(57)【要約】【課題】機械的強度を確保しつつ、開口率を向上させて検出感度を向上させることができるフォトダイオードアレイ及び放射線検出器を提供する。【解決手段】  被検出光の入射面と反対面側に、ｐｎ接合型の複数のフォトダイオードがアレイ状に形成された半導体基板を備え、半導体基板は、複数のフォトダイオードの形成された領域が被検出光の入射面側から薄化されることにより、当該複数のフォトダイオードの形成された領域に挟まれた領域が被検出光の入射面側に向かって断面凸形状の凸部９とされ、凸部９には、フォトダイオードの被検出光の入射面側と同一導電型の高濃度不純物領域５ｂが形成されている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検出光の入射面と反対面側に、ｐｎ接合型の複数のフォトダイオードがアレイ状に形成された半導体基板を備え、
前記半導体基板は、前記複数のフォトダイオードの形成された領域が前記被検出光の入射面側から薄化されることにより、当該複数のフォトダイオードの形成された領域に挟まれた領域が前記被検出光の入射面側に向かって断面凸形状の凸部とされ、
前記凸部には、前記フォトダイオードの前記被検出光の入射面側と同一導電型の高濃度不純物領域が形成されている
ことを特徴とするフォトダイオードアレイ。
【請求項２】
少なくとも被検出光の入射面と反対面側が第１導電型にされた半導体基板と、
この半導体基板の前記反対面側の第１導電型領域内部にアレイ状に配列して形成された第２導電型の複数の光検出層と、
を備え、
前記半導体基板の前記被検出光の入射面側には、前記光検出層に対応する領域が当該入射面側より薄化されることによりアレイ状に配列された複数の凹部が形成され、
前記複数の凹部を仕切る凸部には、第１導電型の不純物が高濃度に添加されている
ことを特徴とするフォトダイオードアレイ。
【請求項３】
第１導電型の不純物が高濃度に添加されている半導体基板と、
この半導体基板の被検出光の入射面と反対面側に接して設けられた第１導電型の半導体層と、
この第１導電型の半導体層の内部にアレイ状に配列して形成された第２導電型の複数の光検出層と、
を備え、
前記半導体基板は、前記光検出層に対応する領域が除去されることにより格子状に成形されていることを特徴とするフォトダイオードアレイ。
【請求項４】
前記半導体基板と前記半導体層との間には、エッチングストップ層が介在されていることを特徴とする請求項３に記載のフォトダイオードアレイ。
【請求項５】
少なくとも被検出光の入射面側とその反対面側が第１導電型の半導体で形成され、前記入射面側には第１導電型の不純物が高濃度に添加されている基板を準備する第１工程と、
前記基板の前記反対面側の第１導電型領域の内部に第２導電型の複数の光検出層をアレイ状に配列させて形成する第２工程と、
前記基板の前記光検出層に対応する領域を前記入射面側よりエッチングして薄化することにより、アレイ状に配列された複数の凹部と、これらを仕切る格子状の第１導電型の不純物が高濃度に添加された凸部を形成する第３工程と
を備えることを特徴とするフォトダイオードアレイの製造方法。
【請求項６】
前記第１工程は、
第１導電型の半導体基板を準備する工程と、
前記半導体基板の前記被検出光の入射面側に第１導電型の不純物を高濃度に添加させる工程と、
を有することを特徴とする請求項５に記載のフォトダイオードアレイの製造方法。
【請求項７】
前記第１工程は、
第１導電型の不純物が高濃度に添加されている半導体基板を準備する工程と、
前記半導体基板の前記被検出光の入射面と反対面側に第１導電型の半導体層を結晶成長させる工程と、
を有することを特徴とする請求項５に記載のフォトダイオードアレイの製造方法。
【請求項８】
前記第１工程は、
第１導電型の不純物が高濃度に添加されている半導体基板を準備する工程と、
前記半導体基板の前記被検出光の入射面と反対面側に、エッチングストップ層を介在させて第１導電型の半導体薄板を貼り合わせる工程と、
を有することを特徴とする請求項５に記載のフォトダイオードアレイの製造方法。
【請求項９】
請求項１〜４のいずれか1項に記載のフォトダイオードアレイと、
このフォトダイオードアレイの前記被検出光の入射面側に取り付けられ、放射線の入射により発光するシンチレータパネルと、
を備えることを特徴とする放射線検出器。
【請求項１０】
請求項５〜８のいずれか１項に記載の製造方法で製造されたフォトダイオードアレイと、
このフォトダイオードアレイの前記被検出光の入射面側に取り付けられ、放射線の入射により発光するシンチレータパネルと、
を備えることを特徴とする放射線検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトダイオードアレイ、その製造方法、及び放射線検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＴ用フォトダイオードアレイを実装する際は三次元方向への実装が必要である。三次元で実装を行うには、光入射面の反対側より信号を出力する必要があり、このためには一般的に裏面入射型フォトダイオードアレイが用いられる。
【０００３】
裏面入射型のフォトダイオードアレイにおいては、ｐｎ接合部と光入射面との間の距離が大きいと、基板内で発生したキャリアは、ｐｎ接合部までの移動過程で再結合し信号として取り出せなくなる。したがって、検出感度向上のためには、ｐｎ接合部と光入射面との距離を可能な限り小さくする必要がある。
【０００４】
この距離を小さくする裏面入射型フォトダイオードアレイが提案されている（特許文献１）。
【０００５】
図１５はこのフォトダイオードアレイの側断面図である。
【０００６】
このフォトダイオードアレイ１０１では、基板の一方側からｎ型層１０３に角柱状のｐ型拡散層１０５を形成している。
【０００７】
しかしながら、ｐ型拡散層１０５は不純物を注入することにより形成されているため、十分な感度が得られるための厚さにまで不純物層を均一に形成するのは困難である。
【０００８】
このように、上記フォトダイオードアレイは製造が困難であるという欠点がある。
【０００９】
また、フォトダイオードアレイ全体を薄板化することとすれば機械的強度を維持できず、その後の工程で破損しやすいという問題がある。
【００１０】
そこで、フォトダイオードアレイを部分的に薄膜化する手法が考えられる。すなわち、フォトダイオードが形成された領域のみを薄くし、機械的強度を維持しつつｐｎ接合部と光入射面との距離を小さくするということが考えられる。
【００１１】
図１６はこのフォトダイオードアレイの側断面図である。
【００１２】
このフォトダイオードアレイでは、ｎ型層１０３のｐ型拡散層１０５が形成された領域のみを被検出光入射面側から薄化し、薄化しない領域を枠部として元々の半導体基板の厚さのまま残し、機械的強度を維持している。このフォトダイオードアレイは、ｐｎ接合部が形成された側（表面）とは反対側（裏面）から、それぞれのｐｎ接合部に対応する位置に、ｎ型基板の凹部が形成されている。すなわち、１つのｐｎ接合部画素に対応して１つの凹部が形成されている。ｐｎ接合部画素と隣接するｐｎ接合部画素との間には凸部が形成されることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平７−３３３３４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記フォトダイオードアレイを放射線検出器として用いるとすると、フォトダイオードアレイの凸部をコレットに吸着して実装基板にフリップチップボンディングしたり、シンチレータをフォトダイオードアレイの凸部に当接させることとなる。
【００１５】
その際に凸部の当接面が機械的なダメージを受け、リーク電流やキャリア発生による暗電流が増加する。
【００１６】
この凸部はｎ型層で構成されているので、凸部自体に入射する光や放射線によりキャリアが発生し、何れかのｐｎ接合部画素に入射することとなるためクロストークの原因となる。
【００１７】
また、このフォトダイオードアレイにおいては、裏面側から略５５°の斜面で凹部が形成されるため、ｐｎ接合形成面側に近づくほど凹部の面積が狭くなり、凹部底面の面積が小さくなってしまう。
【００１８】
よって、機械的強度を得るために枠部の幅を確保しようとすると、ｐｎ接合形成面側において十分な光検出部面積を取ることができず、開口率の向上を図ることができない。
【００１９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、機械的強度を確保しつつ、開口率を向上させて検出感度を向上させることができるフォトダイオードアレイ及び放射線検出器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決するため、第１の発明に係るフォトダイオードアレイは、被検出光の入射面と反対面側に、ｐｎ接合型の複数のフォトダイオードがアレイ状に形成された半導体基板を備え、前記半導体基板は、前記複数のフォトダイオードの形成された領域が前記被検出光の入射面側から薄化されることにより、当該複数のフォトダイオードの形成された領域に挟まれた領域が前記被検出光の入射面側に向かって断面凸形状の凸部とされ、前記凸部には、前記フォトダイオードの前記被検出光の入射面側と同一導電型の高濃度不純物領域が形成されていることを特徴とする。
【００２１】
第２の発明に係るフォトダイオードアレイは、少なくとも被検出光の入射面と反対面側が第１導電型にされた半導体基板と、この半導体基板の前記反対面側の第１導電型領域内部にアレイ状に配列して形成された第２導電型の複数の光検出層と、を備え、前記半導体基板の前記被検出光の入射面側には、前記光検出層に対応する領域が当該入射面側より薄化されることによりアレイ状に配列された複数の凹部が形成され、前記複数の凹部を仕切る凸部には、第１導電型の不純物が高濃度に添加されていることを特徴とする。
【００２２】
第３の発明に係るフォトダイオードアレイは、第１導電型の不純物が高濃度に添加されている半導体基板と、この半導体基板の被検出光の入射面と反対面側に接して設けられた第１導電型の半導体層と、この第１導電型の半導体層の内部にアレイ状に配列して形成された第２導電型の複数の光検出層と、を備え、前記半導体基板は、前記光検出層に対応する領域が除去されることにより格子状に成形されていることを特徴とする。
【００２３】
第４の発明に係るフォトダイオードアレイは、前記半導体基板と前記半導体層との間には、エッチングストップ層が介在されていることを特徴とする。
【００２４】
第５の発明に係るフォトダイオードアレイの製造方法は、少なくとも被検出光の入射面側とその反対面側が第１導電型の半導体で形成され、前記入射面側には第１導電型の不純物が高濃度に添加されている基板を準備する第１工程と、前記基板の前記反対面側の第１導電型領域の内部に第２導電型の複数の光検出層をアレイ状に配列させて形成する第２工程と、前記基板の前記光検出層に対応する領域を前記入射面側よりエッチングして薄化することにより、アレイ状に配列された複数の凹部と、これらを仕切る格子状の第１導電型の不純物が高濃度に添加された凸部を形成する第３工程とを備えることを特徴とする。
【００２５】
第６の発明に係るフォトダイオードアレイの製造方法では、前記第１工程は、第１導電型の半導体基板を準備する工程と、前記半導体基板の前記被検出光の入射面側に第１導電型の不純物を高濃度に添加させる工程と、を有することを特徴とする。
【００２６】
第７の発明に係るフォトダイオードアレイの製造方法では、前記第１工程は、第１導電型の不純物が高濃度に添加されている半導体基板を準備する工程と、前記半導体基板の前記被検出光の入射面と反対面側に第１導電型の半導体層を結晶成長させる工程と、を有することを特徴とする。
【００２７】
第８の発明に係るフォトダイオードアレイの製造方法では、前記第１工程は、第１導電型の不純物が高濃度に添加されている半導体基板を準備する工程と、前記半導体基板の前記被検出光の入射面と反対面側に、エッチングストップ層を介在させて第１導電型の半導体薄板を貼り合わせる工程と、を有することを特徴とする。
【００２８】
第９の発明に係る放射線検出器は、上述のフォトダイオードアレイと、このフォトダイオードアレイの前記被検出光の入射面側に取り付けられ、放射線の入射により発光するシンチレータパネルと、を備えることを特徴とする。
【００２９】
第１０の発明に係る放射線検出器は、上述の製造方法で製造されたフォトダイオードアレイと、このフォトダイオードアレイの前記被検出光の入射面側に取り付けられ、放射線の入射により発光するシンチレータパネルと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、機械的強度を確保しつつ、開口率を向上させて検出感度を向上させることができるフォトダイオードアレイ及び放射線検出器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１実施形態に係るフォトダイオードアレイの概略平面図である。
【図２】第１実施形態に係るフォトダイオードアレイの断面図である。
【図３】第１実施形態に係るフォトダイオードアレイの製造工程を説明する図である。
【図４】第１実施形態に係るフォトダイオードアレイの製造工程を説明する図である。
【図５】第１実施形態に係るフォトダイオードアレイの製造工程を説明する図である。
【図６】第１実施形態に係るフォトダイオードアレイの製造工程を説明する図である。
【図７】第１実施形態に係るフォトダイオードアレイの製造工程を説明する図である。
【図８】第１実施形態に係るフォトダイオードアレイの製造工程を説明する図である。
【図９】第１実施形態に係るフォトダイオードアレイの製造工程を説明する図である。
【図１０】第１実施形態に係るフォトダイオードアレイの製造工程を説明する図である。
【図１１】第１実施形態に係るフォトダイオードアレイの製造工程を説明する図である。
【図１２】第１実施形態に係るフォトダイオードアレイの製造工程を説明する図である。
【図１３Ａ】第１実施形態に係るフォトダイオードアレイの概略断面図である。
【図１３Ｂ】比較例のフォトダイオードアレイの概略断面図である。
【図１４】第１実施形態に係る放射線検出器の断面図である。
【図１５】従来技術に係るフォトダイオードアレイの断面図である。
【図１６】比較例に係るフォトダイオードアレイの概略断面図である。
【図１７】第２実施形態のフォトダイオードアレイの上面図である。
【図１８】第２実施形態のフォトダイオードアレイの側断面図である。
【図１９】第２実施形態のフォトダイオードアレイの製造工程を説明する図である。
【図２０】第２実施形態のフォトダイオードアレイの製造工程を説明する図である。
【図２１】第２実施形態のフォトダイオードアレイの製造工程を説明する図である。
【図２２】第２実施形態のフォトダイオードアレイの製造工程を説明する図である。
【図２３】第２実施形態のフォトダイオードアレイの製造工程を説明する図である。
【図２４】第３実施形態のフォトダイオードアレイの側断面図である。
【図２５】第４実施形態のフォトダイオードアレイの側断面図である。
【図２６】第５実施形態のフォトダイオードアレイの側断面図である。
【図２７】実施形態に係る半導体基板の側断面図である。
【図２８】実施形態に係る放射線検出器の側断面図である。
【図２９Ａ】受光画素部とバンプ電極の位置関係を表す上面図である。
【図２９Ｂ】図２９Ａに示したフォトダイオードアレイのＸＩＶ−ＸＩＶ断面図である。
【図３０Ａ】受光画素部とバンプ電極の位置関係を表す上面図である。
【図３０Ｂ】図３０Ａに示したフォトダイオードアレイのＸＶ−ＸＶ断面図である。
【図３１Ａ】受光画素部とバンプ電極の位置関係を表す上面図である。
【図３１Ｂ】図３１Ａに示したフォトダイオードアレイのＸＶＩ−ＸＶＩ断面図である。
【図３２Ａ】図３２Ｂに示したフォトダイオードアレイのチップ端部分の拡大図である。
【図３２Ｂ】実施形態に係るフォトダイオードアレイチップ端の受光画素部とバンプ電極の位置関係を表す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面を参照しながら実施の形態に係る放射線撮像装置について説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
（第1実施形態）
図１は実施形態に係るフォトダイオードアレイを表面側から見たフォトダイオードアレイの平面図であり、図２は図１に示したフォトダイオードアレイのＩＩ−ＩＩ矢印断面図である。以下の説明において、被検出光の入射面を裏面（back  side）とし、被検出光の入射面の反対側の面を表面（front  side）とする。
【００３３】
図１に示すように、本実施形態のフォトダイオードアレイ１は複数のｐｎ接合３が２次元的に縦横に規則正しく配列されており、ｐｎ接合の一つ一つがフォトダイオードの光感応画素としての機能を有している。
【００３４】
フォトダイオードアレイ１はシリコン（Ｓｉ）からなるｎ型の半導体基板５を備えている。ｎ型半導体基板５は、ｎ型半導体層５ａと基板裏面側からｎ型不純物を拡散してなるｎ+型高不純物濃度層５ｂとを有している。
【００３５】
ｎ型半導体基板５の裏面側は、目的とする光感応画素を構成する所定のピッチ、所定の大きさ・深さで四角錐状に凹部が形成されることで薄化されており、この薄型部（凹部）は入射面側凹部７を構成し、２次元的に配列されている。隣接する入射面側凹部７同士に挟まれた領域は入射面側凹部７を囲む入射面側枠部９を構成する。
【００３６】
ｎ型半導体基板５の表面側には入射面側凹部７に対応する位置が薄化されることにより反対面側凹部１１が形成され、二次元状に配列されている。隣接する反対面側凹部１１同士に挟まれた領域は、反対面側凹部１１を囲む反対面側枠部１３を形成している。ｎ型半導体基板５には、入射面側凹部７と反対面側凹部１１とで厚み方向に挟まれた薄化部分である薄型部がアレイ状に配列されている。
【００３７】
ｎ型半導体基板５の薄型部以外の部分は入射面側枠部９及び反対面側枠部１３によって厚板部となっている。薄型部が所定のピッチ、所定の大きさで２次元的にマトリックス配列されていることから、枠部としての厚板部は被検出光の入射方向から見て格子状に形成されていることとなる。この場合、各入射面側凹部の位置はマトリクス状に座標が決定されるので、被検出光の入射位置が容易に判別できる。
【００３８】
反対面側凹部１１及び入射面側凹部７の内側面は、基板表面と略５５°の角度をなし、四角錐台を構成している。反対面側凹部１１及び入射面側凹部７の形状は相似形であっても相似形でなくてもよく、深さが同じであっても相違していてもよいが、本例の場合、入射面側凹部７の深さは反対面側凹部１１の深さよりも浅く、入射面側凹部７の底面の面積が、反対面側凹部１１の底面の面積よりも大きくなるように設定されている。この場合、入射面側凹部７の周囲に位置する厚板の枠部で減衰するエネルギー線の量を減少させることができ、開口率を向上させることができる。
【００３９】
ｎ型半導体基板５は厚さ１００〜３５０μｍ、半導体層５ａの不純物濃度は１×１０12〜１０15/cm3である。入射面側凹部７の大きさは１ｍｍ×１ｍｍ、配列ピッチは縦横とも１．５ｍｍ、深さは５０μｍ程度となっている。反対面側凹部１１は大きさが入射面側凹部７よりも小さくなっており、配列ピッチについては入射面側凹部７と同一である。
【００４０】
それぞれの反対面側凹部１１には、ｐ型不純物拡散層１５が、当該反対面側凹部１１を囲む反対面側枠部１３から当該反対面側凹部１１の底面まで連続して延びている。ｎ型半導体基板５とｐ型不純物拡散層１５との間で形成されるｐｎ接合３により、フォトダイオードの光感応画素が構成されている。隣接するｐ型不純物拡散層１５同士の間には、フォトダイオード間を分離するチャネルストッパとして機能するｎ+型不純物領域（分離層）１７が配置されている。
【００４１】
ｐ型不純物拡散層１５の不純物濃度は１×１０13〜１０20/cm3、ｎ+型不純物領域（分離層）１７の不純物濃度は１×１０13〜１０20/cm3である。
【００４２】
ｐ型不純物拡散層１５は、反対面側枠部１３上に配設されたアルミ電極１９（配線電極）に接触して接続されており、アルミ電極１９、アンダーバンプメタル（以下「ＵＢＭ」という）２３、及びバンプ電極２５（電極パッド）を介して表面側から外部と電気的なコンタクトを取り、フォトダイオードの出力が外部に取り出されるようになっている。
【００４３】
本実施形態では、ｐ型不純物拡散層１５が反対面側枠部１３にまで連なり、バンプ電極２５の近傍に延びて形成され、アルミ電極１９は反対面側枠部１３上に形成され、ｐ型不純物拡散層１５とＵＢＭ２３とを電気的に接続している。ｐ型不純物拡散層１５が反対面側凹部１１の底部にのみ形成されている場合には、アルミ電極は、ｐ型不純物拡散層１５と反対面側枠部１３に配設されたバンプ電極２５とを接続すべく、反対面側凹部１１の内側の側面部に形成されることとなる。ＵＢＭ２３はＳｉＮ又はＳｉＯ2などからなるパッシベーション層２１を厚み方向に貫通し、アルミ電極１９とバンプ電極２５とを電気的に接続している。
【００４４】
また、図示しないが、基板電極も同様に分離層（n+）にコンタクトホールを形成し、反対面側枠部１３上にアルミ電極とUBMとバンプ電極を形成することにより取り出すことができる。
【００４５】
ｎ型半導体基板５の裏面側には、入射面側凹部７から入射面側枠部９まで連続して裏面全体を覆うようにアキュムレーション層２７が形成されている。アキュムレーション層２７はｎ+型不純物拡散によって不純物濃度が高くなるようにされており、入射面側枠部９に対応する領域においてはｎ+型高不純物濃度層５ｂと連結されている。すなわち、入射面側枠部９には、不純物が高濃度に添加されたｎ+型高不純物濃度層５ｂが占める領域が成されていることとなる。
【００４６】
アキュムレーション層２７は高感度化、低暗電流化を図るため裏面側で発生する不要キャリアを再結合させる役割と、拡散電位による内蔵電界によってキャリアをｐｎ接合方向に導く役割を果たす。アキュムレーション層２７の不純物濃度は１×１０15〜１０20/cm3、アキュムレーション層２７の厚さは０．１μｍ〜数μｍである。また、アキュムレーション層２７のさらに裏面側にはシリコン酸化膜２９が設けられており、反射防止膜（ＡＲコート）として機能する。
【００４７】
上記のように本実施形態のフォトダイオードアレイ１では、ｐｎ接合３に対応する領域は、裏面側及び表面側の両方から薄化され基板の厚さが薄くなっている。一方、薄化された領域以外の領域は基板が元々の基板の厚さのまま残され、凹部を囲む厚板の枠部を形成している。入射面側枠部９には高不純物濃度の領域であるｎ+型高不純物濃度層５ｂが形成されている。ｎ+型高不純物濃度層５ｂの不純物濃度は、１×１０15〜１０20/cm3である。
【００４８】
続いて、本実施形態に係るフォトダイオードアレイ１の製造方法について、図３〜図１２に基づいて説明する。
【００４９】
まず、厚さ１５０μｍ〜５００μｍ程度の結晶面（１００）のｎ型シリコンの基板５を準備する。ｎ型シリコンの基板５の裏面側にｎ+型高不純物濃度層５ｂを熱拡散により形成し、ｎ型半導体層５ａ、ｎ+型高不純物濃度層５ｂの２層構造の基板を作製する（図３参照）。
【００５０】
次に、基板の表面、裏面に熱酸化を施しシリコン熱酸化膜４１を形成する（図４参照）。シリコン熱酸化膜４１は後工程の高濃度ｎ型不純物のドーピング用マスクとして利用される。
【００５１】
次に、分離層１７を形成する。フォトリソグラフィとエッチング液により、分離層１７の予定位置のシリコン熱酸化膜４１を開口させる。さらに、シリコン熱酸化膜４１をマスクとしてリンを基板中にドーピングさせ分離層１７を形成し、基板を熱酸化することによって上記開口を閉塞する（図５参照）。
【００５２】
次に、分離層１７間の領域のシリコン熱酸化膜をフォトリソグラフィとエッチング液により開口させる。さらに、この熱酸化膜をマスクとしてボロンを基板中にドーピングしｐ型不純物拡散層１５を形成し、熱酸化することによって当該開口を閉塞する。これにより、分離層１７によって隔離された複数のｐｎ接合３がマトリックス状に形成され、このｐｎ接合３が光感応画素に対応する部分となる（図６参照）。なお、フォトダイオードを構成するｐｎ接合は、ｐ型不純物拡散層１５とｎ型半導体層５ａとの間に形成される。
【００５３】
次に、基板の光感応領域を所望の厚さに調整するために裏面側を化学機械研磨（ＣＭＰ）する。
【００５４】
基板の表面側及び裏面側にプラズマＣＶＤ（化学的気相成長）法あるいはＬＰ−ＣＶＤ（低圧気相成長法）よりシリコン窒化（ＳｉＮ）膜４３を形成し、反対面側凹部１１、入射面側凹部７に対応する部分のシリコン窒化膜４３とシリコン熱酸化膜４１をエッチングにより除去する。
【００５５】
すなわち、まず、ＳｉＮ膜４３を反対面上に形成し、フォトリソグラフィによってパターン化されたフォトレジストをマスクとして、ｐｎ接合３上の領域をエッチングにより除去し、ｐ型不純物拡散層１５の表面を露出させる（図７参照）。
【００５６】
そして、アルカリエッチング（水酸化カリウム溶液やＴＭＡＨなどを用いる）により、基板の反対面側に異方性エッチングを施す。これによって、光感応画素に対応する部分に反対面側凹部１１が形成され、エッチングされなかった部分が、それぞれの反対面側凹部１１を囲む反対面側枠部１３となる。このエッチングは少なくとも２μｍ以上の深さになるまで行い、ｐ型不純物を反対面側の露出表面から拡散又はイオン注入して、凹部内にもｐ型不純物層１５を形成し、次に、当該凹部内面を覆う熱酸化膜２１’を形成する。
【００５７】
同様に、光入射側としての基板裏面側にも、反対面側凹部１１に対向した位置でＳｉＮ膜４３とシリコン熱酸化膜４１を開口し、これをマスクとして（図８参照）基板に異方性エッチングを施し、それぞれの反対面側凹部１１に対応する位置に、入射面側凹部７及びそれぞれの入射面側凹部７を囲む入射面側枠部９を形成する。エッチングは少なくとも２μｍ以上の深さになるまで行い、少なくとも表面側のｐｎ接合３と、後に形成する裏面側のアキュムレーション層２７が競合しない基板厚さが残るように行う。
【００５８】
基板両面に位置するシリコン窒化膜４３を除去した後、裏面側の凹部内にｎ型イオン種（リンや砒素）をドーピングすることで、不純物濃度１０15〜１０20/cm3のアキュムレーション層２７を形成する。その後、熱酸化膜４５を形成する。これによってｎ+型高不純物濃度層５ｂはアキュムレーション層２７と一体化する。アキュムレーション層２７の厚さは表面側のｐｎ接合３に達しない厚さに設定される。
【００５９】
次に、所望の分光特性を得るためのＡＲコート２９を裏面側に形成する（図９参照）。前述の熱酸化膜４５をそのままＡＲコート２９とするか、あるいはバッファ酸化膜を除去し再熱酸化又は追加熱酸化により膜厚調整することでＡＲコート２９としてもよい。又は熱酸化膜とＳｉＮ、その他光学薄膜などとの複合膜や積層膜でＡＲコート２９を形成してもよい。
【００６０】
その後、表面にｐ型不純物拡散層１５のコンタクトホールを熱酸化膜２１’に形成し、少なくともコンタクトホール内に埋設されるようにアルミ電極１９を形成する（図１０参照）。このアルミ電極１９上にバンプ電極を形成する部分を開口した状態でパッシベーション層２１をパターニングする。なお、アルミ電極１９は、ｐ型不純物拡散層１５とバンプ電極を電気的に接続するように形成すればい。
【００６１】
また、図示しないが、基板電極も同様に分離層１７を介してバンプ電極を設けることができる。
【００６２】
パッシベーション層２１にはプラズマＣＶＤにより形成されたＳｉＮやＳｉＯ2、ＰＳＧ，ＰＳＡＧ，ＳｉＯＮあるいはポリイミド樹脂やアクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂やそれを含む複合素材を利用することができる。
【００６３】
バンプ電極として半田を用いる場合、半田はアルミニウムに対する濡れ性が悪いため、アルミニウムと半田バンプ電極２５とを仲介するためのＵＢＭ２３を、パッシベーション膜２１の開口内に形成し（図１１参照）、さらに重ねてＵＢＭ２３上に半田バンプ電極２５を形成する（図１２参照）。ＵＢＭ２３は無電解メッキでＮｉ−Ａｕを形成するが、リフトオフ法でＴｉ−Ｐｔ−ＡｕやＣｒ−Ａｕを形成することでも実現できる。
【００６４】
半田バンプは半田ボール搭載法や印刷法で所定のＵＢＭ部分に半田を形成しリフローすることで得ることができる。また、バンプは半田に限られるものではなく、金バンプ、ニッケルバンプ、銅バンプ、導電性樹脂バンプなど金属を含む導電性バンプでもよい。
【００６５】
上記フォトダイオードアレイ１では、半導体基板が両面側から薄化された領域にｐｎ接合３が形成されているので、ｐｎ接合部３と光入射面との距離を小さくしつつｐｎ接合３が形成された領域以外は元々の基板の厚さのまま枠部として残ることとなり、基板全体の機械的強度を維持することができる。また、上記フォトダイオードアレイ１では、基板の両側から薄化されることにより凹部が形成されている。
【００６６】
図１３Ａは基板片面側からのみ薄化されたフォトダイオードアレイの断面形状を、図１３Ｂは基板の両面から薄化された本実施形態のフォトダイオードアレイの断面形状を模式的に表したものである。両者は基板厚さ（Ｔ１、Ｔ２）、フォトダイオード領域の厚さ（ｔ１、ｔ２）、枠部の幅（ｕ１、ｕ２）が等しいが、凹部の底面の面積（Ｓ１、Ｓ２）は本実施形態のフォトダイオードアレイの方が大きいことが解かる。よって、本実施形態のフォトダイオードアレイ１によれば、ｐｎ接合部３と光入射面との距離が同じで枠部の幅が同じであっても、何れか片面側からのみ凹部が形成された場合よりも、両面でエッチングを行った方が、凹部の底面の面積が広くなるため、広い光検出部面積を確保することができ、開口率を向上することができる。
【００６７】
上記フォトダイオードアレイ１では、反対面側凹部１１形成の際に内側面と反対面側枠部１３とのエッジ部がダメージやストレスを受けやすく、不要キャリアが発生しやすい。しかし、ｐ型不純物拡散層１５が反対面側枠部１３から反対面側凹部１１の内側面を介して該反対面側凹部１１の底面まで連なって形成されているため、エッジ部はｐ型不純物拡散層１５で構成されていることとなり、エッジ部で発生した不要キャリアの影響を抑制することができ、暗電流やクロストークの低減を図ることができる。
【００６８】
上記フォトダイオードアレイ１では、入射面側凹部７の底面の面積が、反対面側凹部１１の面積よりも大きくなっている。よって、入射面側枠部９に入射した検出光により発生したキャリアが凹部底面のｐｎ接合まで移動することを抑制することができ、暗電流やクロストークの低減を図ることができる。
【００６９】
上記フォトダイオードアレイ１によれば、入射面側枠部９及び入射面側凹部７にはｎ型不純物濃度が高い領域であるｎ+型高不純物濃度層５ｂが存在するため、入射面側枠部９に光が入射することで発生したキャリアは、ｎ+型高不純物濃度層５ｂで再結合し消滅し、ｐ型不純物拡散層１５にまで移動することは少なくなる。このｎ+型高不純物濃度層５ｂの厚みは、キャリアの拡散長よりも長く設定することができる。したがってフォトダイオードを流れる電流チャンネル間に相当する入射面側枠部９に入射する光によって発生するフォトダイオード間のクロストークを低減することができる。
【００７０】
また、枠部（凸部）９を用いることにより、枠部９で発生した不要キャリア（キャリア出力用の電極までの走行距離が長いキャリア）は、ｎ+型高不純物濃度層（不感領域）５ｂでトラップされるため、光検出波形の裾引きがなくなり、応答速度が速くなるという効果もある。なお、このような枠部９に設けられる不感領域としては、絶縁層等を採用することもできる。
【００７１】
上記フォトダイオードアレイ１によれば反対面側枠部１３上にバンプ電極２５が形成されているため、実装の際には反対面側枠部１３において実装配線基板と当接させることができ、実装配線基板の配線が煩雑になることを避けることができる。
【００７２】
上記フォトダイオードアレイ１によれば、反対面側凹部１１の内側面にアルミ電極１９が形成されているので、フォトダイオードを反対面側凹部１１の底部にのみ形成する場合であってもアルミ電極１９によってｐ型不純物拡散層１５と反対面側枠部１３の接触を仲介することができ、バンプ電極２５を反対面側枠部１３上に形成することができる。
【００７３】
なお、本実施形態のフォトダイオードアレイでは、ｎ型シリコンの基板５の裏面側にｎ+型高不純物濃度層５ｂを熱拡散により形成し、ｎ型半導体層５ａ、ｎ+型高不純物濃度層５ｂを有する２層構造の半導体基板５を作製しているが、上記２層の間に絶縁膜又は上記２層との界面において結晶方位が交差する半導体層を設け、薄型部形成の際のエッチングストップ層として機能させることによって、エッチング工程の制御を容易にしてもよい。
【００７４】
次に、本発明の放射線検出器の実施形態について説明する。
【００７５】
図１４は本実施形態に係る放射線検出器７０の側断面図である。本放射線検出器７０は、Ｘ線等の放射線ｈνが入射した場合に蛍光を生じ、その光出射面から出射するシンチレータ７１と、シンチレータ７１から出射された光を入射し、電気信号に変換する上述のフォトダイオードアレイ１と、実装配線基板７３とを備えている。
【００７６】
シンチレータ７１はフォトダイオードアレイ１の裏面側に設置され、入射面側枠部９においてフォトダイオードアレイ１と当接している。このためシンチレータ７１と入射面側凹部７との間には隙間が存在することとなるが、この隙間にはシンチレータ７１からの蛍光を透過させるのに十分な屈折率を有するカップリング樹脂７５が充填され、シンチレータ７１から出射された光が効率よくフォトダイオードアレイ１に入射できるようになっている。
【００７７】
実装配線基板７３上の配線７３’は，フォトダイオードアレイ１の表面側に設置され、バンプ電極２５を介してフォトダイオードアレイ１を構成する個々のフォトダイオードと電気的に接続されている。この実装形態はフリップチップ実装であり、バンプ電極２５は半田バンプ、金バンプ、ニッケルバンプ、銅バンプ、導電性樹脂バンプなど金属を含む導電性バンプ等が用いられる。
【００７８】
また、ボンディング方式としてはダイレクトボンディング方式又はこれにアンダーフィル樹脂を充填する方式、異方性導電性フィルム（ＡＣＦ）、異方性導電性ペースト方式（ＡＣＰ）、非導電性ペースト（ＮＣＰ）方式などの形態を用いてもよい。
【００７９】
実装配線基板７３上にフォトダイオードアレイ１をボンディングする際には吸着コレットで入射面側枠部９を吸着することとなるが、その際に入射面側枠部９に機械的ダメージが加わり，その欠陥部分によって暗電流や雑音となるキャリアが発生することとなる。また、フォトダイオードアレイ１の裏面側にシンチレータ７１を設置する際は入射面側枠部９にシンチレータ７１を当接させることとなるが、その際にも入射面側枠部９に機械的ダメージが加わり、不要キャリアが発生することとなる。
【００８０】
ところが上記放射線検出器によれば、上記本発明に係るフォトダイオードアレイを用いており、入射面側枠部９が高不純物濃度のｎ+型拡散層５ｂで構成されており、発生したキャリアを再結合させ、かかる暗電流や雑音を低減することができる。
【００８１】
また、上記放射線検出器では、フォトダイオードアレイ１の光感応画素間に入射面側枠部９を配置しているので、入射する光を画素ごとに分離することができる。さらに、入射面側枠部９が高不純物濃度のｎ+型拡散層５ｂで構成されているので、入射面側枠部９に入射した光により発生したキャリアが再結合する。このため、光感応画素と光感応画素との間、すなわち枠部９に入射した光は信号として取り出されることが抑制される。すなわち、上記放射線検出器は光感応画素間のクロストークを改善することが可能となる。
【００８２】
放射線検出器において、裏面に凹凸のないフォトダイオードアレイを用いることとすれば、実装配線基板７３上にフォトダイオードアレイをボンディングする際に吸着コレットが直接光感応画素に触れることとなる。またシンチレータ装着の際にも同様にシンチレータが直接光感応画素に触れることとなるため、光感応画素を傷つけ、画素欠陥の原因となりやすい。ところが上記放射線検出器によれば、光感応画素部は反対面側凹部１１に配置されているため、実装工程において直接光感応画素が接触を受けることもなくなるため機械的なダメージを受けにくくなり、光感応画素欠陥を防止することができる。
【００８３】
上述のように、本発明のフォトダイオードアレイ及び放射線検出器によれば、検出感度を向上し機械的強度を確保しつつ、開口率を向上することができる。
【００８４】
次に、基板の片面に凹凸部が形成されたフォトダイオードアレイについて説明する。
【００８５】
図１７は第２実施形態に係るフォトダイオードアレイの平面図であり、図１８はそのＩＩ−ＩＩ断面図である。
【００８６】
以下の説明において、基板のｐｎ接合２０４が形成される面を表面とし、光の入射面（凹部側）を裏面とする。
【００８７】
図１７に示すように本実施形態のフォトダイオードアレイ２０１は複数のｐｎ接合が縦横に規則正しく配列されており、ｐｎ接合の一つ一つがフォトダイオードアレイの１受光画素としての機能を有している。フォトダイオードアレイ２０１は５０〜６００μｍの厚さ、不純物濃度１×１０12〜１０15/cm3のｎ型シリコン基板２０３を有し、５００μｍ×５００μｍの大きさで、６００μｍ程度のピッチで不純物濃度１×１０15〜１０20/cm3の複数のｐ型不純物拡散層２０５が配置されている。ｎ型シリコン基板２０３と複数のｐ型不純物拡散層２０５との間で形成されるｐｎ接合により、上記受光画素が構成されている。ｐ型不純物拡散層２０５同士の間には、フォトダイオード間を分離するｎ+型不純物領域（分離層）２０７が配置されていている。
【００８８】
ｎ型シリコン基板２０３の裏面側でｐ型不純物拡散領域２０５に対応していない領域には厚さ２μｍ〜２００μｍ程度で、不純物濃度１×１０15〜１０20/cm3程度のｎ+型不純物拡散層２０９が配置されている。したがって本発明のフォトダイオードアレイではｐ型不純物層が形成された領域は、例えば５０μｍ〜３００μｍ程度の厚さに薄板化されて凹部２１１が形成されており、それ以外の領域では１５０〜５００μｍ程度の肉厚部裏面側に凸部（枠部）２１３が形成されている。肉厚部はｐｎ接合が形成されていない領域、すなわち各フォトダイオードの間に形成されており、２μｍ〜２００μｍのｎ+型不純物拡散層２０９と、５０μｍ〜３００μｍ程度のｎ型シリコン基板２０３とから構成される。ｐｎ接合（受光画素）１つに対しては１つの凹部２１１が設けられることとなる。
【００８９】
薄板化されたｎ型基板（フォトダイオード対応領域）の裏面側には０．１〜数μｍの厚さでｎ+不純物拡散層２１５が全面に形成されている。ｎ+不純物拡散層２１５は、この裏面側より光（特に短波長において）が入射することで、ｎ型シリコン基板表面付近で発生した信号キャリアを基板内部へと送りこむアキュムレーション機能を有している。また、基板の表面側にはＳｉＮまたはＳｉＯ2あるいはポリイミドなどからなるパッシベーション膜２２３が形成されている。
【００９０】
それぞれのｐ型不純物拡散層２０５の表面側にはｐ型不純物拡散層２０５よりもやや大きいアルミ配線電極２２１が設置されており、ｐ型不純物拡散層２０５と電気的にコンタクトしている。それぞれの凸部２１３に対応する位置の表面側にはアルミ配線電極２２１に接触するＮｉ−Ａｕなどからなるアンダーバンプメタル（ＵＢＭ）２１７を介して半田のバンプ電極２１９がパッシベーション層２２３を貫通して設置されており、フォトダイオードアレイ２０１の実装の際にはバンプ電極２１９、ＵＢＭ２１７、アルミ配線電極２２１を介して表面側からｐ型不純物拡散層２０５への電気的なコンタクトが取れるようになっている。
【００９１】
次に、本実施形態に係るフォトダイオードアレイの製造方法について図１９〜図２３に基づいて説明する。まず、厚さ５０μｍ〜６００μｍ程度の結晶面（１００）のｎ型シリコン基板２０３の基板を準備する。基板の裏面側に深さ１５０〜２５０μｍの均一なｎ+拡散層２０９を熱拡散により形成することによりｎ型層、ｎ+型層の２層構造の基板を作製する。次に基板の表面、裏面に熱酸化を施しＳｉＯ2熱酸化膜２０２を形成する（図１９参照）。ＳｉＯ2熱酸化膜２０２は後工程のｎ+熱拡散のマスクとして利用される。
【００９２】
次に隣接するフォトダイオード間の分離層を形成する予定位置に存在するＳｉＯ2熱酸化膜２０２をフォトエッチングプロセスにより開口させ、リンをドーピングし、熱酸化することによって分離層２０７を形成する。
【００９３】
次にｎ型シリコン基板２０３の表面側の所定の領域にｐｎ接合２０４を形成すべくｐ型不純物層２０５を拡散する。まず受光画素となる位置のＳｉＯ2熱酸化膜をフォトエッチングプロセスにより開口させ、ボロンをドーピングし、熱酸化する。これによりｎ型基板の他方の面に複数のｐｎ接合２０４が形成され、このｐｎ接合領域２０４が受光画素に対応する部分となる。即ちフォトダイオードからなるフォトダイオードアレイが形成される（図２０参照）。
【００９４】
必要に応じて基板厚さを調整するために裏面を研磨する。裏面にプラズマＣＶＤあるいはＬＰ−ＣＶＤによりシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成し、受光画素に対応した部分のＳｉＮをエッチングにより除去する。そして、アルカリエッチング（水酸化カリウム溶液やＴＭＡＨなどを用いる）により裏面に異方性エッチングを施す（図２１参照）。このとき各受光素子に対応した部分以外は薄板化されずｎ+拡散層２０９を残し、肉厚部を構成する。これによって、受光画素に対応する部分に凹部２１１が形成され、受光画素と隣接する受光画素との間に凸部２１３が形成される。エッチングは少なくとも２μｍ以上の深さまで行い、基板のｎ+層２０９とｎ層２０３との界面付近まで行う。即ち、エッチングはｎ＋層２０９をわずかに残して行っても良いし、ｎ層２０３が露出するように行っても良い。
【００９５】
エッチングマスク（ＳｉＮ）を除去した後、熱酸化（バッファ酸化）し、裏面にｎ型イオン種（例えば燐や砒素）をドーピングすることで不純物濃度１０15〜１０20/cm3のアキュムレーション層２１５を形成する（図２２参照）。その後、熱酸化を行う。アキュムレーション層２１５の厚さは基板の表面側のｐ+層２０５に達しないようにする。所望の分光特性を得るために裏面にＡＲコートを施すが、前述の酸化膜を膜厚調整することでＡＲコートとしてもよい。または熱酸化膜とＳｉＮやその他光学薄膜との複合膜でＡＲコートを形成してもよい。
【００９６】
その後、表面にｐ+層、ｎ+層のコンタクトホール２２２を形成しアルミ配線電極２２１を形成する（図２２参照）。このアルミ配線電極２２１を覆うように全面にパッシベーション膜２２３を堆積する。アルミ配線電極２２１はｐ+層とｎ+領域の幅よりもわずかに幅を大きくすることが望ましい。これによりバイアス印加する際に耐圧特性が良くなるとともに、表面ダメージによる反転層形成を阻止することができる。このアルミ配線電極上にバンプ電極を形成する部分を開口した状態でパッシベーション膜２２３をパターニングする（図２２参照）。パッシベーション層２２３にはプラズマＣＶＤにより形成されたＳｉＮやＳｉＯ2、ＢＰＳＧ，ＰＳＧ，ＳｉＯＮ、あるいはポリイミドやアクリル、エポキシ、ウレタンやそれを含む複合素材を利用することができる。
【００９７】
バンプ電極として半田を用いる場合、半田はアルミニウムに対する濡れ性が悪いためアルミニウムと半田バンプ電極２１９とを仲介するための仲介金属層２１７（アンダーバンプメタル、ＵＢＭ）を形成し、さらに重ねて半田バンプ電極２１９を形成する（図２３参照）。ＵＢＭは無電解メッキでＮｉ−Ａｕを形成するが、リフトオフ法でＴｉ−Ｐｔ−ＡｕやＣｒ−Ａｕを形成することでも実現できる。半田バンプは半田ボール搭載法や印刷法で所定のＵＢＭ部分に半田を形成しリフロすることで得ることができる。また、バンプは半田に限られるものではなく、金バンプ、ニッケルバンプ、銅バンプ、導電性樹脂バンプなど金属を含む導電性バンプでもよい。
【００９８】
ここで、フォトダイオード間の凸部２１３を構成するｎ+型拡散層２０９は、ｎ型基板よりｎ型不純物濃度が高いため、凸部２１３のｎ+型拡散層２０９に光が入射することでキャリアが発生するが、上記フォトダイオードアレイによれば、発生するキャリアは、凸部２１３のｎ+型拡散層２０９で再結合し消滅するため、ｎ型基板２０３には移動することがない。したがってフォトダイオードチャンネル間に入射する光によって発生するフォトダイオード間のクロストークを低減することができる。同時に受光画素間を肉厚とすることにより、基板全体の機械的強度を維持することができ、基板自体の反り・歪み等の発生を抑えることができる。フォトダイオードアレイの凸部２１３をコレットに吸着して実装基板にフリップチップボンディングする際や、シンチレータをフォトダイオードアレイの凸部２１３に実装する際の機械的なダメージにより生じる暗電流の増加を抑えることができる。
【００９９】
また、基板のｎ+層を形成する際に熱拡散を用いている。よって、ｎ+層を他の方法（例えば基板の貼り合わせ等）によって形成した場合と異なり、基板の裏面側ほど不純物濃度が高く凸部２１３の不純物濃度が高い。このため、発生したキャリアを再結合・消滅させる効果が高くなり、暗電流、リーク電流、クロストークを低減させる効果も大きくなる。
（第3実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係るフォトダイオードアレイについて説明する。
【０１００】
図２４は本実施形態に係るフォトダイオードアレイの側断面図である。第２実施形態のフォトダイオードアレイとの構成上の相違点を説明すると、第２実施形態のフォトダイオードアレイではｎ+型アキュムレーション層２１５がｎ型基板２０３内に形成されているが、本実施形態のフォトダイオードアレイではｎ+型不純物拡散層２０９を数μｍ残してアキュムレーション層として機能させている（図２４参照）。アキュムレーション層の機能としては、第２実施形態において説明した機能と違いはない。
【０１０１】
上記相違点はフォトダイオードアレイの製造方法の相違点に由来するものである。受光画素に対応する部分に凹部を形成するエッチングの際に、第１実施形態ではエッチングをｎ層２０３に達するまで行っているのに対して、本実施形態ではエッチングをｎ+層とｎ層との界面に達する前０．１〜数μｍ程度でストップさせる。
【０１０２】
上記フォトダイオードアレイによれば、エッチングされずに残った厚さ数μｍのｎ+型不純物拡散層がそのままアキュムレーション層としても働くので、第１実施形態のように改めてイオン注入によるアキュムレーション層を形成する必要がなく、工程を省略することができる。なお、上記以外の構成及び製造方法については第１実施形態に係るフォトダイオードアレイとまったく同様である。
【０１０３】
上述した第２実施形態及び第３実施形態に係るフォトダイオードではｎ型シリコン基板２０３の裏面側にｎ+拡散層２０９を熱拡散により形成することによりｎ−ｎ+基板を形成しているが、ｎ−ｎ+基板を準備する工程として以下のような変形が考えられる。
【０１０４】
ｎ+型基板を準備し、その表面側に結晶面（１００）又は（１１０）でｎ層をエピタキシャル成長させることによりｎ−ｎ+基板を形成することもできる。また、逆にｎ型基板を準備し、その表面側に結晶面（１００）又は（１１０）でｎ+層をエピタキシャル成長させることによりｎ−ｎ+基板を形成することもできる。こうすることにより、不純物濃度プロファイルが階段状になり、凹部形成のエッチングの際、平坦なエッチングが可能となる長所がある。
【０１０５】
また、不純物が高濃度に添加されているｎ+基板またはｎ+エピタキシャル成長層は深さ方向で濃度が均一にできるため、凸部に入射した短波長から長波長の光により発生するキャリアを再結合させることが可能となり、クロストークを低減できるという利点もある。
【０１０６】
また、第１導電型の不純物をｐ型とし、その不純物濃度を１×１０17／ｃｍ3以下の半導体層を結晶成長によって形成した場合、前記半導体界面が露出するまでアルカリエッチングを行い、その後、フッ酸、硝酸及び酢酸を用いた混合溶液でエッチングを行うことにより界面でエッチングがストップし、平坦な凹部を形成することができる。
【０１０７】
また、結晶面（１００）又は（１１０）のｎ型基板を準備し、その裏面側に該ｎ型基板と結晶面をあわせてｎ+型基板を貼り合わせることによりｎ−ｎ+基板を形成することもできる。こうすることにより、ｎ層、ｎ+層中の不純物濃度プロファイルが階段状になり、凹部形成のエッチングの際、平坦なエッチングが可能となる長所がある。
【０１０８】
また、不純物が高濃度に添加されているｎ+基板は深さ方向で濃度が均一にできるため、凸部に入射した短波長から長波長の光により発生するキャリアを再結合させることが可能となり、クロストークを低減できるという利点もある。
【０１０９】
また、第１導電型の不純物をｐ型とし、その不純物濃度を１×１０17／ｃｍ3以下の半導体基板を貼り合せることによって形成した場合、前記半導体界面が露出するまでアルカリエッチングを行い、その後、フッ酸、硝酸及び酢酸を用いた混合溶液でエッチングを行うことにより界面でエッチングがストップし、平坦な凹部を形成することができる。
【０１１０】
また、結晶面（１１１）のｎ型基板を準備し、その裏面側に結晶面（１００）又は（１１０）のｎ+型基板を貼り合わせることによりｎ−ｎ+基板を形成することもできる。こうすることにより、ｎ+層側からアルカリエッチングする際に（１１１）面は（１００）面や（１１０）面に比べてエッチング速度が非常に遅いために、ほとんどｎ層に達した時点でエッチングストップすることができ、エッチングの制御が容易となるという長所がある。
（第4実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係るフォトダイオードアレイについて説明する。
【０１１１】
図２５は本実施形態に係るフォトダイオードアレイの断面図である。第３実施形態のフォトダイオードアレイとの構成上の相違点を説明すると、第３実施形態のフォトダイオードアレイではｎ+層とｎ層が直接接していたが本実施形態ではｎ+層とｎ層との間に厚さ０．１〜３μｍのＳｉＯ2層２２５を挟んでいる。
【０１１２】
上記相違点はフォトダイオードアレイの製造方法の相違点に由来するものである。第３実施形態ではｎ型シリコン基板の基板を準備し、基板の裏面側にｎ+拡散層を熱拡散により形成することによってｎ−ｎ+拡散基板を作成し基板として用いたが、本実施形態ではＳＯＩ（Ｓilicon Ｏn Ｉnsulator）基板を基板として用いている。すなわち、まずｎ型シリコン基板を準備し、裏面側を熱酸化させＳｉＯ2酸化膜を形成する。次に結晶面（１００）または（１１０）のｎ+層を裏面側に貼り合わせることによって図２７のような三層構造のＳＯＩ基板を形成し、基板として用いている。
【０１１３】
上記フォトダイオードアレイによれば、アルカリエッチング工程の際にＳｉＯ2層２２５でエッチングがストップすることとなるため、エッチングの制御が容易になる。また、Ｎ+層でキャリアが発生したとしてもＳｉＯ2層２２５は絶縁層であるためキャリアを通さない。このため発生したキャリアは各受光画素まで到達することはなく、クロストークをさらに低減することができる。なお、上記以外の構成及び製造方法については第３実施形態に係るフォトダイオードアレイとまったく同様である。
（第5実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係るフォトダイオードアレイについて説明する。
【０１１４】
図２６は本実施形態に係るフォトダイオードアレイの断面図である。第４実施形態のフォトダイオードアレイとの構成上の相違点を説明すると、第４実施形態のフォトダイオードアレイではフォトダイオードに対応する部分の凹部２１１が裏面側に行くほど広く、表面側に行くほど狭くなるように、凹部側面が基板の厚さ方向に対して傾いているのに対し、本実施形態のフォトダイオードアレイの凹部側面は基板の厚さ方向と略平行となっている。
【０１１５】
上記相違点はフォトダイオードアレイの製造方法の相違点に由来するものである。第４実施形態では、凹部２１１を形成する際に第４実施形態ではアルカリエッチングを用いたが、本実施形態では例えば高密度プラズマを用いたディープドライエッチングを用いている。
【０１１６】
上記フォトダイオードアレイによれば、凹部を形成する際の方法としてディープドライエッチングを用いるため、準備するＳＯＩ基板のｎ+層は結晶面を（１００）または（１１０）に限る必要がなくなる。また、ＳｉＯ2層２２５でエッチングがストップすることとなるため、エッチングの制御が容易になる。なお、上記以外の構成及び製造方法については第４実施形態に係るフォトダイオードアレイとまったく同様である。
【０１１７】
次に、本発明の放射線検出器の実施形態について説明する。
【０１１８】
図２８は本実施形態に係る放射線検出器の側断面図である。本放射線検出器２３０は、放射線を入射して、その放射線によって生じた光を光出射面から出射するシンチレータパネル２３１と、シンチレータパネル２３１から出射された光を光入射面から入射し、電気信号に変換するフォトダイオードアレイ２０１と、実装配線基板２３３とを備えている。
【０１１９】
上記放射線検出器は本発明に係るフォトダイオードアレイを備えることを特徴としており、本実施形態では上述した本発明の第２実施形態に係るフォトダイオードアレイを備えている。よってシンチレータパネル２３１はフォトダイオードアレイ２０１の裏面側に設置され、凸部２１３においてフォトダイオードアレイ２０１と当接している。このためシンチレータパネル２３１と凹部２１１との間には隙間が存在することとなるが、この隙間にはシンチレータパネル２３１からの蛍光を透過させるに十分な屈折率を有するカップリング樹脂２３５が充填され、シンチレータパネル２３１から出射された光が効率よくフォトダイオードアレイ２０１に入射できるようになっている。
【０１２０】
実装配線基板２３３はフォトダイオードアレイ２０１の表面側に設置され、バンプ電極２１９を介してフォトダイオードアレイ２０１と電気的に接続されている。実装形態はフリップチップ実装であり、バンプ電極２１９は半田バンプ、金バンプ、ニッケルバンプ、銅バンプ、導電性樹脂バンプなど金属を含む導電性バンプ等が用いられる。また、ボンディング方式としてはダイレクトボンディング方式またはこれにアンダーフィル樹脂を充填する方式、異方性導電性フィルム（ＡＣＦ）、異方性導電性ペースト方式（ＡＣＰ）、非導電性ペースト（ＮＣＰ）方式などの形態を用いてもよい。
【０１２１】
次に上記放射線検出器の作用について説明する。実装配線基板２３３上にフォトダイオードアレイ２０１をボンディングする際には吸着コレットで凸部２１３を吸着することとなるが、その際に凸部に機械的ダメージが加わり，その欠陥部分によって暗電流や雑音となるキャリアが発生することとなる。また、フォトダイオードアレイ２０１の裏面側にシンチレータパネル２３１を設置する際は凸部２１３にシンチレータパネル２３１を当接させることとなるが、その際にも凸部２１３に機械的ダメージが加わり，キャリアが発生することとなる。ところが上記放射線検出器によれば、上記本発明に係るフォトダイオードアレイを用いており、凸部２１３が高不純物濃度のｎ+型拡散層で構成されているので発生したキャリアを再結合させ、かかる暗電流や雑音を低減することができる。
【０１２２】
また、上記放射線検出器では、フォトダイオードアレイ２０１の受光画素間に凸部２１３を配置しているので、入射する光を画素ごとに分離することができる。さらに、凸部２１３が高不純物濃度のｎ+型拡散層で構成されているので凸部２１３に入射した光により発生したキャリアは再結合する。このため受光画素と受光画素との間に入射した光は信号として取り出されることがない。すなわち、上記放射線検出器は受光画素間のクロストークを改善することが可能となる。
【０１２３】
放射線検出器において、裏面に凹凸のないフォトダイオードアレイを用いることとすれば、実装配線基板２３３上にフォトダイオードアレイをボンディングする際に吸着コレットが直接受光画素に触れることとなる。またシンチレータパネル装着の際にも同様にシンチレータパネルが直接受光画素に触れることとなるため、受光画素を傷つけ、画素欠陥の原因となりやすい。ところが上記放射線検出器によれば、受光画素部は凹部２１１に配置されているため、実装工程において直接受光画素が接触を受けることもなくなるため機械的なダメージを受けにくくなり、受光画素欠陥を防止することができる。
【０１２４】
なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。
【０１２５】
図２９Ａは受光画素部とバンプ電極の位置関係を表す上面図、図２９Ｂは図２９Ａに示したフォトダイオードアレイのＸＩＶ−ＸＩＶ断面図である。図３０Ａは受光画素部とバンプ電極の位置関係を表す上面図、図３０Ｂは図３０Ａに示したフォトダイオードアレイのＸＶ−ＸＶ断面図である。図３１Ａは受光画素部とバンプ電極の位置関係を表す上面図、図３１Ｂは図３１Ａに示したフォトダイオードアレイのＸＶＩ−ＸＶＩ断面図である。
【０１２６】
例えば、上記したフォトダイオードアレイの各実施形態では図２９Ａ、図２９Ｂのようにバンプ電極２１９を肉厚部すなわち凸部２１３に相当する部分に設置し実装時の機械的強度を確保することとしているが、機械的強度を十分確保できる場合であれば図３０Ａ、図３０Ｂに示すように受光画素に相当する位置にバンプ電極２１９を設置しても良い。
【０１２７】
また、凸部２１３に相当する部分にバンプ電極２１９を設置する場合において、図３１Ａ、図３１Ｂに示すようにバンプ電極２１９の裏面側に相当する部分のみ分離層２０７が途切れるように構成することもできる。こうすることによりフリップチップ実装を行う際に機械的ダメージが加わったとしてもアノードとカソードがショートしないようにすることができる。また、この場合は途切れた分離層同士をアルミ電極配線により接続し、分離層２０７が全域的に接続されるようにしてもよい。
【０１２８】
また、フォトダイオードアレイ上に格子状に受光素子を配置する場合にはフォトダイオードアレイチップ端のぎりぎりまで受光画素エリアであることが望ましい。このため図１７に示すようにチップ端の肉厚部領域２１３ｚにバンプ電極を設置することはなるべく避けるほうがよい。そこで肉厚部にバンプ電極２１９を設置する場合には図３２Ａに示すようにチップ端の肉厚部領域２１３ｚ以外の凸部にすべてのバンプ電極２１９を配置するような構成とすることもできる。図３２Ｂはフォトダイオードアレイチップ端における受光画素部とバンプ電極の位置関係を表す上面図である。例えば、図３２Ａにおいては左上の受光画素２０４ａはその右側のバンプ電極２１９ａから、左上の受光画素２０４ｂはその下側のバンプ電極２１９ｂから、右下の受光画素２０４ｃはその左側のバンプ電極２１９ｃからコンタクトを取るように配置されている。このようにバンプ電極２１９の位置をチップ端の肉厚部領域２１３ｚに配置しないように設計することによってフォトダイオードアレイチップ端のぎりぎりまで受光画素エリアとすることができる。
【０１２９】
以上詳述したように本発明によれば、フォトダイオードアレイの機械的強度を維持し、素子間クロストークを低減す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。
【０１３０】
以上、上述のフォトダイオートアレイは、光入射面側に複数の入射面側凹部を有すると共に前記光入射面とは逆側に前記入射面側凹部のそれぞれに対応して複数の反対面側凹部を有する半導体基板を備え、前記半導体基板の前記反対面側凹部の底部にｐｎ接合を備えている。
【０１３１】
上述のフォトダイオードアレイでは、半導体基板の両面に凹部が形成されている。
【０１３２】
個々の凹部の底部は対向することとなるので、反対面側凹部の底部に形成されたｐｎ接合と光入射面との距離は小さくなる。
【０１３３】
また、ｐｎ接合が形成された領域以外は、元々の基板の厚さのまま枠部として残すことができるので、半導体基板の機械的強度を維持することができる。
【０１３４】
凹部は、半導体基板を両面から薄化されることにより形成することができる。
【０１３５】
薄化時においては、基板の深さ方向に進行するに従って凹部の底部の面積が小さくなる。
【０１３６】
したがって、ｐｎ接合と光入射面との距離が同じであれば、何れか片面側からのみ凹部が形成された場合よりも、両面に凹部が形成された場合の方が凹部底面の面積を広くすることができ、光検出部の面積を増加、すなわち、開口率を向上することができる。
【０１３７】
また、入射面側凹部の底面の面積が、反対面側凹部の底面の面積よりも大きい場合には、入射面側凹部の周囲に位置する厚い枠部で減衰するエネルギー線の量を減少させることができ、開口率を向上させることができる。
【０１３８】
ｐｎ接合は反対面側凹部の底部から当該反対面側凹部を囲む反対面側枠部にまで延びていることを特徴としてもよい。
【０１３９】
この場合、底部と枠部間で発生する不要キャリアの影響を抑制することができる。
【０１４０】
さらに、ｐ型不純物拡散層が反対面側枠部にまで伸びているので、反対面側枠部に形成するバンプ電極とｐ型不純物拡散層を接続するアルミ電極を反対面側凹部の内側面を這わせる必要がなくなりプロセスが容易になる。
【０１４１】
入射面側凹部を囲む入射面側枠部には、不純物が高濃度に添加された高不純物濃度領域が形成されていることとしてもよい。
【０１４２】
この場合、入射面側枠部に入射した光によって発生したキャリアは高不純物濃度領域で再結合し消滅するため、反対面側凹部の底部のｐｎ接合まで移動するキャリアが減少し、各フォトダイオード間のクロストークを低減することができる。
【０１４３】
入射面側凹部を囲む入射面側枠部は、被検出光の入射方向から見て格子状となるように形成されていることとしてもよい。
【０１４４】
この場合、各入射面側凹部の位置はマトリクス状に座標が決定されるので、被検出光の入射位置が容易に判別できる。
【０１４５】
本フォトダイオードアレイは、反対面側凹部を囲む反対面側枠部上に、ｐｎ接合からなるフォトダイオードの出力を取り出す電極パッドを備えることとしてもよい。
【０１４６】
この場合、実装の際に、凹部からみて凸部に相当する枠部上の電極パッドを実装配線基板に当接させることができ、実装配線基板の配線が容易になる。
【０１４７】
本フォトダイオードアレイは、反対面側凹部の側面部を通りフォトダイオードと電極パッドとを電気的に接続する配線電極を備えることとしてもよい。
【０１４８】
すなわち、配線電極は裏面から入射する被検出光を遮蔽することのない位置で、フォトダイオードと電極パッドとを接続することができ、また、電極パッドからフォトダイオードにバイアス電圧を与えたり信号を取り出すことができる。
【０１４９】
上述の放射線検出器は、上述のフォトダイオードアレイと、フォトダイオードアレイへの被検出光の入射面前方に配設されたシンチレータとを備えている。
【０１５０】
シンチレータに照射されたＸ線等のエネルギー線は、可視光に変換されるので、当該可視光をｐｎ接合からなるフォトダイオードで検出することができる。
【０１５１】
また、上述のフォトダイオードアレイは、被検出光の入射面と反対面側に、ｐｎ接合型の複数のフォトダイオードがアレイ状に形成された半導体基板を備え、半導体基板は、複数のフォトダイオードの形成された領域が被検出光の入射面側から薄化されることにより、当該複数のフォトダイオードの形成された領域に挟まれた領域が被検出光の入射面側に向かって断面凸形状の凸部とされ、凸部には、フォトダイオードの被検出光の入射面側と同一導電型の高濃度不純物領域が形成されている。
【０１５２】
上記フォトダイオードアレイによれば、断面凸形状の凸部に入射した光によって発生したキャリアは高不純物濃度領域で再結合し消滅するため、フォトダイオード間のクロストークを低減することができる。同時にフォトダイオードの形成された領域のみを薄化し、それ以外の領域は肉厚のままとすることにより、基板全体の機械的強度を維持することができ、基板自体の反り・歪み等の発生を抑えることができる。
【０１５３】
また、上述のフォトダイオードアレイは、少なくとも被検出光の入射面と反対面側が第１導電型にされた半導体基板と、この半導体基板の反対面側の第１導電型領域内部にアレイ状に配列して形成された第２導電型の複数の光検出層と、を備え、半導体基板の被検出光の入射面側には、光検出層に対応する領域が当該入射面側より薄化されることによりアレイ状に配列された複数の凹部が形成され、複数の凹部を仕切る凸部には、第１導電型の不純物が高濃度に添加されている。
【０１５４】
また、上述のフォトダイオードアレイは、第１導電型の不純物が高濃度に添加されている半導体基板と、この半導体基板の被検出光の入射面と反対面側に接して設けられた第１導電型の半導体層と、この第１導電型の半導体層の内部にアレイ状に配列して形成された第２導電型の複数の光検出層と、を備え、半導体基板は、光検出層に対応する領域が除去されることにより格子状に成形されている。
【０１５５】
また、上述のフォトダイオードアレイは、半導体基板と半導体層との間には、エッチングストップ層が介在されている。
【０１５６】
上記フォトダイオードによれば、エッチングストップ層を有しているので、凹部形成工程においてその層でエッチングをストップすることができ、該工程の制御が容易となる。
【０１５７】
また、上述のフォトダイオードアレイは、半導体基板と半導体層との間には、絶縁層が介在されていることとしてもよい。
【０１５８】
上記フォトダイオードによれば、半導体基板と半導体層との間に絶縁層を有しているので、半導体基板で生じたキャリアが絶縁層で止められ、半導体層内部のフォトダイオードを形成するｐｎ接合部まで達することがなくなるため、クロストークをさらに低減することができる。
【０１５９】
また、上述のフォトダイオードアレイは、半導体基板と半導体層は、互いに接する界面において結晶方位が交差することを特徴としてもよい。
【０１６０】
上記フォトダイオードによれば、半導体基板と半導体層が、互いに接する界面において結晶方位が交差しているので、凹部形成工程において半導体基板と半導体層の界面でエッチングをストップすることができ、該工程の制御が容易となる。
【０１６１】
上述のフォトダイオードアレイの製造方法は、少なくとも被検出光の入射面側とその反対面側が第１導電型の半導体で形成され、入射面側には第１導電型の不純物が高濃度に添加されている基板を準備する第１工程と、基板の反対面側の第１導電型領域の内部に第２導電型の複数の光検出層をアレイ状に配列させて形成する第２工程と、基板の光検出層に対応する領域を入射面側よりエッチングして薄化することにより、アレイ状に配列された複数の凹部と、これらを仕切る格子状の第１導電型の不純物が高濃度に添加された凸部を形成する第３工程とを備える。
【０１６２】
上述のフォトダイオードアレイの製造方法は、第１工程は、第１導電型の半導体基板を準備する工程と、半導体基板の被検出光の入射面側に第１導電型の不純物を高濃度に添加させる工程と、を有することを特徴としてもよい。
【０１６３】
上記製造方法によれば、第１導電型の不純物領域を他の方法（例えば基板の貼り合わせ等）によって形成した場合と異なり、基板の被検出光の入射面側ほど不純物濃度が高く凸部の不純物濃度が高い。このため、発生したキャリアを再結合・消滅させる効果が高くなり、暗電流、リーク電流、クロストークを低減させる効果も大きくなる。
【０１６４】
上述のフォトダイオードアレイの製造方法は、第１工程は、第１導電型の不純物が高濃度に添加されている半導体基板を準備する工程と、半導体基板の被検出光の入射面と反対面側に第１導電型の半導体層を結晶成長させる工程と、を有する。
【０１６５】
上記製造方法によれば、第１導電型の半導体層を結晶成長によって形成しているので、エッチング工程で平坦な凹部の面を形成することができる。
【０１６６】
また、上記製造方法によれば、第１導電型の不純物が高濃度に添加されている半導体基板は厚く、深さ方向で濃度が均一にできるため、凸部に入射した短波長から長波長の光によって発生するキャリアを再結合させることが可能となり、クロストークを低減させる効果がある。
【０１６７】
上述のフォトダイオードアレイの製造方法は、第１工程は、第１導電型の不純物が高濃度に添加されている半導体基板を準備する工程と、半導体基板の被検出光の入射面と反対面側に第１導電型の半導体薄板を貼り合わせる工程と、を有し、半導体基板と半導体薄板は、貼り合せ界面において結晶方位が交差するようにした。
【０１６８】
上記製造方法によれば、半導体基板と半導体薄板が、貼り合わせ界面において結晶方位が交差しているので、凹部形成工程において半導体基板と半導体薄板の界面でエッチングをストップすることができ、該工程の制御が容易となる。
【０１６９】
また、上記製造方法によれば、第１導電型の不純物が高濃度に添加されている半導体基板は厚く、深さ方向で濃度が均一にできるため、凸部に入射した短波長から長波長の光によって発生するキャリアを再結合させることが可能となり、クロストークを低減させる効果がある。
【０１７０】
上述のフォトダイオードアレイの製造方法は、第１工程は、第１導電型の不純物が高濃度に添加されている半導体基板を準備する工程と、半導体基板の被検出光の入射面と反対面側に、エッチングストップ膜を介在させて第１導電型の半導体薄板を貼り合わせる工程と、を有する。
【０１７１】
上記製造方法によれば、基板の第１導電型の不純物が高濃度に添加されている半導体基板と第１導電型の半導体薄板との間にエッチングストップ層を有しているので、凹部形成工程においてその層でエッチングをストップすることができ、該工程の制御が容易となる。
【０１７２】
また、上述のフォトダイオードアレイの製造方法は、第１導電型の不純物が高濃度に添加されている半導体基板を準備する工程と、半導体基板の被検出光の入射面と反対面側に、絶縁層を介在させて第１導電型の半導体薄板を貼り合わせる工程と、を有する。
【０１７３】
上記製造方法によれば、半導体基板と半導体層との間に絶縁層を形成している。このため半導体基板で生じたキャリアが絶縁層で止められ、半導体層内部のフォトダイオード受光面まで達することがなく、クロストークをさらに低減することができるフォトダイオードを製造することができる。
【０１７４】
上述の放射線検出器は、本発明のフォトダイオードアレイと、このフォトダイオードアレイの被検出光の入射面側に取り付けられ、放射線の入射により発光するシンチレータパネルと、を備える。
【０１７５】
また、上述の放射線検出器は、本発明の製造方法で製造されたフォトダイオードアレイと、このフォトダイオードアレイの被検出光の入射面側に取り付けられ、放射線の入射により発光するシンチレータパネルと、を備える。
【０１７６】
上記放射線検出器は、本発明のフォトダイオードアレイを備えている。このためフォトダイオードアレイの凸部で発生したキャリアは再結合・消滅するので暗電流やクロストークを低減することができる。また実装の際にフォトダイオードアレイの凹部に光検出領域があるため機械的ダメージを受けにくく、光検出領域の欠陥が生じにくい。
【産業上の利用可能性】
【０１７７】
本発明はフォトダイオードアレイ、その製造方法、及び放射線検出器に利用することができる。
【符号の説明】
【０１７８】
１・・・フォトダイオードアレイ、９，２１３・・・凸部、５ｂ，２０９・・高濃度不純物領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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