(57)【要約】  トレンチ分離した背面照射式薄型フォトダイオード・アレイを提供する。基板の片側又は両側にトレンチが形成され、トレンチは両面をドープされた後に埋められて、隣接するフォトダイオード間に電気的分離を提供する。フォトダイオード・アレイの様々な実施形態及びこのようなアレイを形成する方法を開示する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の面を有する基板と、
前記基板の第１の面から形成されたフォトダイオードのアレイと、
個々のフォトダイオードを取り囲む相互接続マトリックスを形成する前記基板内のトレンチと、
を含み、
前記トレンチの壁が前記基板よりも高い導電率を有し、
前記トレンチが埋められ、
これにより、前記トレンチが隣接するフォトダイオード間に電気的分離を提供する、
ことを特徴とする背面照射式フォトダイオード・アレイ。
【請求項２】
前記トレンチが、前記基板の前記第１の面から延びる、
ことを特徴とする請求項１に記載の背面照射式フォトダイオード・アレイ。
【請求項３】
前記トレンチの前記壁と同じ導電型の、及び前記基板の前記第２の面から延びる前記基板よりも高い導電率のマトリックス状の領域をさらに含み、前記トレンチの前記壁と同じ導電型の前記マトリックス状の領域もまた個々のフォトダイオードを取り囲むとともに、個々のフォトダイオードを取り囲む前記相互接続マトリックスと位置合わせされる、
ことを特徴とする請求項２に記載の背面照射式フォトダイオード・アレイ。
【請求項４】
前記トレンチが、前記基板の前記第２の面から延びる、
ことを特徴とする請求項１に記載の背面照射式フォトダイオード・アレイ。
【請求項５】
前記トレンチの前記壁と同じ導電型の、及び前記基板の前記第１の面から延びる前記基板よりも高い導電率のマトリックス状の領域をさらに含み、前記トレンチの前記壁と同じ導電型の前記マトリックス状の領域もまた個々のフォトダイオードを取り囲むとともに、個々のフォトダイオードを取り囲む前記相互接続マトリックスと位置合わせされる、
ことを特徴とする請求項２に記載の背面照射式フォトダイオード・アレイ。
【請求項６】
前記トレンチが、前記基板の前記第１及び第２の面から延びる、
ことを特徴とする請求項１に記載の背面照射式フォトダイオード・アレイ。
【請求項７】
前記フォトダイオードが、前記第２の導電型の拡散部により前記第１の面から形成される、
ことを特徴とする請求項６に記載の背面照射式フォトダイオード・アレイ。
【請求項８】
前記第２の導電型の前記拡散部が、マトリックス状のフォトダイオードトレンチの底部に存在する、
ことを特徴とする請求項７に記載の背面照射式フォトダイオード・アレイ。
【請求項９】
個々のフォトダイオードトレンチの少なくとも１つの壁が、マトリックス状のフォトダイオードトレンチの底部に存在する前記第２の導電型の前記拡散部から前記基板の前記第１の面へ延びる前記基板よりも導電率が高い領域を有する、
ことを特徴とする請求項８に記載の背面照射式フォトダイオード・アレイ。
【請求項１０】
前記トレンチの前記壁が前記基板と同じ導電型を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の背面照射式フォトダイオード・アレイ。
【請求項１１】
前記基板の前記第２の面に全体的拡散部をさらに含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の背面照射式フォトダイオード・アレイ。
【請求項１２】
前記全体的拡散部上に反射防止膜をさらに含む、
ことを特徴とする請求項１１に記載の背面照射式フォトダイオード・アレイ。
【請求項１３】
前記基板が約３００μｍ以下の厚みを有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の背面照射式フォトダイオード・アレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄型ウエハ上に製造される背面照射式ピン・フォトダイオード・アレイの構造及びその製造方法に関する。
<<関連出願との相互参照>>
本出願は、２００７年８月１０日に出願された米国仮特許出願第６０／９６４，３３１号の利益を主張するものである。
【背景技術】
【０００２】
本明細書に記載する構造は、米国特許第６，７６２，４７３号及び米国特許第７，１１２，４６５号、並びにその他の発明者からの数多くの特許に以前に記載された従来の構造の代替形態と考えることができる。例えば、米国特許第６，９３３，４８９号、米国特許第６，７０７，０４６号、米国特許第６，９３３，４８９号、米国特許第６，４２６，９９１号及び米国特許第６，７０７，０４６号を参照されたい。
【０００３】
撮像用途のためのピン・フォトダイオード・アレイは、互いに分離された複数のピクセルを様々な異なる方法の１つで組み合わせた２Ｄアレイである。表側のピクセル間に分離拡散部を有する２Ｄバックリット・ピン・フォトダイオード・アレイの典型的なダイ・レイアウト（正面図）を図１に示す。
【０００４】
従来のバックリット・アレイでは、通常アレイの裏面には分離構造は作られない。このような従来のバックリット・ピン・フォトダイオード・アレイの垂直構造の例を図２に示す。基板１は第１の導電型である。能動ピクセル拡散部１００は、第２の導電型のものである（極性は基板のものと異なる）。拡散部１００は、ダイオード（ｐ−ｏｎ−ｎ極性又はｎ−ｏｎ−ｐ極性のいずれか）の基板内にｐ−ｎ接合部を形成する。ピクセル間の拡散部１０１は、基板と同じ導電型（第１の導電型）のものである。通常、拡散部１００及び１０１は浅い。浅い全体的拡散部５は、第１の導電型のものである。酸化物層１１は、熱酸化物又はその他の保護層である。アノードパッド２０及びカソードパッド２１が構造を完成させる。
【０００５】
図３は、ウエハの両側から分離拡散部を施したバックリット・ピン・フォトダイオード・アレイの構造例を示す図である（米国特許第６，７６２，４７３号及び米国特許第７，１１２，４６５号も参照）。図３に示す構造に加え、追加の特徴である背面からの分離拡散部１０２が施される。拡散部１０２は第１の導電型のものであり、表側の拡散部１０１及びその他の構造的特徴と位置合わせされる。拡散部１０１及び１０２は、ウエハのバルク内で接触する場合もあれば、或いは接触しない場合もある。拡散部１００は浅くしてもよく、或いは拡散部１０１と同じように深くしてもよい。
【０００６】
図３に示す構造は、リーク電流、アレイの能動ピクセル間のクロストーク、応答時間、及びその他のような優れた性能パラメータを特徴とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６，７６２，４７３号
【特許文献２】米国特許第７，１１２，４６５号
【特許文献３】米国特許第６，９３３，４８９号
【特許文献４】米国特許第６，７０７，０４６号
【特許文献５】米国特許第６，９３３，４８９号
【特許文献６】米国特許第６，４２６，９９１号
【特許文献７】米国特許第６，７０７，０４６号
【発明の概要】
【０００８】
本発明の目的として、
１）全ての要素が優れた性能を有する複数の要素、裏面照射型ピン・フォトダイオード・アレイを提供すること、
２）極薄ウエハ上における裏面照射型フォトダイオード・アレイの製作方法を提供すること、
が挙げられる。
【０００９】
従って、優れた性能特性を有し、ＣＴスキャナ用途などの用途に役立つ２Ｄピン・フォトダイオード・アレイの構造を提供することが本発明の目的である。
【００１０】
別の目的は、薄型ウエハ上にＳｉデバイスを製作する方法を提供することであり、この方法は、フリップチップ、多素子による２次元ピン・フォトダイオード・アレイの製作に適することができる。
【００１１】
本発明のこれらの及びその他の目的は、以下の開示から明らかになるであろう。この開示では、アレイ構造の第１の好ましい実施形態について説明し、その後アレイを製作する好ましい方法について説明する。
【００１２】
本発明の本旨は添付の図面により説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】基板の第１の面上に分離拡散部を施した従来の（従来技術の）ピン・フォトダイオード・アレイを第１の面（表側）から見た図である。
【図２】典型的なバックリット・ピン・フォトダイオード・アレイ（従来技術）の断面図である。
【図３】基板の両面から分離拡散部を施した従来技術のバックリット・ピン・フォトダイオード・アレイの例である。
【図４】本発明による表側トレンチ及び裏側分離拡散部を有する例示的な構造の断面図である。
【図５ａ】図４に示す構造の例示的な製作手順を示す図である。
【図５ｂ】図４に示す構造の例示的な製作手順を示す図である。
【図５ｃ】図４に示す構造の例示的な製作手順を示す図である。
【図６】基板の両面からトレンチを形成した代替構造の断面図である。
【図７】基板の第１の面上にトレンチを有し、基板の第２の面上に分離拡散部を有さない本発明の実施形態による構造の断面図である。
【図８】基板の第２の面上に分離トレンチを、及び基板の第１の面上に分離拡散部（トレンチ無し）を有する例示的な構造の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態は、図４〜図８に示され、これらを参照して説明される。
【００１５】
図４は、本発明による第１の構造例を示す図である。
【００１６】
図５ａ〜図５ｃは、図４の構造の段階及び例示的な製作方法を示す図である。
【００１７】
図４の構造は、表側（第１の面）に（電気的）分離トレンチ１０を含むとともに、基板１の裏側（第２の面）から作成された分離拡散部４を含む。図４に示す構造のピン・フォトダイオード・アレイは、第１の導電型の半導体基板１を使用して作成される。図４の構造の製作方法の基本段階を図５ａ〜図５ｃにより本明細書に開示する。
【００１８】
図５ａに示すように、基板の第１の面におけるアレイのピクセル（能動素子）間に（領域１０を定める）深いトレンチを作成する。トレンチは、アレイの個々のピクセルを封入する（取り囲む）マトリックスを形成する。トレンチは、乾式エッチング、湿式エッチング、又は当業で公知のその他の技術を使用して、好ましくは実質的に方向性エッチングにより作成することができる。例えば、トレンチは、基板の第１の面から基板のバルク内へ数ミクロンから１００μｍ以上に及ぶ深さに広がることができる。トレンチの最大深さは、アレイの目標厚及びウエハの機械的完全性の要件に依存する。次に、トレンチの壁及び底部を、基板の濃度よりも高い濃度の（基板と同じ）第１の導電型のドーパント２でドープする。その後、トレンチを、図５ａに示すような酸化ケイ素、ポリ、又はその他の分離材料１０で埋め戻す。化学機械研磨（ＣＭＰ）を施して表面平面性を向上させることができる。基板の濃度よりも高い濃度の第２の導電型の拡散部３を、個々のピクセルの中央に施す。この拡散部は、半導体基板とのｐ／ｎ接合部を作り出す。拡散部３の形状及びサイズは様々であってもよく、また能動ピクセルのサイズ及び隣接ピクセル間の間隙などの必要性能パラメータに依存してもよい。図５ａに示す層１１は、熱酸化物又はその他の保護材料である。
【００１９】
次の段階を図５ｂに示しており、ここではウエハが、裏側（基板の第２の面）から約３００μｍ以下、及び好ましくは２００μｍ未満の厚さまで粗研磨される。この後に研磨及びＣＭＰを行うことができる。ウエハの薄化前に、基板の第１の面への一次的なウエハ結合が必要になる場合がある。研磨後、基板の濃度よりも高い濃度の第１の導電型の拡散部４を基板の第２の面から作成する。次に、図５ｃに示すように、深部熱駆動を施して拡散部２及び４を互いに近づけるとともに、拡散部３を基板の第２の面に近づける。ｐ／ｎ接合部（拡散部３の底縁）と基板の第２の面との間の距離は、約２００μｍ以下であることが好ましい。拡散部２及び４は接触してもよいが、これは本発明の要件ではない。一例として、拡散部２と４の間の間隔は、数ミクロンほどの狭さ及び数十ミクロンほどの広さであってもよい。これらの２つの拡散部間の最終間隔は、必要なアレイの性能パラメータ（クロストークなど）に依存する。この工程段階中に反射防止膜酸化物層１２を作成することができる。
【００２０】
アレイ製作の最終的な例示段階の結果を図４に示す。基板と同じ導電型の浅い全体的拡散部５を基板の第２の面上に作成する。この全体的拡散部は、イオン注入により酸化物層１２を貫いて作成することができ、或いは酸化物皮膜が作成される前に別様に形成することができる。拡散部２及び３の表面強化が必要となる場合があり、この段階は当業で周知である。その後、基板の第１の表面上で接点を開き、金属を堆積させパターン形成してコンタクト・パッド２０及び２１を形成する。最終的な構造では、パッド２０が拡散部３に対する良好な電気接触を有し、パッド２１が拡散部２に対する良好な電気接触を有する。
【００２１】
図６は、トレンチ分離したバックリット・ピン・フォトダイオード・アレイの別の代替構造を示す図である。この形態では、追加のトレンチが形成され、トレンチ内部、好ましくは図示のようにこれらの底部に第２の導電型の拡散部３が作成される。トレンチの壁に施された第２の導電型の高濃度拡散部、又はドープされた（同じ導電型の）ポリのいずれかで、或いは当業で公知の別の方法により、拡散部３を基板の第１の面と接続する高導電パス６（基板よりも導電率が高い）を個々のこのようなトレンチ内に作成する。その後、これらのトレンチも分離材料１５で埋め戻す。トレンチ１５の深さ及びｐ／ｎ接合部（拡散部３の底縁）の深さは、ｐ／ｎ接合部の底縁を基板１の第２の面から約２００μｍ以下の範囲内に収めるのに必要なだけの深さにする。
【００２２】
図６の構造はまた、基板の第２の面（裏側）から作成されたトレンチも有する。これらのトレンチは、基板の第１の面上のトレンチと位置合わせされる。基板の第２の面上のトレンチ内部には、基板の濃度よりも高い濃度を有する第１の導電型の拡散部７が作成される。その後、これらのトレンチを、基板の第１の面のトレンチを埋め戻すのに使用した材料１０と同じものであってもよい分離材料１６で埋め戻す。拡散部２と７の間の隙間を最小にし（又はこれらを接触させ）、領域３と１の間のｐ／ｎ接合部を基板の第２の面から約２００μｍよりも近づけるという目的で最終的な駆動が行われる。全ての駆動の完了時に、基板の第２の面上の全体的な浅い拡散部５が施され、これは図４に示す構造の場合と同様である。金属パッド２０及び２１が構造を完成させる。この構造にはウエハの薄化を必要としなくてもよいことに留意されたい。
【００２３】
図７は、トレンチを分離したアレイのさらに他の実施形態を示す図である。図７の構造は、図４に示す構造に類似しているが、基板の第２の面からは分離拡散部が施されない。その代わり、裏面からのウエハの薄化により、基板の第１の面上のトレンチ底部に施された分離拡散部が遮られる。図７の構造は、基板の第２の面上のブランケット・ドーピング堆積物５及び任意の反射防止（ＡＲ）膜で完成する。
【００２４】
図８は、トレンチを分離したアレイのさらに別の形態を示す図である。図８の構造は、図６に示す構造に類似しているが、基板の第１の面上にはトレンチが作成されない。その代わり、基板の第１の面からの分離拡散部２が、基板の第２の面上のトレンチ内部に施された拡散部７のできるだけ近くに駆動される。分離拡散部２は、アレイの個々の能動ピクセルを封入する（取り囲む）。また一方、これらの２つの拡散部（拡散部２及び７）は接触してもよいが、必ずしも接触するわけではない。全ての拡散部（２、３、及び７）を同時に駆動して、基板の第１の面上の分離拡散部２及び基板の第２の面上の拡散部７に同じ深さを提供することができる。一例として、ウエハの厚さは、約１０μｍから最大約３００μｍにすることができる。図８におけるｐ／ｎ接合部の深さ（拡散部３の基板の第１の面からの深さ）は、３００μｍ厚の基板では３００μｍ未満であり、分離拡散部２の深さに近づけることができる（これは、図４〜図７に示す他の代替構造に対しても有効とすることができる）。ｐ／ｎ接合部の深さは、数十ミクロンほどの深さにすることができる。或いは、拡散部３を非常に浅く（２、３ミクロンから数ミクロンの深さに）することができ、分離拡散部２の深さよりも著しく浅くすることができる。
【００２５】
他の全ての構造の形態と同様に、全ての駆動の完了後に全体的な浅い拡散部５が基板の第２の面に施される。
【００２６】
本開示全体を通じて実施形態及び目的のためにｎ型又はｐ型のいずれの基板も使用できる点に留意されたい。
【００２７】
本発明は、優れた性能パラメータを有するピン・フォトダイオード・アレイの構築を可能にする代替構造及びこれらの準備方法を提供するものである。
【００２８】
本明細書では、本発明の特定の好ましい実施形態を限定目的ではなく例示目的で開示し説明したが、当業者であれば、本発明の思想及び範囲から逸脱することなく形状及び詳細の様々な変更を行うことができることを理解するであろう。
【符号の説明】
【００２９】
１  基板；  ２、３，４  拡散部；  ５  全体的拡散部；  １０  分離トレンチ；  
１１  層；  １２  酸化物層；  ２０、２１  コンタクト・パッド。
【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５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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