(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型半導体基板の一面側に第２導電型半導体層を複数有し、前記半導体基板と前記第２導電型半導体層によりホトダイオードが形成され、前記半導体基板の他面側から被検出光を入射させるホトダイオードアレイにおいて、
前記半導体基板の他面側に形成されており、前記半導体基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層と、
前記半導体基板の前記一面側に設けられており、前記半導体基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のチャンネルストッパ層と、
前記各ホトダイオードの周囲を概略囲むように前記半導体基板の前記一面側に設けられており、前記チャンネルストッパ層よりも前記他面側に延びるトレンチ部とを備え、
前記各ホトダイオードの周囲の少なくとも一個所には、前記トレンチ部が存在しないトレンチ非存在部が形成されており、これら各トレンチ非存在部を介して、前記チャンネルストッパ層の互いに隣り合うホトダイオードに対応する部位同士が連続していることを特徴とするホトダイオードアレイ。
【請求項２】
前記トレンチ非存在部は、前記各ホトダイオードの互いに対向し合う２つの縁部に対して各１箇所ずつ設けられていることを特徴とする請求項１に記載のホトダイオードアレイ。
【請求項３】
前記トレンチ非存在部は、前記各ホトダイオードに対して、それぞれ一箇所ずつ設けられていることを特徴とする請求項１に記載のホトダイオードアレイ。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載のホトダイオードアレイを複数備えた固体撮像装置であって、前記各ホトダイオードアレイが共通基板上に複数配設されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
請求項１〜３の何れか一項に記載のホトダイオードアレイを備えた放射線検出器であって、
前記ホトダイオードアレイを固定する基板を有し、前記各ホトダイオードは、アノードを介して前記基板の所定の配線にバンプ接続され、前記各チャンネルストッパ層は、カソードを介して前記基板の所定の配線にバンプ接続され、前記ホトダイオードアレイの前記他面側には、シンチレータが取り付けられていることを特徴とする放射線検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホトダイオードアレイと、これを備えた固体撮像装置および放射線検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホトダイオードを共通基板上に複数配設することにより、固体撮像装置を構成できる。また、ホトダイオードアレイは、Ｘ線断層撮影装置（以下「ＣＴ装置」という）の放射線検出器としても利用可能である。ここで、ＣＴ装置用の放射線検出器としてホトダイオードアレイを利用する場合、良好な検出結果を得るためにホトダイオードアレイの光入射面にシンチレータを装着するのが一般的である。このように、ホトダイオードアレイの光入射面にシンチレータを装着するに際しては、空間分解能（解像度）や組立効率を高める上で、ホトダイオードアレイの光入射面側をできるだけ平坦にすることが求められる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ホトダイオードアレイの光入射面側を平坦にする手法としては、通常ホトダイオードは表面側に電極や配線が設けられているので、裏面を光入射面とするように構成することがある。
【０００４】
しかしながら、光入射面側から電極や配線を排した、いわゆる裏面入射型のホトダイオードアレイでは、ｎ−型基板の厚さの分だけ、キャリアが移動することになる。また、この場合、バイアスを加えた際、空乏層が垂直方向に広がり難くなってしまうことから、ホトダイオード間においてクロストークが発生しやすくなってしまう。従って、ｎ＋型チャンネルストッパ層を介して、ｎ−型基板に対して電圧を加える上では、なにより、クロストークの発生をできる限り抑制することが重要となる。
【０００５】
そこで、本発明は、電極や配線を一方の面側に集めてもクロストークの発生を良好に抑制することができるホトダイオードアレイ、高い撮像精度を有する固体撮像装置、及び、高い解像度を得ることができる放射線検出器の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によるホトダイオードアレイは、第１導電型半導体基板の一面側に第２導電型半導体層を複数有し、半導体基板と第２導電型半導体層によりホトダイオードが形成され、半導体基板の他面側から被検出光を入射させるホトダイオードアレイにおいて、半導体基板の他面側に形成されており、半導体基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層と、半導体基板の一面側に設けられており、半導体基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のチャンネルストッパ層と、各ホトダイオードの周囲を概略囲むように半導体基板の一面側に設けられており、チャンネルストッパ層よりも他面側に延びるトレンチ部とを備え、各ホトダイオードの周囲の少なくとも一個所には、トレンチ部が存在しないトレンチ非存在部が形成されており、これら各トレンチ非存在部を介して、チャンネルストッパ層の互いに隣り合うホトダイオードに対応する部位同士が連続していることを特徴とする。
【０００７】
このホトダイオードアレイは、光入射面側から電極や配線を排した、いわゆる裏面入射型のホトダイオードアレイであり、第１導電型（ｎ−型）半導体基板を有する。半導体基板の一面側（表面側）には、第２導電型（ｐ型）半導体層（不純物拡散層）が複数配設されている。また、半導体基板の一面側には、半導体基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型（ｎ＋型）のチャンネルストッパ層と、チャンネルストッパ層よりも他面側に延びており、各ホトダイオードの周囲を概略囲むトレンチ部とが設けられている。半導体基板に対しては、カソードから、ｎ＋型チャンネルストッパ層を介して、電圧が加えられる。
【０００８】
ここで、トレンチ部は、各ホトダイオードの周囲のほぼ全体を囲んでいるが、各ホトダイオードの周囲を完全には囲んでいない。すなわち、各ホトダイオードの周囲の少なくとも一個所には、トレンチ部が存在しないトレンチ非存在部が形成されている。そして、これら各トレンチ非存在部を介して、チャンネルストッパ層の互いに隣り合うホトダイオードに対応する部位同士が（電気的に）連続している。これにより、このホトダイオードアレイでは、各ホトダイオードごとに電極を設ける必要がなくなり、電極（カソード）の個数を低減可能となる。従って、カソード用の配線を半導体基板上で引き回す必要がなくなるので、開口率を高めることが可能となると共に、組立効率を向上させることができる。
【０００９】
また、このホトダイオードアレイでは、各チャンネルストッパ層よりも他面側に延びており、各ホトダイオードの周囲を概略囲むトレンチ部によって、半導体基板の他面側（裏面側）から入射した光によって発生したキャリアの互いに隣り合うホトダイオード間における移動が規制される。従って、このホトダイオードアレイでは、電極や配線を一面側に集めても、クロストークの発生を良好に抑制することが可能となる。
【００１０】
この場合、トレンチ非存在部は、各ホトダイオードの互いに対向し合う２つの縁部に対して各１箇所ずつ設けられていると好ましい。
【００１１】
また、トレンチ非存在部は、各ホトダイオードに対して、それぞれ一箇所ずつ設けられていてもよい。
【００１２】
そして、上述したような各ホトダイオードを共通基板上に複数配設することにより、高い撮像精度を有する固体撮像装置の実現が容易に可能となる。
【００１３】
更に、上述したような各ホトダイオードを固定する基板を用意し、各第２導電型半導体層を、アノードを介して基板の所定の配線にバンプ接続すると共に、各チャンネルストッパ層を、カソードを介して基板の所定の配線にバンプ接続し、ホトダイオードアレイの他面側に、シンチレータを取り付ければ、高い解像度を得ることができる放射線検出器の実現が容易に可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明によるホトダイオードアレイ、固体撮像装置、及び、放射線検出器の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明によるホトダイオードアレイの第１実施形態を示す断面図である。図２は、図１のホトダイオードアレイを光入射側から見た平面図であり、電極及び表面絶縁膜は省略してある。これらの図面に示すホトダイオードアレイ１は、光入射面側から電極や配線を排した、いわゆる裏面入射型のホトダイオードアレイであり、ｎ−型（第１導電型）Ｓｉ等からなる半導体基板２を有する。半導体基板２は、例えば、１．０×１０12／ｃｍ3程度の不純物濃度を有し、その厚さは、例えば、約２７０μｍとされる。半導体基板２の一面側、すなわち、半導体基板２の表面２ｓには、ｐ型（第２導電型）Ｓｉ等からなる第２導電型半導体層（ｐ型不純物拡散層）３がマトリックス状に複数（本実施形態では２×２＝４個）配設されることで、ホトダイオードアレイが構成される。各第２導電型半導体層３は、１．０×１０19／ｃｍ3程度の不純物濃度を有し、表面２ｓからの深さ（厚さ）は、例えば、約０．５μｍとされる。
【００１６】
また、半導体基板２の表面２ｓ側（一面側）には、各第２導電型半導体層３それぞれの近傍に位置するように、半導体基板２よりも高い不純物濃度を有するｎ＋型（第１導電型）Ｓｉ等からなるチャンネルストッパ層４が設けられている。図２に示すように、本実施形態では、チャンネルストッパ層４は、各第２導電型半導体層３の周囲を取り囲むように、格子状に形成されている。チャンネルストッパ層４は、１．０×１０18／ｃｍ3程度の不純物濃度を有し、表面２ｓからの深さ（厚さ）は、例えば、約１．５μｍとされる。
【００１７】
更に、半導体基板２の表面２ｓには、絶縁層５が積層され、ポリシリコン、Ａｕ、Ａｌ等からなるパターン配線が施されている。そして、各第２導電型半導体層３は、パターン配線のうち、アノードとなる電極Ｅａと接続され、各チャンネルストッパ層４は、パターン配線のうち、カソードとなる電極Ｅｃ（図２参照）と接続される。これにより、半導体基板２に対しては、図示しない電極パッドおよび電極Ｅｃから、ｎ＋型のチャンネルストッパ層４を介して電圧が加えられることになる。なお、絶縁層５を形成する素材としては、ＳｉＯ2やＳｉＮxを用いることができる。
【００１８】
一方、光入射面となる半導体基板２の裏面２ｕには、半導体基板２内で発生するキャリアが裏面２ｕで再結合することを防止するためのアキュムレーション層６が形成されている。アキュムレーション層６は、ｎ型Ｓｉ等からなり、例えば、５．０×１０18／ｃｍ3程度の不純物濃度を有する。また、アキュムレーション層６の厚さは、例えば、約０．２μｍとされる。アキュムレーション層６上には、更に、保護層７が積層され、保護層７上には、ＰＤ接合領域に対応する開口部８ａを複数備えた遮光膜８が積層されている。これにより、ＰＤ間におけるクロストークを改善することができる。遮光膜８を形成する素材としては、例えば、ホトレジスト内に、黒色の染料や絶縁処理したカーボンブラック等の顔料を混入させた黒色ホトレジストや、遮光性金属等を用いることができる。
【００１９】
上述したように、ホトダイオードアレイ１は、いわゆる裏面入射型として構成されるが、この場合、何ら対策を施さなければ、ホトダイオード間においてクロストークが発生しやすくなってしまう。この点に鑑みて、ホトダイオードアレイ１の半導体基板２の表面２ｓ側（一面側）には、図１および図２に示すように、トレンチ部１０が形成されている。
【００２０】
トレンチ部１０は、図１および図２に示すように、格子状に形成されたチャンネルストッパ層４の中央部を貫通するように形成された格子状の溝（凹部）１１、溝１１の表面に積層された絶縁層１２、および、溝１１内に埋設された絶縁体１４とからなる。そして、図１に示すように、トレンチ部１０は、チャンネルストッパ層４よりも裏面２ｕ側に延びている。つまり、トレンチ部１０の表面２ｓからの深さは、各チャンネルストッパ層４の表面２ｓからの深さよりも大きい。
【００２１】
なお、絶縁層１２を形成する素材としては、ＳｉＯ2やＳｉＮxを用いることができる。また、絶縁体１４としては、遮光膜８と同様に、例えば、ホトレジスト内に、黒色の染料や絶縁処理したカーボンブラック等の顔料を混入させた黒色ホトレジストを用いることができる。更に、絶縁体１４としては、ポリイミド等の樹脂やノンドープの絶縁性シリカ溶液等を用いることも可能である。この場合、ポリイミド等の樹脂やノンドープの絶縁性シリカ溶液をスピンコートにより溝１１内に導入し、ベーキングすることによって、溝１１内に絶縁体１４を埋設すればよい。また、パターン配線をトレンチ部１０（絶縁体１４）上に沿うように配置しても（這わせても）よい。
【００２２】
ここで、図２に示すように、トレンチ部１０は、各第２導電型半導体層３、及び、チャンネルストッパ層４の各第２導電型半導体層３を取り囲む部位４ｃの周囲のほぼ全体を囲んでいるが、各第２導電型半導体層３および部位４ｃの周囲を完全には囲んでいない。すなわち、図２に示すように、各第２導電型半導体層３の互いに対向し合う２つの縁部に対しては、各１箇所ずつトレンチ部１０が存在しないトレンチ非存在部９が形成されている。そして、これら各トレンチ非存在部９を介して、チャンネルストッパ層４の互いに隣り合う第２導電型半導体層３に対応する部位４ｃ同士は電気的に連続している。
【００２３】
このように、各第２導電型半導体層３の周囲の少なくとも一個所にトレンチ非存在部９を設ければ、チャンネルストッパ層４の互いに隣り合う第２導電型半導体層３に対応する部位４ｃ同士を連続させることができる。従って、各第２導電型半導体層３ごとに電極（カソード）Ｅｃを設ける必要はなくなり、図２に示すように、電極Ｅｃの個数を低減可能となる（本実施形態では、１体）。この結果、カソード用の配線を半導体基板２上で引き回す必要がなくなるので、開口率を高めることが可能となると共に、組立効率を向上させることができる。
【００２４】
このように構成されたホトダイオードアレイ１において、半導体基板２の裏面２ｕ側から光が入射すると、入射光に感応してキャリア（電子・正孔）が発生する。そして、発生したキャリアは、半導体基板２内の電界に従って移動し、その一方は、ｎ＋型のチャンネルストッパ層４を介してカソードとなる電極Ｅｃから、他方は、第２導電型半導体層３と接続されたアノードとなる電極Ｅａから取り出され、電極パッドを介して外部に出力される。
【００２５】
ここで、上述したように、このホトダイオードアレイ１では、トレンチ部１０が、チャンネルストッパ層４よりも他面側に延びており、各ホトダイオードの周囲は、トレンチ非存在部９を除いて、トレンチ部１０によって概略取り囲まれている。従って、トレンチ部１０によって、半導体基板２の裏面２ｕから入射した光によって発生したキャリアの互いに隣り合うホトダイオード間における移動が規制される。この結果、ホトダイオードアレイ１では、アノードとなる電極Ｅａやカソードとなる電極Ｅｃを含むパターン配線を表面２ｓ側に集めても、クロストークの発生を良好に抑制することが可能となる。
【００２６】
さて、上述したホトダイオードアレイ１を用いることにより、高い撮像精度を有する固体撮像装置や、高い解像度を得ることができる放射線検出器を容易に構成することができる。例えば、放射線検出器を構成する場合には、図３に示すように配線基板１５を用意する。配線基板１５は、ガラスエポキシ基板や可撓性基板上に配線パターンを施したものである。この配線基板１５上に、図４に示すように、複数（この場合、４体）のホトダイオードアレイ１を配置する。すなわち、ホトダイオードアレイ１の表面２ｓ側に設けられている配線パターンをバンプ１６（図５参照）を介して配線基板１５の配線パターンに対して電気的に接続する。更に、配線基板１５と各ホトダイオードアレイ１との間の隙間に絶縁性樹脂等を充填すれば、放射線検出器全体の機械的強度を向上させることができる。
【００２７】
各ホトダイオードアレイ１を配線基板１５に装着したならば、図５に示すように、各ホトダイオードアレイ１の裏面２ｕ側にシンチレータ１７を固定し、これにより、放射線検出器２０が完成する。上述したように、ホトダイオードアレイ１では、配線パターン（電極）が表面２ｓ側に集められていることから、ホトダイオードアレイ１の裏面２ｕ側は、電極等の出っ張りの存在しない平坦な状態となっている。従って、ホトダイオードアレイ１の裏面２ｕ側にシンチレータ１７を極めて容易かつ確実に取り付けることが可能となる。また、ホトダイオードアレイ１とシンチレータ１７とを極めて接近させた状態に維持可能となるので、放射線検出器２０は、高い空間分解能（解像度）を有することになる。なお、シンチレータ１７としては、図５に示すように、すべてのホトダイオードアレイ１の全体を覆うものを用いてもよく、また、１体のホトダイオードアレイ１のみを覆うものを複数用いてもよい。
【００２８】
図６に、本発明によるホトダイオードアレイの第１実施形態における変形例を示す。同図に示すホトダイオードアレイ１Ａは、基本構成をそのままに、図１および図２に示したホトダイオードアレイ１を多画素化したものであり、この例では、４×４＝１６個のホトダイオードを備える。このホトダイオードアレイ１Ａのように、多画素化した場合であっても、各ホトダイオードの周囲の少なくとも一個所にトレンチ非存在部９を設ければ、チャンネルストッパ層４の互いに隣り合うホトダイオードに対応する部位４ｃ同士を連続させることができる。従って、各ホトダイオードごとに電極（カソード）Ｅｃを設ける必要はなくなり、図６に示すように、電極Ｅｃの個数を低減可能となる（この例では、４体）。この結果、開口率を高めることが可能となると共に、組立効率を向上させることができる。
【００２９】
図７および図８に本発明によるホトダイオードアレイの第２実施形態を示す。なお、上述した第１実施形態に関して説明した要素と同一の要素については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。これらの図面に示すホトダイオードアレイ１Ｂでは、半導体基板２に対して、トレンチ部１０が各ホトダイオードごとに複数設けられており、各トレンチ部１０は、各ホトダイオードの周囲のみを概略囲むように形成されている。そして、図７に示すように、各ホトダイオードの何れか一の縁部（外周の一辺）に対して、各１箇所ずつトレンチ部１０が存在しないトレンチ非存在部９が形成されており、各トレンチ非存在部９を介して、チャンネルストッパ層４の互いに隣り合うホトダイオードに対応する部位４ｃ同士が（電気的に）連続している。
【００３０】
このような構成を採用しても、チャンネルストッパ層４の互いに隣り合うホトダイオードに対応する部位４ｃ同士を電気的に連続させることができる。従って、各ホトダイオードごとに電極（カソード）Ｅｃを設ける必要はなくなり、図７に示すように、電極Ｅｃの個数を低減可能となる（本実施形態では、１体）。この結果、カソード用の配線を半導体基板２上で引き回す必要がなくなり、開口率を高めることが可能となると共に、組立効率を向上させることができる。
【００３１】
また、ホトダイオードアレイ１Ｂにおいても、図８に示すように、各トレンチ部１０は、チャンネルストッパ層４よりも他面側に延びており、各ホトダイオードの周囲は、トレンチ非存在部９を除いて、トレンチ部１０によって概略取り囲まれている。従って、トレンチ部１０によって、半導体基板２の裏面２ｕから入射した光によって発生したキャリアの互いに隣り合うホトダイオード間における移動が規制される。この結果、ホトダイオードアレイ１Ｂでは、アノードとなる電極Ｅａやカソードとなる電極Ｅｃを含むパターン配線を表面２ｓ側に集めても、クロストークの発生を良好に抑制することが可能となる。
【００３２】
図１１に本発明によるホトダイオードアレイの第３実施形態を示す。なお、上述した第１実施形態等に関して説明した要素と同一の要素については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１１に示すホトダイオードアレイ１Ｄでは、上述した第２実施形態に係るホトダイオードアレイ１Ｂと同様に、半導体基板２に対して、トレンチ部１０が各ホトダイオードごとに複数設けられており、各トレンチ部１０は、各ホトダイオードの周囲のみを概略囲むように形成されている。一方、このホトダイオードアレイ１Ｄは、トレンチ非存在部９が、各ホトダイオードの何れか一のコーナ部（本実施形態では、図中左上のコーナ部）に対応するように設けられている点で、第２実施形態に係るホトダイオードアレイ１Ｂと異なる。この場合も、各トレンチ非存在部９を介して、チャンネルストッパ層４の互いに隣り合うホトダイオードに対応する部位４ｃ同士が電気的に連続している。
【００３３】
このような構成を採用しても、チャンネルストッパ層４の互いに隣り合うホトダイオードに対応する部位４ｃ同士を電気的に連続させることができる。従って、各ホトダイオードごとに電極（カソード）Ｅｃを設ける必要はなくなり、図１１に示すように、電極Ｅｃの個数を低減可能となる（本実施形態では、１体）。この結果、カソード用の配線を半導体基板２上で引き回す必要がなくなり、開口率を高めることが可能となると共に、組立効率を向上させることができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によるホトダイオードアレイは、以上説明したように構成されているため、次のような効果を得る。すなわち、本発明によるホトダイオードアレイは、第１導電型半導体基板の一面側に第２導電型半導体層を複数有し、半導体基板と第２導電型半導体層によりホトダイオードが形成され、半導体基板の他面側から被検出光を入射させるものであり、半導体基板の一面側に設けられており、半導体基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のチャンネルストッパ層と、各ホトダイオードの周囲を概略囲むように半導体基板の一面側に設けられており、チャンネルストッパ層よりも他面側に延びるトレンチ部とを備え、各ホトダイオードの周囲の少なくとも一個所には、トレンチ部が存在しないトレンチ非存在部が形成されており、これら各トレンチ非存在部を介して、チャンネルストッパ層の互いに隣り合うホトダイオードに対応する部位同士が連続している。従って、このホトダイオードでは、電極や配線を一方の面側に集めてもクロストークの発生を良好に抑制することができる。そして、このような本発明によるホトダイオードアレイを用いれば、高い撮像精度を有する固体撮像装置、及び、高い解像度を得ることができる放射線検出器の実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるホトダイオードアレイを示す断面図である。
【図２】図１のホトダイオードアレイを光入射側から見た平面図である。
【図３】本発明によるホトダイオードアレイを装着可能な配線基板の一例を示す平面図である。
【図４】本発明によるホトダイオードアレイを基板上に装着した状態を示す平面図である。
【図５】本発明によるホトダイオードアレイの使用例を説明する断面図である。
【図６】本発明によるホトダイオードアレイの第１実施形態における変形例を示す断面図である。
【図７】本発明によるホトダイオードアレイの第２実施形態を示す断面図である。
【図８】図７のホトダイオードアレイを光入射側から見た平面図である。
【図９】本発明によるホトダイオードアレイの第２実施形態における変形例を示す断面図である。
【図１０】図９のホトダイオードアレイを光入射側から見た平面図である。
【図１１】本発明によるホトダイオードアレイの第３実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…ホトダイオードアレイ、２…半導体基板、２ｓ…表面、２ｕ…裏面、３…第２導電型半導体層、４…チャンネルストッパ層、５…絶縁層、６…アキュムレーション層、７…保護層、８…遮光膜、９…トレンチ非存在部、１０…トレンチ部、１１…溝、１２…絶縁層、１４…絶縁体、１５…配線基板、１６…バンプ、１７…シンチレータ、２０…放射線検出器、Ｅａ，Ｅｃ…電極。
【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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