(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体素子に比べて大きな熱膨張係数を有するアンダーフィルの熱膨張に起因する影響を低減できる受光素子アレイを提供する。【解決手段】受光素子アレイ１３は、光電変換のための光吸収層を含む半導体メサのアレイ、並びにアレイを規定する複数の第１溝及び複数の第２溝を含む画素領域と、該画素領域と異なる周辺領域とを含む半導体構造物と、画素領域上に設けられ、半導体メサの上面上に設けられたアノード電極及びカソード電極のうちの一方の第１電極と、第１電極上に設けられた第１バンプ電極と、第１溝及び第２溝の少なくともいずれか一方の底面上及び半導体メサの側面上に設けられる金属体と、前記半導体構造物上に設けられた絶縁膜とを備える。金属体は、第１電極の厚さより大きな厚さを有し、アレイは、半導体メサが列及び行を成すように配列されており、金属体は、第１電極及び第１バンプ電極から離れている。【選択図】図１
2018088453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光素子アレイであって、
光電変換のための光吸収層を含む半導体メサのアレイ、並びに前記アレイを規定する複数の第１溝及び複数の第２溝を含む画素領域と、該画素領域と異なる周辺領域と、を含む半導体構造物と、
前記画素領域上に設けられ、前記半導体メサの上面上に設けられたアノード電極及びカソード電極のうちの一方の第１電極と、
前記第１電極上に設けられた第１バンプ電極と、
前記第１溝及び前記第２溝の少なくともいずれか一方の底面上及び前記半導体メサの側面上に設けられる金属体と、
前記半導体構造物上に設けられた絶縁膜と、
を備え、
前記金属体は、前記第１電極の厚さより大きな厚さを有し、
前記アレイは、前記半導体メサが列及び行を成すように配列されており、
前記金属体は、前記第１電極及び前記第１バンプ電極から離れている、受光素子アレイ。
【請求項２】
前記金属体は前記絶縁膜上に設けられ、
前記絶縁膜は、各半導体メサの上面上に位置する第１開口を有し、前記第１電極は、前記第１開口を介して前記半導体構造物に接続される、請求項１に記載された受光素子アレイ。
【請求項３】
前記周辺領域上に設けられ、前記半導体メサに接続されるアノード電極及びカソード電極のうちの他方の第２電極と、
前記第２電極上に設けられた第２バンプ電極と、
を備え、
前記絶縁膜は、前記周辺領域に位置する第２開口を有し、前記第２電極は前記第２開口を介して前記半導体構造物に接続される、請求項１又は請求項２に記載された受光素子アレイ。
【請求項４】
前記絶縁膜は、前記第１溝及び前記第２溝の底面に設けられた一又は複数の第３開口を有し、前記金属体は前記第３開口を介して前記半導体構造物に接続される、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された受光素子アレイ。
【請求項５】
前記絶縁膜の前記第３開口は、前記半導体メサの前記列の方向に延在し、
前記金属体は、前記半導体メサの前記列の方向に延在する、請求項４に記載された受光素子アレイ。
【請求項６】
前記絶縁膜の前記第３開口は、前記半導体メサの前記行の方向に延在し、
前記金属体は、前記半導体メサの前記行の方向に延在する、請求項４又は請求項５に記載された受光素子アレイ。
【請求項７】
前記金属体は、バンプ金属を含む、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された受光素子アレイ。
【請求項８】
受光装置であって、
請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された受光素子アレイと、
前記受光素子アレイに接合されており、前記受光素子アレイからの電気信号を処理する半導体素子と、
前記受光素子アレイと前記半導体素子との間に設けられたアンダーフィルと、を備える、受光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子アレイ及び受光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、化合物半導体を含むタイプＩＩ超格子構造を有するフォーカルプレインアレイを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００５−０２６６７１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
タイプＩＩ超格子構造を有する光センサーは、基板の主面上に配列されたフォトダイオードを含み、フォトダイオードは、基板の裏面に入射した光を検知する。光センサーのアレイ状フォトダイオードは、基板の主面上に設けられたシリコン集積回路素子にそれぞれのバンプ電極を介して接続される。シリコン集積回路素子は、光センサーのフォトダイオードから電気信号を処理する。
【０００５】
光センサー及びシリコン集積回路素子は、配列されたバンプ電極を介して互いに接続される。アンダーフィルと呼ばれる樹脂が、光センサーとシリコン集積回路素子との間を満たす。これらの半導体素子の間に延在するアンダーフィルは、半導体素子と異なる熱膨張係数を有している。異なる材料の観点から、アンダーフィルと半導体素子との間の熱膨張係数の差が不可避である。求められていることは、アンダーフィルが、これらの半導体素子、具体的には光センサーのための半導体素子に与える熱応力の影響を低減することである。発明者の知見によれば、長く延在する厚いアンダーフィルは、延在方向に熱膨張が伝わる点で、半導体素子に大きな熱応力を加える可能性がある。この知見は、求められることは長く延在する厚いアンダーフィルを避ける構造であることを示す。
【０００６】
本発明の一側面は、半導体素子に比べて大きな熱膨張係数を有するアンダーフィルの熱膨張に起因する影響を低減できる受光素子アレイを提供することを目的とする。また、本発明の別の側面は、受光素子アレイを含む受光装置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】
【０００７】
本発明の一側面に係る受光素子アレイは、光電変換のための光吸収層を含む半導体メサのアレイ、並びに前記アレイを規定する複数の第１溝及び複数の第２溝を含む画素領域と、該画素領域と異なる周辺領域とを含む半導体構造物と、前記画素領域上に設けられ、前記半導体メサの上面上に設けられたアノード電極及びカソード電極のうちの一方の第１電極と、前記第１電極上に設けられた第１バンプ電極と、前記第１溝及び前記第２溝の少なくともいずれか一方の底面上及び前記半導体メサの側面上に設けられる金属体と、を備え、前記金属体は、前記第１電極の厚さより大きな厚さを有し、前記アレイは、前記半導体メサが列及び行を成すように配列されており、前記金属体は、前記第１電極及び前記第１バンプ電極から離れている。
【０００８】
本発明の別の側面に係る受光装置は、受光素子アレイと、前記受光素子アレイに接合されており、前記受光素子アレイからの電気信号を処理する半導体素子と、前記受光素子アレイと前記半導体素子との間に設けられたアンダーフィルと、を備える。
【０００９】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、半導体素子に比べて大きな熱膨張係数を有するアンダーフィルの熱膨張に起因する影響を低減できる受光素子アレイが提供される。また、本発明の別の側面によれば、受光素子アレイを含む受光装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本実施形態に係る受光装置を示す図面である。
【図２】図２は、図１にＩＩ−ＩＩ線に沿ってとられた断面を示す図面である。
【図３】図３は、本実施形態に係る受光素子アレイを示す図面である。
【図４】図４は、本実施形態に係る受光装置及び受光素子アレイを作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【図５】図５は、本実施形態に係る受光装置及び受光素子アレイを作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【図６】図６は、本実施形態に係る受光装置及び受光素子アレイを作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【図７】図７は、本実施形態に係る受光装置及び受光素子アレイを作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【図８】図８は、本実施形態に係る受光装置及び受光素子アレイを作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【図９】図９は、本実施形態に係る受光装置及び受光素子アレイを作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【図１０】図１０は、実施形態に係る受光素子アレイを示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
いくつかの具体例を説明する。
【００１３】
具体例に係る受光素子アレイは、（ａ）光電変換のための光吸収層を含む半導体メサのアレイ、並びに前記アレイを規定する複数の第１溝及び複数の第２溝を含む画素領域と、該画素領域と異なる周辺領域とを含む半導体構造物と、（ｂ）前記画素領域上に設けられ、前記半導体メサの上面上に設けられたアノード電極及びカソード電極のうちの一方の第１電極と、（ｃ）前記第１電極上に設けられた第１バンプ電極と、（ｄ）前記第１溝及び前記第２溝の少なくともいずれか一方の底面上及び前記半導体メサの側面上に設けられる金属体と、（ｅ）前記半導体構造物上に設けられた絶縁膜とを備え、前記金属体は、前記第１電極の厚さより大きな厚さを有し、前記アレイは、前記半導体メサが列及び行を成すように配列されており、前記金属体は、前記第１電極及び前記第１バンプ電極から離れている。
【００１４】
受光素子アレイによれば、金属体が、第１溝及び第２溝の少なくともいずれか一方の底面上に設けられる。溝内の金属体は、当該受光素子アレイに張り合わされる半導体素子と該受光素子アレイとの間に設けられるフィリングの厚みを薄くすると共に、フィリングが、溝内において溝の底面に沿って長く延在することを妨げる。フィリングは、半導体素子の主要な材料及び受光素子アレイの主要な材料と異なる材料を備え、この材料は樹脂を含む。このようなフィリングは、半導体素子の材料及び受光素子アレイの材料と異なる熱膨張係数を示す。
【００１５】
具体例に係る受光素子アレイは、前記金属体は前記絶縁膜上に設けられ、前記絶縁膜は、各半導体メサの上面上に位置する第１開口を有し、前記第１電極は、前記第１開口を介して前記半導体構造物に接続される。
【００１６】
受光素子アレイによれば、溝内の金属体を絶縁膜上に設けることができる。
【００１７】
具体例に係る受光素子アレイは、前記周辺領域上に設けられ、前記半導体メサに接続されるアノード電極及びカソード電極のうちの他方の第２電極と、前記第２電極上に設けられた第２バンプ電極とを備え、前記絶縁膜は、前記周辺領域に位置する第２開口を有し、前記第２電極は前記第２開口を介して前記半導体構造物に接続される。
【００１８】
受光素子アレイによれば、第２電極を周辺領域上に設けることができる。
【００１９】
具体例に係る受光素子アレイでは、前記絶縁膜は、前記第１溝及び前記第２溝の底面に設けられた一又は複数の第３開口を有し、前記金属体は前記第３開口を介して前記半導体構造物に接続される。
【００２０】
受光素子アレイによれば、金属体は、該金属体が接触を成す半導体構造物に接合される。
【００２１】
具体例に係る受光素子アレイでは、前記絶縁膜の前記第３開口は、前記半導体メサの前記列の方向に延在し、前記金属体は、前記半導体メサの前記列の方向に延在する。
【００２２】
受光素子アレイによれば、金属体は、半導体メサの列の方向に延在する溝内を延在することができる。
【００２３】
具体例に係る受光素子アレイでは、前記絶縁膜の前記第３開口は、前記半導体メサの前記行の方向に延在し、前記金属体は、前記半導体メサの前記行の方向に延在する。
【００２４】
受光素子アレイによれば、金属体は、半導体メサの行の方向に延在する溝内を延在することができる。
【００２５】
具体例に係る受光素子アレイでは、前記金属体は、バンプ金属を含む。
【００２６】
受光素子アレイによれば、金属体は、下地金属層上に設けられるバンプ金属を含む、バンプ金属は下地金属層の厚さより大きい。
【００２７】
具体例に係る受光装置は、（ａ）受光素子アレイと、（ｂ）前記受光素子アレイに接合されており、前記受光素子アレイからの電気信号を処理する半導体素子と、（ｃ）前記受光素子アレイと前記半導体素子との間に設けられたアンダーフィルと、を備える。
【００２８】
受光装置によれば、受光素子アレイは、半導体素子及び受光素子アレイに比べて大きな熱膨張係数を有するアンダーフィルの熱膨張に起因する影響を低減できる構造を有する。
【００２９】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、受光装置及び受光素子アレイに係る実施形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００３０】
図１は、本実施形態に係る受光装置を示す図面である。図２は、図１に示されたＩＩ−ＩＩ線に沿ってとられた断面を示す図面である。図３は、本実施形態に係る受光素子アレイを示す図面である。
【００３１】
図１を参照すると、受光装置１１は、受光素子アレイ１３と、読出のための半導体素子１５と、アンダーフィル１７といったフィリングを備える。図２に示されるように、アンダーフィル１７は、受光素子アレイ１３と半導体素子１５との間に設けられる樹脂体を備え、この樹脂体は、例えばエポキシ系樹脂を含む。半導体素子１５は、受光素子アレイ１３に接合されており、受光素子アレイ１３からの電気信号を受けて、受けた電気信号を処理する。受光装置１１は、受光素子アレイ１３の裏面に照射された光の二次元イメージのための電気信号を生成できる。受光素子アレイ１３は、赤外線波長（例えばＧａＳｂ／ＩｎＡｓ、Ｔｙｐｅ−ＩＩ量子井戸型センサーの場合は３〜１５μｍの波長）の光に感応する。ノイズを減らすために、受光装置１１は、室温より低い温度、例えば窒素温度（窒素の沸点）以下の温度において使用される。低温の使用の故に、受光装置１１は、使用のための温度に冷やされて、使用後に室温に戻される。このような温度変化に応じて、受光素子アレイ１３、半導体素子１５、及びアンダーフィル１７は、それぞれの熱膨膨張係数に従って熱応力を受ける。受光素子アレイ１３、半導体素子１５、及びアンダーフィル１７のうち樹脂製のアンダーフィル１７が、熱膨膨張係数大きな熱膨膨張係数を有する。アンダーフィル１７の熱変形は、受光素子アレイ１３及び半導体素子１５に熱応力を加える。
【００３２】
図３の（ａ）部は、本実施形態に係る受光装置のための受光素子アレイを示す平面図である。図３の（ｂ）部は、図３の（ａ）部におけるＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線にそってとられた断面図であり、図３の（ｃ）部は、図３の（ａ）部におけるＩＩＩｃ−ＩＩＩｃ線にそってとられた断面図である。
【００３３】
図２及び図３を参照すると、受光素子アレイ１３は、半導体構造物２１と、第１電極２３と、第１バンプ電極２５と、第２電極２７と、第２バンプ電極２９と、金属体３１とを備える。半導体構造物２１は、画素領域２１ａ及び周辺領域２１ｂを含む。周辺領域２１ｂは、画素領域２１ａと異なり、本実施例では、画素領域２１ａを囲むように設けられる。半導体構造物２１は、画素領域２１ａ及び周辺領域２１ｂに共有される基板２１ｃと、画素領域２１ａ及び周辺領域２１ｂに設けられた半導体積層体２１ｅを含む。基板２１ｃは、例えば半導体基板であることができ、半導体基板は、例えばＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＡｓを備える。画素領域２１ａは、半導体メサ３３のアレイ３５、並びにアレイ３５を規定する複数の第１溝３７及び複数の第２溝３９を含む。第１溝３７は第１方向に延在し、第２溝３９は第１方向に交差する第２方向に延在する。本実施例では、第１溝３７の一端及び他端は、周辺領域２１ｂに到達して終端する。第２溝３９の一端及び他端は、周辺領域２１ｂに到達して終端する。第１溝３７及び第２溝３９は、半導体メサ３３の二次元配列を形成できる。アレイ３５は、半導体メサ３３を列及び行を成すように配列させる。半導体メサ３３の各々は、光電変換のための光吸収層３３ａを含み、具体的には第１導電型半導体領域３３ｂ及び第２導電型半導体領域３３ｃを更に含む。第１導電型半導体領域３３ｂ、光吸収層３３ａ及び第２導電型半導体領域３３ｃは、基板２１ｃの主面２１ｄ上に順に配列される。第１電極２３が、半導体メサ３３の上面に電気的に接続され、具体的には第２導電型半導体領域３３ｃに接続される。第１電極２３は、画素領域２１ａ上に設けられ半導体メサ３３の上面上に設けられたアノード電極及びカソード電極のうちの一方である。第１電極２３は、第１バンプ電極２５を搭載する。金属体３１は、第１溝３７及び第２溝３９の少なくともいずれか一方の底面上に設けられる。金属体３１は、第１電極２３の厚さより大きな厚さを有する。金属体３１は、第１電極２３及び第１バンプ電極２５から離れている。
【００３４】
図２を参照すると、受光装置１１においては、金属体３１は、第１溝３７及び第２溝３９の少なくともいずれか一方の底面上及び半導体メサ３３の側面上に設けられ、隣合う半導体メサ３３の間を埋めるように設けられる。
【００３５】
受光装置１１の受光素子アレイ１３によれば、金属体３１が、第１溝３７及び第２溝３９の少なくともいずれか一方の底面上及び半導体メサ３３の側面上に設けられて、当該溝を埋める。当該受光素子アレイ１３に張り合わされる半導体素子１５と該受光素子アレイ１３との間には、アンダーフィル１７が設けられる。アンダーフィル１７は、受光素子アレイ１３及び半導体素子１５の主要な材料と異なる材料を備え、この材料は樹脂を含む。アンダーフィル１７は、受光素子アレイ１３の材料及び半導体素子１５の材料と異なる熱膨張係数を示す。金属体３１は、溝（第１溝３７及び／又は第２溝３９）内においてアンダーフィル１７の厚み（ＴＲＡ、ＴＲＰ）を部分的に薄くすると共に、溝内のアンダーフィル１７が、半導体メサ３３を規定する溝に沿って長く延在することを妨げる。図２を参照すると、本実施例では、厚いアンダーフィル１７が周辺領域２１ｂを覆うように設けられ、薄いアンダーフィル１７が画素領域２１ａを覆うように設けられる。
【００３６】
第１導電型半導体領域３３ｂは、基板２１ｃの主面２１ｄに沿って延在して、アレイ状の半導体メサ３３を接続する。また、第１導電型半導体領域３３ｂは、画素領域２１ａから周辺領域２１ｂに延在して、周辺領域２１ｂにおいて、第１導電型半導体領域３３ｂは、第２電極２７に電気的に接続されている。第２電極２７は、第２バンプ電極２９を搭載する。第２電極２７は、周辺領域２１ｂの第１導電型半導体領域３３ｂ上に設けられたアノード電極及びカソード電極のうちの他方である。金属体３１は、第１電極２３及び第１バンプ電極２５、並びに第２電極２７及び第２バンプ電極２９から離れている。
【００３７】
図２を参照すると、受光装置１１においては、金属体３１は、第１溝３７及び第２溝３９の少なくともいずれか一方の底面上及び半導体メサ３３の側面上に設けられ、金属体３１が設けられた部分において当該溝の一部又は全部を埋めて、溝を中断させる。金属体３１は、隣り合う半導体メサ３３を規定する溝（第１溝３７又は第２溝３９）及び隣り合う２つの半導体メサ３３のうち一方の半導体メサ３３の側面から他方の半導体メサ３３の側面まで延在して、金属体３１が設けられた部分（溝の該当部分）において当該溝を満たす。本実施例では、溝を満たすことを可能にする金属体３１は、例えば、下地金属層３１ａ及びバンプ金属３１ｂを含み、バンプ金属３１ｂは下地金属層３１ａ上に設けられる。下地金属層３１ａは、バンプ金属３１ｂが設けられるべき部分、例えば第１溝３７及び第２溝３９の少なくともいずれか一方の底面上及び半導体メサ３３の側面上に設けられる。下地金属層３１ａは、下地金属層３１ａより厚いバンプ金属３１ｂにしっかりと接合を成して、バンプ金属３１ｂを基板２１ｃに固定することを可能にする。
【００３８】
図３を参照すると、金属体３１は、第１溝３７及び第２溝３９の両方において少なくとも一部分に設けられている。本実施例では、金属体３１は、第１溝３７及び第２溝３９の両方に設けられて、半導体構造物２１の少なくとも一部分上において、二次元格子を形成するようにしてもよい。好ましくは、金属体３１は、第１溝３７の各々における一端から他端まで延在すると共に第２溝３９の各々における一端から他端まで延在して、一体の金属部材からなることが良い。
【００３９】
図２に示された受光装置１１における金属体３１は、図３に示された受光素子アレイ１３の金属体３１と異なる形状を有している。この理由は、以下のものである。受光装置１１の作製方法において、第１バンプ電極２５及び第２バンプ電極２９に加えて、金属体３１も、受光素子アレイ１３を半導体素子１５に接合して生産物を作製した後に行われるリフロー（生産物の熱処理）に曝される。
【００４０】
受光素子アレイ１３は、半導体構造物２１のおもて面を覆う無機絶縁膜４１を備えることができる。無機絶縁膜４１は、例えばシリコン酸化物、シリコン窒化物といったシリコン系無機絶縁膜、又はＡｌ２Ｏ３、ＺｎＳ、等の絶縁膜を備えることができる。無機絶縁膜４１は、具体的には、画素領域２１ａの半導体メサ３３の側面並びに第１溝３７及び第２溝３９の底面を覆う第１部分４１ａを有し、また周辺領域２１ｂの表面を覆う第２部分４１ｂを有することができる。無機絶縁膜４１の第１部分４１ａは、各半導体メサ３３の上面に位置する第１開口４１ｃを有する。第１電極２３は、第１部分４１ａの第１開口４１ｃを介して半導体メサ３３の上面に接触を成す。また、無機絶縁膜４１の第２部分４１ｂは、第１導電型半導体領域３３ｂ上に位置する第２開口４１ｄを有する。第２電極２７は、第２部分４１ｂの第２開口４１ｄを介して第１導電型半導体領域３３ｂの上面に接触を成す。
【００４１】
金属体３１を無機絶縁膜４１上に設けるようにしても良い。可能な場合には、無機絶縁膜４１の第１部分４１ａは、金属体３１を設けるべき第１溝３７及び／又は第２溝３９の底面に位置する第３開口４１ｅを有することができる。金属体３１が、第１部分４１ａの第３開口４１ｅを介して第１導電型半導体領域３３ｂの上面に接触を成す。金属体３１が、半導体構造物２１に接合を成して、半導体構造物２１にしっかりと固定される。本実施例では、図３に示されるように、周辺領域２１ｂにおいて、第１方向に延在する第２開口４１ｄは、第２方向に延在する第２開口４１ｄに出会って、単一の開口を形成するようにしてもよい。また、二次元格子構造を有する金属体３１が画素領域２１ａに設けられると主に、金属体３１は、好ましくは、二次元格子の形状を有する第３開口４１ｅを介して第１導電型半導体領域３３ｂの上面に接合を成すことができる。
【００４２】
必要な場合には、第１電極２３及び第２電極２７に加えて、下地金属層３１ａも、オーミック金属を含むことが良い。下地金属層３１ａは、製造工程の削減の利点を得るために、第１電極２３及び第２電極２７のいずれか一方の工程において形成されることができる。また、バンプ金属３１ｂは、第１バンプ電極２５又は第２バンプ電極２９のいずれか一方の作製工程によって形成されることができる。
【００４３】
受光素子アレイ１３の一例。
基板２１ｃ：ｎ型ＧａＳｂ基板。
半導体積層体２１ｅ。
第１導電型半導体領域３３ｂ：ｎ型ＧａＳｂ、ｎ型ＩｎＰ、ｎ型ＧａＡｓ。
光吸収層３３ａ：ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、等のタイプＩＩ超格子。
第２導電型半導体領域３３ｃ：ｐ型ＧａＳｂ、ｐ型ＩｎＰ、ｐ型ＧａＡｓ。
第１電極２３：Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ。
第２電極２７：Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ。
下地金属層３１ａ：Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ。
第１バンプ電極２５：半田材、例えばＩｎ、ＡｕＳｎ。
第２バンプ電極２９：半田材、例えばＩｎ、ＡｕＳｎ。
バンプ金属３１ｂ：半田材、例えばＩｎ、ＡｕＳｎ。
無機絶縁膜４１：ＳｉＯ２及び／又はＳｉＮ。
基板２１ｃの裏面に設けられる反射防止膜２１ｆ：ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＳｉＯ２。
【００４４】
再び図２を参照すると、半導体素子１５は、複数の読出回路４３と、複数の信号電極４５と、共通電極４７とを含む。読出回路４３は、半導体メサ３３のアレイに対応して配列される。信号電極４５は、読出回路４３それぞれに設けられる。共通電極４７は、配線４９により接続されて読出回路４３によって共有される。読出回路４３は、画素アレイからの電気信号を処理する素子接続を含み、具体的には、半導体メサ３３を含むフォトダイオードからの光電流を電圧信号に変換し、該電圧信号を増幅することができる。半導体素子１５は、例えばシリコン集積回路を作製する手法により作製される。
【００４５】
図４〜図９は、受光装置１１及び受光素子アレイ１３を作製する方法における主要な工程を示す図面である。図４の（ａ）部を参照すると、ｎ型ＧａＳｂ基板といった半導体基板５１の主面５１ａ上にフォトダイオードのための複数のエピタキシャル膜５３を成長する。この成長は、例えば有機金属気相成長法、分子線エピタキシー法により行われることができる。本実施例では、エピタキシャル膜５３は、第１導電型半導体膜５３ａ（例えばｎ型ＧａＳｂ膜）、光吸収層の超格子構造５３ｂ（例えば、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ）及び第２導電型半導体膜５３ｃ（例えばｐ型ＧａＳｂ膜）を含むことができる。必要な場合には、第１導電型半導体膜５３ａの成長を行うようにしてもよい。
【００４６】
図４の（ｂ）部に示されるように、エピタキシャル膜５３上に、半導体メサ、第１溝及び第２溝を規定するマスク５５を形成する。本実施例では、マスク５５は、画素領域において、半導体メサの平面形状を規定する第１パターン５５ａの配列を含み、また画素領域において、第１パターン５５ａの配列を規定する第１溝のためのストライプ状の第１開口５５ｂ及びストライプ状の第２開口５５ｃと、周辺領域を規定する第３開口５５ｄとを含む。マスク５５は、例えばＳｉＮといったシリコン系無機絶縁膜を備えることができる。マスク５５を用いて、エピタキシャル膜５３をエッチングして、半導体メサ５７のアレイ、第１溝５８ａのアレイ、及び第２溝５８ｂのアレイを含む半導体構造物５９を形成する。第１溝５８ａの配列方向は、第２溝５８ｂの配列方向に交差している。エッチングは、ドライエッチング及び／又はウエットエッチングの両方を用いることができる。半導体メサ５７、第１溝５８ａ及び第２溝５８ｂを形成した後に、マスク５５を除去する。マスク５５の除去により、半導体メサ５７の上面５７ａが現れる。
【００４７】
本実施例では、半導体メサ５７は、半導体基板５１の主面５１ａの法線方向（或いは、上面５７ａの法線方向）に対して傾斜した側面５７ｂを有する。このような傾斜した側面５７ｂは、例えば以下のようなエッチャント及びエッチング手順により提供される。傾斜した側面の形成のために、ドライエッチング及びウエットエッチングの両方を用いることができる。
ドライエッチングのエッチャント：ハロゲン系ガス（例えば、ＳｉＣｌ４、Ｃｌ２、ＢＣｌ４）、及び／または炭化水素（例えばメタン、等）と水素との混合ガス。
ウエットエッチングのエッチャント：ブロム系（ＨＢｒ：Ｈ２Ｏ：Ｈ２Ｏ２）、クエン酸系（クエン酸：リン酸：水）、リン酸系、等。
ドライエッチング、ウェットエッチング何れか、若しくはこの両方を用い、例えば、第２導電型半導体領域および光吸収層を含む深さ（２〜３μｍ程度）までエッチングを施す。
【００４８】
半導体メサ５７の側面５７ｂは傾斜している。主面５１ａに直交する基準面（例えば、図４の（ｂ）部の断面）は、半導体メサ５７の側面と交差する交差線ＲＥＦを含み、交差線ＲＥＦは法線軸Ｎｘ１と角度ＡＮＧを成す。半導体メサ５７の側面の中腹（例えば、光吸収層の側面）において、角度ＡＮＧは１０〜４５度の範囲にあることが良い。
【００４９】
図４の（ｃ）部に示されるように、半導体構造物５９の表面に無機絶縁膜６１を形成する、この形成は、例えば化学的気相成長（ＣＶＤ）法による堆積により行われる。無機絶縁膜６１は、シリコン酸化物、シリコン窒化物といったシリコン系無機絶縁膜を含むことができる。無機絶縁膜６１上に、コンタクト開口のためのマスク６３を形成する。マスク６３は、例えばレジストを含むことができる。マスク６３は、半導体メサ５７の上面に位置する第１開口６３ｃ、周辺領域に位置する第２開口６３ｄを有し、必要な場合には、マスク６３は、第１開口６３ｃ及び第２開口６３ｄから離間した第３開口６３ｅを有することができ、第３開口６３ｅは、第１溝５８ａ及び第２溝５８ｂの少なくともいずれかの溝の底面上に位置する。第３開口６３ｅは、例えば第１溝５８ａ又は第２溝５８ｂの底面に沿って画素領域にわたって延在することができる。本実施例では、第３開口６３ｅは、第１溝５８ａ及び第２溝５８ｂの二次元格子に合わせた形状を有する。しかしながら、第３開口６３ｅは、第１溝５８ａ及び／又は第２溝５８ｂの底面の一部分に離散的に設けられることができる。
【００５０】
図４の（ｄ）部に示されるように、マスク６３を用いて無機絶縁膜６１をエッチングして、第１開口６１ｃ及び第２開口６１ｄを無機絶縁膜６１に形成する。無機絶縁膜６１は、第１開口６１ｃ及び第２開口６１ｄを有し、また無機絶縁膜６１は第３開口６１ｅも有することができる。マスク６３の第１開口６３ｃ、第２開口６３ｄ及び第３開口６３ｅは、それぞれ、無機絶縁膜６１の第１開口６１ｃ、第２開口６１ｄ及び第３開口６１ｅに対応する。第１開口６１ｃ、第２開口６１ｄ及び第３開口６１ｅは、半導体構造物５９に到達する。第３開口６１ｅは、後の工程で形成される下地金属層が半導体構造物に接合を成すことを可能にして、この接合は下地金属層を半導体構造物にしっかりと固定する。このエッチングは、例えばドライエッチングを用い、このエッチングエッチャントは、例えばハロゲン系ガス（例えば、ＳｉＣｌ４、Ｃｌ２、ＢＣｌ４）、及び／または炭化水素（例えばメタン、等）と水素との混合ガスであることができる。第１開口６１ｃは、画素領域内の半導体メサ５７の上面５７ａに位置し、第２開口６１ｄは画素領域外の周辺領域に位置する。第３開口６１ｅは、画素領域内の第１溝５８ａ及び／又は第２溝５８ｂの底面に位置し、第１溝５８ａの底面に沿って延在するようにしてもよく、また第２溝５８ｂの底面に沿って延在するようにしてもよい。本実施例では、第３開口６１ｅは、第１溝５８ａ及び第２溝５８ｂの二次元格子に合わせた形状を有する。第１開口６１ｃ、第２開口６１ｄ及び第３開口６１ｅを形成した後に、マスク６３を除去する。
【００５１】
引き続き、第１電極、第２電極、下地金属層のための金属層を形成する。本実施例では、この金属層をリフトオフ法により形成する。
【００５２】
図５の（ａ）部に示されるように、第１電極、第２電極、下地金属層のための金属層の形状を規定するマスク６５を半導体構造物５９及び無機絶縁膜６１上に形成する。マスク６５は、第１開口６５ｃ、第２開口６５ｄ及び第３開口６５ｅを有する。第１開口６５ｃ、第２開口６５ｄ及び第３開口６５ｅは、それぞれ、無機絶縁膜６１の第１開口６１ｃ、第２開口６１ｄ及び第３開口６１ｅに位置合わせされている。無機絶縁膜６１の第１開口６１ｃ、第２開口６１ｄ及び第３開口６１ｅに現れる半導体表面（半導体構造物５９の表面）を、形成されるべき金属層で確実に覆うために、第１開口６５ｃ、第２開口６５ｄ及び第３開口６５ｅのサイズは、それぞれ、無機絶縁膜６１の第１開口６１ｃ、第２開口６１ｄ及び第３開口６１ｅのサイズより大きく為されており、第１開口６５ｃ、第２開口６５ｄ及び第３開口６５ｅには、第１開口６１ｃ、第２開口６１ｄ及び第３開口６１ｅの縁が現れている。具体的には、第３開口６５ｅの幅は、画素領域内の第１溝５８ａ及び第２溝５８ｂの底面の幅より広く、第３開口６５ｅの縁は、半導体メサ５７の上面５７ａ又は側面５７ｂ上に位置することが良い。このような第３開口６５ｅにより、第１溝５８ａ及び第２溝５８ｂの底面だけでなく、半導体メサ５７の側面５７ｂ上にも下地金属層が形成される。
【００５３】
図５の（ｂ）部に示されるように、マスク６５を形成した後に、金属層６７の堆積を行う。この堆積は、蒸着、スパッタリングといった物理的気相成長（ＰＶＤ）法により行われる。マスク６５、半導体構造物５９及び無機絶縁膜６１上に金属層６７（６７ａ、６７ｂ、６７ｃ）を形成する。マスク６５上には、残余金属６７ｄが堆積される。
【００５４】
図５の（ｃ）部に示されるように、この形成の後に、マスク６５を除去すると、残余金属６７ｄが消失して、第１電極６７ａ、第２電極６７ｂ、下地金属層６７ｃが形成される。第１電極６７ａは、第１開口６５ｃを塞ぐと共に、第１電極６７ａの縁は、半導体メサ５７の上面５７ａ上の無機絶縁膜６１上に位置する。第２電極６７ｂは、第２開口６５ｄを塞ぐと共に、第２電極６７ｂの縁は、無機絶縁膜６１上に位置する。下地金属層６７ｃは、第３開口６５ｅを塞ぐと共に、下地金属層６７ｃは半導体メサ５７の側面５７ｂ上を延在して、下地金属層６７ｃの縁は、半導体メサ５７の上面５７ａ上の無機絶縁膜６１上に位置する。
【００５５】
図５の（ｄ）部に示されるように、第１電極６７ａ、第２電極６７ｂ、下地金属層６７ｃを形成した後に、必要な場合には、半導体基板５１の裏面を研磨して、薄い半導体基板５１を含む第１生産物ＳＰ１を形成する。
【００５６】
第１生産物ＳＰ１上に金属バンプを形成する。
【００５７】
図６の（ａ）部に示されるように、第１金属バンプを形成するためのマスク６９を形成する。マスク６９は、例えば周辺領域２１ｂに第１開口６９ａを有しており。また画素領域２１ａにおいて第１溝５８ａ及び第２溝５８ｂの少なくともいずれか一方に第２開口６９ｂを有することができる。マスク６９は、例えばレジストを備えることができる。第２電極６７ｂ及び下地金属層６７ｃが、それぞれ、第１開口６９ａ及び第２開口６９ｂに現れる。
【００５８】
図６の（ｂ）部に示されるように、第１金属バンプのための金属膜７１を第１生産物ＳＰ１上に堆積する。金属膜７１は、第１開口６９ａ及び第２開口６９ｂにそれぞれ形成される第１バンプ電極部７１ａ及びバンプ金属７１ｂ、並びにマスク６９上に堆積される残余金属体７１ｃを含む。金属膜７１は、例えばＩｎ、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕ、ＰｂＳｎ、ＰｂＳｎＡｇ、等の半田材であることができる。金属膜７１は、例えば蒸着、スパッタリングといった物理蒸着法、又はメッキ法により堆積されることができる。
【００５９】
図６の（ｃ）部に示されるように、堆積の後に、マスク６９を除去すると、残余金属体７１ｃが除かれると共に、第１バンプ電極部７１ａ及びバンプ金属７１ｂが第１生産物ＳＰ１上に残される。第１バンプ電極部７１ａ及びバンプ金属７１ｂを搭載する第１生産物ＳＰ１を第２生産物ＳＰ２として参照する。
【００６０】
図７の（ａ）部に示されるように、第２金属バンプを形成するためのマスク７３を第２生産物ＳＰ２上に形成する。マスク７３は、例えば周辺領域２１ｂに第１開口７３ａと、画素領域２１ａにおいて半導体メサ５７の上面上に第２開口７３ｂとを有する。マスク７３は、例えばレジストを備えることができる。第１バンプ電極部７１ａ及び第１電極６７ａが、それぞれ、第１開口７３ａ及び第２開口７３ｂに現れる。
【００６１】
図７の（ｂ）部に示されるように、第２金属バンプのための金属膜７５を第２生産物ＳＰ２上に堆積する。金属膜７５は、第１開口７３ａ及び第２開口７３ｂにそれぞれ形成される第２バンプ電極部７５ａ及び第１バンプ電極７５ｂ、並びにマスク７３上に堆積される残余金属体７５ｃを含む。金属膜７５は、例えばＩｎ、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕ、ＰｂＳｎ、ＰｂＳｎＡｇ、等の半田材であることができる。金属膜７５は、例えば蒸着、スパッタリングといった物理蒸着法、或いはメッキ法により堆積されることができる。
【００６２】
図７の（ｃ）部に示されるように、堆積の後に、マスク７３を除去すると、残余金属体７５ｃが除かれると共に、第２バンプ電極部７５ａ及び第１バンプ電極７５ｂが第１生産物ＳＰ１上に残される。縦積みの第１バンプ電極部７１ａ及び第２バンプ電極部７５ａは、第２バンプ電極７５ｄを構成する。第２バンプ電極部７５ａ及び第１バンプ電極７５ｂを搭載する第２生産物ＳＰ２を第３生産物ＳＰ３として参照する。
【００６３】
上記の工程により、受光素子アレイ１３を作製する方法における主要な工程が示された。図８の（ａ）部は、図７の（ｃ）部に示された第３生産物のＳＰ３を示す平面図である。図８の（ｂ）部は、図８の（ａ）部に示されたＶＩＩＩｂ−ＶＩＩＩｂ線に沿ってとられた断面を示す。図８の（ｃ）部は、図８の（ａ）部に示されたＶＩＩＩｃ−ＶＩＩＩｃ線に沿ってとられた断面を示す。図８の（ａ）部を参照すると、素子の境界ＳＥＣＴが破線で示されている。第３生産物のＳＰ３を分離して、受光素子アレイ１３の半導体チップを形成する。
【００６４】
読出のための半導体素子１５及び受光素子アレイ１３を用いて受光装置１１を作製する。受光素子アレイ１３及び半導体素子１５を準備する。本実施例では、受光素子アレイ１３の作製によって、受光素子アレイ１３が準備された。
【００６５】
図９の（ａ）部に示されるように、半導体素子１５及び受光素子アレイ１３を準備すると共に、半導体素子１５及び受光素子アレイ１３を互いに位置合わせして、半導体素子１５及び受光素子アレイ１３を接触させ、加重印加により仮圧着固定する。この際、半導体素子１５及び受光素子アレイ１３の温度は常温、または必要な場合は金属膜７１および金属膜７５の融点を超えない範囲で加熱してもよい。半導体素子１５及び受光素子アレイ１３の位置合わせは、第１バンプ電極７５ｂ及び第２バンプ電極７５ｄが半導体素子１５におけるそれぞれの電極に接触を成すように行われる。バンプ金属７１ｂの高さは、第２バンプ電極７５ｄより低く、半導体メサ５７の上面上に第１バンプ電極７５ｂより低い。バンプ金属７１ｂは、受光素子アレイ１３の第１バンプ電極７５ｂ及び第２バンプ電極７５ｄ、並びに半導体素子１５の電極に接触しない。必要な場合には、半導体素子１５の電極上にバンプ電極を予め形成するようにしてもよい。
【００６６】
図９の（ｂ）部に示されるように、位置合わせした半導体素子１５及び受光素子アレイ１３を接触したまま、これらを熱処理する。本接合のための熱処理はリフローにより行われる。リフロー工程では金属膜７１及び金属膜７５の融点を超える熱処理を行う。熱処理により、半導体素子１５と受光素子アレイ１３との間で金属がしっかりと接合されると共に、第１バンプ電極７５ｂ、第２バンプ電極７５ｄ及びバンプ金属７１ｂが、半導体素子１５及び受光素子アレイ１３の貼り合わせに対応した形状になる。
【００６７】
図９の（ｃ）部に示されるように、接合された半導体素子１５及び受光素子アレイ１３の間に樹脂を注入すると共に、注入された樹脂並びに接合された半導体素子１５及び受光素子アレイ１３に樹脂の硬化のための熱処理を施して、樹脂の硬化によりアンダーフィル１７を形成する。樹脂は、例えばエポキシ系樹脂を含む。
【００６８】
受光装置１１は、受光素子アレイ１３の裏面に受けた光の二次元イメージのための電気信号を生成できる。受光素子アレイ１３は、赤外線波長の光に感応する。室温より低い温度、例えば窒素温度（窒素の沸点）以下の温度において受光装置１１を動作させて、ノイズを減らす。低温の使用の故に、受光装置１１は、使用のための温度に冷やされて、使用後に室温の環境に戻される。このような温度変化に応じて、受光素子アレイ１３、半導体素子１５、及びアンダーフィル１７は、それぞれの熱膨膨張係数に従って熱応力を生成する。受光素子アレイ１３、半導体素子１５、及びアンダーフィル１７のうち樹脂製のアンダーフィル１７が、大きな熱膨膨張係数を有する。受光素子アレイ１３の画素領域にバンプ金属７１ｂが設けられる。具体的には、バンプ金属７１ｂは、第１溝５８ａ及び第２溝５８ｂの少なくともいずれか一方における一部又は全部に設けられて、当該溝を埋める。バンプ金属７１ｂが設けられた画素領域では、アンダーフィル１７の厚さが薄くなる。また、画素領域におけるバンプ金属７１ｂは、厚いアンダーフィル１７が長く延在することを妨げる。
【００６９】
図１０は、実施形態に係る受光素子アレイを示す平面図である。受光装置１１における受光素子アレイ１３のおもて面を示す。金属体３１の配置は、これまでの説明における受光素子アレイにおける形状に限定されることはない。図１０を参照すると、無機絶縁膜４１の第３開口４１ｅは、二次元配列を成すように配置された半導体メサ３３を規定する行溝及び列溝の底面に設けられ、二次元格子の形状を有する。金属体３１の下地金属層３１ａが第３開口４１ｅを覆うように設けられる。具体的には、実施例に係る受光素子アレイは、以下のような構造を有することができる。
【００７０】
無機絶縁膜４１の第３開口４１ｅは、半導体メサ３３の列の方向に延在するように溝（Ｃ１，Ｃ２、Ｃ３）の底面に設けられる。金属体３１のバンプ金属３１ｂは、半導体メサ３３の列の方向に延在する溝（例えば、溝Ｃ１）に沿って設けられることができる。
【００７１】
無機絶縁膜４１の第３開口４１ｅは、半導体メサ３３の行の方向に延在するように溝（Ｒ１，Ｒ２、Ｒ３）の底面に設けられる。金属体３１のバンプ金属３１ｂは、半導体メサ３３の行の方向に延在する溝（例えば、溝Ｒ４）に沿って設けられることができる。
【００７２】
金属体３１のバンプ金属３１ｂは、半導体メサ３３の行の方向に延在する溝（例えば、溝Ｒ１）と半導体メサ３３の列の方向に延在する溝（例えば、溝Ｃ２）との交差点に設けられることができる。
【００７３】
金属体３１のバンプ金属３１ｂは、隣合う半導体メサ３３の間における溝（Ｒ２）に設けられることができる。また、金属体３１のバンプ金属３１ｂは、隣合う半導体メサ３３の間における溝（Ｃ２）に設けられることができる。隣合う半導体メサ３３の間における溝を部分的に埋める金属体３１は、厚いアンダーフィル１７の長さを短くできる。
【００７４】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
以上説明したように、本実施形態によれば、半導体素子に比べて大きな熱膨張係数を有するアンダーフィルの熱膨張に起因する影響を低減できる受光素子アレイが提供される。また、本実施形態によれば、この受光素子アレイを含む受光装置が提供される。
【符号の説明】
【００７６】
１１…受光装置、１３…受光素子アレイ、１５…半導体素子、１７…アンダーフィル、２１…半導体構造物、２１ａ…画素領域、２１ｂ…周辺領域、２３…第１電極、２５…第１バンプ電極、２７…第２電極、２９…第２バンプ電極、３１…金属体、３３…半導体メサ、３７…第１溝、３９…第２溝。
【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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