JP6068954B2 - フォトダイオードアレイ - Google Patents
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Description
本発明は、フォトダイオードアレイに関する。
例えば、特許文献１には、ＣＴ（Computed Tomography）装置等に用いられるフォトダイオードアレイが記載されている。特許文献１のフォトダイオードアレイでは、ｎ型の半導体基板の入射面側に、光検出領域を構成するＰ＋型の半導体領域が２次元状に配列されている。各Ｐ＋型の半導体領域には、電極が接続されている。各電極は、各Ｐ＋型の半導体領域に対応して設けられた貫通孔を介して、入射面と反対側の裏面側に引き出されている。Ｐ＋型の半導体領域と貫通孔とは、所定の方向に沿って交互に半導体基板に配置されている。
特許文献１のフォトダイオードアレイにおいては、隣り合うＰ＋型の半導体領域同士の間に、貫通孔を設けるための十分な間隔を設ける必要がある。このため、開口率が低下するおそれがある。また、フォトダイオードアレイにおいては、電気的特性の向上など、種々の信頼性を向上させることが求められている。
本発明は、開口率及び信頼性を向上させることができるフォトダイオードアレイを提供することを目的とする。
本発明のフォトダイオードアレイは、半導体基板に形成された複数のフォトダイオードを備えるフォトダイオードアレイであって、フォトダイオードのそれぞれは、半導体基板に設けられた第１導電型の第１半導体領域と、第１半導体領域に対して半導体基板の一方の面側に設けられ、第１半導体領域の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する第１導電型の第２半導体領域と、第２半導体領域から離間して第２半導体領域を囲むように第１半導体領域に対して一方の面側に設けられ、第１半導体領域と共に光検出領域を構成する第２導電型の第３半導体領域と、第１半導体領域及び第２半導体領域を通るように一方の面と半導体基板の他方の面との間を貫通する貫通孔内に設けられ、第３半導体領域と電気的に接続された貫通電極と、を有する。
このフォトダイオードアレイでは、フォトダイオードのそれぞれにおいて、貫通孔が第１及び第２半導体領域を通り、第２半導体領域が第３半導体領域に囲まれている。第３半導体領域は、第１半導体領域と共に光検出領域を構成する。ここで、１つの画素であるフォトダイオードのそれぞれにおいて、貫通孔は、光検出領域に囲まれることになる。従って、隣り合うフォトダイオード同士の間隔を小さくすることができる。よって、開口率を向上させることができる。さらに、貫通孔が通る第２半導体領域は、第１半導体領域の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有している。従って、貫通孔の内壁で発生して光検出領域に向かう表面リーク電流を第２半導体領域により低減させることができる。よって、電気的特性を向上させることができる。加えて、貫通孔が通る第２半導体領域は、第１半導体領域の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有しているため、貫通孔に発生する種々の応力を緩衝することができる。よって、強度を向上させることができる。しかも、第２半導体領域と第３半導体領域とは、離間している。従って、第２半導体領域と第３半導体領域との間のショートを抑制することができ、電気的特性を向上させることができる。
第２半導体領域と第３半導体領域との間には、第２半導体領域を囲むように第１半導体領域の一部が存在していてもよい。この構成によれば、電気的特性を向上させることができる。
一方の面側の貫通孔の開口の縁と第２半導体領域の外縁との間隔は、第２半導体領域の外縁と第３半導体領域の内縁との間隔よりも大きくてもよい。この構成によれば、第２半導体領域により、貫通孔に発生する種々の応力を一層緩衝することができる。
第３半導体領域の内縁は、半導体基板の厚さ方向から見た場合に、他方の面側の貫通孔の開口を囲んでいてもよい。この構成によれば、第３半導体領域は、半導体基板の厚さ方向から見た場合に、貫通孔よりも外側の範囲に設けられることになる。従って、例えば、貫通孔内にバンプ電極を形成する場合等に、光検出領域を構成する第３半導体領域にかかる応力を低減させることができる。
フォトダイオードのそれぞれは、一方の面上に形成され、第３半導体領域と貫通電極とを電気的に接続させるコンタクト電極を含んでいてもよく、コンタクト電極の外縁は、半導体基板の厚さ方向から見た場合に、他方の面側の貫通孔の開口を囲んでいてもよい。この構成によれば、半導体基板の厚さ方向から見た場合に、貫通孔の内側及び外側の範囲にまたがってコンタクト電極が設けられることになる。従って、貫通孔周辺の強度を向上させることができる。
一方の面側の貫通孔の開口は、円形状を呈していてもよい。この構成によれば、例えば、貫通孔内にバンプ電極を形成する場合等に、貫通孔に応力集中が発生することを抑制することができる。
本発明によれば、開口率及び信頼性を向上させることができるフォトダイオードアレイを提供することが可能となる。
以下、実施形態のフォトダイオードアレイについて、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一又は相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
［フォトダイオードアレイ］
図１に示されるように、フォトダイオードアレイ１は、例えばＣＴ装置等に用いられる。フォトダイオードアレイ１は、半導体基板２に形成された複数のフォトダイオードＰＤ１を備えている。
図１に示されるように、フォトダイオードアレイ１は、例えばＣＴ装置等に用いられる。フォトダイオードアレイ１は、半導体基板２に形成された複数のフォトダイオードＰＤ１を備えている。
半導体基板２は、平面視において、長方形状を呈している。半導体基板２は、互いに対向する表面（一方の面）２１と裏面（他方の面）２２とを有している。表面２１上には、絶縁膜ｆ１及び絶縁膜ｆ３が、表面２１からこの順番で形成されている。裏面２２上には、絶縁膜ｆ４及び絶縁膜ｆ５が、裏面２２からこの順番で形成されている。各絶縁膜としては、ＳｉＯ２膜又はＳｉＮ膜等が形成される。
フォトダイオードＰＤ１は、半導体基板２に２次元状に配列されている。フォトダイオードＰＤ１のそれぞれが、１つの画素として機能する。フォトダイオードＰＤ１は、第１半導体領域３と、第２半導体領域４と、第３半導体領域５と、第４半導体領域６と、第５半導体領域７と、貫通電極８１ａと、コンタクト電極８２ａと、端子部８３ａと、を有している。
第１半導体領域３は、半導体基板２の厚さ方向における中央部分を含んでいる。第１半導体領域３は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、矩形状を呈している。第１半導体領域３は、半導体基板２の厚さ方向における中央部分において、フォトダイオードＰＤ１の全域に亘って設けられている。隣り合うフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ１の第１半導体領域３，３同士は、一体に形成されている。第１半導体領域３は、ｎ−型の半導体領域である。第１半導体領域３は、例えばＳｉ等により形成されている。第１半導体領域３には、不図示の基板電極が接続されている。
第２半導体領域４は、第１半導体領域３に対して半導体基板２の表面２１側に設けられている。第２半導体領域４は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、円環状を呈している。第２半導体領域４は、他の環状（例えば、四角環状等の多角環状、又は、内縁及び外縁の形状が異なる環状など）を呈していてもよい。すなわち、環状とは、任意の領域を閉じるように囲む一体の形状である。第２半導体領域４の内縁は、表面２１側の貫通孔９Ａ（後述）の開口を形成している。第２半導体領域４は、ｎ＋型の半導体領域であり、第１半導体領域３の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有している。第２半導体領域４は、例えばＳｉにｎ型の不純物を拡散すること等により形成されている。
第３半導体領域５は、第１半導体領域３に対して半導体基板２の表面２１側に設けられている。第３半導体領域５は、第２半導体領域４と離間しており、第２半導体領域４を囲んでいる。第３半導体領域５は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、外縁は矩形状で内縁は円形状の環状を呈している。第３半導体領域５は、他の環状を呈していてもよい。第３半導体領域５は、ｐ＋型の半導体領域である。第３半導体領域５と第１半導体領域３とは、ｐｎ接合を形成しており、フォトダイオードＰＤ１の光検出領域を構成している。第３半導体領域５は、例えばＳｉにｐ型の不純物を拡散すること等により形成されている。第２半導体領域４は、第３半導体領域５よりも深くまで形成されている。
第２半導体領域４と第３半導体領域５との間には、第１半導体領域３の一部である第１の部分３１が存在している。第１の部分３１は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、第２半導体領域４を囲んでいると共に、第３半導体領域５に囲まれている。第１の部分３１は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、円環状を呈している。第１の部分３１は、他の環状を呈していてもよい。
第４半導体領域６は、第１半導体領域３に対して半導体基板２の表面２１側に設けられている。第４半導体領域６は、平面視において、第３半導体領域５よりも大きい矩形環状を呈しており、第３半導体領域５を囲っている。第４半導体領域６は、他の環状を呈していてもよい。第４半導体領域６は、第３半導体領域５と離間して設けられている。第３半導体領域５と第４半導体領域６との間には、第１半導体領域３の一部である矩形環状の第２の部分３２が存在している。第２の部分３２は、他の環状を呈していてもよい。隣り合うフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ１の第４半導体領域６，６同士は、一体に形成されている。
第４半導体領域６は、ｎ＋型の半導体領域であり、第１半導体領域３の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有している。第４半導体領域６は、例えばＳｉにｎ型の不純物を拡散することにより形成されている。第４半導体領域６は、隣り合うフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ１を分離するチャネルストッパとして機能する。第４半導体領域６は、不図示の電極を介して接地されている。
第５半導体領域７は、第１半導体領域３に対して半導体基板２の裏面２２側に設けられている。第５半導体領域７は、裏面２２側において、フォトダイオードＰＤ１の全域に亘って形成されている。隣り合うフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ１の第５半導体領域７，７同士は、一体に形成されている。第５半導体領域７は、ｎ＋型の半導体領域であり、第１半導体領域３の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有している。第５半導体領域７は、例えばＳｉにｎ型の不純物を拡散することにより形成されている。第１半導体領域３及び第５半導体領域７は、例えば、ｎ＋型のＳｉ上に当該Ｓｉよりも不純物濃度が低いｎ−型のエピタキシャル層を成長することにより形成されていてもよい。
半導体基板２には、表面２１と裏面２２との間を貫通する貫通孔９Ａが設けられている。貫通孔９Ａは、第１半導体領域３及び第２半導体領域４を貫通している。貫通孔９Ａは、表面２１側から裏面２２側に向かって拡がった部分を含んでいる。貫通孔９Ａは、表面２１側に位置する小孔部９１ａと、裏面２２側に位置する大孔部９２ａと、を含んでいる。
小孔部９１ａは、絶縁膜ｆ１を貫通している。小孔部９１ａは、円柱状を呈している。表面２１側の貫通孔９Ａの開口は、円形状を呈している。
大孔部９２ａは、第１半導体領域３及び第２半導体領域４を貫通している。大孔部９２ａは、表面２１側から裏面２２側に向かって拡がっており、テーパ状を呈している。具体的には、大孔部９２ａは、四角錐台状を呈している。裏面２２側の貫通孔９Ａの開口は、矩形状（詳細には、正方形状）を呈している。大孔部９２ａの内壁と表面２１とは、略５５°の角度をなしている。大孔部９２ａの内壁と裏面２２とは、略１２５°の角度をなしている。大孔部９２ａの上辺は、小孔部９１ａの直径よりも大きい。小孔部９１ａと大孔部９２ａとは、同軸上に配置されている。
大孔部９２ａの内壁上には、絶縁膜ｆ６が形成されている。絶縁膜ｆ６は、裏面２２側の絶縁膜ｆ４と連続して形成されている。絶縁膜ｆ６としては、ＳｉＯ２膜又はＳｉＮ膜等が形成される。
表面２１側の貫通孔９Ａの開口の縁と第２半導体領域４の外縁との間隔ｄ１は、第２半導体領域４の外縁と第３半導体領域５の内縁との間隔（第１の部分３１の内縁と外縁との間隔）ｄ２よりも大きい。
第３半導体領域５の内縁は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、裏面２２側の貫通孔９Ａの開口を囲んでいる。すなわち、第３半導体領域５は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、貫通孔９Ａよりも外側の範囲に設けられている。
各領域の厚さ／不純物濃度は、例えば以下である。
第１半導体領域３：厚さ５０〜６２５μｍ／不純物濃度５×１０１１〜５×１０１５ｃｍ−３
第２半導体領域４：厚さ１.０〜１０μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３
第３半導体領域５：厚さ０．０１〜３．０μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３
第４半導体領域６：厚さ１.０〜１０μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３
第５半導体領域７：厚さ１.０〜６２０μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３
第１半導体領域３：厚さ５０〜６２５μｍ／不純物濃度５×１０１１〜５×１０１５ｃｍ−３
第２半導体領域４：厚さ１.０〜１０μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３
第３半導体領域５：厚さ０．０１〜３．０μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３
第４半導体領域６：厚さ１.０〜１０μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３
第５半導体領域７：厚さ１.０〜６２０μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３
貫通電極８１ａは、貫通孔９Ａ内に設けられている。貫通電極８１ａは、底面が全面的に開口された中空四角錐台状を呈している。貫通電極８１ａは、小孔部９１ａの内壁上及び大孔部９２ａ内の絶縁膜ｆ６上に形成されている。貫通電極８１ａは、表面２１側の貫通孔９Ａの開口を塞いでいる。
コンタクト電極８２ａは、表面２１上に形成されている。コンタクト電極８２ａは、第３半導体領域５と貫通電極８１ａとを電気的に接続している。コンタクト電極８２ａは、円板状の部分と、円環状の部分と、を含んでいる。円板状の部分は、絶縁膜ｆ１上に形成されている。円板状の部分は、貫通孔９Ａの表面２１側の開口を覆っている。円板状の部分は、貫通電極８１ａと連結されている。円環状の部分は、円板状の部分の一方の面における外縁から、径方向外側に向かって拡がっている。円環状の部分は、絶縁膜ｆ１を貫通しており、第３半導体領域５と接触している。
コンタクト電極８２ａの外縁は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、裏面２２側の貫通孔９Ａの開口を囲んでいる。すなわち、コンタクト電極８２ａは、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、貫通孔９Ａの内側及び外側の範囲にまたがって設けられている。
端子電極８３ａは、裏面２２上に形成されている。端子電極８３ａは、絶縁膜ｆ４上に形成されている。端子電極８３ａは、外縁が円形状で内縁が四角形状の環状を呈している。端子電極８３ａの内縁は、貫通電極８１ａと連結されている。コンタクト電極８２ａ、貫通電極８１ａ及び端子電極８３ａは、例えばアルミニウム等により形成されている。
［フォトダイオードアレイの製造方法］
次に、フォトダイオードアレイ１の製造方法の一例について説明する。
次に、フォトダイオードアレイ１の製造方法の一例について説明する。
図４に示されるように、まず、結晶面（１００）のｎ−型のＳｉの基板Ｓを準備する。基板Ｓには、第１半導体領域３が含まれている。続いて、例えば熱酸化により、表面２１上に絶縁膜ｆ１を形成する。
図５に示されるように、続いて、第２半導体領域４及び第４半導体領域６を形成する予定の位置上の絶縁膜ｆ１をフォトエッチングにより除去し、開口を形成する。開口を介して、基板Ｓにリンを熱拡散させる。この際、裏面２２にもリンを熱拡散させる。これにより、第２半導体領域４、第４半導体領域６及び第５半導体領域７が形成される。続いて、熱酸化により開口を閉じる。
図６に示されるように、続いて、第３半導体領域５を形成する予定の位置上の絶縁膜ｆ１をフォトエッチングにより除去し、開口を形成する。開口を介して、基板Ｓにボロンを熱拡散させる。これにより、第３半導体領域５が形成される。続いて、熱酸化により開口を閉じる。
図７に示されるように、続いて、コンタクト電極８２ａの円環状の部分を形成する予定の位置の絶縁膜ｆ１をフォトエッチングにより除去し、開口（コンタクトホール）を形成する。続いて、スパッタリングにより、コンタクト電極８２ａを形成する。
図８に示されるように、続いて、例えばプラズマＣＶＤ又はＬＰ−ＣＶＤ等により、絶縁膜ｆ１上及びコンタクト電極８２ａ上に絶縁膜ｆ３を形成する。続いて、光が透過する部分の厚さを調節するために、表面２１側を化学機械研磨（ＣＭＰ）する。
図９に示されるように、続いて、アルカリエッチング（水酸化カリウム溶液、ＴＭＡＨ、ヒトラジン又はＥＤＰ等を用いる）により、裏面２２に異方性エッチングを施す。これにより、その内壁と表面２１とが略５５°の角度をなす大孔部９２ａが形成される。異方性エッチングは、大孔部９２ａが絶縁膜ｆ１に達するまで行う。続いて、ドライエッチングにより、小孔部９１ａを形成する。
図１０に示されるように、続いて、プラズマＣＶＤ又はＬＰ−ＣＶＤ等により、裏面２２上、大孔部９２ａの内壁上及び小孔部９１ａの内壁上に絶縁膜ｆ４，ｆ６を形成する。
図１１に示されるように、続いて、小孔部９１ａの内壁上の絶縁膜ｆ６をフォトエッチングにより除去して開口（コンタクトホール）を形成し、コンタクト電極８２ａの一部を裏面２２側に露出させる。続いて、スパッタリングにより、貫通電極８１ａ及び端子電極８３ａを形成する。
図１２に示されるように、続いて、プラズマＣＶＤ又はＬＰ−ＣＶＤ等により、絶縁膜ｆ４上、端子電極８３ａ上及び貫通電極８１ａ上に絶縁膜ｆ５を形成する。続いて、端子電極８３ａ上の内縁側及び貫通電極８１ａ上の絶縁膜ｆ５をフォトエッチングにより除去する。以上により、図３に示される構成が得られる。
［ＣＴ装置］
図１３に示されるように、ＣＴ装置１００は、前述のフォトダイオードアレイ１と、シンチレータ１０１と、実装基板１０２と、を具備している。
図１３に示されるように、ＣＴ装置１００は、前述のフォトダイオードアレイ１と、シンチレータ１０１と、実装基板１０２と、を具備している。
シンチレータ１０１は、絶縁膜ｆ３と当接している。シンチレータ１０１は、直方体状を呈している。シンチレータ１０１は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、光検出領域を構成する第３半導体領域５と同程度の大きさであり、第３半導体領域５と重なっている。シンチレータ１０１は、結晶性を有するシンチレータ（ＣｓＩ、ＮａＩ、ＬａＢｒ３、又はＧＡＧＧなどの結晶性材料）、セラミックシンチレータ（無機蛍光体の焼結体など）、又はプラスチックシンチレータ（PETなど）等の固体状のシンチレータである。シンチレータ１０１における絶縁膜ｆ３との当接面以外の面には、反射膜１０３が設けられている。反射膜１０３は、例えばアルミニウム又は酸化チタン等により形成されている。
実装基板１０２は、電極１０４を有している。電極１０４は、貫通電極８１ａ内に形成されたバンプ電極１０５を介して、貫通電極８１ａに電気的に接続されている。バンプ電極１０５は、例えば半田、金、ニッケル、銅又は導電性接着樹脂等の導電性を有する材料により形成されている。
ＣＴ装置１００では、Ｘ線がシンチレータ１０１に入射すると、シンチレータ１０１がシンチレーション光を発する。シンチレーション光は、直接第３半導体領域５に入射し、又は、コンタクト電極８２ａ及び反射膜１０３等により反射された後に第３半導体領域５に入射する。シンチレーション光の入射により光検出領域で発生した電荷の情報は、コンタクト電極８２ａ、貫通電極８１ａ、端子電極８３ａ及びバンプ電極１０５を介して、実装基板１０２に入力される。
以上のような本実施形態のフォトダイオードアレイ１では、フォトダイオードＰＤ１のそれぞれにおいて、貫通孔９Ａが第１半導体領域３及び第２半導体領域４を通り、第２半導体領域４が第３半導体領域５に囲まれている。第３半導体領域５は、第１半導体領域３と共に光検出領域を構成している。ここで、１つの画素であるフォトダイオードＰＤ１のそれぞれにおいて、貫通孔９Ａが光検出領域に囲まれていることになる。これにより、隣り合うフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ１同士の間隔が小さくなっている。よって、開口率を向上させることができる。
貫通孔９Ａが通る第２半導体領域４は、第１半導体領域３の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有している。従って、貫通孔９Ａの内壁で発生して光検出領域に向かう表面リーク電流を第２半導体領域４により低減させることができる。また、エッチングにより発生するダメージを第２半導体領域４により低減させることができる。よって、電気的特性を向上させることができる。これらの効果は、第２半導体領域４が第３半導体領域５よりも深くまで形成されていることにより、さらに好適に発揮される。
絶縁膜ｆ６と半導体基板２とは材料が異なるため、絶縁膜ｆ６と貫通孔９Ａとの界面に応力が発生することが考えられる。フォトダイオードアレイ１では、貫通孔９Ａが通る第２半導体領域４は、第１半導体領域３の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有しているため、貫通孔９Ａと絶縁膜ｆ６との界面に生じる応力を第２半導体領域４で緩衝することができる。よって、強度を向上させることができる。
半導体基板２は、厚さに比して表面２１及び裏面２２の面積が大きいため、半導体基板２に歪みが発生することが考えられる。フォトダイオードアレイ１では、半導体基板２の歪みに起因して貫通孔９Ａに発生する応力を貫通孔９Ａが通る第２半導体領域４で緩衝することができる。よって、強度を向上させることができる。
貫通孔９Ａ内にバンプ電極１０５を形成する際に、バンプ電極１０５の熱収縮等により、貫通孔９Ａに応力が発生することが考えられる。フォトダイオードアレイ１では、バンプ電極１０５の形成時等に発生する応力を貫通孔９Ａが通る第２半導体領域４で緩衝することができる。よって、強度を向上させることができる。
第２半導体領域４と第３半導体領域５とは、離間している。第２半導体領域４と第３半導体領域５との間には、第２半導体領域４を囲むように、第１半導体領域３の一部である第１の部分３１が存在している。従って、第２半導体領域４と第３半導体領域５との間のショートを抑制することができ、電気的特性を向上させることができる。
表面２１側の貫通孔９Ａの開口の縁と第２半導体領域４の外縁との間隔ｄ１は、第２半導体領域４の外縁と第３半導体領域５の内縁との間隔ｄ２よりも大きい。このため、第２半導体領域４により、貫通孔９Ａに発生する前述の種々の応力を一層緩衝することができる。
第３半導体領域５の内縁は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、裏面２２側の貫通孔９Ａの開口を囲んでいる。すなわち、第３半導体領域５は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、貫通孔９Ａよりも外側の範囲に設けられている。従って、貫通孔９Ａ内にバンプ電極１０５を形成する場合等に、光検出領域を構成する第３半導体領域５にかかる応力を低減させることができる。
フォトダイオードＰＤ１のそれぞれは、表面２１上に形成され、第３半導体領域５と貫通電極８１ａとを接続させるコンタクト電極８２ａを含んでおり、コンタクト電極８２ａの外縁は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、裏面２２側の貫通孔９Ａの開口を囲んでいる。すなわち、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、貫通孔９Ａの内側及び外側の範囲にまたがってコンタクト電極８２ａが設けられている。従って、貫通孔９Ａ周辺の強度を向上させることができる。
表面２１側の貫通孔９Ａの開口は、円形状を呈している。このため、例えば、貫通孔９Ａ内にバンプ電極１０５を形成する場合等に、貫通孔９Ａに応力集中が発生することを抑制することができる。
貫通孔が光検出領域により囲われている場合、貫通孔の内壁のダメージに起因して発生するリーク電流は、光検出領域に進入しやすくなる。従って、貫通孔が光検出領域により囲われている場合、貫通孔の内壁のダメージを低減させることが好ましい。フォトダイオードアレイ１では、貫通孔９Ａは、表面２１から裏面２２に向けて拡がったテーパ状の大孔部９２ａを含んでいる。大孔部９２ａは、異方性エッチングにより形成されている。異方性エッチングでは貫通孔９Ａの内壁にダメージが生じにくい。このため、フォトダイオードアレイ１では、貫通孔９Ａからのリーク電流を低減させることができる。従って、電気的特性を向上させることができる。
大孔部９２ａの内壁と裏面２２とは、鈍角（略１２５°）をなしている。従って、絶縁膜ｆ４，ｆ６を形成する際に、大孔部９２ａの内壁と裏面２２とが直角又は鋭角をなしている場合に比して、裏面２２側の貫通孔９Ａの開口縁における絶縁膜ｆ４，ｆ６の膜厚が厚く形成されやすい。従って、電気特性を向上させることができる。
第２半導体領域４は、円環状を呈している。従って、第２半導体領域４が多角形状等を呈している場合に比して、電界の集中を抑制することができる。
次に、他の実施形態のフォトダイオードアレイについて説明する。
図１４に示されるように、本実施形態のフォトダイオードアレイは、前述のフォトダイオードＰＤ１（図３参照）に代えて、フォトダイオードＰＤ２を備えている。フォトダイオードＰＤ２は、貫通孔、貫通電極及び端子電極の形状が異なる点で、フォトダイオードＰＤ１と相違している。
貫通孔９Ｂは、表面２１側に位置する小孔部９１ｂと、裏面２２側に位置する大孔部９２ｂと、を含んでいる。小孔部９１ｂは、前述の小孔部９１ａと同様な構成である。
大孔部９２ａは、第１半導体領域３及び第２半導体領域４を貫通している。大孔部９２ｂは、小孔部９１ｂの直径よりも大きい直径を有する円柱状を呈している。裏面２２側の貫通孔９Ｂの開口は、円形状を呈している。小孔部９１ｂと大孔部９２ｂとは、同軸上に配置されている。大孔部９２ｂは、例えば、前述の製造方法において、異方性エッチングに代えてドライエッチングを用いることにより、形成することができる。
第３半導体領域５の内縁は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、裏面２２側の貫通孔９Ｂの開口を囲んでいる。すなわち、第３半導体領域５は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、貫通孔９Ｂよりも外側の範囲に設けられている。
コンタクト電極８２ａの外縁は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、裏面２２側の貫通孔９Ｂの開口を囲んでいる。すなわち、コンタクト電極８２ａは、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、貫通孔９Ｂの内側及び外側の範囲にまたがって設けられている。
貫通電極８１ｂは、貫通孔９Ｂ内に設けられている。貫通電極８１ｂは、表面２１側の端部が閉じられた円筒状を呈している。貫通電極８１ａは、小孔部９１ｂの内壁上及び大孔部９２ｂ内の絶縁膜ｆ６上に形成されている。貫通電極８１ａは、表面２１側の貫通孔９Ａの開口を塞いでいる。
端子電極８３ｂは、裏面２２上に形成されている。端子電極８３ｂは、絶縁膜ｆ４上に形成されている。端子電極８３ｂは、円環状を呈している。端子電極８３ａの内縁は、貫通電極８１ｂと連結されている。
以上のようなフォトダイオードＰＤ２を複数備えるフォトダイオードアレイでは、フォトダイオードＰＤ２のそれぞれにおいて、貫通孔９Ｂが第１半導体領域３及び第２半導体領域４を通り、第２半導体領域４が第３半導体領域５に囲まれている。第３半導体領域５は、第１半導体領域３と共に光検出領域を構成している。ここで、１つの画素であるフォトダイオードＰＤ２のそれぞれにおいて、貫通孔９Ｂが光検出領域に囲まれていることになる。これにより、隣り合うフォトダイオードＰＤ２，ＰＤ２同士の間隔が小さくなっている。よって、開口率を向上させることができる。
貫通孔９Ｂが通る第２半導体領域４は、第１半導体領域３の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有している。従って、貫通孔９Ｂの内壁で発生して光検出領域に向かう表面リーク電流を第２半導体領域４により低減させることができる。また、エッチングにより発生するダメージを第２半導体領域４により低減させることができる。よって、電気的特性を向上させることができる。これらの効果は、第２半導体領域４が第３半導体領域５よりも深くまで形成されていることにより、さらに好適に発揮される。
絶縁膜ｆ６と半導体基板２とは材料が異なるため、絶縁膜ｆ６と貫通孔９Ｂとの界面に応力が発生することが考えられる。フォトダイオードアレイ１では、貫通孔９Ｂが通る第２半導体領域４は、第１半導体領域３の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有しているため、貫通孔９Ｂと絶縁膜ｆ６との界面に生じる応力を第２半導体領域４で緩衝することができる。よって、強度を向上させることができる。
半導体基板２は、厚さに比して表面２１及び裏面２２の面積が大きいため、半導体基板２に歪みが発生することが考えられる。フォトダイオードアレイ１では、半導体基板２の歪みに起因して貫通孔９Ｂに発生する応力を貫通孔９Ｂが通る第２半導体領域４で緩衝することができる。よって、強度を向上させることができる。
貫通孔９Ｂ内にバンプ電極１０５を形成する際に、バンプ電極１０５の熱収縮等により、貫通孔９Ｂに応力が発生することが考えられる。フォトダイオードアレイ１では、バンプ電極１０５の形成時等に発生する応力を貫通孔９Ｂが通る第２半導体領域４で緩衝することができる。よって、強度を向上させることができる。
第２半導体領域４と第３半導体領域５とは、離間している。第２半導体領域４と第３半導体領域５との間には、第２半導体領域４を囲むように、第１半導体領域３の一部である第１の部分３１が存在している。従って、第２半導体領域４と第３半導体領域５との間のショートを抑制することができ、電気的特性を向上させることができる。
第２半導体領域４の内縁と外縁との間隔ｄ１は、第２半導体領域４の外縁と第３半導体領域５の内縁との間隔ｄ２よりも大きい。このため、第２半導体領域により、貫通孔９Ｂに発生する前述の種々の応力を一層緩衝することができる。
第３半導体領域５の内縁は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、裏面２２側の貫通孔９Ｂの開口を囲んでいる。すなわち、第３半導体領域５は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、貫通孔９Ｂよりも外側の範囲に設けられている。従って、貫通孔９Ｂ内にバンプ電極を形成する場合等に、光検出領域を構成する第３半導体領域５にかかる応力を低減させることができる。
貫通電極８Ｂは、表面２１上に形成され、第３半導体領域５と接触するコンタクト電極８１ｂを含んでおり、コンタクト電極８１ｂの外縁は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、裏面２２側の貫通孔９Ｂの開口を囲んでいる。すなわち、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、貫通孔９Ｂの内側及び外側の範囲にまたがってコンタクト電極８１ｂが設けられている。従って、貫通孔９Ｂ周辺の強度を向上させることができる。
表面２１側の貫通孔９Ｂの開口は、円形状を呈している。このため、例えば、貫通孔９Ｂ内にバンプ電極を形成する場合等に、貫通孔９Ｂに応力集中が発生することを抑制することができる。さらに、裏面２２側の貫通孔９Ｂの開口は、円形状を呈している。従って、貫通孔９Ｂに応力集中が発生することをさらに抑制することができる。
第２半導体領域４は、円環状を呈している。従って、第２半導体領域４が多角形状等を呈している場合に比して、電界の集中を抑制することができる。
次に、さらに他の実施形態のフォトダイオードアレイについて説明する。
図１５に示されるように、本実施形態のフォトダイオードアレイは、前述のフォトダイオードＰＤ１（図２参照）に代えて、フォトダイオードＰＤ３を備えている。フォトダイオードＰＤ３は、光検出領域が複数（４つ）に分割されている点で、フォトダイオードＰＤ１と相違している。
詳細には、フォトダイオードＰＤ３は、第３半導体領域５に代えて、第３半導体領域５と形状の異なる複数（４つ）の第３半導体領域５１を有している。フォトダイオードＰＤ３は、第１及び第２の部分３１，３２に代えて、第１半導体領域３の一部である複数（４つ）の第３の部分３３を有している。フォトダイオードＰＤ３は、複数の第６半導体領域１０を有している。
複数の第３半導体領域５１は、互いに離間して設けられている。複数の第３半導体領域５１は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、第２半導体領域４を囲んでいる。第３半導体領域５１のそれぞれは、第２半導体領域４と離間している。第３半導体領域５１のそれぞれは、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、矩形から１つの角を扇形状に切欠いたような形状を呈している。
表面２１側の貫通孔９Ａの開口の縁と第２半導体領域４の外縁との間隔ｄ１は、第２半導体領域４の外縁と第３半導体領域５１の内縁との間隔（第１の部分３３のそれぞれにおける内縁と外縁との間隔）ｄ３よりも大きい。
複数の第３半導体領域５１の内縁は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、裏面２２側の貫通孔９Ａの開口を囲んでいる。すなわち、複数の第３半導体領域５１は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、貫通孔９Ａよりも外側に設けられている。
第３半導体領域５１のそれぞれは、コンタクト電極８２ａと接続されている。複数の第３半導体領域５１で得られた情報は、貫通電極８１ａから１つの情報として出力される。すなわち、複数の第３半導体領域５１を備えるＰＤ３は、１つの画素として機能する。
第１の部分３３のそれぞれは、環状を呈している。第１の部分３３のそれぞれは、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、第３半導体領域５１を囲んでいる。複数の第１の部分３３は、互いに離間して設けられている。複数の第１の部分３３は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、第２半導体領域４を囲んでいる。
第６半導体領域１０は、第１半導体領域３に対して半導体基板２の表面２１側に設けられている。第６半導体領域１０は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、隣り合う第１の部分３３，３３同士の間に形成されている。第６半導体領域１０は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、略長方形状を呈している。第６半導体領域１０は、ｎ＋型の半導体領域であり、第１半導体領域３の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有している。第６半導体領域１０は、ｎ＋型の半導体領域である第２半導体領域４及び第４半導体領域６と連続して設けられている。第６半導体領域１０は、例えば、第２半導体領域４及び第４半導体領域６と同程度の厚さ及び不純物濃度を有している。第２半導体領域４は、例えばＳｉにｎ型の不純物を拡散すること等により形成されている。第２半導体領域４は、例えば、前述の製造方法において、第２半導体領域４及び第４半導体領域６と同時に形成されている。
以上のようなフォトダイオードＰＤ３を複数備えるフォトダイオードアレイは、前述のフォトダイオードアレイ１と同様な効果を奏する。特に、本実施形態のフォトダイオードアレイにおいても、フォトダイオードＰＤ３のそれぞれにおいて、貫通孔９Ａが第１半導体領域３及び第２半導体領域４を通り、第２半導体領域４が複数の第３半導体領域５１に囲まれている。複数の第３半導体領域５１は、第１半導体領域３と共に光検出領域を構成している。ここで、１つの画素であるフォトダイオードＰＤ３のそれぞれにおいて、貫通孔９Ａが光検出領域に囲まれていることになる。これにより、隣り合うフォトダイオードＰＤ３，ＰＤ３同士の間隔が小さくなっている。よって、開口率を向上させることができる。
フォトダイオードＰＤ３では、第２半導体領域４は、第６半導体領域１０を介して、接地された第４半導体領域６と連続して形成されている。このため、フォトダイオードＰＤ３では、前述のフォトダイオードＰＤ１に比して、電気的安定性を向上させることができる。
次に、さらに他の実施形態のフォトダイオードアレイについて説明する。
図１６に示されるように、本実施形態のフォトダイオードアレイ中のフォトダイオードＰＤ４では、前述のフォトダイオードＰＤ３（図１５参照）と比較して、光検出領域の分割数が相違している。
詳細には、フォトダイオードＰＤ４は、複数（４つ）の第３半導体領域５１に代えて、複数（８つ）の第３半導体領域５２を有している。第３半導体領域５２は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、略四角形状を呈している。フォトダイオードＰＤ４は、複数（４つ）の第３の部分３３に代えて、複数（８つ）の第３の部分３４を有している。第３の部分３４は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、略四角環状を呈している。フォトダイオードＰＤ４は、複数（４つ）の第６半導体領域１０に代えて、複数（８つ）の第６半導体領域１１を有している。第６半導体領域１１は、半導体基板２の厚さ方向から見た場合に、略長方形状を呈している。
このようなフォトダイオードＰＤ４を複数備えるフォトダイオードアレイは、前述のフォトダイオードＰＤ３を複数備えるフォトダイオードアレイと同様な効果を奏する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、光検出領域を分割する場合、分割数は、４つ及び８つに限られず、様々な数に変更可能である。また、フォトダイオードアレイの各構成の材料及び形状は、前述した材料及び形状に限られず、様々な材料及び形状に変更可能である。
フォトダイオードアレイにおけるｐ型及びｎ型の各導電型は、前述したものとは逆であってもよい。フォトダイオードアレイは、フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４が二次元状に配列されたものに限られず、１次元状に配列されたものであってもよい。フォトダイオードアレイは、ＣＴ装置に限られず、様々な装置に適用可能である。
１…フォトダイオードアレイ、２…半導体基板、３…第１半導体領域、４…第２半導体領域、５…第３半導体領域、９Ａ，９Ｂ…貫通孔、８１ａ，８１ｂ…貫通電極、８２ａ…コンタクト電極、ＰＤ１〜ＰＤ４…フォトダイオード。
Claims (6)
- 半導体基板に形成された複数のフォトダイオードを備えるフォトダイオードアレイであって、
前記フォトダイオードのそれぞれは、
前記半導体基板に設けられた第１導電型の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域に対して前記半導体基板の一方の面側に設けられ、前記第１半導体領域の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する前記第１導電型の第２半導体領域と、
前記第２半導体領域から離間して前記第２半導体領域を囲むように前記第１半導体領域に対して前記一方の面側に設けられ、前記第１半導体領域と共に光検出領域を構成する第２導電型の第３半導体領域と、
前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域を通るように前記一方の面と前記半導体基板の他方の面との間を貫通する貫通孔内に設けられ、前記第３半導体領域と電気的に接続された貫通電極と、を有し、
前記第２半導体領域は、当該第２半導体領域を通る同一の前記貫通孔内に設けられた前記貫通電極と電気的に接続された前記第３半導体領域によって囲まれている、フォトダイオードアレイ。 - 前記第２半導体領域と前記第３半導体領域との間には、前記第２半導体領域を囲むように前記第１半導体領域の一部が存在している、請求項１記載のフォトダイオードアレイ。
- 前記第２半導体領域の内縁と外縁との間隔は、前記第２半導体領域の外縁と前記第３半導体領域の内縁との間隔よりも大きい、請求項１又は２記載のフォトダイオードアレイ。
- 前記第３半導体領域の内縁は、前記半導体基板の厚さ方向から見た場合に、前記他方の面側の前記貫通孔の開口を囲んでいる、請求項１〜３のいずれか一項記載のフォトダイオードアレイ。
- 前記フォトダイオードのそれぞれは、前記一方の面上に形成され、前記第３半導体領域と前記貫通電極とを電気的に接続させるコンタクト電極を含んでおり、
前記コンタクト電極の外縁は、前記半導体基板の厚さ方向から見た場合に、前記他方の面側の前記貫通孔の開口を囲んでいる、請求項１〜４のいずれか一項記載のフォトダイオードアレイ。 - 前記一方の面側の前記貫通孔の開口は、円形状を呈している、請求項１〜５のいずれか一項記載のフォトダイオードアレイ。
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