高之雜質濃度，藉此形成累積層11。累積層11之厚度例如為1μm左右。
其次，對n-型半導體基板1進行熱處理(退火)。此處，於N2氣體之環境下，在800~1000℃左右之範圍內進行0.5~1小時左右的加熱。
然後，去除形成於絕緣層7上之鈍化層9後，形成電極13、15(參照圖10)。電極13形成於接觸孔H1內，電極15形成於接觸孔H2內。電極13、15分別包含鋁(Al)等，厚度例如為1μm左右。藉此，完成光二極體PD1。
如圖10所示，光二極體PD1包括n-型半導體基板1。於n-型半導體基板1之第1主面1a側，形成有p+型半導體區域3及n+型半導體區域5，於n-型半導體基板1與p+型半導體區域3之間形成有pn接面。電極13通過接觸孔H1而與p+型半導體區域3電性接觸且連接。電極15通過接觸孔H2而與n+型半導體區域5電性接觸且連接。
於n-型半導體基板1之第2主面1b上，形成有不規則的凹凸10。於n-型半導體基板1之第2主面1b側，形成有累積層11，且第2主面1b光學性露出。所謂第2主面1b光學性露出，不僅指第2主面1b與空氣等環 境氣體接觸，而且亦包含於第2主面1b上形成有光學上透明之膜之情形。
光二極體PD1中，於第2主面1b上形成有不規則的凹凸10。因此，如圖11所示，入射至光二極體PD1之光L藉由凹凸10而發生反射、散射或擴散，從而於n-型半導體基板1內行進較長之距離。
通常，Si之折射率n=3.5，相對於此，空氣之折射率n=1.0。光二極體中，在光自與光入射面垂直之方向進行入射時，於光二極體(矽基板)內未被吸收之光會分為於光入射面之背面反射之光成分、及穿透光二極體之光成分。穿透光二極體之光無助於光二極體之靈敏度。於光入射面之背面反射之光成分若在光二極體內被吸收，則會成為光電流。未被吸收之光成分係於光入射面上，與到達光入射面之背面之光成分同樣地進行反射或穿透。
光二極體PD1中，在自與光入射面(第1主面1a)垂直之方向入射有光L的情況下，若該光L到達形成於第2主面1b上之不規則的凹凸10，則以相對於來自凹凸10之出射方向為16.6°以上之角度而到達之光成分會藉由凹凸10而發生全反射。由於凹凸10係不規則地形成，故相對於出射方向而具有各種角度，全反射後之光成分會朝各種方向擴散。因此，全反射後之光成分中，存在有於n-型半導體基板1內部被吸收之光成分，亦存在有到達第1主面1a或側面之光成分。
到達第1主面1a或側面之光成分會因於凹凸10處之擴散而朝各種方向行進，因此，到達第1主面1a或側面之光成分於第1主面1a或側面發生全反射之可能性極高。已於第1主面1a或側面發生全反射之光成分會反覆地於不同的面上發生全反射，從而其行進距離變得更長。入射至光二極體PD1之光L係於n-型半導體基板1之內部行進較長距離之期間被n-型半導體基板1吸收，並被檢測作為光電流。
入射至光二極體PD1之光L之大部分並未穿透光二極體PD1，行 進距離變長，並被n-型半導體基板1吸收。因此，對於光二極體PD1，於近紅外光之波長區域之光譜靈敏度特性提高。
當於第2主面1b上形成有規則的凹凸時，到達第1主面1a或側面之光成分雖於凹凸處會擴散，但由於朝相同之方向行進，故到達第1主面1a或側面之光成分於第1主面1a或側面發生全反射之可能性較低。因此，於第1主面1a或側面、進而於第2主面1b穿透之光成分會增加，從而入射至光二極體之光之行進距離較短。因此，難以提高於近紅外光之波長區域之光譜靈敏度特性。
此處，進行實驗，以確認第1實施形態之於近紅外光之波長區域之光譜靈敏度特性的提高效果。
製作包括上述構成之光二極體(稱作實施例1)、與在n-型半導體基板之第2主面上未形成不規則的凹凸之光二極體(稱作比較例1)，研究各自之光譜靈敏度特性。除藉由脈衝雷射光之照射而形成有不規則的凹凸之外，實施例1與比較例1為相同構成。n-型半導體基板1之尺寸設定為6.5mm×6.5mm。p+型半導體區域3、即光感應區域之尺寸設定為5.8mm×5.8mm。施加於光二極體之偏壓電壓VR設定為0V。
實驗結果示於圖12。圖12中，實施例1之光譜靈敏度特性係以T1表示，比較例1之光譜靈敏度特性係以特性T2表示。於圖12中，縱軸表示光譜靈敏度(mA/W)，橫軸表示光之波長(nm)。一點鏈線所示之特性係表示量子效率(QE)為100%之光譜靈敏度特性，虛線所示之特性係表示量子效率為50%之光譜靈敏度特性。
根據圖12可知，例如於1064nm時，比較例1中光譜靈敏度為0.2A/W(QE=25%)，相對於此，實施例1中光譜靈敏度為0.6A/W(QE=72%)，於近紅外光之波長區域之光譜靈敏度有大幅提高。
亦確認實施例1及比較例1中之光譜靈敏度之溫度特性。此處，使環境溫度自25℃上升至60℃，研究光譜靈敏度特性，求出60℃時之 光譜靈敏度相對於25℃下之光譜靈敏度之比例(溫度係數)。實驗結果示於圖13。圖13中，實施例1之溫度係數之特性係以T3表示，比較例1之溫度係數之特性係以特性T4表示。於圖13中，縱軸表示溫度係數(%/℃)，橫軸表示光之波長(nm)。
根據圖13可知，例如於1064nm時，比較例1中溫度係數為0.7%/℃，相對於此，實施例1中溫度係數為0.2%/℃，溫度依存性較低。一般而言，溫度上升後，吸收係數會增大且帶隙能量會減少，因此光譜靈敏度會變高。實施例1中，於室溫之狀態下光譜靈敏度亦充分高，故與比較例1相比，溫度上升所引起之光譜靈敏度之變化變小。
光二極體PD1中，於n-型半導體基板1之第2主面1b側形成有累積層11。藉此，使於第2主面1b側並非由光而產生之無用載子再結合，從而可減少暗電流。累積層11會抑制在第2主面1b附近由光所產生之載子被該第2主面1b捕獲。因此，由光所產生之載子可朝pn接面有效地移動，從而可進一步提高光二極體PD1之光檢測靈敏度。
於第1實施形態中，在形成累積層11後，對n-型半導體基板1進行熱處理。藉此，可恢復n-型半導體基板1之結晶性，從而防止暗電流之增加等之不良。
第1實施形態中，在對n-型半導體基板1進行熱處理後，形成電極13、15。藉此，即便電極13、15使用有熔點相對較低之金屬之情況下，電極13、15亦不會因熱處理而熔融。因此，可不受熱處理之影響而適切地形成電極13、15。
於第1實施形態中，照射皮秒~飛秒脈衝雷射光，形成不規則的凹凸10。藉此，可適切且容易地形成不規則的凹凸10。
(第2實施形態)
參照圖14~圖16，說明第2實施形態之光二極體之製造方法。圖14~圖16係用於說明第2實施形態之光二極體之製造方法的圖。
第2實施形態之製造方法中，在自第2主面1b側對n-型半導體基板1進行研磨之前，與第1實施形態之製造方法相同，故省略此前的步驟之說明。在自第2主面1b側對n-型半導體基板1進行研磨而使n-型半導體基板1成為所需之厚度之後，於n-型半導體基板1之第2主面1b側，形成累積層11(參照圖14)。累積層11之形成係與第1實施形態同樣地進行。累積層11之厚度例如為1μm左右。
其次，對n-型半導體基板1之第2主面1b照射脈衝雷射光PL，形成不規則的凹凸10(參照圖15)。不規則的凹凸10之形成係與第1實施形態同樣地進行。
其次，與第1實施形態同樣地對n-型半導體基板1進行熱處理。之後，去除形成於絕緣層7上之鈍化層9後，形成電極13、15(參照圖16)。藉此，完成光二極體PD2。
第2實施形態中，亦與第1實施形態同樣地，入射至光二極體PD2之光之行進距離變長，光被吸收之距離亦變長。因此，對於光二極體PD2，亦可提高於近紅外光之波長區域之光譜靈敏度特性。
第2實施形態中，累積層11之厚度大於不規則的凹凸10之高低差。因此，於形成累積層11之後即便照射脈衝雷射光而形成不規則的凹凸10，累積層11仍會確實地保留。因此，可確保累積層11之作用效果。
(第3實施形態)
參照圖17~圖21，說明第3實施形態之光二極體之製造方法。圖17~圖21係用於說明第3實施形態之光二極體之製造方法的圖。
第3實施形態之製造方法中，在形成鈍化層9之前，與第1實施形態之製造方法相同，故省略此前的步驟之說明。在形成鈍化層9之後，使n-型半導體基板1中之與p+型半導體區域3對應之部分自第2主面1b側起薄化，保留該部分之周邊部分(參照圖17)。n-型半導體基板1 之薄化例如係藉由使用有氫氧化鉀溶液或TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide，氫氧化四甲基銨溶液)等之鹼性蝕刻之各向異性蝕刻而進行。n-型半導體基板1之已被薄化之部分之厚度例如為100μm左右，周邊部分之厚度例如為300μm左右。
其次，自第2主面1b側對n-型半導體基板1進行研磨，以使n-型半導體基板1之周邊部分之厚度成為所需之厚度(參照圖18)。所需之厚度例如為270μm。
接著，對n-型半導體基板1之第2主面1b照射脈衝雷射光PL，形成不規則的凹凸10(參照圖19)。不規則的凹凸10之形成係與第1實施形態同樣地進行。
接著，於n-型半導體基板1之已被薄化之部分之第2主面1b側形成累積層11(參照圖20)。累積層11之形成係與第1實施形態同樣地進行。累積層11之厚度例如為3μm左右。
然後，與第1實施形態同樣地對n-型半導體基板1進行熱處理之後，去除形成於絕緣層7上之鈍化層9，形成電極13、15(參照圖21)。藉此，完成光二極體PD3。
第3實施形態中，亦與第1及第2實施形態同樣地，入射至光二極體PD3之光之行進距離變長，光被吸收之距離亦變長。藉此，對於光二極體PD3，亦可提高於近紅外光之波長區域之光譜靈敏度特性。
第3實施形態中，於形成不規則的凹凸10之前，自第2主面1b側起薄化n-型半導體基板1中之與p+型半導體區域3對應之部分，保留該部分之周邊部分。藉此，可獲得將n-型半導體基板1之第1主面1a及第2主面1b側分別作為光入射面之光二極體PD3。
(第4實施形態)
參照圖22~圖24，說明第4實施形態之光二極體之製造方法。圖22~圖24係用於說明第4實施形態之光二極體之製造方法的圖。
第4實施形態之製造方法中，在薄化n-型半導體基板1之前，與第3實施形態之製造方法相同，故省略此前的步驟之說明。在自第2主面1b側對n-型半導體基板1進行研磨而使n-型半導體基板1成為所需之厚度之後，於n-型半導體基板1之已被薄化之部分之第2主面1b側，形成累積層11(參照圖22)。累積層11之形成係與第1實施形態同樣地進行。累積層11之厚度例如為3μm左右。
其次，對n-型半導體基板1之第2主面1b照射脈衝雷射光PL，形成不規則的凹凸10(參照圖23)。不規則的凹凸10之形成係與第1實施形態同樣地進行。
接下來，與第1實施形態同樣地對n-型半導體基板1進行熱處理。繼而，去除形成於絕緣層7上之鈍化層9後，形成電極13、15(參照圖24)。藉此，完成光二極體PD4。
第4實施形態中，亦與第1~第3實施形態同樣地，入射至光二極體PD4之光之行進距離變長，光被吸收之距離亦變長。藉此，對於光二極體PD4，亦可提高於近紅外光之波長區域之光譜靈敏度特性。
第4實施形態中，於形成累積層11之前，自第2主面1b側起薄化n-型半導體基板1中之與p+型半導體區域3對應之部分，保留該部分之周邊部分。藉此，可獲得將n-型半導體基板1之第1主面1a及第2主面1b側分別作為光入射面之光二極體PD4。
(第5實施形態)
參照圖25，說明第5實施形態之光二極體陣列PDA1。圖25係用於說明第5實施形態之光二極體陣列之構成的圖。
光二極體陣列PDA1包含n-型半導體基板1。於n-型半導體基板1之第1主面1a側，形成有複數之p+型半導體區域3，在n-型半導體基板1與各p+型半導體區域3之間形成有pn接面。於n-型半導體基板1之第2主面1b上，形成有不規則的凹凸10。於n-型半導體基板1之第2主面1b 側，形成有累積層11，第2主面1b光學性露出。光二極體陣列PDA1中，由於第2主面1b上形成有不規則的凹凸10，故入射至光二極體陣列PDA1之光藉由凹凸10而發生反射、散射或擴散，從而於n-型半導體基板1內行進較長之距離。
第5實施形態中，亦與第1~第4實施形態同樣地，入射至光二極體陣列PDA1之光之行進距離變長，光被吸收之距離亦變長。藉此，對於光二極體陣列PDA1，亦可提高於近紅外光之波長區域之光譜靈敏度特性。
光二極體陣列PDA1中，於n-型半導體基板1之第2主面1b側形成有累積層11。藉此，使於第2主面1b側並非由光而產生之無用載子再結合，從而可減少暗電流。累積層11會抑制在第2主面1b附近由光所產生之載子被該第2主面1b捕獲。因此，由光所產生之載子可朝pn接面有效地移動，從而可進一步提高光二極體陣列PDA1之光檢測靈敏度。
光二極體陣列PDA1中，在第2主面1b中之與p+型半導體區域3(pn接面)之間的區域對向之區域上，亦形成有不規則的凹凸10。因此，入射至p+型半導體區域3之間的區域上之光，經在第2主面1b中之與p+型半導體區域3之間的區域對向之區域上所形成之不規則的凹凸10而發生反射、散射或擴散，且被n-型半導體基板1確實地吸收。因此，對於光二極體陣列PDA1，於p+型半導體區域3之間的區域上，檢測靈敏度並未下降，光檢測靈敏度提高。
(第6實施形態)
參照圖26~圖27，說明第6實施形態之固體攝像元件SI1。圖26係表示第6實施形態之固體攝像元件之立體圖。圖27係用於說明第6實施形態之固體攝像元件之剖面構成的圖。
如圖26所示，固體攝像元件SI1係背面入射型固體攝像元件，且 係利用KOH水溶液等來蝕刻半導體基板SS之背面側而使其薄化之BT-CCD(Back Thinned Charge Coupled Device，背照式電荷耦合元件)。於已被蝕刻之半導體基板SS之中央區域上形成有凹部TD，於凹部TD之周圍存在較厚之框部。凹部TD之側面相對於底面BF成鈍角地傾斜。半導體基板SS之已被薄化之中央區域係光感應區域(攝像區域)，光L沿Z軸之負方向入射至該光感應區域。半導體基板SS之凹部TD之底面BF構成光入射面。該框部亦可藉由蝕刻而去除，從而使固體攝像元件SI1成為整個區域得以薄化之背面入射型固體攝像元件。
固體攝像元件SI1包含作為上述半導體基板SS之p型半導體基板21。p型半導體基板21包含矽(Si)結晶，含有彼此對向之第1主面21a及第2主面21b。p型半導體基板21之厚度設定為像素間距P以下。本實施形態中，像素間距P為10μm~48μm左右，p型半導體基板21之厚度為10μm~30μm左右。本實施形態中，顯示雙相時脈驅動之例，為了於各傳送電極下確實地進行電荷之單向傳送而存在有使雜質濃度不同之區域(未圖示)。
在p型半導體基板21之第1主面21a側，形成有作為電荷傳送部之n型半導體層23，在p型半導體基板21與n型半導體層23之間形成有pn接面。於p型半導體基板21之第1主面21a上，經由絕緣層27而設置有作為傳送電極部之複數之電荷傳送電極25。於p型半導體基板21之第1主面21a側，亦形成有針對每一個垂直CCD而電性隔離n型半導體層23之隔離區域(圖示省略)。n型半導體層23之厚度為0.5μm左右。
於p型半導體基板21之第2主面21b中之整個光感應區域29上，形成有不規則的凹凸10。於p型半導體基板21之第2主面21b側，形成有累積層31，第2主面21b光學性露出。所謂第2主面21b光學性露出，不僅指第2主面21b與空氣等環境氣體接觸，而且亦包含於第2主面21b上形成有光學上透明之膜之情形。當固體攝像元件SI1係整個區域得以 薄化之背面入射型固體攝像元件時，亦可遍及p型半導體基板21之整個第2主面21b而形成不規則的凹凸10。當固體攝像元件SI1係僅光感應區域29附近得以薄化之背面入射型固體攝像元件時，亦可遍及p型半導體基板21之連未薄化之周邊之框部、到達框部之傾斜面亦包含在內的整個第2主面21b而形成不規則的凹凸10。
繼而，說明本實施形態之固體攝像元件SI1之製造方法。
首先，準備p型半導體基板21，於p型半導體基板21之第1主面21a側，形成n型半導體層23。n型半導體層23係藉由使n型雜質於p型半導體基板21內自第1主面21a側擴散而形成。
接著，於p型半導體基板21之第2主面21b側，形成累積層31。累積層31係與上述實施形態同樣地以如下方式形成：於p型半導體基板21內自第2主面21b側使p型雜質進行離子注入或擴散，以達到較p型半導體基板21更高之雜質濃度。累積層31之厚度例如為0.5μm左右。累積層31可於形成不規則的凹凸10之前形成，又，亦可於形成不規則的凹凸10之後形成。
其次，如上所述薄化p型半導體基板21。在形成不規則的凹凸10之後形成累積層31之情形時，於形成不規則的凹凸10之後，薄化p型半導體基板21，其後形成累積層31。
接下來，對p型半導體基板21進行熱處理，使累積層31活化。熱處理例如係於N2氣體之環境下，在800~1000℃左右之範圍內進行0.5~1.0小時左右。此時，p型半導體基板21之結晶性亦恢復。
其次，於p型半導體基板21之第2主面21b側，形成不規則的凹凸10。與上述實施形態同樣地，不規則的凹凸10係藉由對p型半導體基板21之第2主面21b照射脈衝雷射光而形成。
其次，對p型半導體基板21進行熱處理。熱處理例如係於N2氣體等之環境下，在800~1000℃左右之範圍內進行0.5~1.0小時左右。經 熱處理而可謀求p型半導體基板21上之結晶損傷之恢復及再結晶化，從而可防止暗電流之增加等之不良。亦可省略在累積層31形成後之熱處理，僅進行在不規則的凹凸10形成後之熱處理。
其次，形成絕緣層27及電荷傳送電極25。形成絕緣層27及電荷傳送電極25之步驟為已知，故省略說明。電荷傳送電極25例如包含多晶矽或金屬。絕緣層27例如包含SiO2。亦能以覆蓋絕緣層27及電荷傳送電極25之方式進一步形成保護膜。保護膜例如包含BPSG(Boron Phosphor Silicate Glass，硼磷矽玻璃)。藉此，完成固體攝像元件SI1。
固體攝像元件SI1中，若自光入射面(第2主面21b)入射光，則於第2主面21b上形成不規則的凹凸10，故所入射之光會因凹凸10而散射，於p型半導體基板21內朝各種方向行進。到達第1主面21a等之光成分藉由凹凸10而擴散，由此朝各種方向行進，因此，到達第1主面21a等之光成分於第1主面21a發生全反射之可能性極高。已於第1主面21a等發生全反射之光成分會反覆地於不同的面上發生全反射或者於第2主面21b上發生反射、散射或擴散，其行進距離變得更長。如此，入射至固體攝像元件SI1之光藉由凹凸10而發生反射、散射或擴散，於p型半導體基板21內行進較長之距離。而且，入射至固體攝像元件SI1之光係於p型半導體基板21之內部行進較長距離之期間被p型半導體基板21吸收，藉由光而產生之載子成為n型半導體層23之每個像素之電荷而被傳送並檢測。因此，固體攝像元件SI1中，於近紅外光之波長區域之光譜靈敏度特性提高。
固體攝像元件SI1中，因凹凸10而發生反射、散射或擴散，藉此產生像素間之干擾，從而可能導致解像度降低。然而，由於將p型半導體基板21之厚度設定為像素間距P以下，因此對於固體攝像元件SI1，可抑制像素間干擾之產生。
於固體攝像元件SI1中，在p型半導體基板21之第2主面21b側形成有累積層31。藉此，使於第2主面21b側並非由光而產生之無用載子再結合，從而可減少暗電流。累積層31會抑制在第2主面21b附近由光所產生之載子被該第2主面21b捕獲。因此，由光所產生之載子可朝pn接面有效地移動，從而可進一步提高固體攝像元件SI1之光檢測靈敏度。
第6實施形態中，於形成累積層31之後，對p型半導體基板21進行熱處理。藉此，可恢復p型半導體基板21之結晶性，從而防止暗電流之增加等之不良。
第6實施形態中，於對p型半導體基板21進行熱處理之後，形成電荷傳送電極25。藉此，即便電荷傳送電極25使用有熔點相對較低之材料之情況下，電荷傳送電極25亦不會因熱處理而熔融。因此，可不受熱處理之影響而適切地形成電荷傳送電極25。
第6實施形態中，照射皮秒~飛秒脈衝雷射光，形成不規則的凹凸10。藉此，可適切且容易地形成不規則的凹凸10。
且說，於固體攝像元件等之半導體光檢測元件中，將包含矽之半導體基板設定為較厚(例如200μm左右)，藉此可實現於近紅外光之波長區域具有光譜靈敏度特性之半導體光檢測元件。然而，在使上述半導體基板之厚度較大時，為了獲得良好的解像度，必需施加數十伏特左右之高偏壓電壓，使半導體基板完全空乏化。其原因在於用以防止下述現象：若於半導體基板上部分地保留中性區域而不完全空乏化，則在中性區域產生之載子會擴散而導致解像度劣化。
若半導體基板較厚，則暗電流亦會增加。因此，亦必需冷卻半導體基板(例如-70~-100℃)，抑制暗電流之增加。
然而，第6實施形態之固體攝像元件SI1中，如上所述，於第2主面21b上形成有不規則的凹凸10，由此使入射至固體攝像元件SI1之光 之行進距離較長。因此，無需加厚半導體基板(p型半導體基板21)、尤其無需加厚對應於光感應區域29之部分，可實現於近紅外光之波長區域具有充分之光譜靈敏度特性之半導體光檢測元件。由此，較藉由加厚半導體基板而於近紅外光之波長區域具有光譜靈敏度特性之半導體光檢測元件而言，上述固體攝像元件SI1可藉由施加極低之偏壓電壓或不施加偏壓電壓而獲得良好的解像度。根據用途，亦無需進行半導體基板之冷卻。
在薄化半導體基板、尤其在薄化對應於光感應區域之部分時，可能會產生etalon(標準具成像不清晰)現象。etalon現象係自背面入射之被檢測光、與已入射之被檢測光經表面反射後之光之間產生干涉的現象，其會影響近紅外光之波長區域內之檢測特性。然而，固體攝像元件SI1中，於第2主面21b上形成有不規則的凹凸10，藉此，相對於入射光之相位，經凹凸10而反射之光具有分散之相位差，因此該等光彼此會相互抵消，從而抑制etalon現象。
第6實施形態中，p型半導體基板21係自第2主面21b側起被薄化。由此，可獲得將p型半導體基板21之第1主面21a及第2主面21b側分別作為光入射面之半導體光檢測元件。即，固體攝像元件SI1不僅可用作背面入射型固體攝像元件，而且亦可用作表面入射型固體攝像元件。
於形成累積層31之後，照射脈衝雷射光而形成不規則的凹凸10，於此情形時，宜將累積層31之厚度設定為較不規則的凹凸10之高低差更大。此時，即便照射脈衝雷射光而形成不規則的凹凸10，累積層31仍會確實地保留。因此，可確保累積層31之作用效果。
(第7實施形態)
參照圖28，說明第7實施形態之光二極體PD5。圖28係用於說明第7實施形態之光二極體之構成的圖。
光二極體PD5係用於檢測波長區域為可見光~近紅外光區域之低能量光之崩潰光二極體(avalanche photodiode)。光二極體PD5包括p-型半導體基板40。p-型半導體基板40包含矽(Si)結晶，且含有相互對向之第1主面40a及第2主面40b。p-型半導體基板40包含光感應區域41。
光感應區域41係於俯視時設置於第1主面40a之中央部。光感應區域41係自第1主面40a起朝內側具有厚度。光感應區域41包含：n+型雜質區域43、p+型雜質區域45、及於p-型半導體基板40上施加偏壓電壓時空乏化之區域。n+型雜質區域43係自第1主面40a起朝p-型半導體基板40之內側具有厚度。n+型雜質區域43包含n+型保護環43a。n+型保護環43a設置於n+型雜質區域43之周端。p+型雜質區域45係自n+型雜質區域43起進一步朝p-型半導體基板40之內側具有厚度。p-型半導體基板40包含p+型擴散遮斷區域47。p+型擴散遮斷區域47係於俯視時位於第1主面40a之周端，且自第1主面40a起朝內側具有厚度。p+型擴散遮斷區域47係被設置成包圍光感應區域41。
p-型半導體基板40例如係添加有硼(B)等p型雜質之矽基板。p+型雜質區域45係較p-型半導體基板40更高濃度地添加有p型雜質之區域。p+型擴散遮斷區域47係較p+型雜質區域45更高濃度地添加有p型雜質之區域。n+型雜質區域43例如係添加有銻(Sb)等n型雜質之區域。n+型雜質區域43(包含n+型保護環43a)及p+型雜質區域45係於p-型半導體基板40內構成pn接面。
光二極體PD5含有積層於第1主面40a上之鈍化膜49。光二極體PD5含有設置於鈍化膜49上之電極51及電極53。鈍化膜49中，於n+型雜質區域43上設置有接觸孔H11，且於p+型擴散遮斷區域47上設置有接觸孔H12。電極51經由接觸孔H11而與n+型雜質區域43電性接觸且連接。電極53經由接觸孔H12而與p+型擴散遮斷區域47電性接觸且連接。鈍化膜49之原材料例如係氧化矽等。
光二極體PD5含有形成於第2主面40b側之凹部55。凹部55係藉由自第2主面40b側起薄化p-型半導體基板40而形成，於凹部55之周圍存在較厚之框部。凹部55之側面係相對於凹部55之底面而成鈍角地傾斜。凹部55係以俯視時與光感應區域41重疊之方式形成。凹部55之底面與第1主面40a之間的厚度相對較小，例如為100~200μm左右，較佳者為150μm左右。如上所述，由於第1主面40a與凹部55之底面之間的厚度相對較小，故可使應答速度高速化，並且使施加於光二極體PD5之偏壓電壓得以降低。
於p-型半導體基板40之整個第2主面40b上，形成有不規則的凹凸10。於p-型半導體基板40之第2主面40b側，形成有累積層57。累積層57中之與凹部55之底面對應之區域、即與構成崩潰光二極體之光感應區域41對向之區域光學性露出。所謂第2主面40b光學性露出，不僅指第2主面40b與空氣等環境氣體接觸，而且亦包含於第2主面40b上形成有光學上透明之膜之情形。不規則的凹凸10亦可僅形成於凹部55之底面、即形成於與作為崩潰光二極體而發揮功能之光感應區域41對向之區域。
光二極體PD5含有電極59。電極59係設置於累積層57上，並與累積層57電性接觸且連接。累積層57中之形成有電極59之區域未光學性露出。
對於含有上述構成之光二極體PD5而言，在對電極51與電極59施加逆向偏壓電壓(崩潰電壓)時，於光感應區域41會產生與入射至光感應區域41之光量相對應之載子。於p+型擴散遮斷區域47之附近產生之載子會流入至p+型擴散遮斷區域47。因此，來自電極51之輸出信號中產生之裙邊(skirt)會因p+型擴散遮斷區域47而得以降低。
繼而，對第7實施形態之光二極體PD5之製造方法加以說明。
首先，準備p-型半導體基板40。p-型半導體基板40之厚度為300 μm左右。
其次，於p-型半導體基板40之第1主面40a側，形成p+型雜質區域45及p+型擴散遮斷區域47。p+型雜質區域45係以如下方法形成：使用中央部設有開口之遮罩等，於p-型半導體基板40內自第1主面40a側將p型雜質進行高濃度地離子注入。p+型擴散遮斷區域47係以如下方法形成：使用周邊部區域設有開口之另一遮罩等，於p-型半導體基板40內自第1主面40a側使p型雜質高濃度地擴散。
其次，於p-型半導體基板40之第1主面40a側，形成n+型保護環43a及n+型雜質區域43。n+型保護環43a係以如下方法形成：使用設有環狀開口之遮罩等，於p-型半導體基板40內自第1主面40a側使n型雜質高濃度地擴散。n+型雜質區域43係以如下方法形成：使用中央部設有開口之另一遮罩等，於p-型半導體基板40內自第1主面40a側將n型雜質進行高濃度地離子注入。
其次，研磨p-型半導體基板40之第2主面40b之表面以使其平坦化。之後，自第2主面40b側起薄化p-型半導體基板40中之與p+型雜質區域45對應之部分，保留該部分之周邊部分。p-型半導體基板40之薄化例如係藉由使用有KOH水溶液或TMAH等之鹼性蝕刻之各向異性蝕刻而進行。p-型半導體基板40之已被薄化之部分之厚度例如為150μm左右，周邊部分之厚度例如為200μm左右。
其次，於p-型半導體基板40之第2主面40b側，形成累積層57。此處，於p-型半導體基板40內自第2主面40b側將p型雜質進行離子注入，以達到較p-型半導體基板40更高之雜質濃度，藉此形成累積層57。累積層57之厚度例如為1.5μm左右。
其次，對p-型半導體基板40進行熱處理(退火)，使累積層57活化。此處，將p-型半導體基板40於N2氣體等之環境下，在800~1000℃左右之範圍內進行0.5~1.0小時左右的加熱。
其次，對p-型半導體基板40之第2主面40b照射脈衝雷射光PL，形成不規則的凹凸10。不規則的凹凸10係與上述實施形態同樣地，藉由對p-型半導體基板40之第2主面40b照射脈衝雷射光而形成。
其次，對p-型半導體基板40進行熱處理(退火)。此處，將p-型半導體基板40於N2氣體等之環境下，在800~1000℃左右之範圍內進行0.5~1.0小時左右的加熱。經熱處理而可謀求p-型半導體基板40中之結晶損傷之恢復及再結晶化，從而可防止暗電流之增加等之不良。
接下來，於p-型半導體基板40之第1主面40a側形成鈍化膜49。然後，於鈍化膜49中形成接觸孔H11、H12，形成電極51、53。電極51係於接觸孔H11內形成，電極53係於接觸孔H12內形成。又，於p-型半導體基板40之已被薄化之部分之周邊部分的累積層57上形成電極59。電極51、53分別包含鋁(Al)等，電極59包含金(Au)等。藉此，完成光二極體PD5。
光二極體PD5中，於第2主面40b上形成有不規則的凹凸10，因此入射至光二極體PD5之光會藉由凹凸10而發生反射、散射或擴散，從而於p-型半導體基板40內行進較長之距離。
光二極體PD5中，在自與光入射面(第1主面40a)垂直之方向入射有光的情況下，若該光到達形成於第2主面40b之不規則的凹凸10，則以相對於來自凹凸10之出射方向為16.6°以上之角度而到達之光成分會藉由凹凸10而發生全反射。由於凹凸10係不規則地形成，故相對於出射方向而具有各種角度，全反射後之光成分會朝各種方向擴散。因此，全反射後之光成分中，存在有於p-型半導體基板40內部被吸收之光成分，亦存在有到達第1主面40a或側面之光成分。
到達第1主面40a或側面之光成分會因於凹凸10處之擴散而朝各種方向行進，因此，到達第1主面40a或側面之光成分於第1主面40a或側面發生全反射之可能性極高。已於第1主面40a或側面發生全反射之光 成分會反覆地於不同的面上發生全反射，從而其行進距離變得更長。入射至光二極體PD5之光係於p-型半導體基板40之內部行進較長距離之期間被p-型半導體基板40吸收，並被檢測作為光電流。
如此，入射至光二極體PD5之光L之大部分並未穿透光二極體PD5，其行進距離變長，並被p-型半導體基板40吸收。因此，對於光二極體PD5，於近紅外光之波長區域之光譜靈敏度特性提高。
光二極體PD5中，於p-型半導體基板40之第2主面40b側形成有累積層57。藉此，使於第2主面40b側產生之無用載子再結合，從而可減少暗電流。累積層57會抑制在第2主面40b附近產生之載子被該第2主面40b捕獲。因此，所產生之載子可朝pn接面有效地移動，從而可進一步提高光二極體PD5之光檢測靈敏度。
第7實施形態中，於形成累積層57之後，對p-型半導體基板40進行熱處理。藉此，可恢復p-型半導體基板40之結晶性，從而防止暗電流之增加等不良。
累積層57亦可於形成不規則的凹凸10之後形成。於形成累積層57之後照射脈衝雷射光而形成不規則的凹凸10，於此情形時，宜將累積層57之厚度設定為大於不規則的凹凸10之高低差。此時，即便照射脈衝雷射光而形成不規則的凹凸10，累積層57仍會確實地保留。因此，可確保累積層57之作用效果。
第7實施形態中，對p-型半導體基板40進行熱處理之後，形成電極51、53、59。藉此，即便電極51、53、59使用有熔點相對較低之材料之情況下，電極51、53、59亦不會因熱處理而熔融。因此，可不受熱處理之影響而適切地形成電極51、53、59。
第7實施形態中，照射皮秒~飛秒脈衝雷射光，形成不規則的凹凸10。藉此，可適切且容易地形成不規則的凹凸10。
第7實施形態中，自第2主面40b側薄化p-型半導體基板40。藉 此，可獲得將p-型半導體基板40之第1主面40a及第2主面40b側分別作為光入射面之光二極體。即，光二極體PD5不僅可用作表面入射型光二極體，而且可用作背面入射型光二極體。
且說，於崩潰光二極體中，將包含矽之半導體基板設定為較厚(例如數百μm~2mm左右)，藉此可實現於近紅外光之波長區域具有於實用上充分之光譜靈敏度特性之半導體光檢測元件。然而，崩潰光二極體中，需要用於空乏化之偏壓電壓及用於崩潰倍增之偏壓電壓，因此在使上述半導體基板之厚度較大時，需要施加極高的偏壓電壓。又，若半導體基板較厚，則暗電流亦會增加。
然而，第7實施形態之光二極體PD5中，如上所述，於第2主面40b上形成有不規則的凹凸10，由此使入射至光二極體PD5之光之行進距離變長。因此，無需加厚半導體基板(p-型半導體基板40)、尤其無需加厚對應於光感應區域41之部分，可實現於近紅外光之波長區域具有於實用上充分之光譜靈敏度特性之光二極體。因此，較藉由加厚半導體基板而於近紅外光之波長區域具有光譜靈敏度特性之光二極體而言，上述光二極體PD5可藉由施加較低之偏壓電壓而獲得良好之光譜靈敏度特性。又，暗電流之增加受到抑制，光二極體PD5之檢測精度提高。進而，由於p-型半導體基板40之厚度較薄，故光二極體PD5之應答速度提高。
第7實施形態之光二極體PD5中，亦可將第2主面20b側之整個區域薄化。
(第8實施形態)
參照圖29，說明第8實施形態之光二極體陣列PDA2。圖29係用於說明第8實施形態之光二極體陣列之構成的圖。
光二極體陣列PDA2包含p-型半導體基板40，於p-型半導體基板40上配置有複數個作為崩潰光二極體而發揮功能之光感應區域41。
於p-型半導體基板40之整個第2主面40b上，形成有不規則的凹凸10。即，光二極體陣列PDA2中，不僅在與作為崩潰光二極體發揮功能之光感應區域41對向之區域上，而且在與光感應區域41間對向之區域上，亦形成有不規則的凹凸10。
第8實施形態中，亦與第7實施形態同樣地，入射至光二極體陣列PDA2之光之行進距離變長，光被吸收之距離亦變長。因此，對於光二極體陣列PDA2，亦可提高於近紅外光之波長區域之光譜靈敏度特性。
與第7實施形態同樣地，第8實施形態之光二極體陣列PDA2較藉由加厚半導體基板而於近紅外光之波長區域具有光譜靈敏度特性之光二極體陣列而言，可藉由施加較低之偏壓電壓而獲得良好之光譜靈敏度特性。又，暗電流之增加受到抑制，光二極體陣列PDA2之檢測精度提高。進而，由於p-型半導體基板40之厚度較薄，故光二極體陣列PDA2之應答速度提高。
光二極體陣列PDA2中，於p-型半導體基板40之第2主面40b中之與光感應區域41間對向之區域上，亦形成有不規則的凹凸10。因此，入射至光感應區域41間之光會藉由形成於第2主面40b中之與光感應區域41間對向之區域上的不規則的凹凸10而發生反射、散射或擴散，並被任一光感應區域41吸收。由此，對於光二極體陣列PDA2，於光感應區域41間檢測靈敏度並未下降，檢測靈敏度提高。
光二極體陣列PDA2亦與第7實施形態之光二極體PD5同樣地，可用作YAG(yttrium aluminum garnet，釔鋁石榴石)雷射光之檢測元件。
對於光二極體陣列PDA2，亦可將第2主面40b側之整個區域薄化。又，光二極體陣列PDA2可用作表面入射型及背面入射型中之任一種光二極體陣列。
(第9實施形態)
參照圖30及圖31，說明第9實施形態之光二極體陣列PDA3之構成。圖30係概略性地表示第9實施形態之光二極體陣列PDA3的俯視圖。圖31係表示沿圖30所示之光二極體陣列PDA3之XXXI-XXXI線之剖面構成的圖。
光二極體陣列PDA3係於基板62上積層複數之半導體層及絕緣層而成。如圖30所示，光二極體陣列PDA3係由將入射有被檢測光之複數之光檢測通道CH形成為矩陣狀(本實施形態中為4×4)而成之光子計數用多通道崩潰光二極體。於光二極體陣列PDA3之上表面側，設置有信號導線63、電阻64、及電極墊65。基板62例如係邊長為1mm左右之正方形。各光檢測通道CH例如為正方形狀。
信號導線63包括：讀出部63a、連接部63b、及通道外周部63c。 讀出部63a傳送自各光檢測通道CH輸出之信號。連接部63b連接各電阻64與讀出部63a。通道外周部63c係以包圍各光檢測通道CH之外周之方式而佈線。讀出部63a係與夾隔該讀出部63a而鄰接之配置成2行的光檢測通道CH分別連接，其一端係與電極墊65連接。於本實施形態中，光二極體係配置成4×4之矩陣狀，因此於光二極體陣列PDA3上，讀出部63a佈線有2條，該等雙方均相對於電極墊65而連接。信號導線63例如包含鋁(Al)。
電阻64係經由一端部64a及通道外周部63c而設置於每個光檢測通道CH，並經由另一端部64b及連接部63b而連接於讀出部63a。連接於相同的讀出部63a之複數(本實施形態中為8個)之電阻64相對於該讀出部63a而連接。電阻64例如包含多晶矽(Poly-Si)。
其次，參照圖31說明光二極體陣列PDA3之剖面構成。如圖31所示，光二極體陣列PDA3包含：基板62，其含有導電型為n型(第1導電型)之半導體層；p-型半導體層73，其形成於基板62上，且導電型為p型(第2導電型)；p+型半導體區域74，其形成於p-型半導體層73上，且 導電型為p型；保護膜76；隔離部80，其形成於p-型半導體層73上，且導電型為n型(第1導電型)；以及形成於保護膜76上之上述的信號導線63及電阻64。被檢測光係自圖31之上表面側或下表面側入射。
基板62含有：基板構件SM、形成於基板構件SM上之絕緣膜61、及形成於絕緣膜61上n+型半導體層72。基板構件SM包含Si(矽)。絕緣膜61例如包含SiO2(氧化矽)。n+型半導體層72包含Si，並且係雜質濃度較高且導電型為n型之半導體層。n+型半導體層72之厚度例如為1μm~12μm。
p-型半導體層73係雜質濃度較低且導電型為p型之磊晶半導體層。p-型半導體層73係在與基板62之界面上構成pn接面。p-型半導體層73對應各光檢測通道CH而含有複數個使藉由被檢測光之入射所產生之載子發生崩潰倍增之倍增區域AM。p-型半導體層73之厚度例如為3μm~5μm。p-型半導體層73包含Si。因此，n+型半導體層72與p-型半導體層73構成矽基板。
p+型半導體區域74對應各光檢測通道CH之倍增區域AM而形成於p-型半導體層73上。即，在半導體層之積層方向(以下僅稱作積層方向)上，位於P+型半導體區域74之下方的p-型半導體層73與基板62之界面附近之區域為倍增區域AM。p+型半導體區域74包含Si。
隔離部80係形成於複數之光檢測通道CH之間，其隔離各光檢測通道CH。即，隔離部80係形成為與各光檢測通道CH一一對應，並且於p-型半導體層73上形成有倍增區域AM。隔離部80以完全包圍各倍增區域AM周圍之方式於基板62上形成為二維格子狀。隔離部80係於積層方向上自p-型半導體層73之上表面側貫通至下表面側為止而形成。隔離部80之雜質例如含有P，其係雜質濃度較高且導電型為n型之半導體層。若藉由擴散而形成隔離部80，則需要較長的熱處理時間，因此認為n+型半導體層72之雜質會朝磊晶半導體層擴散，pn接面之界 面會上升。為了防止該上升，亦可在對相當於隔離部80之區域之中央附近進行槽蝕刻之後，進行雜質之擴散而形成隔離部80。於溝槽中，亦可形成由物質填埋而成之遮光部，其吸收或反射由光檢測通道所吸收之波長區域之光。於此情形時，可防止由崩潰倍增引起之發光影響到鄰接之光檢測通道而產生的干擾。
p-型半導體層73、p+型半導體區域74、及隔離部80係於光二極體陣列PDA3之上表面側形成平面，並於該等之上形成有保護膜76。保護膜76例如係藉由包含SiO2之絕緣層而形成。
於保護膜76上，形成有信號導線63及電阻64。信號導線63之讀出部63a及電阻64係形成於隔離部80之上方。
信號導線63係作為陽極而發揮功能，作為陰極，亦可於基板62之下表面側(不含有絕緣膜61之側)之整個面上包含透明電極層(例如包含ITO(Indium Tin Oxide，氧化銦錫)之層)(圖示省略)。或者，作為陰極，亦可形成為能使電極部自表面側抽出。
此處，參照圖32，說明各光檢測通道CH與信號導線63及電阻64之連接關係。圖32係用於概略性地說明各光檢測通道CH與信號導線63及電阻64之連接關係的圖。如圖32所示，各光檢測通道CH之p+型半導體區域74與信號導線63(通道外周部63c)直接連接。藉此，信號導線63(通道外周部63c)與p-型半導體層73電性連接。p-型半導體層73與電阻64之一端部64a係經由信號導線63(通道外周部63c)而連接，電阻64之另一端部64b分別經由連接部63b而相對於讀出部63a連接。
基板62上，將形成有複數之光檢測通道CH之區域自基板構件SM側起薄化，去除基板構件SM上之與形成有複數之光檢測通道CH之區域相對應的部分。於已被薄化之區域之周圍，存在有基板構件SM作為框部。再者，上述框部亦被去除，從而基板62亦可具有如下構成：整個區域已被薄化，即基板構件SM全體已被去除。基板構件SM之去 除可藉由蝕刻(例如乾式蝕刻等)或研磨等進行。在藉由乾式蝕刻而去除基板構件SM時，絕緣膜61亦作為蝕刻阻止層而發揮功能。因去除基板構件SM而露出之絕緣膜61係以下述方式被去除。
於n+型半導體層72之表面，遍及形成有複數之光檢測通道CH之整個區域而形成不規則的凹凸10。n+型半導體層72之表面上之形成有不規則的凹凸10之區域光學性露出。所謂n+型半導體層72之表面光學性露出，不僅指n+型半導體層72之表面與空氣等之環境氣體接觸，而且亦包含於n+型半導體層72之表面上形成有光學上透明之膜之情形。不規則的凹凸10亦可僅形成於與各光檢測通道CH對向之區域上。
與上述實施形態同樣地，不規則的凹凸10係藉由對因去除基板構件SM而露出之絕緣膜61照射脈衝雷射光所形成。即，若對露出之絕緣膜61照射脈衝雷射光，則可去除絕緣膜61，並且n+型半導體層72之表面遭脈衝雷射光破壞而形成不規則的凹凸10。
於照射脈衝雷射光而形成不規則的凹凸10之後，宜對基板62進行熱處理(退火)。例如，將基板62於N2氣體等之環境下，在800~1000℃左右之範圍內進行0.5~1.0小時左右的加熱。經上述熱處理而可謀求n+型半導體層72中之結晶損傷之恢復及再結晶化，從而可防止暗電流之增加等之不良。
當將以此構成之光二極體陣列PDA3用於光子計數時，使其於被稱作蓋革模式(Geiger Mode)之動作條件下動作。於蓋革模式動作時，對各光檢測通道CH施加較崩潰電壓更高之逆向電壓(例如50V以上)。若於該狀態下使被檢測光自上表面側入射至各光檢測通道CH，則被檢測光於各光檢測通道CH中會被吸收而產生載子。所產生之載子按照各光檢測通道CH內之電場而加速並移動，於各倍增區域AM倍增。而且，已倍增之載子經由電阻64並藉由信號導線63而向外部送出，根據該輸出信號之峰值來進行檢測。由於自已檢測光子之通道而可獲得 均為相同量之輸出，故藉由檢測來自所有通道之總輸出而計數自光二極體陣列PDA3中之多少個光檢測通道CH有輸出。因此，光二極體陣列PDA3中，經被檢測光之一次照射而完成光子計數。
且說，光二極體陣列PDA3中，於n+型半導體層72之表面形成有不規則的凹凸10，因此，入射至光二極體陣列PDA3之光藉由凹凸10而發生反射、散射或擴散，從而於光二極體陣列PDA3內行進較長之距離。
例如，使用光二極體陣列PDA3作為表面入射型光二極體陣列，在光自保護膜76側入射至光二極體陣列PDA3之情形時，若該光到達形成於n+型半導體層72表面之不規則的凹凸10，則以相對於來自凹凸10之出射方向為16.6°以上之角度而到達之光成分會藉由凹凸10而發生全反射。由於凹凸10係不規則地形成，故相對於出射方向而具有各種角度，全反射後之光成分會朝各種方向擴散。因此，全反射後之光成分中，存在有被各光檢測通道CH吸收之光成分，亦存在有到達保護膜76側之表面或n+型半導體層72之側面之光成分。
到達保護膜76側之表面或n+型半導體層72之側面之光成分會因於凹凸10處之擴散而朝各種方向行進。因此，到達保護膜76側之表面或n+型半導體層72之側面之光成分藉由保護膜76側之表面或n+型半導體層72之側面而發生全反射的可能性極高。已於保護膜76側之表面或n+型半導體層72之側面發生全反射之光成分會反覆地於不同的面上發生全反射，從而其行進距離變得更長。入射至光二極體陣列PDA3之光係於光二極體陣列PDA3之內部行進較長距離之期間被各光檢測通道CH吸收，並被檢測作為光電流。
使用光二極體陣列PDA3作為背面入射型光二極體陣列，於光自n+型半導體層72之表面側入射至光二極體陣列PDA3之情形時，所入射之光會藉由凹凸10而散射，於光二極體陣列PDA3內朝各種方向行 進。到達保護膜76側之表面或n+型半導體層72之側面之光成分會因凹凸10處之擴散而朝各種方向行進，因此，到達保護膜76側之表面或n+型半導體層72之側面之光成分藉由各面而發生全反射的可能性極高。已於保護膜76側之表面或n+型半導體層72之側面發生全反射之光成分會反覆地於不同的面上發生全反射及或於凹凸10處發生反射、散射或擴散，從而其行進距離變得更長。入射至光二極體陣列PDA3之光藉由凹凸10而發生反射、散射或擴散，從而於光二極體陣列PDA3內行進較長之距離而被各光檢測通道CH吸收，並被檢測作為光電流。
入射至光二極體陣列PDA3之光L之大部分並未穿透光二極體陣列PDA3，其行進距離變長，並被各光檢測通道CH吸收。因此，對於光二極體陣列PDA3，於近紅外光之波長區域之光譜靈敏度特性提高。
第9實施形態中，於n+型半導體層72之表面形成有不規則的凹凸10。因此，使於形成有不規則的凹凸10之上述表面側並非由光而產生之無用載子再結合，從而可減少暗電流。n+型半導體層72作為累積層而發揮功能，其抑制在n+型半導體層72之上述表面附近由光所產生之載子被該表面捕獲。因此，由光所產生之載子可朝倍增區域AM有效地移動，從而可提高光二極體陣列PDA3之光檢測靈敏度。
第9實施形態中，與n+型半導體層72中之複數之光檢測通道CH之間對應的表面亦形成有不規則的凹凸10，並且光學性露出。因此，入射至複數之光檢測通道CH之間的光亦會藉由不規則的凹凸10而發生反射、散射或擴散，並被任一光檢測通道CH吸收。由此，於光檢測通道CH之間檢測靈敏度並未下降，光二極體陣列PDA3之光檢測靈敏度進一步提高。
於第9實施形態中，n+型半導體層72之厚度大於不規則的凹凸10之高低差。因此，可確實地確保n+型半導體層72之作為累積層之作用 效果。
光二極體陣列PDA3中，pn接面係藉由基板62之n+型半導體層72、及形成於該基板62之n+型半導體層72上之磊晶半導體層即p-型半導體層73所構成。倍增區域AM係形成於實現pn接面之p-型半導體層73上，各倍增區域AM與各光檢測通道CH之對應係藉由形成於光檢測通道CH之間之隔離部80而實現。pn接面係由n+型半導體層72與p-型半導體層73之界面、及隔離部80與p-型半導體層73之界面所構成。因此，高濃度雜質區域成為凸，不存在電場變高之區域。由此，光二極體陣列PDA3不具有在以蓋革模式動作時會產生邊緣崩潰之pn接面之端部(邊緣)。因此，光二極體陣列PDA3中，無需對各光檢測通道CH之pn接面設置保護環。以此，可顯著提高光二極體陣列PDA3之開口率。
藉由提高開口率，光二極體陣列PDA3亦可加大檢測效率。
由於各光檢測通道CH之間被隔離部80隔離，因此可良好地抑制干擾。
當以蓋革模式動作，使入射有光子之光檢測通道與未入射之通道之間電壓差變大時，亦會由於在光檢測通道CH之間形成有隔離部80而可將通道間充分地隔離。
光二極體陣列PDA3中，信號導線63之讀出部63a係形成於隔離部80之上方，故可抑制信號導線63橫穿倍增區域AM上方、即橫穿光檢測面上。因此，開口率會進一步提高。進而，認為於暗電流之抑制方面亦有效。於光二極體陣列PDA3中，由於電阻64亦形成於隔離部80之上方，因此，開口率會更進一步提高。
本申請案發明者由剩餘脈衝之波長相依性發現：在使用n型之半導體基板並於其上形成有p型之磊晶半導體層時，產生如下問題：n型之半導體基板上所產生之電洞之一部分會延遲並進入到倍增區域而成 為剩餘脈衝。針對該種問題，光二極體陣列PDA3中，於形成有複數之光檢測通道CH之區域上，由於基板構件SM被去除，故可抑制剩餘脈衝。
於第9實施形態中，形成為光二極體陣列之光檢測通道之個數並不限定於上述實施形態中之個數(4×4)。形成於光檢測通道CH之間的隔離部80之個數亦不限定於上述實施形態及變形例所示之個數，例如亦可為3個以上。信號導線63亦可不形成於隔離部80之上方。電阻64亦可不形成於隔離部80之上方。各層等並不限定於上述實施形態所例示者。
(第10實施形態)
參照圖33，說明第10實施形態之MOS(Metal Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導體)影像感測器MI1。圖33係概率性地表示第10實施形態之MOS影像感測器之俯視圖。圖34係表示沿圖33所示之MOS影像感測器之XXXIV-XXXIV線之剖面構成的圖。
MOS影像感測器MI1包括含有矽之第1導電型之半導體基板90。於半導體基板90上，形成有受光部91、用於選擇列之垂直移位暫存器92、及用於選擇行之水平移位暫存器93。如圖34(a)所示，受光部91配置於半導體基板90之第1主面90a側。於受光部91上，二維狀配置有複數之像素(未圖示)。垂直移位暫存器92配置於受光部91之側方(圖33中為左側)。水平移位暫存器93亦配置於受光部91之側方(圖33中為下側)。
於半導體基板90之第2主面90b中之與受光部91對應的區域上，如圖34(a)所示形成有不規則的凹凸10。在半導體基板90之第2主面90b側，形成有累積層11，第2主面90b光學性露出。如圖34(b)所示，不規則的凹凸10亦可遍及半導體基板90之整個第2主面90b而形成。
繼而，參照圖35及圖36，說明配置於MOS影像感測器MI1之受光 部91上之各像素PX的構成。圖35係放大表示第10實施形態之MOS影像感測器中之一個像素的俯視圖。圖36係表示沿圖35中之XXXVI-XXXVI線之剖面構成的圖。
如圖35所示，各像素PX係由受光區域101與隨附電路102構成。 當MOS影像感測器MI1為PPS(Passive Pixel Sensor，被動式像素感測器)時，隨附電路102係由讀出用FET(field effect transistor，場效電晶體)構成。當MOS影像感測器MI1為APS(Active Pixel Sensor，主動式像素感測器)時，隨附電路102係由包含4個電晶體等之放大電路構成。
如圖36(a)所示，受光區域101係包含由半導體基板90與第2導電型之半導體區域111所構成之pn接面的光二極體。隨附電路102配置於第2導電型之半導體區域111之側方(圖36(a)中為左側)。於半導體基板90之第2主面90b上，遍及整個像素PX而形成有不規則的凹凸10。如圖36(b)所示，不規則的凹凸10亦可僅形成於半導體基板90之第2主面90b中之與受光區域101(第2導電型之半導體區域111)對應的區域上。
於第10實施形態中，亦與其他實施形態同樣地，入射至MOS影像感測器MI1之光之行進距離變長，光被吸收之距離亦變長。藉此，對於MOS影像感測器MI1，亦可提高於近紅外光之波長區域之光譜靈敏度特性。
於第10實施形態中，亦可在結束半導體基板90之第1主面90a側之加工製程後，薄化半導體基板90。此時，可獲得將半導體基板90之第1主面90a及第2主面90b側分別作為光入射面之MOS影像感測器。
第10實施形態所示之態樣並不僅適用於MOS影像感測器。第10實施形態所示之態樣可適用於檢測於近紅外光之波長區域之光的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體)影像感測器、光IC(integrated circuit，積體電路)、或CMOS光IC等。
以上，對本發明之較佳實施形態進行了說明，但本發明未必限定於上述實施形態，於不脫離其主旨之範圍內可進行各種變更。
於第1~第5實施形態中，遍及第2主面1b之整個表面而照射脈衝雷射光，形成不規則的凹凸10，但並不限於此。例如，亦可僅對n-型半導體基板1之第2主面1b中之與p+型半導體區域3對向之區域照射脈衝雷射光，形成不規則的凹凸10。
於第1~第5實施形態中，將電極15與形成於n-型半導體基板1之第1主面1a側之n+型半導體區域5電性接觸且連接，但並不限於此。例如，亦可將電極15與形成於n-型半導體基板1之第2主面1b側之累積層11電性接觸且連接。此時，宜在n-型半導體基板1之第2主面1b中之與p+型半導體區域3對向之區域以外形成電極15。其原因在於，若於n-型半導體基板1之第2主面1b中之與p+型半導體區域3對向的區域上形成電極15，則形成於第2主面1b上之不規則的凹凸10會被電極15阻擋，從而產生於近紅外光之波長區域之光譜靈敏度下降之現象。
亦可將本實施形態之光二極體PD1~PD5、光二極體陣列PDA1~PDA3、固體攝像元件SI1、及MOS影像感測器MI1中之p型及n型之各導電型替換成與以上所述者相反。
且說，於先行技術之一中，存在有於日本專利特表2008-515196號公報所揭示之「含有藉由摻雜有硫之雷射而得以微結構化之表面層之矽基底的檢測器製造方法」。於日本專利特表2008-515196號公報中，對矽基板表面之複數位置的各位置照射一個以上之飛秒雷射脈衝，同時使上述表面曝露於含有硫之物質中，在基板之表面層形成複數之含硫物。如此，於日本專利特表2008-515196號公報中，於矽之帶隙中形成雜質等級，由此使紅外線靈敏度提高。因此，入射至半導體光檢測元件之光之行進距離變長，光被吸收之距離亦變長，故於近紅外光之波長區域之光譜靈敏度特性提高的本實施形態之各半導體光 檢測元件與日本專利特表2008-515196號公報所揭示之光檢測器不同。又，日本專利特表2008-515196號公報所揭示之光檢測器係藉由光電效應而檢測光，與本實施形態之各半導體光檢測元件不同。
先前，波長為1000nm以上之具有實用之光譜靈敏度的半導體受光元件僅存在使用化合物半導體之半導體受光元件。然而，根據本發明，可實現能使用原料與加工成本均便宜、且加工亦容易之矽來檢測波長為1000nm以上之近紅外光的半導體受光元件，因此成為產業上較大之優點。
產業上之可利用性
本發明可利用於半導體光檢測元件及光檢測裝置。
1‧‧‧n-型半導體基板
1a‧‧‧第1主面
1b‧‧‧第2主面
3‧‧‧p+型半導體區域
5‧‧‧n+型半導體區域
7‧‧‧絕緣層
10‧‧‧不規則的凹凸
11‧‧‧累積層
13、15‧‧‧電極
H1、H2‧‧‧接觸孔
PD1‧‧‧光二極體

Claims (6)

  1. 一種半導體光檢測元件，其係背面入射型，其特徵在於：包含矽基板，該矽基板含有由第1導電型之半導體區域與第2導電型之半導體區域所形成之pn接面，於上述矽基板上，在該矽基板之一主面側形成有第1導電型之累積層，並且在上述一主面中之至少與上述pn接面對向之區域上形成有不規則的凹凸，上述矽基板之上述一主面中之與上述pn接面對向的上述區域光學性露出，形成有不規則的上述凹凸之上述一主面作為光入射面，自上述一主面入射之光進入上述矽基板內。
  2. 一種半導體光檢測元件，其係背面入射型，其特徵在於：包含矽基板，該矽基板包含第1導電型之半導體，且含有彼此對向之第1主面及第2主面，並且於上述第1主面側形成有第2導電型之半導體區域，於上述矽基板上，在上述第2主面側形成有具有較上述矽基板更高之雜質濃度之第1導電型的累積層，並且在上述第2主面中之至少與第2導電型之上述半導體區域對向的區域上形成有不規則的凹凸，上述矽基板之上述第2主面中之與第2導電型之上述半導體區域對向的上述區域光學性露出，形成有不規則的上述凹凸之上述第2主面作為光入射面，自上述第2主面入射之光進入上述矽基板內。
  3. 如請求項2之半導體光檢測元件，其中上述矽基板中，自上述第2主面側起薄化與第2導電型之上述半導體區域對應之部分，保 留該部分之周邊部分。
  4. 如請求項2或3之半導體光檢測元件，其中第1導電型之上述累積層之厚度大於不規則的上述凹凸之高低差。
  5. 如請求項1或2之半導體光檢測元件，其中自上述光入射面入射進入上述矽基板內之光，由不規則的上述凹凸產生反射、散射或擴散。
  6. 如請求項1或2之半導體光檢測元件，其中自上述光入射面入射之光，由不規則的上述凹凸產生散射。
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